Luận văn thạc sĩ nghiên cứu đánh giá khả năng sử dụng hạt vật liệu biến tính từ bùn thải khu chế biến sắt bản cuôn trong xử lý nước bị ô nhiễm bởi kim loại nặng

Nghiên cứu đánh giá khả năng sử dụng hạt vật liệu từ bùn thải trong xử lý nước ô nhiễm kim loại nặng tại khu chế biến sắt Bản Cuôn.

• Tác giả: Đặng Ngọc Thăng
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Thị Hoàng Hà
• Trường học: Đại học Quốc gia Hà Nội
• Chuyên ngành: Địa chất môi trường
• Đề tài: Nghiên Cứu, Đánh Giá Khả Năng Sử Dụng Hạt Vật Liệu Biến Tính Từ Bùn Thải Khu Chế Biến Sắt Bản Cuôn Trong Xử Lý Nước Bị Ô Nhiễm Bởi Kim Loại Nặng
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ khoa học
• Năm xuất bản: 2017
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• MỞ ĐẦU
• 0.1. Tính cấp thiết của đề tài
• 0.2. Giả thuyết nghiên cứu
• 0.3. Mục tiêu nghiên cứu
• 0.4. Đối tượng nghiên cứu
• 0.5. Nhiệm vụ nghiên cứu
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
• 1.1. Một số phương pháp xử lý kim loại nặng trong nước
• 1.1.1. Phương pháp trung hòa
• 1.1.2. Phương pháp kết tủa
• 1.1.3. Phương pháp trao đổi ion
• 1.1.4. Phương pháp keo tụ - tạo bông
• 1.1.5. Phương pháp lọc màng
• 1.1.6. Phương pháp sử dụng thực vật
• 1.1.7. Phương pháp hấp phụ
• 1.2. Đặc điểm quá trình hấp phụ trên vật liệu
• 1.2.1. Các khái niệm cơ bản
• 2. CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 2.1. Khung logic nghiên cứu của luận văn
• 2.2. Phương pháp tổng hợp và phân tích tài liệu
• 2.3. Phương pháp khảo sát thực địa và lấy mẫu
• 2.4. Chế tạo vật liệu biến tính từ bùn thải khu chế biến sắt Bản Cuôn (SBC2-400-10S)
• 2.5. Thiết kế thí nghiệm
• 2.5.1. Thí nghiệm xác định độ bền và điểm điện tích không (pHPZC)
• 2.5.2. Thí nghiệm đánh giá ảnh hưởng của tỷ lệ khối lượng hạt vật liệu đến khả năng hấp phụ
• 2.5.3. Thí nghiệm đánh giá ảnh hưởng của thời gian đến khả năng hấp phụ (kinetic sorption)
• 2.5.4. Thí nghiệm hấp phụ đẳng nhiệt (Sorption isotherm)
• 2.5.5. Thí nghiệm giải hấp
• 2.6. Phương pháp xử lý và phân tích mẫu
• 2.6.1. pH và Eh của nước
• 2.6.2. Các phương pháp xác định đặc trưng của hạt vật liệu
• 2.6.3. Phương pháp xác định hàm lượng kim loại nặng trong nước
• 2.6.4. Xử lý số liệu phân tích
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN
• 3.1. Tính chất đặc trưng của hạt vật liệu biến tính SBC2-400-10S
• 3.1.1. Thành phần khoáng vật
• 3.1.2. Thành phần hóa học
• 3.1.3. Một số đặc trưng khác của vật liệu biến tính
• 3.2. Đánh giá khả năng hấp phụ kim loại nặng của hạt vật liệu biến tính từ bùn khu chế biến sắt Bản Cuôn (SBC2-400-10S)
• 3.2.1. Ảnh hưởng của tỷ lệ khối lượng vật liệu đến khả năng hấp phụ
• 3.2.2. Ảnh hưởng của thời gian đến khả năng hấp phụ
• 3.2.3. Ảnh hưởng của nồng độ đến khả năng hấp phụ
• 3.2.4. Mô hình hấp phụ đẳng nhiệt
• 3.2.5. Mô hình động học hấp phụ
• 3.2.6. Khả năng giải hấp
• 3.3. Bước đầu đánh giá khả năng ứng dụng của hạt vật liệu biến tính SBC2-400-10S trong xử lý nước bị ô nhiễm kim loại nặng
• 3.3.1. Khả năng xử lý của hạt vật liệu SBC2-400-10S
• 3.3.2. Đánh giá khả năng cung ứng nguồn vật liệu và tiềm năng ứng dụng
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ
• DANH MỤC HÌNH
• DANH MỤC BẢNG
• DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

