CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1. Tổng quan nghiên cứu xử lý crom 1. Tình hình nghiên cứu trên thế giới Hướng nghiên cứu sử dụng các vật liệu hấp phụ chi phí thấp xử lý chất ô nhiễm đã được nhiều nhà khoa học trên thế giới thực hiện. Than hoạt tính từ lõi ngô được biến tính bằng HNO3 và hỗn hợp NaOH và NaCl đã được sử dụng để hấp phụ Cr(VI) trong nước thải [23].
Kết quả nghiên cứu cho thấy than hoạt tính biến tính bằng cả HNO3 và NaOH có dung lượng hấp phụ Cr(VI) lớn hơn than biến tính bằng riêng HNO3 và lớn hơn than hoạt tính từ lõi ngô chưa biến tính. Nghiên cứu nhận định tiềm năng tạo ra than hoạt tính với tác nhân HNO3 và NaOH để loại bỏ Cr(VI) là tốt. Năm 2012, Ademiluyi và cộng sự [26] đã thực hiện nghiên cứu hiệu quả hấp phụ của một số loại than hoạt tính sản xuất từ tre, vỏ dừa, vỏ hạt cọ để hấp phụ các kim loại nặng (Cr(VI), Cu2+, Ni2+, Pb2+, Zn2+). Các vật liệu này được nhiệt phân ở nhiệt độ 400oC-500oC sau đó biến tính bằng 6 loại chất xúc tác gồm (H2SO4, HCl, ZnCl2, H3PO4, NaOH, và HNO3) ở 800oC.
Quá trình biến tính có ảnh hưởng đáng kể đến độ rỗng trong than hoạt tính, làm tăng kích thước vi lỗ, do đó có ảnh hưởng đáng kể đến quá trình hấp phụ kim loại nặng. Năm 2017, than hoạt tính sản xuất từ bã mía cũng được nghiên cứu để xử lý Cr(VI) trong nước thải [25]. Kết quả nghiên cứu cho thấy, có thể xử lý được 80% Cr(VI) trong nước thải bằng vật liệu này. Rai và cộng sự [21] cũng đã nghiên cứu sử dụng than hoạt tính từ hạt xoài được biến tính với H3PO4 40% tại nhiệt độ nhiệt phân 600oC trong 1 giờ để hấp phụ Cr(VI).
Dung lượng hấp phụ Cr(VI) lớn nhất đạt 7,8 mg/l tại pH=2, nhiệt độ 35oC. Cơ chế hấp phụ là tương tác tĩnh điện giữa các nhóm chức trên bề mặt mang điện tích dương và ion HCrO4-. Gần đây, các nghiên cứu ứng dụng vật liệu nano ZnO cho xử lý các kim loại nặng và chất hữu cơ độc hại mới được triển khai. Một số nghiên cứu đã cho thấy rằng các vật liệu nano ZnO có khả năng loại bỏ các chất gây ô nhiễm khác nhau với hiệu suất cao và có tính chọn lọc [27].
Banerjee và cộng sự [22] đã nghiên cứu sử dụng vật liệu nano ZnO xúc tác cho quá trình quang hóa để xử lý Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.vn LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Cr(VI) trong nước ô nhiễm. Mayank Pandey và cộng sự [20] cũng đã sử dụng nano ZnO để xử lý Cr(VI) trong nguồn nước ô nhiễm. Như vậy, cho đến nay trên thế giới đã có nhiều nghiên cứu về ứng dụng than hoạt tính và một số nghiên cứu ứng dụng nano ZnO làm vật liệu hấp phụ Cr(VI) ô nhiễm trong nước và nước thải. Đồng thời, các nghiên cứu biến tính vật liệu này bằng các chất hóa học như: HNO3, H3PO4, NaOH, ZnCl2, H2SO4… nhằm tăng khả năng hấp phụ cho các vật liệu đó cũng được thực hiện.
