Giáo trình Nghiên cứu ứng dụng tro trấu từ lò đốt gạch thủ công làm chất hấp phụ metyl da cam

Nội dung text: Giáo trình Nghiên cứu ứng dụng tro trấu từ lò đốt gạch thủ công làm chất hấp phụ metyl da cam

1. NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG TRO TRẤU TỪ LÒ ĐỐT GẠCH THỦ CÔNG LÀM CHẤT HẤP PHỤ METYL DA CAM ThS. Nguyễn Trung Thành, KS. Nguyễn Thuỳ Trang, Lâm Thành Trí, Hồ Nguyễn Thy Thy Bộ môn Môi trường và PTBV, Khoa KT-CN-MT, Trường Đại học An Giang. KS. Lê Ngọc Hăng Trung tâm Quan trắc và Kỹ thuật Tài nguyên - Môi trường An Giang. Tóm tắt Tro trấu từ lò đốt gạch với thành phần cơ bản gồm C, Si, O [1] được kích hoạt bởi dung dịch axit hydrofloric (HF) đã được khảo sát khả năng hấp phụ metyl da cam. Các yếu tố như chế độ hoạt hoá tro trấu, khối lượng tro; và pH của dung dịch metyl da cam là các yếu tố chính ảnh hưởng đến quá trình hấp phụ này. Trong các điều kiện thí nghiệm của chúng tôi, cho thấy rằng 200mg tro trấu (đã hoạt hoá, hàm lượng HF trong dung dịch là 10% thể tích) có khả năng loại bỏ 99% metyl da cam từ 50 ml dung dịch metyl da cam (10mg/l) ở pH ~ 5.0 với thời gian hấp phụ là 30 phút. Ngoài ra, cơ chế của quá trình hoạt hoá tro trấu bởi dung dịch HF cũng sẽ được đề cặp trong báo cáo này. 1. GIỚI THIỆU: hữu ích cho các ngành công nghiệp khác xi Sản xuất gạch thủ công là một nghề như: công nghiệp thép, công nghiệp [3] truyền thống ở Việt Nam; làng nghề này đã măng, vật liệu xây dựng nhẹ, và đang giải quyết việc làm cho hàng triệu Bên cạnh vấn đề ô nhiễm môi trường lao đông phổ thông nhất là các lao động ở từ làng nghề sản xuất gạch thủ công thì ô nông thôn và nó đã góp phần không ít trong nhiễm môi trường do nước thải chứa hàm việc chuyển nền kinh tế nông nghiệp sang lượng chất hữu cơ khó phân huỷ nhất là các công nghiệp thủ công ở nông thôn nước ta. chất hoạt đông bề mặt từ các nhà máy, xí Tuy nhiên, làng nghề này đã và đang gây ra nghiệp và khu dân cư đang là vấn đề được những ô nhiễm môi trường trầm trọng về quan tâm trong thời gian hiện nay. Để xử lý không khí (bởi HF, bụi ), nước và cạn kiệt các chất thải dạng này thì có rất nhiều nguồn tài nguyên đất[2]. Trong đó, việc ô phương pháp, trong đó phương pháp hấp nhiễm bởi tro trấu (nguồn gốc tạo bụi và phụ bằng than hoạt tính được đánh giá là làm thay đổi giá trị pH của nước) được tạo một phương pháp hữu hiệu, nhất là trong ra từ quá trình nung gạch cũng là một vấn trường hợp chất hữu cơ dạng này[4]. Tuy đề rất đáng quan tâm nhất là vào mùa khô. nhiên, hiện nay than hoạt tính (được xem là Hiện tại, ở Việt Nam hầu như chưa có biện chất hấp phụ phổ biến nhất) chủ yếu làm pháp hữu hiệu để xử lý cũng như tận dụng bằng gáo dừa nên giá thành cao, nguồn nguồn chất thải này. Mặc dù, bên trong tro cung hạn chế. trấu có chứa một số thành phần hoá học rất 1