Tóm tắt

I. Tổng quan về việc sử dụng hạt vật liệu từ bùn thải trong xử lý nước ô nhiễm

Ô nhiễm nước là một vấn đề nghiêm trọng hiện nay, đặc biệt là do sự hiện diện của các kim loại nặng trong nước. Việc sử dụng hạt vật liệu từ bùn thải trong xử lý nước ô nhiễm đã trở thành một giải pháp tiềm năng. Hạt vật liệu này không chỉ giúp loại bỏ các chất ô nhiễm mà còn tận dụng nguồn tài nguyên sẵn có từ bùn thải, giảm thiểu tác động đến môi trường.

1.1. Khái niệm về hạt vật liệu từ bùn thải

Hạt vật liệu từ bùn thải được chế tạo từ các chất thải trong quá trình chế biến khoáng sản. Chúng có khả năng hấp phụ cao, giúp loại bỏ các kim loại nặng như Mn, Zn, Cd, Pb và As trong nước. Việc sử dụng hạt vật liệu này không chỉ tiết kiệm chi phí mà còn thân thiện với môi trường.

1.2. Lợi ích của việc sử dụng hạt vật liệu trong xử lý nước

Việc sử dụng hạt vật liệu từ bùn thải mang lại nhiều lợi ích, bao gồm giảm thiểu ô nhiễm môi trường, tiết kiệm chi phí xử lý và cải thiện chất lượng nước. Hơn nữa, phương pháp này còn giúp tái chế chất thải, góp phần vào phát triển bền vững.

II. Vấn đề ô nhiễm nước và thách thức trong xử lý

Ô nhiễm nước do kim loại nặng đang gia tăng, gây ra nhiều thách thức cho môi trường và sức khỏe con người. Các nguồn ô nhiễm chủ yếu đến từ hoạt động khai thác và chế biến khoáng sản. Việc xử lý nước ô nhiễm không chỉ đòi hỏi công nghệ tiên tiến mà còn cần phải có giải pháp hiệu quả và tiết kiệm.

2.1. Nguyên nhân gây ô nhiễm nước

Các hoạt động công nghiệp, đặc biệt là khai thác khoáng sản, là nguyên nhân chính dẫn đến ô nhiễm nước. Nước thải từ các khu chế biến chứa nhiều kim loại nặng vượt ngưỡng cho phép, gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến hệ sinh thái và sức khỏe con người.

2.2. Thách thức trong xử lý nước ô nhiễm

Xử lý nước ô nhiễm là một thách thức lớn do chi phí cao và công nghệ phức tạp. Nhiều phương pháp hiện tại không hiệu quả trong việc loại bỏ hoàn toàn kim loại nặng, do đó cần tìm kiếm các giải pháp mới, hiệu quả hơn.

III. Phương pháp chế tạo hạt vật liệu từ bùn thải

Chế tạo hạt vật liệu từ bùn thải là một quy trình quan trọng trong việc phát triển công nghệ xử lý nước ô nhiễm. Quy trình này bao gồm nhiều bước, từ thu gom bùn thải đến xử lý và biến tính để tạo ra hạt vật liệu có khả năng hấp phụ tốt.

3.1. Quy trình chế tạo hạt vật liệu

Quy trình chế tạo hạt vật liệu từ bùn thải bao gồm các bước như trộn bùn thải với các chất phụ gia, nung ở nhiệt độ cao để tạo ra hạt vật liệu có cấu trúc ổn định và khả năng hấp phụ tốt. Việc lựa chọn nhiệt độ và thời gian nung là rất quan trọng để đảm bảo chất lượng hạt vật liệu.

