MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Phát triển công nghi ệp là nhiệm vụ hàng đầu để Việt Nam th ực hiên mục tiêu công nghiệp hóa, hi ện đại hóa đất nƣớc. Tuy nhiên, công nghiệp cũng gây tác động mạnh đến môi trƣờng, tài nguyên, sức khỏe, an toàn và trật tự xã hội. Có thể nói, ô nhiễm môi trƣờng luôn đồng hành với phát tri ển các dự án công nghiệp.
Trong các hoạt động công nghiệp, nƣớc thải là một là một trong những thành phần phát thải chính và có đặc trƣng khác nhau tùy theo ngành nghề, dây chuyền công nghệ, nguyên liệu s ản xuất. Nƣớc thải của một s ố ngành nhƣ xi mạ, luyện kim, khai khoáng, hóa chất,… có đặc trƣng là chứa kim loại nặng v ới nồng độ từ vài đến vài chục mg/L. Nguồn nƣớc thải này nếu không đƣợc quản lý, xử lý ngay tại nguồn sẽ là mối đe dọa cho môi trƣờng, hệ sinh thái và s ức khỏe của con ngƣời. “Kim loại nặ ng” theo định nghĩa phổ biến là những nguyên tố kim loại mà t ỷ trọng của nó lớn hơn 5g/cm3 [3] (ví dụ nhƣ Cu, Fe, Mn, Pb, Ni…).
Tính nguy hại của kim loại nặng là tồn tại lâu dài, không bị phân hủ y sinh họ c và có thể tích tụ trong cơ thể sống, chúng xâm nhập vào con ngƣời và sinh v ật thông qua chuỗi thức ăn trong hệ sinh thái. Niken là một trong nhóm 14 nguyên tố hóa h ọc có độc tính cao nhất đối v ới con ngƣời và động vật. Khi bị phơi nhiễm niken, con ngƣời có thể bị các bệnh về da và tăng nguy cơ mắc bệnh ung thƣ đƣờng hô hấp. Do đó, ngăn chặn việc thải bỏ các kim loại nặng nói chung và niken nói riêng vào môi trƣờng là rất cần thiết.
Đố i v ới môi trƣờng nƣớ c, để loại b ỏ niken thì nhóm các phƣơng pháp hóa lý và hóa h ọc đã đƣợ c biết đến nhƣ kế t t ủa hóa h ọc, điệ n hóa, trao đổi ion,. M ỗi phƣơng pháp đều có nh ững ƣu, nhƣợc điểm và đƣợ c áp d ụng phù h ợp trong t ừng trƣờ ng h ợp nhất đị nh. Tuy nhiên, các phƣơng pháp này thƣờng phả i b ổ sung hóa chất, t ạ o nhiề u bùn th ải, hoặ c giá thành cao nên không kinh t ế. Do đó, v iệ c nghiên c ứu sử dụ ng các v ật li ệu hấ p phụ (VLHP) giá thành thấ p đã và đang rất đƣợ c quan tâm, các k ết quả thu đƣợ c cũng đáng đƣợc khích l ệ.
Mộ t trong nh ữ ng tính ƣu việt c ủa phƣơng pháp này là VLHP đƣợ c ch ế tạo đơn giả n, bên c ạnh đó 1 lạ i có thể tách đồng th ời nhi ều kim lo ại n ặng, có th ể tái s ử dụ ng và thu h ồ i kim loại. Đố i vớ i Vi ệt Nam , n guồ n phụ phẩm ho ặc chất th ải nông nghi ệp r ất dồ i dào, thuận lợ i cho việc nghiên c ứu chế tạo VLHP giá thành th ấ p, thân thi ện vớ i môi trƣờng. Đề tài “Nghiên cứu xử lý Ni(II) trong nướ c b ằng phụ phẩ m nông nghiệ p” đƣợc thự c hiệ n vớ i mong mu ố n t ận dụ ng ngu ồn phụ phẩ m nông nghi ệp là v ỏ đỗ xanh, v ỏ quả cà phê để chế tạo VLHP có th ể x ử lý niken trong nƣớ c và nƣớ c thả i. Mục tiêu nghiên cứu - Ch ế t ạo VLHP từ v ỏ đỗ xanh và vỏ quả cà phê.
