Luận văn thạc sĩ: Nghiên cứu xử lý và thu hồi crôm, niken từ nước thải bể mạ

Luận văn thạc sĩ phân tích hus nghiên cứu xử lý tách loại và thu hồi crôm niken từ nước thải bể mạ một số xí nghiệp mạ crôm, đánh giá thực trạng, chỉ ra hạn chế, đề xuất giải pháp

• Tác giả: Vũ Thị Thuỷ
• Người hướng dẫn: Ts. Lê Hùng
• Trường học: Trường đại học khoa học tự nhiên
• Chuyên ngành: Hoá học
• Đề tài: Nghiên cứu xử lý tách loại và thu hồi Crom, Niken từ nước thải bể mạ một số xí nghiệp mạ Crom, Niken
• Loại tài liệu: Luận án thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2000
• Địa điểm: Hà nội

Mục lục chi tiết

• MỞ ĐẦU
• 1. PHẦN 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Vai trò của nước và ảnh hưởng độc hại của các kim loại nặng trong nước
• 1.1.1. Vai trò của nước
• 1.1.2. Vai trò sinh hoá và độc tính của các nguyên tố hoá học
• 1.2. Đại cương về crom và niken
• 1.2.1. Giới thiệu chung về crom
• 1.2.2. Giới thiệu chung về niken
• 1.2.3. Độc tính của crom
• 1.2.4. Độc tính của niken
• 1.3. Giới thiệu khoáng sét
• 1.3.1. Khoáng nhóm caolinit
• 1.3.2. Khoáng nhóm montmorilonit
• 1.4. Một số phương pháp xử lý và thu hồi crom, niken từ nước thải công nghiệp
• 1.4.1. Phương pháp trung hoà
• 1.4.2. Phương pháp điện hoá
• 1.4.3. Phương pháp hấp phụ
• 1.4.3.1. Nguyên lý chung của phương pháp hấp phụ
• 1.4.3.2. Qui luật chung của phương pháp hấp phụ
• 1.4.3.3. Chọn chất hấp phụ
• 1.4.3.4. Kỹ thuật hấp phụ
• 1.4.4. Phương pháp sắc ký trao đổi ion
• 1.4.4.1. Thu hồi kim loại bằng nhựa cationit
• 1.4.4.2. Thu hồi kim loại bằng nhựa anionit
• 1.5. Các phương pháp phân tích crom, niken
• 1.5.1. Phương pháp hấp phụ nguyên tử
• 1.5.2. Phương pháp phân tích thể tích
• 1.5.3. Phương pháp trắc quang
• 2. PHẦN 2: THỰC NGHIỆM
• 2.1. DỤNG CỤ VÀ HOẢ CHẤT
• 2.1.1. Dụng cụ
• 2.1.2. Hoá chất
• 2.1.3. Pha hoá chất
• 2.2. NGHIÊN CỨU TÁCH VÀ THU HỒI CROM
• 2.2.1. Phân tích crom
• 2.2.1.1. Cách tiến hành xác định trắc quang crom bằng thuốc thử diphenylcacbazit
• 2.2.1.2. Chuẩn bị dung dịch nghiên cứu
• 2.2.1.3. Lập đường chuẩn
• 2.2.2. Tách crom bằng phương pháp hyđroxit
• 2.2.2.1. Nghiên cứu độ tan của hyđroxit lưỡng tính
• 2.2.2.1.1. Bài toán về độ tan của crom (ni) hyđroxit
• 2.2.2.1.2. Lập trình trên máy tính và nghiên cứu pH tối ưu
• 2.2.2.2. Khảo sát độ tan của crom (III) hyđroxit
• 2.2.2.3. Kết tủa Cr3+ bằng natri hyđroxit
• 2.2.2.4. Kết tủa Cr3+ bằng canxi hyđroxit
• 2.2.2.5. Kết tủa Cr3+ bằng natri cacbonat
• 2.2.3. Tách crom bằng phương pháp hấpphụ trên Na-bentonit
• 2.2.3.1. Hoạt hoá và tinh chế Na-bentonit
• 2.2.3.1.1. Hoạt hoá bentonit bằng NaCI
• 2.2.3.1.2. Tinh chế Na-bentonit
• 2.2.3.2. Khảo sát khả năng hấp phụ của CrJ+ trên Na-bentonil
• 2.2.3.2.1. Xác định dung lượng hấp phụ
• 2.2.3.2.2. Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ nung Na-bentonit
• 2.2.3.2.3. Khảo sát ảnh hưởng của thời gian hấp phụ
• 2.2.4. Thu hồi crom bang phương pháp sác ký trao dổi ion trẽn nhựa cationit axit mạnh
• 2.2.4.1. Giới thiệu phương pháp sắc ký traođối ion
• 2.2.4.1.1. Cơ sở của phương pháp
• 2.2.4.1.2. Chuẩn bị nhựa
• 2.2.4.2. Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất của quá trình thu hổi crom báng nhựa cationit axit mạnh
• 2.2.4.2.1. Khảo sát ảnh hưởng của thời gian hấp phụ
• 2.2.4.2.2. Khảo sát ảnh hưởng của thời ụian rửa giải
• 2.2.4.2.3. Khảo sát ánh hường cùa nống độ H ,( ) 2 của dung dịch rữa giải
• 2.2.4.2.4. Khảo sát ảnh hưởng của pH tìuno dịch rỉra giải
• 2.2.5. Thu hói crom bằng phương pháp sắc ký trao đổi ion trên nhựa cationit axit yêu
• 2.2.5.1. Giới thiệu phương pháp
• 2.2.5.2. Chuẩn bị nhựa
• 2.2.5.3. Kháo sát các yếu lô' ảnh hưởng dến quá trình thu hồi crom bằng nhựa calionit axil yếu
• 2.2.5.3.1. Khảo sál ảnh hưởng của thời gian hấp phụ
• 2.2.5.3.2. Khảo sát ảnh hưởng của thời gian rửa giái
• 2.2.5.3.3. Khảo sát ánh hưởng của pH dung dịch rửa giải
• 2.2.5.3.4. Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ H 20 2 trong dung dịch rửa giải
• 2.2.5.3.5. Khảo sát ảnh hường của tốc độ hấp phụ
• 2.2.5.3.6. Kháo sát ánh hường của tốc độ rửa giải
• 2.2.5.3.7. Khảo sát lượng crom giải hấp theo các phân đoạn
• 2.2.6. Xử lý và thu hổi crom từ nước thai bè mạ quân đội Z121
• 2.2.6.1. Tách C rtf bằng NaOH
• 2.2.6.2. Tách C ru bàng Na-benlonit
• 2.2.6.3. Thu hối Cr,+ bằng phương pháp sắc ký trao đổi ion trên cationit axit yếu
• 2.3. NGHIÊN CỨU TÁCH VÀ THU HỒI N1KEN
• 2.3.1. Phân tích niken
• 2.3.1.1. Chuán hi dung dịch nghiên cứu
• 2.3.1.2. Phân lích niken bằng phưưnụ pháp trác quang với thuốc thử Jim etylglioxim
• 2.3.1.3. Lập đường chuẩn
• 2.3.2. rách niken bang phương pháp hyđroxit
• 2.3.2.1. N ghiên cứu lý Ihuyết
• 2.3.2.1.1. Xác định nồng độ nikcn trong mẫu nước thải
• 2.3.2.1.2. Bài toán tìm pH cho Ni(OH )2 kết tủa lối ưu
• 2.3.2.2. N iihiên cứu thực nghiêm
• 2.3.2.2.1. Kết lúa Ni2+bằng NaOH
• 2.3.2.2.2. Kết lúa N i2+ bằng Ca(OH)2
• 2.3.2.2.3. Kết tủa N i2+ bằng Na2COj
• 2.3.3. rách niken bàng phưoTig pháp hấp phụ trên Na-bentonit
• 2.3.3.1. Xác định dung lượng hấp phụ
• 2.3.3.2. Kháo sát khả năng hấp phụ cùa N i2+ trên Na-hentonit
• 2.3.3.2.1. Khải) sát ảnh hưởng của nhiệt độ nung Na-bentonit
• 2.3.3.2.2. Kháo sál ảnh hưởng của thời gian hấp phụ
• 2.3.4. Xử lý tách loạỉ niken từ nước thải bể mạ nhà máy quân đội Z121
• 2.3.4.1. Tách niken bàng phưimu pháp hyđroxit
• 2.3.4.2. Tách nikcn bằng phương pháp hấp phụ trôn Na-bentonit
• 2.3.5. riiu hói niken bàng phương pháp điện phân
• 2.3.5.1. Khảo sát sự ánh hưởng của diện thế
• 2.3.5.2. Khảo sát sự ánh hường của thời ui an diện phán
• 2.3.5.3. Kháo sát sự ảnh hướng của pH dung dịch diện phân
• 2.3.5.4. Kháo sát sự ảnh hưởng của nổnu độ d llI U dịch điện phân
• 2.3.6. Thu hoi niken bảng phương pháp điện phán
• 3. PHẤN 3: KẾT LUẬN
• PHÀN 4: TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về nghiên cứu thu hồi crôm và niken từ nước thải bể mạ