3.2. Đặc điểm của hạt vật liệu biến tính

Hạt vật liệu biến tính từ bùn thải có nhiều đặc điểm nổi bật như diện tích bề mặt lớn, khả năng hấp phụ cao và tính ổn định trong môi trường nước. Những đặc điểm này giúp hạt vật liệu có thể loại bỏ hiệu quả các kim loại nặng trong nước ô nhiễm.

IV. Ứng dụng thực tiễn của hạt vật liệu trong xử lý nước ô nhiễm

Hạt vật liệu từ bùn thải đã được ứng dụng trong nhiều nghiên cứu và thực tiễn xử lý nước ô nhiễm. Kết quả cho thấy khả năng hấp phụ của hạt vật liệu này rất cao, giúp giảm thiểu nồng độ kim loại nặng trong nước.

4.1. Kết quả nghiên cứu về khả năng hấp phụ

Nghiên cứu cho thấy hạt vật liệu biến tính từ bùn thải có khả năng hấp phụ tốt các kim loại nặng như Mn, Zn, Cd, Pb và As. Các thí nghiệm cho thấy hiệu suất hấp phụ có thể đạt trên 90% trong điều kiện tối ưu.

4.2. Ứng dụng trong các hệ thống xử lý nước

Hạt vật liệu từ bùn thải có thể được ứng dụng trong các hệ thống xử lý nước thải công nghiệp, giúp cải thiện chất lượng nước và giảm thiểu ô nhiễm. Việc áp dụng công nghệ này không chỉ tiết kiệm chi phí mà còn bảo vệ môi trường.

V. Kết luận và tương lai của nghiên cứu

Việc sử dụng hạt vật liệu từ bùn thải trong xử lý nước ô nhiễm là một hướng đi tiềm năng cho ngành công nghiệp môi trường. Nghiên cứu này không chỉ giúp giải quyết vấn đề ô nhiễm nước mà còn góp phần vào phát triển bền vững.

5.1. Tóm tắt kết quả nghiên cứu

Kết quả nghiên cứu cho thấy hạt vật liệu từ bùn thải có khả năng hấp phụ cao, giúp loại bỏ hiệu quả các kim loại nặng trong nước ô nhiễm. Điều này mở ra nhiều cơ hội cho việc ứng dụng trong thực tiễn.

5.2. Hướng nghiên cứu trong tương lai

Trong tương lai, cần tiếp tục nghiên cứu và phát triển các phương pháp chế tạo hạt vật liệu từ bùn thải, cũng như mở rộng ứng dụng của chúng trong xử lý nước ô nhiễm. Việc này sẽ góp phần nâng cao hiệu quả xử lý và bảo vệ môi trường.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Ô nhiễm nguồn nƣớc đã và đang trở thành một mối quan tâm lớn trong những năm gần đây bởi những ảnh hƣởng tiêu cực của chúng đến hệ sinh thái, sinh vật và đặc biệt con ngƣời. Nguồn nƣớc bị ô nhiễm chủ yếu do hàm lƣợng các kim loại trong nƣớc vƣợt ngƣỡng cho phép, khi đó chúng sẽ có thể ảnh hƣởng tiêu cực đến môi trƣờng xung quanh. Các hoạt động chế biến và khai thác khoáng sản phục vụ phát triển kinh tế - xã hội là rất quan trọng với nhiều nƣớc trên thế giới, đặc biệt là những nƣớc đang phát triển nhƣ Việt Nam.

