›
›

Khóa luận Khảo sát khả năng hấp phụ niken trong nước bằng vật liệu xương san hô - Đoàn Thị Hiếu

pdf 57 trang huongle 1000
Download
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Khóa luận Khảo sát khả năng hấp phụ niken trong nước bằng vật liệu xương san hô - Đoàn Thị Hiếu", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

  • pdfkhoa_luan_khao_sat_kha_nang_hap_phu_niken_trong_nuoc_bang_va.pdf

Nội dung text: Khóa luận Khảo sát khả năng hấp phụ niken trong nước bằng vật liệu xương san hô - Đoàn Thị Hiếu

  1. Khóa luận tốt nghiệp BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC DÂN LẬP HẢI PHÒNG ISO 9001 : 2008 KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP NGÀNH: KỸ THUẬT MÔI TRƢỜNG Sinh viên : Đoàn Thị Hiếu Giảng viên hƣớng dẫn: ThS. Tô Thị Lan Phƣơng HẢI PHÒNG - 2012 GVHD: ThS. Tô Thị Lan Phương Sinh viên: Đoàn Thị Hiếu – Lớp MT1201
  2. Khóa luận tốt nghiệp BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC DÂN LẬP HẢI PHÒNG KHẢO SÁT KHẢ NĂNG HẤP PHỤ NIKEN TRONG NƢỚC BẰNG VẬT LIỆU XƢƠNG SAN HÔ KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY NGÀNH: KỸ THUẬT MÔI TRƢỜNG Sinh viên : Đoàn Thị Hiếu Giảng viên hƣớng dẫn: ThS. Tô Thị Lan Phƣơng HẢI PHÒNG – 2012 GVHD: ThS. Tô Thị Lan Phương Sinh viên: Đoàn Thị Hiếu – Lớp MT1201
  3. Khóa luận tốt nghiệp BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC DÂN LẬP HẢI PHÒNG NHIỆM VỤ ĐỀ TÀI TỐT NGHIỆP Sinh viên: Đoàn Thị Hiếu Mã SV: 120441 Lớp: MT1201 Ngành: Kỹ thuật môi trường Tên đề tài: “Khảo sát khả năng hấp phụ Niken trong nước bằng vật liệu xương san hô”. GVHD: ThS. Tô Thị Lan Phương Sinh viên: Đoàn Thị Hiếu – Lớp MT1201
  4. Khóa luận tốt nghiệp NHIỆM VỤ ĐỀ TÀI 1. Nội dung và các yêu cầu cần giải quyết trong nhiệm vụ đề tài tốt nghiệp ( về lý luận, thực tiễn, các số liệu cần tính toán và các bản vẽ). - Thu thập tài liệu tìm hiểu về xương san hô và nước thải chứa Niken - Tổng hợp các tài liệu tham khảo có liên quan đến nội dung khóa luận. - Kỹ năng làm thực nghiệm. - Kỹ năng xử lý và phân tích số liệu. - Khảo sát sự ảnh hưởng của các yếu tố đến khả năng hấp phụ ion kim loại của vật liệu hấp phụ. - Khảo sát mẫu thực trên cột hấp phụ động. 2. Các số liệu cần thiết để thiết kế, tính toán. - Các số liệu khảo sát về sự ảnh hưởng của các yếu tố đến khả năng hấp phụ ion kim loại của vật liệu hấp phụ. - Mô hình thí nghiệm nghiên cứu ảnh hưởng của tốc độ dòng chảy. - Mô hình thí nghiệm xử Ni2+ trong nước thải. 3. Địa điểm thực tập tốt nghiệp. - Phòng thí nghiệm F204, Trường Đại Học Dân Lập Hải Phòng GVHD: ThS. Tô Thị Lan Phương Sinh viên: Đoàn Thị Hiếu – Lớp MT1201
  5. Khóa luận tốt nghiệp CÁN BỘ HƢỚNG DẪN ĐỀ TÀI TỐT NGHIỆP Ngƣời hƣớng dẫn thứ nhất: Họ và tên: Tô Thị Lan Phương. Học hàm, học vị: Thạc sỹ. Cơ quan công tác: Trường Đại học Dân Lập Hải Phòng. Nội dung hướng dẫn: “Khảo sát khả năng hấp phụ Niken trong nước bằng vật liệu xương san hô”. Ngƣời hƣớng dẫn thứ hai: Họ và tên: Học hàm, học vị: Cơ quan công tác: Nội dung hướng dẫn: Đề tài tốt nghiệp được giao ngày 08 tháng 09 năm 2012 Yêu cầu phải hoàn thành xong trước ngày 08 tháng 12 năm 2012 Đã nhận nhiệm vụ ĐTTN Đã giao nhiệm vụ ĐTTN Sinh viên Người hướng dẫn Đoàn Thị Hiếu ThS. Tô Thị Lan Phương Hải Phòng, ngày tháng năm 2012 Hiệu trƣởng GS.TS.NGƢT Trần Hữu Nghị GVHD: ThS. Tô Thị Lan Phương Sinh viên: Đoàn Thị Hiếu – Lớp MT1201