- Nghiên c ứu mộ t s ố yếu tố ảnh hƣởng đế n kh ả năng xử lý Ni(II) trong nƣớc và nƣớc thả i của 2 v ật liệu đã chế t ạo. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu - Đối tƣợ ng nghiên c ứu: V ậ t liệu: v ỏ đỗ xanh đƣợc thu gom t ừ quá trình chế biến giá đỗ, than sinh học đƣợ c ch ế tạo từ v ỏ cà phê đƣợ c thu gom ở Đắ c Lắc. Kim lo ại: dung d ịch Ni(II) có n ồng độ khoảng 50 mg/L, là kim lo ại nặng thƣờ ng có m ặt trong nƣớc th ả i c ủ a mộ t số cơ sở ngành công nghi ệp mạ. - Phạ m vi nghiên c ứ u: th ực hiệ n trong phòng thí nghi ệm.
- Đị a điể m thự c hi ện: i/ Phòng Thí nghi ệm R&D công ngh ệ môi trƣờng – Việ n Khoa họ c và Công nghệ môi trƣờng, Trƣờ ng đạ i họ c Bách Khoa Hà N ội; ii/ Phòng Thử nghiệm Môi trƣờng và Hóa ch ất – Trung tâm k ỹ thuật Tiêu chuẩn Đo lƣờng Chất lƣợng 1 – Tổ ng cục Tiêu chu ẩn Đo lƣờ ng Ch ất lƣợng. Đóng góp của Luận văn - Xây d ự ng quy trình ch ế t ạo VLHP từ v ỏ đỗ xanh; - Kế t quả khả o sát ảnh hƣở ng củ a các yếu t ố : th ờ i gian ti ếp xúc, pH c ủa dung dịch, t ỷ lệ r ắ n - l ỏng đế n hi ệ u suấ t xử lý Ni(II) trong nƣớc b ởi 2 vậ t li ệu đã chế t ạo; 2 - Các số liệ u thự c nghi ệm đƣợ c bi ểu di ễn theo mô hình đẳng nhi ệt Langmuir và Freundlich. Xác định dung lƣợ ng tối đa của vậ t li ệu; - Động học c ủa quá trình x ử lý Ni(II) trong nƣớc bởi 2 v ật liệ u lự a ch ọn; - Thăm dò khả năng giải hấp phụ Ni(II) và kh ả năng tái sử dụ ng v ật liệu. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn - Tiếp cận hƣớng nghiên cứ u mới, sử dụng vật liệu đƣợc chế tạo từ phụ phẩm nông nghiệp, giá thành th ấp, thân thiện với môi trƣờng để xử lý Ni(II) trong nƣớc; - Tận dụng nguồn phụ phẩm, chất thải từ nông nghiệp để chế tạo vật liệu sinh học có khả nặng xử lý Ni(II) trong nƣớc.
- Góp phần nâng cao hiểu biết về vấn đề loại bỏ kim loại nặ ng b ằng vật liệu sinh học, đặ c biệt là vậ t liệu đƣợc chế tạo từ phụ phẩm, chất thải nông nghiệp ở Việt Nam. - Các kết quả nghiên cứu bƣớc đầu về khả năng loại bỏ Ni(II) bởi loạ i vật liệu đã chế tạo góp phần ứng dụng trong x ử lý nƣớc và nƣớc thải. Bố cục Luận văn Luận văn gồm 03 chƣơng: Chƣơng 1: Ô nhiễm niken trong nƣớ c và phƣơng pháp xử lý kim lo ại b ằng vật liệu sinh họ c; Chƣơng 2: Phƣơng pháp nghiên cứ u và quy trình th ực nghiệ m; Chƣơng 3: Kết quả và thả o luận. 3 CHƢƠNG 1 Ô NHIỄM NIKEN TRONG NƢỚC VÀ PHƢƠNG PHÁP XỬ LÝ KIM LOẠI BẰNG VẬT LIỆU SINH HỌC 1.
