MỞ ĐẦU 1.1 Lý do chọn đề tài Trong những năm gần đây, vấn đề bảo vệ môi trường đã trở thành một vấn đề trọng tâm, thu hút sự chú ý của nhiều quốc gia và tổ chức trên thế giới. Việc bảo vệ môi trường sống trên Trái Đất được đặt ra cho toàn nhân loại vì sự cần thiết cho chính chúng ta và cho thế hệ tương lai. Nước là một thành phần quan trọng của môi trường. Nước tham gia vào các quá trình tự nhiên, điều hoà khí hậu, là thành phần của mọi cơ thể sống đảm bảo sự tồn tại của con người.
Bên cạnh đó, nước còn đáp ứng các nhu cầu đa dạng của con người trong sinh hoạt, trong nông nghiệp và trong sản xuất công nghiệp. Cùng với sự phát triển của các ngành công nghiệp, nhu cầu về nước ngày càng trở nên thiết yếu. Lượng nước thải ra từ các quá trình sản xuất cũng như trong sinh hoạt đã đưa vào môi trường nước tự nhiên một lượng lớn các chất gây ô nhiễm. Trong các loại nước thải công nghiệp thì nước thải chứa kim loại nặng như: Cu, Mn, Pb, Cd,.
được chú ý hơn cả, vì chúng là tác nhân gây hại cho nguồn nước, ảnh hưởng nghiêm trọng đến sức khoẻ con người và huỷ hoại môi sinh mạnh mẽ. Từ đó, việc nghiên cứu tách loại các kim loại nặng trong nước có ý nghĩa vô cùng quan trọng. Đã có nhiều phương pháp được áp dụng nhằm tách các ion kim loại nặng ra khỏi môi trường nước như: phương pháp hoá lý (phương pháp hấp phụ, phương pháp trao đổi ion), phương pháp sinh học, phương pháp hoá học. Trong đó, phương pháp hấp phụ được áp dụng rộng rãi và cho kết quả rất khả thi.
Vật liệu hấp phụ (VLHP) có thể có nguồn gốc tự nhiên hoặc tổng hợp nhân tạo. Hướng nghiên cứu các VLHP nguồn gốc tự nhiên hiện được nhiều nhà khoa học quan tâm do có nhiều ưu điểm như: giá thành xử lý không cao, tách loại được đồng thời nhiều kim loại trong dung dịch, có khả năng tái sử dụng vật liệu hấp phụ và thu hồi kim loại, quy trình xử lý đơn giản, không gây ô nhiễm môi trường thứ cấp sau quá trình xử lý. Các VLHP nguồn gốc tự nhiên đã được nghiên cứu và ứng dụng như: vỏ trấu, xơ dừa, vỏ sò, xỉ than,. Do đó, nhóm nghiên cứu chọn đề tài: “Ứng dụng than biến tính điều chế từ bã mía để hấp phụ Chì và Cadimi theo phương pháp microwave”.2 Tổng quan tình hình nghiên cứu đề tài - Trong nước: Xử lý nước thải bằng phương pháp hấp phụ rất phổ biến do đơn giản trong việc vận hành và đạt hiệu quả cao nhưng lại tốn nhiều hóa chất, không có tính kinh tế cao và có khả năng phát sinh một lượng bùn lớn nếu sử dụng các loại chất hấp phụ truyền thống và cổ điển.
Chính vì vậy, trong thời gian gần đây, có rất nhiều nghiên cứu tận dụng các loại sản phẩm thừa từ nông nghiệp hoặc tự nhiên như vỏ trấu, bã mía, xơ dừa, vỏ tôm làm chất hấp phụ nhằm tiết kiệm chi phí đồng thời hiệu suất hấp phụ tốt. Tác giả Lâm Vĩnh Sơn, Lâm Thị Ngọc Huyền, Trường đại học công nghệ TP.HCM (HUTECH) đã tiến hành nghiên cứu ứng dụng phế phẩm nông nghiệp, là lõi ngô để tạo ra sản phẩm hấp phụ lọc nước. Tác giả Bùi Thị Lan Anh, Trường đại học Khoa Học Tự Nhiên – Đại học Quốc Gia Hà Nội nghiên cứu chế tạo vật liệu hấp phụ từ xơ dừa để xử lý amoni trong nước thải bệnh viện. Tác giả Huỳnh Thị Thanh Tuyền, Trường Đại học Sư phạm - Đại học Đà Nẵng đã tiến hành nghiên cứu chế tạo vật liệu hấp phụ từ vỏ trấu để xử lý Pb2+ trong môi trường nước.