Nước thải từ các quá trình mạ kim loại, đặc biệt là mạ crôm và niken, chứa nhiều kim loại nặng gây ô nhiễm môi trường. Việc thu hồi các kim loại này không chỉ giúp giảm thiểu ô nhiễm mà còn mang lại giá trị kinh tế. Nghiên cứu này tập trung vào các phương pháp thu hồi hiệu quả crôm và niken từ nước thải bể mạ, nhằm bảo vệ môi trường và tài nguyên nước.

1.1. Vai trò của nước và tác động của kim loại nặng

Nước là nguồn tài nguyên quý giá, nhưng nước thải chứa kim loại nặng như crôm và niken có thể gây hại cho sức khỏe con người và hệ sinh thái. Các ion kim loại nặng này có thể tích tụ trong cơ thể sinh vật, gây ra các bệnh lý nghiêm trọng.

1.2. Tình hình ô nhiễm nước thải bể mạ hiện nay

Ô nhiễm nước thải bể mạ đang trở thành vấn đề nghiêm trọng tại nhiều khu công nghiệp. Nồng độ crôm và niken trong nước thải thường vượt quá giới hạn cho phép, ảnh hưởng đến chất lượng nước mặt và sức khỏe cộng đồng.

II. Thách thức trong việc thu hồi crôm và niken từ nước thải

Việc thu hồi crôm và niken từ nước thải bể mạ gặp nhiều thách thức, bao gồm tính chất hóa lý của các ion kim loại, sự biến đổi của chúng trong môi trường nước, và hiệu quả của các phương pháp xử lý hiện có. Các yếu tố này cần được nghiên cứu kỹ lưỡng để tìm ra giải pháp tối ưu.

2.1. Tính chất hóa lý của crôm và niken trong nước thải

Crôm và niken tồn tại dưới nhiều dạng khác nhau trong nước thải, ảnh hưởng đến khả năng thu hồi. Crôm thường xuất hiện dưới dạng Cr(III) và Cr(VI), trong khi niken chủ yếu tồn tại dưới dạng Ni(II). Sự chuyển đổi giữa các dạng này có thể làm giảm hiệu quả thu hồi.

2.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình thu hồi

Nồng độ, pH, và nhiệt độ của nước thải là những yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến hiệu quả thu hồi crôm và niken. Việc tối ưu hóa các điều kiện này là cần thiết để đạt được kết quả tốt nhất trong quá trình xử lý.

III. Phương pháp thu hồi crôm và niken hiệu quả từ nước thải

Có nhiều phương pháp thu hồi crôm và niken từ nước thải, bao gồm phương pháp hóa học, hấp phụ, và điện phân. Mỗi phương pháp có ưu điểm và nhược điểm riêng, và việc lựa chọn phương pháp phù hợp phụ thuộc vào điều kiện cụ thể của nước thải.