Dung lượng hấp phụ cao hơn so với vật liệu chưa biến tính. Tuy nhiên, phần lớn các nghiên cứu mới chỉ là những nghiên cứu cơ bản và chỉ dừng lại ở việc biến tính bằng một hoặc vài loại hóa chất thông thường. Hiệu suất xử lý Cr(VI) ô nhiễm trong nước và nước thải chưa thực sự cao và giảm nhiều chi phí. Tình hình nghiên cứu ở trong nước Tại Việt Nam hiện cũng đã có các nghiên cứu để tìm ra loại vật liệu hấp phụ có khả năng xử lý tốt Cr(VI) như: Tác giả Bùi Thị Hoàng Anh của Trường Đại học dân lập Hải Phòng đã nghiên cứu khả năng xử lý Cr(VI) trong nước bằng vật liệu chế tạo từ lá thông [1].
Tác giả Mai Quang Khuê của Trường đại học Sư phạm - Đại học Thái nguyên đã nghiên cứu hấp phụ Cr(VI) của vật liệu chế tạo từ bã chè và ứng dụng xử lý nước thải mạ điện[11]. Nghiên cứu đã chế tạo thành công vật liệu bã chè biến tính với KOH, đã xác định được điểm đẳng điện của vật liệu hấp phụ bằng 6,38 và khảo sát được các yếu tố ảnh hưởng tới quá trình hấp phụ tĩnh Cr(VI) của vật liệu hấp phụ: pH hấp phụ tốt nhất là tại pH=1, thời gian đạt cân bằng hấp phụ là 120 phút, khi tăng giá trị nhiệt độ từ 25-55ºC thì hiệu suất hấp phụ giảm và trong khoảng khối lượng vật liệu hấp phụ đã khảo sát thì khối lượng vật liệu tối ưu cho sự hấp phụ là 0,15 g. Nghiên cứu đã áp dụng xử lý thử nghiệm nước thải chứa Cr(VI) của nhà máy khóa Việt Tiệp- Hà Nội và cho kết quả gần với tính toán, nước thải sau xử lý đều cho kết quả nồng độ Cr(VI) dưới tiêu chuẩn loại A- QCVN 2011/BTNMT. Việc sử dụng vật liệu hấp phụ chế tạo từ bã chè để xử lý Cr(VI) cho kết quả tốt [11].
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.vn LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Tác giả Lê Thị Tình, trường Đại học Khoa học Tự nhiên, 2011, đã thực hiện nghiên cứu khả năng hấp phụ Cr(VI) trên vỏ trấu và ứng dụng xử lý tách crom khỏi nguồn nước thải [11]. Trong ghiên cứu này vỏ trấu được biến tính với HCHO với tỉ lệ 200 g/l ở nhiệt độ 300C, thời gian 5giờ, rửa sạch hết HCHO bằng nước cất, đem sấy ở nhiệt độ 8000C thời gian 24 giờ, nghiền nhỏ với kích thước = 0,3 mm, đem sấy lại và bảo quản. Kết quả xác định được các điều kiện hấp phụ tối ưu đó là tại pH = 1,5, thời gian hấp phụ là 9 giờ, dung lượng hấp phụ đối với Cr(VI) là 59,52 mg/g, hiệu suất tách loại crom của vỏ trấu khá cao (trên 90%). Như vậy,có thể kết luận việc sử dụng vỏ trấu biến tính làm vật liệu hấp phụ crom trong nước thải đạt hiệu suất hấp phụ cao, có khả năng ứng dụng vật liệu này để tách crom khỏi nguồn nước thải.
Tác giả Keomany Inthavong của Trường đại học Sư phạm - Đại học Thái nguyên đã chế tạo vật liệu nano ZnO bằng phướng pháp hóa siêu âm, nghiên cứu hấp phụ Cr(VI) , quang xúc tác xử lý metylen xanh trong môi trường nước [9]. Nghiên cứu đã chế tạo thành công vật liệu nano ZnO dạng hạt với kích thước 20 - 60 nm bằng phương pháp hóa siêu âm từ dung dịch NaOH và dung dịch Zn(NO3)2. Nghiên cứu đã xác định được điểm đẳng nhiệt của vật liệu hấp phụ bằng 7,12 và khảo sát được các yếu tố ảnh hưởng tới quá trình hấp phụ tĩnh Cr(VI) của vật liệu hấp phụ: thời gian đạt cân bằng hấp phụ là 180 phút, pH hấp phụ tốt nhất là 3, khi tăng nhiệt độ từ 299 - 3230C thì hiệu suất hấp phụ giảm và trong khoảng khối lượng vật liệu hấp phụ đã khảo sát thì khối lượng vật liệu tối ưu cho sự hấp phụ là 0,06 g. Việc sử dụng vật liệu hấp phụ này cho kết quả tốt, các kết quả thu được định hướng cho nghiên cứu xử lý kim loại nặng.