- Ngoài nước: Nghiên cứu hấp phụ chì trên vật liệu composit từ bã mía và ống nano carbon đã được thực hiện bởi Izzeldin và cộng sự (2013)[1] cho thấy kết quả là hiệu suất hấp phụ tăng lên gấp đôi so với việc sử dụng bã mía thông thường để hấp phụ Pb. Đồng thời nghiên cứu cũng cho thấy quá trình hấp phụ diễn ra tự nhiên và không hao tốn năng lượng. Bã mía được tận dụng và điều chế thành than hoạt tính bằng phương pháp Microwave nhằm tăng hiệu suất hấp phụ theo nghiên cứu K. Chitosan có rất nhiều ứng dụng trong xử lý môi trường, có thể kể ra đây như: xử lý kim loại nặng, keo tụ (protein, nước thải dệt nhuộm …), xử lý chất thải phóng xạ… Nghiên cứu loại bỏ các hợp chất hữu cơ trong nước thải từ vật liệu composit chitosan và than hoạt tính của tác giả A.
Kết quả cho thấy hiệu suất Luan van -3- xử lý lên đến 98%. Điều này chứng tỏ tiềm năng tạo ra một loại vật liệu hấp phụ tối ưu nhằm loại bỏ các chất ô nhiễm có trong nước thải.3 Mục tiêu đề tài Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng như pH, thời gian tối ưu, liều lượng, nhiệt độ đến quá trình hấp phụ bằng than biến tính từ bã mía. Nghiên cứu khả năng ứng dụng của than bã mía trong xử lý nước thải có chứa kim loại nặng Chì, Cadimi từ các nhà máy, khu công nghiệp.4 Phương pháp nghiên cứu Phương pháp thực nghiệm: Đây là một phương pháp mang tính chất quan trọng trong quá trình nghiên cứu, các thao tác trong thí nghiệm phải được thực hiện cẩn thận, logic, chi tiết, tỉ mỉ nhằm mang lại kết quả nghiên cứu ít sai số nhất. Phương pháp so sánh: Dùng để đối chiếu các kết quả đã nghiên cứu với nhau nhằm chọn ra kết quả mang lại hiệu suất hấp phụ cao.
Phương pháp xử lý số liệu: Các số liệu được xử lý trên bảng biểu, các số liệu được xử lý trên Microsoft Word, Microsoft Excel và SigmaPlot. Phương pháp phân tích, đánh giá: Phân tích thành phần hoá học, cấu trúc, diện tích bề mặt của vật liệu bằng các phương pháp phân tích lý hoá hiện đại như: SEM, FTIR,… Phương pháp đồ thị: Sử dụng đồ thị để diễn đạt các số liệu đã qua xử lý để có cái nhìn trực quan hơn và dễ dàng đánh giá, nhận xét chính xác hơn.5 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu - Kim loại nặng Chì và Cadimi - Vật liệu than bã mía đã biến tính bằng H3PO4 với sự trợ giúp của lò vi sóng Microwave. Phạm vi nghiên cứu - Tổng quan về quá trình hấp phụ, các phương pháp tính toán - Tổng quan về vật liệu than bã mía, Chì và Cadimi. Luan van -4- CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN VÀ CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Tổng quan về xử lý nước thải 2.1 Đặc tính chung của nước thải 2.1Nước thải sinh hoạt Nước thải sinh hoạt là nước xả bỏ sau khi sử dụng cho các mục đích sinh hoạt cộng đồng: tắm, giặt giũ, tẩy rửa, vệ sinh cá nhân, … Nước thải nhiễm bẩn do chất bài tiết của con người từ các phòng vệ sinh.