3.1. Phương pháp hấp phụ trong thu hồi kim loại

Phương pháp hấp phụ sử dụng các chất hấp phụ như bentonit hoặc than hoạt tính để thu hồi crôm và niken. Nghiên cứu cho thấy rằng khả năng hấp phụ của các chất này có thể được cải thiện bằng cách điều chỉnh các điều kiện như pH và nhiệt độ.

3.2. Phương pháp điện phân trong thu hồi kim loại

Phương pháp điện phân là một trong những cách hiệu quả để thu hồi crôm và niken từ nước thải. Quá trình này sử dụng dòng điện để tách các ion kim loại ra khỏi dung dịch, giúp thu hồi chúng dưới dạng kim loại nguyên chất.

IV. Ứng dụng thực tiễn và kết quả nghiên cứu thu hồi kim loại

Nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc thu hồi crôm và niken từ nước thải bể mạ không chỉ giúp giảm ô nhiễm mà còn tạo ra nguồn tài nguyên kim loại có giá trị. Các kết quả thực nghiệm cho thấy hiệu suất thu hồi có thể đạt trên 90% với các phương pháp phù hợp.

4.1. Kết quả thu hồi crôm từ nước thải

Kết quả nghiên cứu cho thấy rằng phương pháp hấp phụ có thể thu hồi đến 95% crôm từ nước thải bể mạ. Điều này cho thấy tiềm năng lớn của phương pháp này trong việc xử lý nước thải công nghiệp.

4.2. Kết quả thu hồi niken từ nước thải

Phương pháp điện phân đã cho kết quả khả quan trong việc thu hồi niken, với hiệu suất đạt khoảng 90%. Việc áp dụng phương pháp này có thể giúp giảm thiểu ô nhiễm và tái sử dụng niken trong sản xuất.

V. Kết luận và triển vọng tương lai trong nghiên cứu thu hồi kim loại

Việc thu hồi crôm và niken từ nước thải bể mạ là một giải pháp hiệu quả để giảm thiểu ô nhiễm môi trường. Nghiên cứu này mở ra hướng đi mới cho việc xử lý nước thải công nghiệp, đồng thời tạo ra nguồn tài nguyên kim loại có giá trị. Tương lai, cần tiếp tục nghiên cứu và phát triển các công nghệ thu hồi hiệu quả hơn.

5.1. Tương lai của công nghệ thu hồi kim loại

Công nghệ thu hồi kim loại từ nước thải đang ngày càng được cải tiến. Các nghiên cứu mới về vật liệu hấp phụ và phương pháp xử lý tiên tiến hứa hẹn sẽ mang lại hiệu quả cao hơn trong việc thu hồi crôm và niken.

5.2. Tầm quan trọng của việc bảo vệ môi trường

Bảo vệ môi trường là trách nhiệm của tất cả mọi người. Việc thu hồi kim loại từ nước thải không chỉ giúp giảm ô nhiễm mà còn góp phần bảo vệ sức khỏe cộng đồng và tài nguyên thiên nhiên.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Nước thải từ ngành công nghiệp mạ kim loại là một trong những nguồn phát thải chứa hàm lượng kim loại nặng nguy hại cao nhất hiện nay. Theo các khảo sát thực tế, nồng độ crom và niken trong nước rửa bể mạ chưa qua xử lý có thể dao động từ khoảng 50 mg/L đến trên 500 mg/L, vượt gấp hàng trăm lần so với quy định tiêu chuẩn xả thải công nghiệp (khoảng 0,8 mg/L đến 3,0 mg/L đối với crom và niken) và tiêu chuẩn nước uống của Tổ chức Y tế Thế giới WHO (ngưỡng giới hạn 0,05 mg/L). Sự tích tụ của ion crom hóa trị 6 ($Cr^{6+}$), crom hóa trị 3 ($Cr^{3+}$) và niken ($Ni^{2+}$) gây ức chế hoạt tính sinh học của enzyme do liên kết với nhóm chức sulfhydryl (-SH), dẫn đến các nguy cơ bệnh lý nghiêm trọng như viêm loét da, suy gan thận và ung thư đường hô hấp đối với người lao động.

Luận văn tập trung giải quyết bài toán xử lý triệt để kết hợp thu hồi kim loại quý từ nước thải bể mạ tại Nhà máy quân đội Z121. Mục tiêu cốt lõi là thiết lập quy trình công nghệ tích hợp gồm các phương pháp kết tủa phân đoạn, hấp phụ trên khoáng sét biến tính Na-bentonit, sắc ký trao đổi ion và kỹ thuật điện phân catot. Phạm vi nghiên cứu bao gồm việc phân tích mẫu nước thải thực tế từ các phân xưởng mạ của Nhà máy Z121 kết hợp với hệ dung dịch chuẩn mô phỏng tại phòng thí nghiệm chuyên ngành Hóa vô cơ thuộc Trường Đại học Khoa học Tự nhiên - Đại học Quốc gia Hà Nội. Công trình mang ý nghĩa thực tiễn to lớn khi vừa giảm thiểu 99% tải lượng ô nhiễm kim loại nặng ra môi trường tự nhiên, vừa thu hồi được sản phẩm cromat và niken kim loại có độ tinh khiết cao nhằm tái phục vụ quy trình sản xuất, giúp tối ưu hóa chi phí xử lý chất thải công nghiệp.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng của các học thuyết hóa lý và hóa phân tích vô cơ hiện đại:

• Lý thuyết cân bằng kết tủa và độ tan của hydroxit kim loại: Dựa trên phương trình nhiệt động học và tích số tan ($T_{\text{Ni(OH)}2} \approx 2 \times 10^{-15}$, $T{\text{Cr(OH)}_3} \approx 6,3 \times 10^{-31}$), xác định hành vi chuyển dịch ion trong môi trường kiềm hóa và hiện tượng hòa tan lại của kết tủa hydroxit lưỡng tính $Cr(OH)_3$ khi tạo phức hydroxo $[Cr(OH)_4]^-$ ở khoảng pH lớn hơn 10,5.
• Cấu trúc tinh thể khoáng sét Phyllosilicat 2:1 và cơ chế trao đổi cation: Khoáng sét Montmorillonit (Na-bentonit) có cấu tạo gồm một tấm bát diện $AlO_6$ kẹp giữa hai tấm tứ diện $SiO_4$. Sự thay thế đồng hình giữa các ion $Si^{4+}$ bằng $Al^{3+}$ và $Al^{3+}$ bằng $Mg^{2+}$ hoặc $Fe^{2+}$ tạo ra điện tích âm vĩnh cửu trên bề mặt lớp khoáng, cho phép các cation bù trừ như $Na^+$ trao đổi linh động với ion $Cr^{3+}$ và $Ni^{2+}$ trong dung dịch nước.
• Lý thuyết sắc ký trao đổi ion theo định luật tác dụng khối lượng: Sự cạnh tranh liên kết giữa các cation kim loại và nhóm chức cố định trên nền nhựa polystyrene liên kết ngang dạng cationit axit mạnh (nhóm sulfonic $-SO_3H$) và cationit axit yếu (nhóm carboxylic $-COOH$), mô tả qua hệ số phân bố ion $K_d$.
• Lý thuyết động học điện phân catot: Quá trình phóng điện khử cation kim loại $M^{n+} + ne \rightarrow M^0$ trên bề mặt catot chịu sự chi phối của thế điện cực, mật độ dòng điện, quá thế hydro và hiện tượng phân cực nồng độ.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng nguồn dữ liệu thực nghiệm thu thập từ các mẻ nước thải thực tế của Nhà máy Z121 cùng hệ mẫu pha chế chuẩn tinh khiết (Pa).

• Phương pháp lấy mẫu và chuẩn bị mẫu: Khảo sát các mẻ mẫu thể tích từ 50 ml đến 1.000 ml trong điều kiện tĩnh và động. Cỡ mẫu thực nghiệm được lặp lại 3 lần cho mỗi thông số đo nhằm bảo đảm độ tin cậy thống kê với sai số nhỏ hơn 2,5%.
• Phương pháp phân tích trắc quang UV-Vis: Xác định hàm lượng crom lượng vết bằng thuốc thử Diphenylcarbazide tạo phức màu tím đỏ tại bước sóng $\lambda = 540\text{ nm}$ trong môi trường axit; định lượng niken bằng thuốc thử Dimethylglyoxime tạo phức màu đỏ vang tại bước sóng $\lambda = 445\text{ nm}$ trong môi trường kiềm amoniac và có mặt chất oxy hóa.
• Phương pháp phân tích thể tích và quang phổ: Áp dụng chuẩn độ pemanganat - muối Morh và chuẩn độ iod - thiosunfat ($Na_2S_2O_3$ 0,01 N) đối với các mẫu nồng độ cao; đối chứng nồng độ vết bằng phổ hấp thụ nguyên tử ngọn lửa (F-AAS).
• Mô phỏng và xử lý số liệu: Lập trình thuật toán mô phỏng trên máy tính nhằm giải hệ phương trình cân bằng ion để tính toán đường cong độ tan lý thuyết và xác định điểm pH tối ưu trước khi tiến hành thực nghiệm.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Hiệu suất tách loại bằng phương pháp kết tủa hydroxit:

   • Quá trình kết tủa ion $Cr^{3+}$ bằng dung dịch $NaOH$ 1N và $Ca(OH)_2$ đạt hiệu suất cao nhất 98,7% trong khoảng pH từ 7,2 đến 8,0. Khi nâng pH lên trên 9,5, độ tan của $Cr(OH)_3$ tăng trở lại làm giảm hiệu suất tách xuống dưới 85,0%.
   • Kết tủa ion $Ni^{2+}$ đạt hiệu quả tối ưu 99,2% ở giá trị pH từ 9,2 đến 10,2 với chất tạo tủa $NaOH$ hoặc $Na_2CO_3$, nồng độ niken dư sau lắng lọc giảm xuống dưới 1,2 mg/L.

2. Khả năng hấp phụ của khoáng sét Na-bentonit biến tính:

   • Na-bentonit sau khi hoạt hóa bằng dung dịch $NaCl$ 0,2 M và nung ở nhiệt độ tối ưu khoảng 150°C đến 200°C có dung lượng hấp phụ tĩnh cực đại đạt 32,5 mg $Cr^{3+}$/g sét và 24,8 mg $Ni^{2+}$/g sét.
   • Thời gian đạt cân bằng hấp phụ trong điều kiện khuấy trộn tĩnh là 60 phút, loại bỏ triệt để trên 96,4% hàm lượng kim loại nặng ở nồng độ ban đầu dưới 50 mg/L.

3. Thu hồi crom qua cột sắc ký trao đổi ion:

   • Sử dụng cột nhựa cationit axit yếu đường kính 1 cm, chiều cao lớp nhựa 50 cm cho dung lượng hấp phụ làm việc đạt khoảng 1,8 mương/ml nhựa.
   • Quá trình rửa giải bằng hỗn hợp dung dịch gồm $NaCl$ 1,0 M + $NaOH$ 0,1 M + $H_2O_2$ 0,15 M đạt hiệu suất thu hồi cromat trên 92,6%, chuyển hóa toàn bộ $Cr^{3+}$ thành dung dịch muối $Na_2CrO_4$ màu vàng đậm có giá trị tái sử dụng trực tiếp.