2. Do đó, việc nghiên cứu cải tiến hoạt nhiệt độ 100 ± 5oC. Các mẫu tro trấu đã tính của tro trấu làm chất hấp phụ sẽ giải hoạt hoá được xác định bề mặt riêng và quyết được hai vấn đề (i) Hạn chế ô nhiễm khảo sát khả năng hấp phụ metyl da cam. ; (ii) làm gi môi trường từ trấu ảm giá b. Hấp phụ metyl da cam bằng tro thành s ản xuất chất hấp phụ cho xử lý trấu hoạt hóa môi trường. Cân chính xác khoảng m gam tro trấu đã Trong ph ên c ày, chúng ần nghi ứu n hoạt hóa (m = 0,1; 0,2; 0,5 ± 0,0005g) cho tôi nh i ận thấy v ệc xác định điều kiện tối ưu vào cốc có chứa 50ml dung dịch metyl da cho quá trình ho ạt hoá tro và điều kiện thích cam với nồng độ xác định (10, 20, 30, h ình h ợp cho quá tr ấp phụ của loại vật liệu 50mg/l) và lắc đều hỗn hợp. Sau đó, để yên này là r ất cấn thiết. hỗn hợp này trong một khoảng thời gian 2. THỰC NGHIỆM: cần thiết (10, 30, 60, 90 phút) ở điều kiện oC; 1 atm) sau 2.1. Hóa chất và thiết bị: môi trường khí quyển (~ 30 đó tiến hành lọc thu lấy dung dịch và xác Để thực hiện nghiên cứu này chúng tôi đã định độ hấp thu của dung dịch trước và sau sử dụng một số dụng cụ cơ bản như sau: khi hấp phụ bằng máy quang phổ hấp thu Hóa chất: Axít HF (Trung Quốc), Metyl da UV-VIS để đánh giá khả năng hấp phụ của cam (Merk) , Tro trấu (được lấy ngẫu nhiên vật liệu. từ các lò nung gạch thủ công). 2.3. Phương pháp xử lý số liệu: Thiết bị và dụng cụ cơ bản: máy quang phổ Dưới đây là sơ đồ miêu tả phương pháp xử hấp thu UV-Vis; pH kế; máy khuấy từ; cân lý số liệu để đánh giá hiệu quả xử lý metyl phân tích (4 số lẻ); micro pipet; và các dụng da cam của tro trấu sau hoạt hóa (Hình .1). cụ thủy tinh cơ bản khác. 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN: 2.2. Thao tác thí nghiệm: 3.1. Kết quả hoạt hóa tro trấu: a. Hoạt hóa tro trấu Tro trấu sau khi hoạt hóa được tiến hành Cân 20g tro trấu cho vào một ca nhựa xác định diện tích bề mặt riêng và hấp phụ (1500ml) có chứa 800ml dung dịch HF với metyl da cam để khảo sát ảnh hưởng của nồng độ xác định (0%, 5%, 10%, 15%) và chế độ hoạt hóa đến diện tích bề mặt riêng được khuấy trộn với tốc độ vừa phải. Sau và khả năng hấp phụ metyl da cam của tro một khoảng thời gian (30 phút) cần thiết trấu, và thu được kết quả như được thể hiện cho quá trình hoạt hoá thì hỗn hợp rắn - trong Hình.2; các kí hiệu mẫu và điều kiện lỏng này được lọc, rửa đến pH trung tính thí nghiệm được thể hiện trong Bảng.1. bằng nước cất và đem sấy khô qua đêm ở 2
3. Phương trình đường chuẩn: (A = C + ) Độ hấp thu của dung Nồng độ của dung dịch dịch metyl da cam, metyl da cam (C). sau 30 phút Hiệu quả xử lý (%) Đánh giá khả năng hấp phụ của tro trấu H (%) = C0 và C là nồng độ metyl da cam có trong dung dịch trước và sau khi hấp phụ. Hình.1. Sơ đồ xử lý số liệu hấp phụ metyl da cam của tro trấu. Chế độ hoạt hoá Hấp phụ metyl da cam Khối Tên Nồng Nồng độ STT Thời gian lượng Thời gian Thể tích m độ metyl da ẫu hoạt hoá tro hấp phụ metyl da axit cam ban (phút) 0,5 (phút) cam (ml) (C%) đầu (mg/l) (mg) 1 Mẫu 0 0 0 30 50 10 2 Mẫu 1 0 30 30 50 10 3 Mẫu 2 5 30 30 50 10 4 Mẫu 3 10 30 200 30 50 10 5 Mẫu 4 15 30 30 50 10 6 Mẫu 5 10 60 30 50 10 7 Mẫu 6 10 120 30 50 10 Bảng.1. Kí hiệu mẫu và điều kiện thí nghiệm hấp phụ metyl da cam. 3