Hoạt động này mang lại lợi ích to lớn nhƣng cũng gây ra những tác động tiêu cực đến môi trƣờng và xã hội. Đặc biệt, nguồn nƣớc thải từ nhiều khu khai thác và chế biến khoáng sản bị ô nhiễm bởi kim loại nặng (KLN). Để giảm thiểu tác động đến môi trƣờng và hệ sinh thái, hiện nay có rất nhiều phƣơng pháp đƣợc phát triển để xử lý KLN trong nƣớc nhƣ phƣơng pháp đông tụ, kết tủa, trao đổi ion, hấp phụ, sinh học. Tuy nhiên, việc xử lý ô nhiễm môi trƣờng nƣớc tại các khu khai thác và chế biến khoáng sản là tƣơng đối khó, tốn kém do địa đình phức tạp, xa khu dân cƣ.

Vì vậy, cần lựa chọn phƣơng pháp xử lý ô nhiễm môi trƣờng hiệu quả, tiết kiệm chi phí và thân thiện với môi trƣờng dựa trên thế lợi của nguồn nguyên liệu sẵn có của khu vực. Do đó phƣơng pháp hấp phụ sử dụng các nguyên liệu khoáng tự nhiên đƣợc nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi vì giá thành và hiệu suất tốt cho việc xử lý các KLN này. Các nguyên liệu khoáng tự nhiên đã đƣợc nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi nhƣ đá ong, các khoáng sét (bentonit, kaolinit, verculite), các oxit và hydroxit sắt. Ngoài ra, các nguyên liệu tự nhiên cũng nghiên cứu và ứng dụng làm vật liệu biến tính phục vụ xử lý KLN và đạt kết quả hấp phụ tốt.

Bên cạnh đó, đuôi thải từ hoạt động khai thác và chế biến khoáng sản nhƣ bauxit, than đã đƣợc nghiên cứu ứng dụng làm vật liệu biến tính hấp phụ giá rẻ đạt hiệu quả cao. Tuy nhiên, rất ít nghiên cứu về khả năng hấp phụ KLN của bùn thải khu chế biến sắt. Sự kiện vỡ đập chắn bùn thải khu chế biến sắt Bản Cuôn vào ngày 20/7/2015 đã gây ảnh hƣởng rất lớn 1 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] đến diện tích đất nông nghiệp phía dƣới hồ chứa và hệ sinh thái xung quanh. Việc sử dụng chất thải từ hoạt động khai khoáng làm nguồn nguyên liệu đầu vào trong chế tạo vật liệu hấp phụ đƣợc coi là hƣớng tiếp cận sinh thái, thân thiện với môi trƣờng và giảm chi phí chế tạo vật liệu phục vụ xử lý ô nhiễm.

Do đó, học viên đã lựa chọn nghiên cứu đề tài luận văn cao học với tiêu đề “Nghiên cứu, đánh giá khả năng sử dụng hạt vật liệu biến tính từ bùn thải khu chế biến sắt Bản Cuôn trong xử lý nước bị ô nhiễm kim loại nặng”. Giả thuyết nghiên cứu Vật liệu biến tính từ bùn thải khu chế biến sắt Bản Cuôn bằng cách trộn 10% thủy tinh lỏng và nung ở nhiệt độ 4000C trong 3 giờ có khả năng xử lý nƣớc bị ô nhiễm bởi các KLN Mn, Zn, Cd, Pb, As. Mục tiêu nghiên cứu - Đánh giá đƣợc khả năng xử lý KLN của vật liệu SBC2-400-10S biến tính từ bùn thải khu chế biến sắt Bản Cuôn; - Đánh giá đƣợc tiềm năng ứng dụng của vật liệu SBC2-400-10S trong xử lý nƣớc bị ô nhiễm KLN. Đối tƣợng nghiên cứu - Hạt vật liệu SBC2-400-10S chế tạo từ bùn thải khu chế biến sắt Bản Cuôn bằng cách trộn với 10% thủy tinh lỏng, nung ở nhiệt độ 400 0C trong 3h; - Các ion KLN: Mangan (Mn); Kẽm (Zn); Cadimi (Cd); Chì (Pb) và Asen (As) 5.