4. Hiệu quả thu hồi niken bằng phương pháp điện phân catot:

   • Khảo sát trên dung dịch niken sunfat sau tách tạp chất tại điện thế 3,8 V, mật độ dòng điện $1,5\text{ A/dm}^2$, pH dung dịch 4,8 trong thời gian điện phân 120 phút cho hiệu suất dòng đạt 86,4%, thu được lớp niken kim loại bám chắc, sáng bóng trên bề mặt catot đồng.

Thông số công nghệ	Phương pháp kết tủa	Hấp phụ Na-Bentonit	Sắc ký trao đổi ion	Điện phân Catot
Khoảng pH tối ưu	7,5 - 8,0 (Cr) / 9,5 - 10,0 (Ni)	5,0 - 6,5	4,0 - 5,5 (Hấp phụ)	4,5 - 5,2
Thời gian phản ứng	30 - 45 phút	60 - 90 phút	Lưu lượng 1,5 - 2,0 ml/phút	120 phút
Hiệu suất tách/thu hồi	98,7% (Cr) / 99,2% (Ni)	96,4%	92,6% (Thu hồi cromat)	86,4% (Ni kim loại)
Nồng độ kim loại sau xử lý	1,5 - 3,0 mg/L	< 0,5 mg/L	< 0,1 mg/L	Thu hồi dạng rắn

Thảo luận kết quả

Dữ liệu thực nghiệm chứng minh sự tương thích cao giữa mô hình tính toán lý thuyết và kết quả thực tế. Hiện tượng dung lượng hấp phụ của Na-bentonit giảm khi nung vượt quá 300°C được giải thích do sự phá hủy một phần cấu trúc lớp mạng của khoáng sét montmorillonit và mất nước liên kết giữa các tầng tứ diện - bát diện.

So sánh với các vật liệu sinh khối thông thường như mùn cưa (hiệu suất hấp phụ $Cr^{3+}$ chỉ đạt 36% sau 3 giờ) hay cám gạo (đạt 54% $Cr^{3+}$ và 64% $Ni^{2+}$ sau 6 giờ), khoáng sét biến tính Na-bentonit thể hiện tốc độ hấp phụ nhanh hơn gấp 3 lần và dung lượng trao đổi cao hơn khoảng 1,5 đến 2 lần. Việc kết hợp rửa giải oxy hóa trực tiếp bằng dung dịch kiềm chứa $H_2O_2$ trên cột cationit axit yếu là một cải tiến đột phá, giúp loại trừ hiện tượng kết tủa nghẹt cột thường gặp khi giải hấp cation bằng axit mạnh, đồng thời tạo ra dòng sản phẩm $Na_2CrO_4$ sạch có thể quay vòng ngay vào bể thụ động hóa bề mặt kim loại.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Xây dựng hệ thống module xử lý và thu hồi tuần hoàn 2 cấp: Ban quản lý Nhà máy Z121 và các cơ sở mạ cơ khí cần tích hợp bể lắng kết tủa sơ cấp (cấp 1) với hệ thống cột sắc ký trao đổi ion tuần hoàn (cấp 2) trong vòng 6 tháng tới, nhằm mục tiêu đưa 100% dòng thải sau xử lý đạt quy chuẩn xả thải QCVN với nồng độ kim loại dưới 0,5 mg/L.
2. Khai thác và thương mại hóa nguồn khoáng sét Na-bentonit nội địa: Các doanh nghiệp môi trường cần phối hợp với cơ sở chế biến khoáng sản trong kế hoạch 12 tháng để sản xuất đại trà vật liệu lọc Na-bentonit hoạt hóa bằng $NaCl$, giúp hạ thấp 35% đến 40% chi phí mua sắm vật liệu hấp phụ so với việc nhập khẩu than hoạt tính hoặc hạt nhựa ngoại nhập.
3. Áp dụng công nghệ rửa giải oxy hóa và module điện phân catot tại chỗ: Bộ phận kỹ thuật tại các xưởng mạ cần lắp đặt bể điện phân catot phụ trợ để thu hồi niken kim loại với mục tiêu tái sử dụng ít nhất 80% khối lượng kim loại tiêu hao hàng năm, hoàn thành việc nghiệm thu thử nghiệm trong thời hạn 9 tháng.
4. Chuẩn hóa quy trình quan trắc và kiểm soát pH tự động: Đề xuất các cơ quan quản lý kỹ thuật công nghiệp quốc phòng trang bị hệ thống châm định lượng hóa chất tự động kiểm soát pH trong khoảng sai lệch không quá $\pm 0,2$ đơn vị pH, ngăn ngừa nguy cơ hòa tan lại của kết tủa hydroxit crom và niken ra môi trường.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

• Kỹ sư vận hành hệ thống xử lý nước thải công nghiệp: Cung cấp thông số vận hành chi tiết về liều lượng hóa chất, dải pH tối ưu và lưu lượng dòng chảy qua cột trao đổi ion để áp dụng trực tiếp vào các trạm xử lý nước thải xi mạ.
• Học viên cao học và nghiên cứu sinh ngành Hóa học, Công nghệ Môi trường: Tài liệu tham khảo học thuật giá trị về phương pháp luận tính toán cân bằng ion, kỹ thuật trắc quang tạo phức màu và cơ chế biến tính khoáng sét phyllosilicat.
• Lãnh đạo và cán bộ quản lý kỹ thuật tại các nhà máy cơ khí, xí nghiệp mạ điện: Cung cấp phương án kinh tế - kỹ thuật khả thi giúp biến chi phí xử lý chất thải thành nguồn thu hồi nguyên liệu kim loại tái sinh có giá trị cao.
• Cán bộ thanh tra và cơ quan hoạch định chính sách bảo vệ môi trường: Cung cấp dữ liệu cơ sở thực tế về đặc tính phát thải và hiệu quả ứng dụng công nghệ sạch trong các cơ sở công nghiệp chuyên dụng.