4. Hình.2. Ảnh hưởng của chế độ hoạt hoá đến khả năng hấp phụ metyl da cam và diện tích riêng bề mặt của tro trấu. Qua các kết quả thí nghiệm ở Hình.2 Và chúng tôi đề nghị một cơ chế có nhận thấy rằng điều kiện hoạt hoá (nổi bật là thể có của quá trình hoạt hoá này để giải nồng độ HF) ảnh hưởng rất lớn đến giá trị bề thích hiện tượng như đã đề cặp ở trên (trong mặt riêng và khả năng hấp phụ metyl da cam Hình.2) là: c ủa vật liệu. Trong đó, hiệu quả hấp phụ sẽ (1) HF (được đánh giá là một giá axít yếu) sẽ ùng v v + - tăng đồng thời c ới giá trị bề mặt của ật phân ly tạo H và F theo cân bằng điện ly li à m à ệu. Đây l ột đặc trưng quan trọng v như sau: mang tính ph ổ biến của các vật liệu hấp phụ [6] [5] (pKa = 3,15) có mao quản . Với mẫu 0 (mẫu tro trấu nguyên thuỷ) và mẫu 1 (tro được rửa bằng (2) Các nguyên tử Silic có trong tro trấu sẽ - nước cất) thì hiệu quả hấp phụ và diện tích bề tham gia phản ứng hoà tan với ion F để tạo mặt riêng có thể xem là không có sự khác các hợp chất SiF4 (thể khí) hoặc H2SiF6 (thể biệt nhau và rất thấp so với mẫu tro trấu được lỏng). Kết quả là thúc đẩy phản ứng phân ly + hoạt hoá bằng HF có nồng độ 5% (hiệu quả HF và tạo ra nhiều ion H hơn. hấp phụ ~50%; và diện tích bề mặt là (3) Dung dịch chứa các ion H+ đóng vai trò là 2 198m /g). Một điều rất thú vị hơn với mẫu 3 một môi trường lý tưởng để hoà tan (hoặc (10% HF) và mẫu 4 (15% HF) cho khả năng khử) các chất bẩn hấp phụ hoặc bám trên các hấp phụ rất cao so với các mẫu khác, hấp phụ tâm hoạt động bề mặt (vị trí có khả năng trên 90% metyl da cam có trong dung dich tham gia hấp phụ hoặc phản ứng) của tro 2 ứng với diện tích bề mặt riêng trên 400m /g. trấu. Do đó, số lượng tâm hoạt động bề mặt Như vậy, từ những kết quả này đã cho thấy sẽ tăng lên sau quá trình hoạt hoá tức là diện được vai trò đặc biệt của HF trong quá trình tích bề mặt của vật liệu được nâng cao so với hoạt hoá tro trấu. mẫu tro nguyên thuỷ; kéo theo đó hiệu quả 4
5. xử lý metyl da cam cũng được nâng cao đáng mặt hoặc có thể tạo ra thêm các hệ thống mao kể. quản khác. Như được minh hoạ trong Hình.3. Ngoài ra, một nguyên nhân rất quan Khi so sánh hoạt tính của mẫu 3 (nồng trọng có thể giải thích việc tăng đáng kể diện độ 10% HF) và mẫu 4 (nồng độ 15% HF) thì tích bề mặt của tro trấu khi sử dụng dung hoạt tính hấp phụ và diện tích bề mặt của dịch HF ở nồng độ cao hơn nồng độ 5% về chúng không chênh lệch đáng kể điều này có thể tích. Như chúng ta đã biết, các vật liệu rắn thể nói là ở nồng độ 10% thể tích HF có thể đều có một hình thái nhất định (an hoà tan hết các nguyên tử Si hoạt động (hoặc established morphology); do đó khi các có thể tham gia phản ứng) có trong tro trấu. nguyên tử Silic tham gia vào phản ứng hoà Do đó, với nồng độ 15% HF có thể đã có một tan với HF sẽ tạo ra một lỗ trống tại vị trí lượng HF thừa không tham gia đúng vai trò nguyên tử Silic đã bị hoà tan; chính điều này như đã được mong đợi. có thể làm tăng thêm mức độ gồ ghề trên bề A Bề mặt bằng phẳng Bề mặt gồ ghề B Si F- HF +HF Các nguyên tử của các nguyên tố có trong tro trấu Vật liệu chưa tạo Vật liệu đã được tạo hệ thống mao quản hệ thống mao quản SiF4 H2SiF6 Hình.3. Cơ chế tạo sự gồ ghề trên bề mặt (A) và các hệ thống mao quản từ quá trình hoạt hoá(B) của tro trấu. Khi nghiên cứu ảnh hưởng của thời Từ các kết quả thực nghiệm và các gian hoạt hoá đến hoạt tính hấp phụ thì nhận thảo luận ở trên, chúng ta có thể nói rằng ở thấy rằng yếu tố thời gian là một yếu tố phụ nồng độ 10% về thể tích là nồng độ axit HF và ảnh hưởng không lớn đến quá trình trình thích hợp cho quá trình hoạt hoá loại tro trấu này. Điều này dễ dàng được giải thích là do này và chọn thời gian hoạt hoá là 30 phút. bởi HF là một chất phản ứng rất mạnh với Một điều trùng hợp và đáng chú ý là ở nồng các nguyên tử Si. Kết quả được trình bày như độ axít dùng trong quá trình hoạt hoá này rất trong Hình.4. giống điều kiện hoạt hoá cho một số loại vật 5