Nhiệm vụ nghiên cứu Để thực hiện các mục tiêu nghiên cứu đã đặt ra, các nhiệm vụ chính mà luận văn sẽ tiến hành bao gồm: - Tổng quan tài liệu về tình hình nghiên cứu ứng dụng các vật liệu khoáng tự nhiên trên thế giới và Việt Nam trong việc xử lý KLN; 2 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] - Khảo sát thực địa và lấy mẫu bùn thải khu chế biến sắt Bản Cuôn; - Chế tạo vật liệu biến tính (SBC2-400-10S) từ bùn thải khu chế biến sắt Bản Cuôn trộn 10% thủy tinh lỏng nung ở nhiệt độ 4000C; - Xác định tính chất của vật liệu biến tính từ bùn thải khu chế biến sắt Bản Cuôn bao gồm thành phần khoáng vật, thành phần hóa học, điện tích bề mặt, nhóm chức hoạt động, điểm điện tích không; - Thực hiện các thí nghiệm đánh giá khả năng hấp phụ của vật liệu biến tính (xác định điểm điện tích không pHPZC, khảo sát độ bền, khảo sát ảnh hƣởng của tỷ lệ khối lƣợng vật liệu và thời gian, nồng độ, thí nghiệm hấp phụ đẳng nhiệt dạng mẻ, thí nghiệm giải hấp); - Xác định hàm lƣợng KLN (Mn, Zn, Cd, Pb, As) trong mẫu vật liệu SBC2- 400-10S và nƣớc trƣớc và sau khi thí nghiệm; - Đánh giá khả năng hấp phụ của vật liệu biến tính SBC2-400-10S. - Đánh giá tiềm năng ứng dụng của vật liệu biến tính làm vật liệu xử lý ô nhiễm môi trƣờng nƣớc. 3 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1. Một số phƣơng pháp xử lý kim loại nặng trong nƣớc 1.

Phương pháp trung hòa Phƣơng pháp trung hòa là sử dụng axit hoặc vô cơ để đƣa nƣớc thải có chứa các axit hoặc kiềm về pH khoảng 6,5 - 8,5 trƣớc khi thải vào nguồn nhận. Các nƣớc thải axit thƣờng đƣợc trung hòa bằng cách lọc qua các vật liệu nhƣ dolomit (MgCO3), đá vôi, đá hoa và các chất thải rắn nhƣ xỉ và xỉ tro để làm vật liệu lọc. Các vật liệu trên đƣợc sử dụng ở dạng cục với kích thƣớc từ 30 đến 80 mm. Quá trình có thể đƣợc tiến hành trong thiết bị lọc nằm ngang hay thẳng đứng (Trần Văn Nhân và Ngô Thị Nga, 2002).

Phương pháp kết tủa Phƣơng pháp kết tủa là phƣơng pháp phổ biến trong xử lý nƣớc thải có chứa KLN, đặc biệt sử dụng kết tủa carbonat canxi và hydroxit kim loại. Nguyên lý của phƣơng pháp dựa vào bản chất phản ứng hóa học giữa chất đƣợc xử lý và chất đƣa vào ở một mức pH thích hợp sẽ tạo thành chất kết tủa, sau đó đƣợc tách ra bằng phƣơng pháp lắng. Cơ chế của phƣơng pháp nhƣ sau: Mn+ + n(OH)  M(OH)n Các kim loại khác nhau sẽ kết tủa tại các giá trị pH khác nhau. Do đó, cần xác định giá trị pH thích hợp đối với từng kim loại trong nƣớc.

Ví dụ, hydroxit Fe3+ kết tủa ở pH khoảng 4,1 (97,16%), trong khi đó hydroxit Al ở pH = 4 - 5,5 (92,9%) (Xinchao và nnk, 2005). Tùy thuộc vào thành phần, đặc trƣng ô nhiễm của nguồn nƣớc mà cần lựa chọn hóa chất để đƣa pH lên mức có thể kết tủa các kim loại cần xử lý. Một số hóa chất thƣờng đƣợc sử dụng bao gồm: magie oxit (MgO), natri hydroxyl (NaOH), vôi (CaO)…Trong quá trình kết tủa, việc bổ xung các chất keo tụ nhƣ phèn, muối sắt, các polymer hữu cơ có thể nâng cao khả năng loại bỏ KLN từ quá trình kết tủa. 4 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.