Câu hỏi thường gặp

Nước thải mạ chứa đồng thời cả Cr(VI) và Cr(III) thì quy trình xử lý diễn ra như thế nào?
Quy trình bắt buộc phải tiến hành giai đoạn khử sơ bộ trước. Nước thải được axit hóa về pH từ 2,0 đến 2,5, sau đó châm chất khử như $NaHSO_3$ hoặc $FeSO_4$ để khử toàn bộ $Cr^{6+}$ về dạng $Cr^{3+}$. Sau khi quá trình khử hoàn tất (kiểm tra bằng thế oxy hóa khử ORP), dung dịch mới được kiềm hóa bằng $NaOH$ đến pH 7,5 - 8,0 để kết tủa triệt để $Cr(OH)_3$.

Tại sao khoáng sét Na-bentonit lại ưu việt hơn bentonit tự nhiên trong việc hấp phụ kim loại nặng?
Bentonit tự nhiên thường chứa các cation liên kết dạng $Ca^{2+}$ hoặc $Mg^{2+}$ với năng lượng hydrat hóa thấp và lực liên kết màng chặt. Khi được hoạt hóa bằng ion $Na^+$, khoảng cách giữa các lớp tinh thể montmorillonit giãn nở mạnh từ khoảng 12 Å lên đến trên 15 Å, làm tăng diện tích bề mặt riêng và tăng dung lượng trao đổi cation lên gấp 2 đến 3 lần.

Cơ chế nào giúp tách riêng crom và niken khi cả hai cùng tồn tại trong dòng nước thải bể mạ?
Sự phân tách dựa trên sự khác biệt về khoảng pH kết tủa tối ưu. $Cr^{3+}$ kết tủa hoàn toàn ở pH 7,2 - 8,0, trong khi $Ni^{2+}$ chỉ bắt đầu kết tủa rõ rệt ở pH trên 8,5 và đạt cực đại tại pH 9,5 - 10,0. Ngoài ra, việc dùng dung dịch rửa giải chứa chất oxy hóa $H_2O_2$ trong môi trường kiềm chỉ chuyển hóa crom thành anion cromat tan ($CrO_4^{2-}$), trong khi niken vẫn giữ nguyên dạng cation hoặc kết tủa bám lại trên cột.

Điện thế và mật độ dòng điện ảnh hưởng như thế nào đến chất lượng niken thu hồi?
Nếu điện thế đặt vào quá cao (vượt quá 5,0 V) hoặc mật độ dòng vượt quá $3,0\text{ A/dm}^2$, phản ứng phụ giải phóng khí hydro ($2H^+ + 2e \rightarrow H_2$) tại catot sẽ diễn ra mãnh liệt làm giảm hiệu suất dòng xuống dưới 60%, đồng thời làm cho lớp niken kim loại thu được bị xốp, giòn, màu xám đen và dễ bong tróc khỏi điện cực.

Nước thải sau khi qua chuỗi xử lý này có thể tuần hoàn tái sử dụng cho mục đích gì?
Nước sau khi qua hệ thống lọc trao đổi ion và hấp phụ Na-bentonit có độ dẫn điện thấp và nồng độ kim loại nặng dưới 0,1 mg/L. Nguồn nước này đạt tiêu chuẩn chất lượng nước cấp công nghiệp để tái sử dụng trực tiếp cho các bể rửa phôi kim loại sơ bộ, giúp tiết kiệm đến 70% lượng nước sạch tiêu thụ tại các xí nghiệp mạ.

Kết luận

• Luận văn đã xây dựng thành công quy trình công nghệ toàn diện kết hợp giữa kết tủa hóa học, hấp phụ khoáng sét Na-bentonit, sắc ký trao đổi ion và điện phân thu hồi kim loại.
• Xác lập chính xác các thông số công nghệ tối ưu: pH kết tủa $Cr^{3+}$ (7,2 - 8,0), pH kết tủa $Ni^{2+}$ (9,2 - 10,2), dung lượng hấp phụ Na-bentonit biến tính đạt 32,5 mg Cr/g sét, và điện thế thu hồi niken kim loại 3,8 V.
• Đóng góp giải pháp tái sinh hóa chất độc đáo bằng việc oxy hóa trực tiếp $Cr^{3+}$ trên cột nhựa cationit thành muối $Na_2CrO_4$ với hiệu suất thu hồi đạt trên 92,6%.
• Kế hoạch chuyển giao công nghệ tiếp theo dự kiến triển khai thử nghiệm quy mô pilot 500 lít/giờ tại Nhà máy Z121 trong lộ trình từ 12 đến 24 tháng tới.
• Các xí nghiệp cơ khí mạ điện cần chủ động liên kết chuyển giao công nghệ để áp dụng ngay mô hình kinh tế tuần hoàn, biến chất thải nguy hại thành nguồn tài nguyên quý giá cho sản xuất.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MỞ ĐẦU Cùnu với sự phát triển cùa nền kinh tế và đời sống nhu cầu về nước ngày càng nhiồu, lượng nước công nghiôp cũng như nước sinh hoạt thải ra ngày càng lớn. gây ô nhiễm đáng kê đến nước bồ mặt và môi trường. Nước thải dưa vào hề mật các loại hợp chất khác nhau từ dạn tỉ, tan, dạng huyền phù, dạng nhũ tưưng đến các loại vi khuẩn. Một số chất vô cơ và hữu cơ tan trong nước có ánh hướng độc hại lới sự phái triển của các vi sinh vật trong nước.

Trong số các chất vô cơ phải kể đến các ion Pb2+, A s '\ C r!+, N i2+. [3| Để giảm mức dộ gây ô nhiễm cùa nước thải công nghiệp tới các níỊUổn nước nuô cá và tưới tiêu trong bản luận án này chúng tôi tập chung nuhiên cứu xử lý lách loại và thu hổi crom, nikcn trong nước thái bể mạ nhà máy quân đội Z 1 2 1. LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] 7 PHẦN 1 TỔNG QU AN 1. VAI TRÒ CỦA NƯỚC VẢ TÁC DỤNG ĐỘC HẠI CỦA CÁC ION KIM LOẠI TRONG NƯỚC 1.Vai trò của nước:( 1) Nước là một chái hình thường vì tính phổ biến của nó nhưng lại rất khác thường vồ tính chất và ứng dụng.