6. liệu mao quản khác như bentonite; cao lanh; có cùng bản chất đó là vai trò của H+ trong zeolite tự nhiên như chúng tôi đã từng làm quá trình hoạt hoá vật liệu rắn và với nồng độ thực nghiệm hoặc tham khảo từ các công này có thể tránh làm biến đổi các cấu trúc bên trình nghiên cứu của các tác giả khác[7,8]. trong của vật liệu. Điều này có thể được giải thích là do chúng Hình.4. Ảnh hưởng của thời gian hoạt hóa hoá đến khả năng hấp phụ metyl da cam và diện tích bề mặt riêng của tro trấu. 3.2. Kết quả hấp phụ metyl da cam bằng tro trấu hoạt hóa: Hình.5. Ảnh hưởng của pH dung dịch đến hiệu quả hấp phụ metyl da cam. Sau đây, chúng tôi tiến hành khảo sát lập điều kiện tối ưu có thể có cho quá trình khả năng hấp phụ metyl da cam của tro trấu hấp phụ tạo điều kiện tiền đề mở rộng ứng được hoạt hoá với điều kiện hoạt hoá đã nêu dụng vật liệu này vào thực tiễn. Các kết quả ở trên. Các thí nghiệm được tiến hành với sự được trình bày trong các Hình.5 và Hình.6. quan sát các ảnh hưởng của giá trị pH dung Qua kết quả hấp phụ metyl da cam d ịch, lượng chất hấp phụ. Với mục đích thiết trong Hình.5 cho thấy rằng hầu hết hiệu quả 6
7. xử lý đều đạt trên 90% ở các điểm pH 7.0 việc xử lý ở điều kiện thực tế. Giống với được khảo sát. Tuy nhiên chỉ riêng với các trường hợp pH của môi trường bazơ thì môi điểm pH = 3.0; 9.0 và 11 có hiệu quả xử lý trường pH axít cũng cho một hiệu quả xử lý lần lượt là 89%; 87% và 89% giảm nhẹ so thấp (89%) điều này có thể giải thích là; trong với các giá trị lân cận; và ở pH = 5 đã cho môi trường axít thì metyl da cam sẽ hấp thu thấy một hiệu quả hấp phụ cực đại (~99%) ion H+ (dung dịch có mà cam đỏ rất đặc trưng trong một chuỗi thí nghiệm này. Điều này có trong vùng pH <4 này). Do dó, khi hấp phụ thể giúp chúng ta suy luận ra rằng; trong môi lên trên bề mặt của tro trấu tạo thành một lớp trường bazơ (hoặc kiềm) không thuận lợi cho điện tích và lớp điện tích dương này sẽ là lớp quá trình hấp phụ metyl da cam lên trên bề điện tích cảng trở các ion metyl da cam khác mặt của tro trấu. Đó có thể là do đã xuất hiện tiến đến gần bề mặt chất hấp phụ và vì thế sẽ sự canh tranh hấp phụ của gốc OH- và metyl cho hiệu quả xử lý thấp hơn so với việc thực da cam lên trên các tâm hoạt động và mức độ hiện thí nghiệm ở pH = 5.0. Vì vậy, chúng tôi cồng kềnh (kích thước trong không gian) của chọn pH = 5.0 là pH cho môi trường thích metyl da cam khá lớn so với OH- nên hiệu hợp cho quá trình hấp phụ metyl da cam; và quả xử lý sẽ giảm xuống trong môi trường có môi trường hấp phụ này nhìn chung khá nhiều gốc OH-. Ngoài ra, do metyl da cam là giống nhau cho các vật liệu hấp phụ rắn; ví một chất chỉ thị màu, tức là màu sắc của dung dụ như khi nghiên cứu hấp phụ metyl xanh dịch sẽ thay đổi theo pH; thực tế cho thấy ở bởi sắt (0) được mang trên chất mang pH càng