Phương pháp trao đổi ion Đƣợc ứng dụng để làm sạch nƣớc bị nhiễm KLN (Zn, Cu, Cr, Ni, Pb, Hg, Cd, V, Mn…) cũng nhƣ các hợp chất của As, photpho, xyanua và chất phóng xạ. Trao đổi ion là một quá trình trong đó có các ion trên bề mặt của chất rắn trao đổi với ion có cùng điện tích trong dung dịch khi tiếp xúc với nhau (Trần Văn Nhân và Ngô Thị Nga, 2002). Các chất trao đổi ion có thể là các chất vô cơ hoặc hữu cơ có nguồn gốc tự nhiên hay nhân tạo. Vật liệu trao đổi ion tự nhiên là những khoáng có trong đất sét nhƣ sillit, montmorillonit, vermiculite và zeolit giống nhƣ clinoptilolit, fenspat, chất mica khác nhau… Chất hữu cơ dạng bùn cũng có khả năng trao đổi ion nhƣ than bùn.

Các chất có tính chất trao đổi cation là các chất chứa nhôm silicat, các chất fluor apatit và hydroxyt apatit cũng có tính chất trao đổi lớn. Phương pháp keo tụ - tạo bông Xử lý bằng phƣơng pháp keo tụ là cho vào trong nƣớc một loại hóa chất (chất keo tụ) có thể đủ làm cho các hạt rất nhỏ biến thành những hạt lớn lắng xuống. Quá trình keo tụ tạo bông gồm hai quá trình chính: - Quá trình keo tụ: Dựa trên cơ chế phá bền hạt keo; - Quá trình tạo bông: Tiếp xúc /kết dính giữa các hạt keo đã bị phá bền. Cơ chất tiếp xúc giữa các hạt này bao gồm: (1) Tiếp xúc do chuyển động nhiệt (chuyển động Brown) tạo thành các hạt có kích thƣớc nhỏ; (2) Tiếp xúc do quá trình chuyển động của lƣu chất đƣợc thực hiện bằng cách khuấy trộn để tạo thành những bông cặn có kích thƣớc lớn hơn; (3) Tiếp xúc do quá trình lắng của các hạt.

Các hóa chất keo tụ thƣờng sử dụng là các muối nhôm sunfat [Al2(SO4)3], poly aluminium cloric (PAC), sắt sunfat (FeSO4), sắt clorua (FeCl3). Tủa bông là sự tổ hợp các hạt keo đã bị keo tụ, các chất tạo bông thƣờng đƣợc sử dụng nhƣ các polymer vô cơ (silic hoạt tính), polymer tự nhiên (tinh bột, xantan, pectin), polymer tổng hợp và các chất tạo bông hữu cơ cao phân tử… 5 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail. Phương pháp lọc màng Hiện nay trên thế giới có bốn phƣơng pháp lọc màng chính dựa vào các kích thƣớc lỗ của màng bao gồm siêu lọc (UF), lọc nano (NF), thẩm thấu ngƣợc (RO) và điện thẩm tách (EDR). Các chất rắn lơ lửng và những chất bẩn có kích thƣớc lớn hơn màng sẽ đƣợc màng lọc giữ lại trên màng.

Tuy nhiên, nhƣợc điểm phƣơng pháp này là sau một thời gian lọc cần phải rửa màng lọc hoặc thay thế chúng. Phương pháp sử dụng thực vật Phƣơng pháp sử dụng thực vật để xử lý ô nhiễm môi trƣờng (phytoremediation) là việc sử dụng thực vật để hấp thụ, phân hủy các chất ô nhiễm có trong đất, bãi thải, trầm tích và nƣớc ngầm (Cunningham và nnk, 1997; Flathman và Lanza, 1998; Brooks, 1998). Hiện nay có khoảng hơn 400 loài thuộc 45 họ thực vật đƣợc biết là các loài siêu tích lũy kim loại.