Bùn thải từ bể lắng sơ cấp của hệ thống xử lý nước thải nhà máy giấy cũng là một nguồn chất thải tiềm năng cho chế tạo vật liệu hấp phụ. Tuy nhiên, loại vật liệu này chưa được nhà khoa học nào trên thế giới tiếp cận. Bên cạnh đó việc biến tính vật liệu để đạt hiệu quả xử lý cao hơn, tiết kiệm chi phí và hạn chế tối đa sự phát thải ra môi trường sau xử lý cũng là vấn đề quan trọng. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.vn LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com FeCl3 vẫn luôn được coi là hóa chất có vai trò quan trọng trong xử lý chất ô nhiễm trong môi trường nước.
FeCl3 có các tính chất như: hoạt động tốt trong điều kiện nhiệt độ thấp với khoảng pH rộng, FeCl3 tạo bông bền và thô, có thể sử dụng được cho nước có nồng độ muối cao. Do đó, FeCl3 là hóa chất được sử dụng trong xử lý nước thải công nghiệp và nước thải đô thị, có tác dụng như keo lắng để làm nước trong hơn. Đặc biệt, FeCl3 với phản ứng kết tủa còn có khả năng nó loại bỏ phốt phát. Sự kết hợp giữa than hoạt tính và FeCl3 sẽ hứa hẹn nhiều triển vọng vì kết hợp được khả năng hấp phụ tốt của than hoạt tính và FeCl3 trong cùng một vật liệu.
Do đó, khả năng hấp phụ Cr(VI) trong nước ô nhiễm sẽ được cải thiện. Nếu chỉ sử dụng riêng than hoạt tính để xử lý chất ô nhiễm này thì hiệu suất không cao, nếu chỉ sử dụng riêng FeCl3 thì chi phí xử lý cao và khó tách ra khỏi nước sau xử lý. Vì thế khi kết hợp gắn ion Fe3+ lên than hoạt tính sẽ tận dụng được ưu điểm của FeCl3 với khả năng hấp phụ cao các chất ô nhiễm và tăng khả năng hấp phụ của than hoạt tính, đồng thời hạn chế sự phát thải FeCl3 ra môi trường. Do đó, hướng nghiên cứu này sẽ có nhiều ưu điểm trong xử lý chất ô nhiễm và có thể được sử dụng thay thế cho các phương pháp xử lý truyền thống.
Vì vậy tôi chọn hướng nghiên cứu trong đề tài này là: sử dụng vật liệu hấp phụ chế tạo từ bùn thải giấy xử lý nguồn nước nhiễm Cr(VI). Cơ sở lý luận và thực tiễn liên quan đến vấn đề nghiên cứu 1. Tổng quan về ô nhiễm crom trong nước và các phương pháp xử lý 1. Tính chất hóa học Crom là một kim loại cứng, mặt bóng, màu xám thép với độ bóng cao và nhiệt độ nóng chảy cao.
Crom được ký hiệu là Cr, thuộc chu kỳ 4, nhóm VIB, số thứ tự nguyên tử là 24, nguyên tử lượng crom là 51,996 đvC. Nó là chất không mùi, không vị. Các trạng thái ôxi hóa phổ biến của crom là Cr (II), Cr (III) và Cr (VI) với Cr (III) là ổn định nhất. Các trạng thái Cr (I), Cr (IV) và Cr (V) là khá hiếm.
Các hợp chất Cr(VI) là những chất có tính ôxi hóa mạnh. Hàm lượng trung bình của Cr trong vỏ trái đất là 122 ppm, trong đất khoảng từ 11- 22 ppm, trong nước mặt là 1µg/l và trong nước ngầm khoảng 100µg/l [7]. Trong không khí, crom Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.vn LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com được ôxy thụ động hóa, tạo thành một lớp mỏng ôxít bảo vệ trên bề mặt, ngăn chặn quá trình ôxi hóa tiếp theo đối với kim loại ở phía dưới.