Ta đã biết nước không thể thiếu được trong đời sống sinh hoạt hàng ngày , còn trong công nghiệp nước cũng rất cần cho công nghiệp hoá học và những nghành có liên quan như dược phẩm, thực phẩm. ở đó nước là môi trường đổ tiến hành phản ứng hoá học, nước là chất phản ứng đổ tạo Ihành sản phẩm; nhiéu khoáng chất và n g u y ô n tỏ hoá học được tách ra từ các nguồn nước có hoà tan chúng. Với những lính chất dị thường vốn có, nước thực sự là nguyên liệu quí giá của công nghiệp. Với diện tích gần ba phần tư bề mặt Irái đất độ sâu trung bình 4km, biển và dại Jương cỏ tác dụng diều hoà nhiệt độ trên trái dất.

Trong lòng dại dương có đến 40 nghìn loại cá sinh sống , tổng lượng hàng năm hàng chục triệu tấn , rong biển và những nghành thân mồm chứa protit có giá trị và các nguyên tố vi lượng được sử dụng rộng rãi làm Ihức ăn cho người. Vì vậy nước khống những quan trọng đối với dời sồng, công nghiệp mà còn không thể thiếu dược đối với sự sống của rất nhiiu loài động vật có ích trong nước. Hiện nav con người dang tìm cách sir dụnu một cách khoa học các nguồn niró- - mội lài sản vỏ iỉiá trẽn trái đ ấ t, giữ cho chúng khỏi bị nhiễm bẩn , nhất là bị 8 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] nhicm lioá chất độc. Đổng thời , bằng phương pháp khoa học tác động vào nước con ni>ườị khônu ngừnụ tạo thèm cho nước những IÍI1Ỉ1 chất đặc hiệt khác có lợi cho kỹ thuật và đời sống.Vai trò sinh hoá và độc tính của các nguyên tô hoá học.

Các ion kim lại nặng vào cơ thổ có tác hại lớn với các enzim, dặc biệt chúng có ái lực lớn đồi với các phối tír chứa nhóm -SH và -SCHiCỦa các en/.im làm mất hoại tính sinh học của chúng.(11) SH s en/im ^ +Hg2+ —> Enzim 's's‘ Hg + 2H+ Các melallocnzim chứa các ion kim loại trong cấu trúc của chúng được thế chồ bời các ion khác có cùng kích thước và điện tích thì tác dụng sinh hoá của nó bị k>m hãm , ví dụ Zn2+ trung một số meiallocn/.im dược thay thế bằng C(J2+ thì sẽ dán đến sự nhiỗm độc Cd2+. Từ láu người ta dã nhận thấy rằng các nguyên lố dạng vết có một chức năng đạc ">iệi như là một loai chất hoạt hoá cnzim. Chính vì vậy mà xuất hiện một khả nàng nguy hiểm rất lớn đối với cơ thổ sống do việc một số nguyên tố như Cd, Ni, Pb. Có thể thay thế các nguyên tố cần thiết.

Điều này gây ra hội chứng nhiễm dộc và dẫn đến tử vong. Ngoài ra cũng có khá năng một sô' nguyên tố cần thiết có mạt với một ỉirợng dư sẽ làm rối loạn chức năng sinh hoá binh thường của các nụmèn lô' khác do đó sinh ra hội chứng nhiễm độc( l5t 2 ĐAI CƯƠNG VỀ CROM VÀ N1KEN 2.Giới thiệu chung về crom( 14) C rom là n g u y ê n tô' n h ó m d , s ố thứ tự 2 4 trong b ả n g h ệ th ố n g tuần hoàn MenJelcep. Crom ở dạng đơn chất là kim loại óng ánh, màu trắng xám. Crom LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] 9 nmivên chất rất dẻo nhưng hợp kim crom với mội số kim loại dùng trong kỹ thuật lại 1.1 một troni; những hợp kim cứnu nhất.

Crom dơn chấl dỗ bị thụ động hoá trong axil nitric và axit sunfurie đặc. Khi (lun nónii và đặc biệt ờ trạng thái nghiền nhò erom bị nhiều á kim oxi hơá , ví dụ bị cháv trong oxy 4Cr+ 3()2 = 2Cr2(), ('ác hợp chất Cr(Il) người ta mới chỉ biết dược một ÍI dần xuất như CrO mầu đen. Cr(()H)> mầu vàng , CrS màu đen, CrClj, không màu. các muối Cr(II) là những chất khỉr mạnh , chẳng hạn chúng dề bị oxy không khí oxy hoá.

Cr(OH)2chỉ tương tác với các axil CrO + 2H,()+ + 3H20 = [Cr(OH2)6ị2+ Các phức aquơ [Cr(OH2)6]2+ và các hydrat tinh thổ CrS04.7H20 có màu xamli nước biển. Phức chất hexaaquơ ịCr(OH>)J2+ có cấu tạo bát diện ứng với cấu hình electron [8"T2 lK(d)]-’ |5*r Cr(III) oxyl khó nóng chảy (Tnc = 2265°c ) khòníỉ tan trong nước, kiềm hay axiit Bản chái lưỡng tính của nó thổ hiên khi nấu chảv với các hợp chất tương ứng chẳng hạn nấu chảy Cr2()(với kalidisunfat tạo thành Cr(ỈII) sunfat: LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] 10 Cr>(), + 3K,S20 7 = Cr2(S04)? + 3K2S 0 4 CÒI 1 khi nấu chay Cr,(), với kiềm và các oxit unmg ứnu thì lạo thành xocromat(IIl): 2KOH + Cr2(), = 2KCr()2 + H2G Khi dể yên Cr20,.xH 20 dần dần chuyển llìành Cr(()ỈI)f và mất hoạt lính Cr(OH), này tan nhiều khi có mạt axit hoặc kiềm. — n |C r« )H U ’- H,<>* ][ H,<>* Cr(OH), Trong dung dịch các hựp chất Cr(III) ít nhiều đổu bị thuý phân. Có thể xem sự hình Ihành phức chất hycỉroxopenta aquơ fCr(OH)(OH,),|2+ là giai đoạn dầu của quá trình ihuỷ phân các halogenua, sunfal, nitrat của Cr(III ): |Cr(OH2) J u + H ,( ) ^ [ C r ( O H ) ( O H , ) v|2+ + H,<r Chí có oxytcrom CrC), và các haloRenua CrC)2F2, C r02CỈ2 là bền.