Nước thải nhiễm bẩn do các chất thải sinh hoạt: Cặn bã từ nhà bếp, các chất rửa trôi, kể cả làm vệ sinh sàn nhà. Đặc tính chung của nước thải sinh hoạt là: Bị ô nhiễm bởi cặn bã hữu cơ (SS), chất hữu cơ hoà tan (BOD5/COD), các chất dinh dưỡng (Nitơ, Phospho), các vi trùng gây bệnh (E.1 Đặc tính nước thải sinh hoạt Chất hữu cơ chứa trong nước thải sinh hoạt chiếm khoảng 50 - 60% tổng các chất bao gồm các chất hữu cơ thực vật: Cặn bã thực vật, rau quả, giấy. và các chất hữu cơ động vật: Chất bài tiết của người và động vật, xác động vật,. Các chất hữu cơ trong nước thải theo đặc tính hóa học gồm chủ yếu là protein (40 - 50%), hydratcacbon (40 - 50%) gồm tinh bột, đường, xenlulô và các chất béo (5-10 %).
Urê Luan van -5- cũng là chất hữu cơ quan trọng trong nước thải sinh hoạt. Nồng độ chất hữu cơ trong nước thải sinh hoạt dao động trong khoảng 150 - 450mg/l theo trọng lượng khô. Có khoảng 20 - 40% chất hữu cơ khó phân hủy sinh học. Các chất vô cơ trong nước thải chiếm 40 - 42% gồm chủ yếu: Cát, đất sét, các axit, bazơ vô cơ, dầu khoáng,.
Trong nước thải có nhiều dạng vi sinh vật: Vi khuẩn, virut, nấm, rong tảo, trứng giun sán,. Trong số các dạng vi sinh vật đó có thể có cả vi trùng gây bệnh, ví dụ: lỵ, thương hàn,. có khả năng gây thành dịch bệnh. Về thành phần hóa học thì các loại vi sinh vật thuộc nhóm các chất hữu cơ.
Tải lượng và nồng độ chất bẩn trong nước thải sinh hoạt từ các ngôi nhà hoặc cụm dân cư độc lập.1 Tải lượng và nồng độ chất bẩn trong nước thải sinh hoạt Thông số Tải lượng, g/ người. ngày Nồng độ *, mg/l Tổng chất rắn 115 – 117 680 – 1000 Các chất rắn dễ bay hơi 65 – 85 380 – 500 Cặn lơ lửng 35 – 50 200 – 290 Cặn lơ lửng dễ bay hơi 25 – 40 150 – 240 BOD5 35 – 50 200 – 290 COD 115 – 125 680 – 730 Tổng Nitơ 6 – 17 35 – 100 Nitơ Amoni 1–3 6 – 18 Tổng Photpho 3–5 18 – 29 Photphat (tính theo photpho) 1–4 6 – 24 Tổng Coliform 1011 – 4.1012 ** 108 – 1010 *** *: Nồng độ tính khi tiêu chuẩn nước thải là 170 l/người.ngày **: Số Coliform ***: Số Coliform/100ml 2.2 Nước thải công nghiệp Nước thải công nghiệp được sinh ra trong quá trình sản xuất công nghiệp từ các công đoạn sản xuất và các hoạt động phục vụ sản xuất như khi tiến hành vệ sinh công nghiệp hay hoạt động sinh hoạt của công nhân viên. Luan van -6- Nước thải công nghiệp thường được phân loại theo các ngành công nghiệp sản sinh ra nước thải đó nhưng cũng có thể phân loại các chất ô nhiễm trong nước theo phương pháp được sử dụng để xử lý theo bảng dưới đây: Bảng 1.2 Các chất ô nhiễm và phương pháp xử lý STT CHẤT Ô NHIỄM PP XỬ LÝ Dầu mỡ và chất rắn lơ lửng: cát, các Cơ học có thể kết hợp hoặc không 1 oxit và hydroxyt kim loại, sợi, mủ kết hợp với phương pháp kết tủa tạo cao su bông (lọc, lắng, tuyển nổi) Các chất hưu cơ hòa tan bay ở dạng nhũ.