Hiện trạng ô nhiễm niken trong nƣớc, ảnh hƣởng của chúng đến con ngƣời và môi trƣờng 1. Nguồn gốc ô nhiễm Ni(II) trong nước Cũng nhƣ một số kim loại nặng khác, niken tồn tại trong nƣớc có nguồn gốc hoặc tự nhiên hoặc nhân tạo. Theo nguồn gốc tự nhiên, niken đi vào trong nƣớc do quá trình phong hóa, thủy hóa các đá có khoáng vật chứa niken. Các quá trình này chủ yếu gây ô nhiễm niken ở các tầng nƣớc ngầm.
Bên cạnh các quá trình tự nhiên, các hoạt động của con ngƣời trong các ngành công nghiệp nhƣ khai khoáng, luyện kim, mạ niken, hóa chất,… ở khu vực quy mô nhỏ và lớn cũng đã và đang thải một lƣợng lớn niken vào môi trƣờng nƣớc [18]. Hiện nay, Việt Nam đang trong giai đoạn công nghiệp hóa và hiện đại hóa, một trong các ngành công nghiệp mũi nhọn là ngành công nghiệp cơ khí. Một trong những khâu sản xuất chính của ngành này là quá trình mạ linh kiện và chi tiết kim loại. Quá trình mạ thƣờng sử dụng nhiều nƣớc, sau quá trình tuần hoàn nếu không đảm bảo yêu cầu về kỹ thuật, nƣớc này sẽ đƣợc thải bỏ định kỳ, nƣớc thải sinh ra chứa nhiều kim loại nặng, trong đó có niken.
Sơ đồ dây chuyền công nghệ mạ niken kèm dòng thải đƣợc thể hiện trên các hình 1. Nƣớc thải từ xƣởng xi mạ có thành phần đa dạng về nồng độ và pH biến đổi rộng, từ rất axit (pH 2 † 3), đến rất kiềm (pH 10 † 11). Đặc trƣng chung của nƣớc thải ngành mạ là chứa các muối vô cơ và kim loại nặng với nồng độ cao. Tuỳ theo kim loại của lớp mạ mà nguồn ô nhiễm có thể là Cu, Zn, Cr, Ni,… và cũng tuỳ thuộc vào loại muối kim loại đƣợc sử dụng mà nƣớc thải có chứa các độc tố nhƣ xianua, sunfat, amoni, cromat,… Số liệu trong bảng 1.1 cho thấy n ồng độ các kim loại nặng trong dòng thải thƣờng l ớn hơn rất nhiều so với giới hạn cho phép đối với nƣớc thải công nghiệp theo QCVN 40:2011/BTNMT cột B.
4 Làm sch b Vt cn m Bi, r Mài nh Bi kim loi Kh du m c thi cha du m Làm sch b HCl, H2SO 4, NaOH pháp hóa hn h Axit, kim Cht m bóng, NiSO4, H3BO3 H2 SO4, CrO3 M niken M crom Ni(II), axit Cr(VI), axit c thi cha axit, - CN , Cr(VI), Ni(II) Hình 1.1 Sơ đồ dây chuyền công nghệ mạ niken kèm dòng thải [14] Việt Nam có nguồn khoáng s ản khá phong phú nhƣng công ngh ệ khai thác chế biến còn lạc h ậu, thƣờng là khai thác lộ thiên và công nghệ làm giàu quặng còn thô sơ nên dòng thải chứa kim loại nặng khá cao. Nƣớc thải phần lớn chƣa đƣợc xử lý mà thải thẳng ra các nguồn tiếp nhận nhƣ sông, suối xung quanh nên đã và đang gây ra ô nhiễm ngu ồn nƣớc ngầm, nƣớc mặt ở vùng khai thác và các vùng lân cận [1]. 5 niken kim n phân du m crom lý Hình 1.2 Sơ đồ dây chuyền công nghệ mạ niken tự động [14] 6 Bảng 1.