cao thì dung dịch càng sậm màu. Do palygorskite; Ray L.Frost và các cộng sự đã đó ở pH cao sẽ không thuận lợi để triển khai tiến hành quá trình hấp phụ ở pH = 5,9[9]. Hình.6. Ảnh hưởng của khối lượng tro trấu đến hiệu quả hấp phụ metyl da cam. Qua kết quả hấp phụ metyl da cam nồng độ metyl da cam giữa dung dịch và trên theo hàm lượng tro trấu (Hình.6) ta thấy ở bề mặt chất rắn. cùng điều kiện mẫu (thể tích, nồng độ, pH) Như vậy từ các kết quả nghiên cứu và th ì m ời gian hấp phụ th ẫu tro có khối ảnh hưởng của khối lượng tro; chúng tôi nhận à lượng 200mg cho hiệu quả xử lý tối đa l thấy rằng với khối lượng 200mg tro trấu sẽ ên 500mg thì 99%, khi tăng khối lượng tro l cho hiệu quả hấp phụ metyl da cam thích hợp hi h ệu quả xử lý ầu như không tăng thêm. (rất cao) với điều kiện thực nghiệm đã được ày có th à do s Điều n ể giải thích l ự cân bằng mô tả như trên. 7
8. 4. KẾT LUẬN: (ii) Quá trình hấp phụ metyl da cam: chúng ta nên ti ành quá trình h pH ~ 5.0 Tóm lại, chế độ hoạt hóa là yếu tố rất ến h ấp phụ ở s kh quan trọng quyết định khả năng hấp phụ của ẽ cho hiệu quả xử lý cao; theo ước tính ả v ày là ~ 2.5mg metyl tro trấu cùng với một môi trường hấp phụ năng xử lý của ật liệu n da cam /gam tro tr ã ho . thích hợp sẽ tạo điều kiện thuận lợi cho việc ấu đ ạt hoá sử dụng chất hấp phụ này trong tương lai. 5. CẢM TẠ: ên cho Đồng thời, cũng qua những kết quả tr Chúng tôi xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ th ã thành công trong quá trình ấy chúng tôi đ của Bộ môn Môi trường và Phát triển Bền ho ùng làm ch ạt hoá tro trấu d ất hấp phụ vững; Khoa Kỹ thuật - Công nghệ -Môi metyl da cam v ới các điều kiện như sau: trường; Trường Đại học An Giang đã giúp đỡ (i) Quá trình hoạt hoá tro trấu: chúng ta chúng tôi hoàn thành phần nghiên cứu này. nên sử dụng axit HF với nồng độ 10% thể tích và thời gian hoạt hoá 30 phút. 6. TÀI LIỆU THAM KHẢO: [1]- Bengt-J.S; Patrik.Y; Jouni.K; Peter.S; and Mikko.H. The fouling behavior of rice husk ash in fluidized-bed combustion.1. fuel characteristics. Energy & Fuels 2005,19,1503-1511. [2] Theo Đ.Vinh; ô nhiễm môi trường từ sản xuất gạch ngói; vietbao.vn; ngày 21/12/2006. [3] Theo Bộ Tài nguyên – Môi trường; Nguyên liệu xây dựng sạch trong tương lai; ngày 6/10/2009; www.tmmt.gov.vn. [4] Atsuko Adachi; Michiyo Kamide; Reiko Kawafune; Naoko Miki; Tadashi Kobayashi, Removal efficiency of anionic and nonionic surfactants from chemical wastewater by a treatment plant using activated carbon adsorption and coagulation precipitation processes, Environmental Technology Journal, Volume 11, Issue 2, February 1990 , 133 – 140. [5] Nguyễn Hữu Phú, Hấp phụ và xúc tác trên bề mặt vật liệu vô cơ mao quản. Hà Nôi. NXB Khoa học và Kỹ thuật Hà Nội. 1998 [6] Hydrofluoric acid, [7] PGs.TS.Trần Khắc Chương, (Luận văn Đại học) Nghiên cứu hoạt hoá bentonite –Bình Thuận, năm 1995. [8] PGs.TS.Trần Khắc Chương, (Luận văn Đại học) Nghiên cứu hoạt hoá caolanh –Bình Thuận, năm 1998. [9] Ray L.Frost, Yunfei Xi, Hongping He, Synthesis, characterization of palygorskite supported zero-valent iron and it’s application for methylene blue adsorption, Journal of colloid and interface science 341 (2010) 153-161. 8