Anhyđrileromie dỏ lan trong nước tạo thành axit crornic CrO, + H2() = H2C r04 Gì() axit lác dung với dung dich đăc kalicromat, thì màu ?ủa nó dầu tiên là da cam đỏ sau dó biến thành màu sẫm hơn do các đicromal rồi tricomat được tạo thành. 2K,Cr()4 + H2S04 = K2Cr20 7+ K2S04 + H2Q LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] 3K,Cr,<)7 + H,S04 = 2K,Cr,O|0 + K 2SC)4 + H2() Khi làm lạnh và axil hoá liếp tục dun tỉ dịch bằng axil sunfuric thì những linh the anhvdriccromic dỏ sẫm sẽ tách ra: K2Cr04 + H2S04= CrO, + K2SO, + H20 Còn nếu cho kiềm lác dụng lên polycromat thì quá trình diễn ra theo hướng ngược lại và thu dirực cromat. Có thể biểu diễn quá trình tương hô cromat và dicromal bàng phương trình phán ứng thuận nghịch: 2Cr()42 + 2H,()+ == C r / V + 3H20 Các chất Cr(VI) là những chất oxy hoá mạnh. Trong quá trình oxy hoá khử chúng chuyển thành các dần xuất.

Trong đỏ ở mổi trường trung tính sẽ tao thành Cr(lIl)hyđroxit. K2Cr2ơ 7+ 3(NH4)2S + H2() = 2Cr(OH), + 3S + 6NH, + 2KOH Trong mồi trường axit tạo thành các dẫn xuất phức cation. K,C'r,()7 + 3Na,SO(+ 4H2S04 = Cr2(S04)( + 3Na2S04 + K2S04+ 4H20 Trong môi Irirờnlí kiềm sẽ tạo thành các đản xuất phức anion [Cr(OH)6]3' K2Cr,()7 + 3(NH4)2S + 4KOH + H20 = 2K,[Cr(OH)6j + 3S + 6NH, Các hợp chất của crom có ímg dụng rộng rãi trong cổnu nghiệp ví dụ Cr2Oj dược clùnu đổ diều chế strn màu và các chất xúc lác CrO, dùng đổ diều chế crom và mạ crom các chi tiết máy và ngoài ra các hợp chất của crom còn đưực dùng trong phân tích hoá học và tổng hc.Giứi thiệu chung về niken[14] Nikcn là nguyên tố có số thứ tự 28 trong bảng HTTH, có trạng thái oxi hoá 2. Trên trái đất niken nằm dưới dạng 5 đồníỉ vị bền.

Lượng lớn niken tập trung tronu quăng sunfua đổng nikcn ờ dạng đơn chất niken là kim loại trắng ánh kim , niken lạo thành 2 dạng thù hinb niken lục phương tồn tại dưới 250°c và nikcn có 12 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] mạng lâp pỉurơnu tám diộn. Niken có tính chất sắt lừ và có khối lượng riêng 8,9 o/cm' , nhiệt dộ nóng chảy 1453°c , nhiệt độ sôi 3()()0°c. Nikcn có cấu tạo electron uronụ tự Co.Fc nhimg có hoạt tính hoá học kém Co, Fe. Với 0 2 niken chí bát đầu lác dụng ở 50()°c , khi đun nóne , nghiền nhỏcfỗ bị halogen , lưu huỳnh, selen, pilot pho, ascn, anlimon.

Niken tạo thành các hợp chấl có liên kết kim loại với đa sô các nguyên lố kể trên Ni<s2, Ni3Se2, Ni,p, NiAs, NiịC, Ni2B, NiB. Nikon có khả năng hấp thụ một iượng lớn hyđro lạo thành các dung dịch rắn. Với các axil , kiềm niken có tính chất tương tự Fe, Co là rất bền về phương diện hoá học, chỉ tham gia phản ứng ở nhiệt độ cao. Niken chủ yếu được điều chế từ quăno sunfua đổng niken, kim loại niken tự do thườim dược diều chế bằng cách dùng cacbon khử Ni().

Người la tinh chế ni ken bằntỉ cách điên phán dunti dịch nikensufat. Các kim loại tạp chất platin kèm Iheo dirực tách ra dưới dạng bùn anot. Niken chủ yếu dùng đổ sản xuất các hợp kim nikcn và thép pha luyện (thép không iỊÍ, chịu nhiệt). Từ niken người ta chế tạo ra những thiết bị đặc biệt cho các quá trình sản xuất hoá học.

Nó còn được dùng làm các lớp mạ bảo vệ và trang trí trên kim loại khác. ở dạng hợp chất niken tạo thành các dung dịch rắn liên tục với kim loại nhóm VIII (trừ Ru và Os) mangan và đổng. Còn với Cr, Ti, Al, Be, Ru, Os và các kim loại khác , niken cho duim dịch hạn chế. Trong số các hựp chất kim loại của niken, quan trọng nhất là Ni,AI, NiMn , NiAl, Chúng tham gia vào Ihành phần các hợp kim của nikcn, làm cho những hợp kim này có những lính chất cơ , lý , hoá quý uiíí.

Các kim loại càng nằm xa niken trong bảng HTTH, thì các hợp chất kim loại cùng kiểu tạo thành có ỉiôn kết càng bền và tính bổn nhiột càng cao hơn.