  6. Khóa luận tốt nghiệp PHẦN NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ HƢỚNG DẪN 1. Tinh thần thái độ của sinh viên trong quá trình làm đề tài tốt nghiệp: 2. Đánh giá chất lƣợng của khóa luận (so với nội dung yêu cầu đã đề ra trong nhiệm vụ Đ.T. T.N trên các mặt lý luận, thực tiễn, tính toán số liệu ): 3. Cho điểm của cán bộ hƣớng dẫn (ghi bằng cả số và chữ): Hải Phòng, ngày 08 tháng 12 năm 2012 Cán bộ hƣớng dẫn (Ký và ghi rõ họ tên) ThS. Tô Thị Lan Phương GVHD: ThS. Tô Thị Lan Phương Sinh viên: Đoàn Thị Hiếu – Lớp MT1201
  7. Khóa luận tốt nghiệp LỜI CẢM ƠN Với lòng biết ơn sâu sắc, em xin gửi lời cảm ơn tới cô giáo ThS. Tô Thị Lan Phương, giảng viện bộ môn Môi trường – Trường Đại Học Dân Lập Hải Phòng đã định hướng và tận tình hướng dẫn, giúp đỡ em trong suốt quá trình làm khóa luận. Em cũng xin gửi lời cảm ơn các thầy, cô giáo trong bộ môn Môi trường đã truyền dạy những kiến thức thiết thực trong suốt quá trình học, đồng thời em xin cảm ơn nhà trường đã tạo điều kiện tốt nhất giúp đỡ em trong quá trình học tập và làm thực nghiệm. Em xin chân thành cảm ơn tới gia đình, bạn bè – những người đã luôn ở bên động viên, giúp đỡ em trong suốt 4 năm học qua. Do hạn chế về thời gian, điều kiện cũng như trình độ hiểu biết nên những kết quả thu được của em còn hạn chế, và không tránh khỏi có nhiều thiếu sót. Vậy em kính mong các thầy, cô giáo góp ý để đề tài của em được hoàn thiện hơn. Em xin chân thành cảm ơn! Hải Phòng, ngày 08 tháng 12 năm 2012 Sinh viên Đoàn Thị Hiếu GVHD: ThS. Tô Thị Lan Phương Sinh viên: Đoàn Thị Hiếu – Lớp MT1201
  8. Khóa luận tốt nghiệp DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT BTNMT : Bộ tài nguyên môi trường QCV : Quy chuẩn Việt Nam TCVN : Tiêu chuẩn Việt Nam VLHP : Vật liệu hấp phụ GVHD: ThS. Tô Thị Lan Phương Sinh viên: Đoàn Thị Hiếu – Lớp MT1201
  9. Khóa luận tốt nghiệp DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1: Ước tính toàn cầu về việc thải Ni vào khí quyển từ các nguồn tự nhiên và do con người năm 1983 8 Bảng 1.2: Giá trị C của các thông số ô nhiễm trong nước thải công nghiệp 9 Bảng 1.3: Thành phần các chất cấu tạo nên san hô . 21 Bảng 2.1: Nồng độ các ion kim loại trong mẫu nước thải . . 32 Bảng 3.1: Ảnh hưởng của khối lượng VLHP đến khả năng hấp phụ Ni2+ 35 Bảng 3.2: Ảnh hưởng của thời gian đến khả năng hấp phụ Ni2+ của VLHP 36 Bảng 3.3: Ảnh hưởng của pH đến khả năng hấp phụ Ni2+ của VLHP .38 Bảng 3.4: Kết quả xác định tải trọng hấp phụ Ni2+ cực đại của VLHP 39 Bảng 3.5: Kết quả khảo sát ảnh hưởng của tốc độ dòng đến khả năng hấp phụ Ni2+ của VLHP .40 Bảng 3.6: Kết quả xử lý Ni2+ trên 1 cột hấp phụ . 43 Bẳng 3.7: Kết quả xử lý Ni2+ trên 2 cột hấp phụ 44 GVHD: ThS. Tô Thị Lan Phương Sinh viên: Đoàn Thị Hiếu – Lớp MT1201
  10. Khóa luận tốt nghiệp DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1: Đường đẳng nhiệt Frenunrlich 17 Hình 1.2: Sự phụ thuộc lgq vào lgCf 17 Hình 1.3: Đường hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir 18 Hình 1.4: Sự phụ thuộc của C1/q vào C1 .18 Hình 1.5: Hình thái và cấu tạo của san hô .22 Hình 1.6: Cấu tạo của 1 polyp san hô . .22 Hình 1.7: Hình chụp xương san hô 23 Hình 1.8: Mặt cắt ngang của xương 23 Hình 2.1: Quá trình xử lý vật liệu hấp phụ - xương san hô 27 Hình 2.2: Ảnh chụp xương san hô 28 Hình 2.3: Ảnh chụp vật liệu hấp phụ 28 Hình 2.4: Ảnh chụp vị trí lấy mẫu 31 Hình 2.5: Mô hình nghiên cứu khả năng xử lý kim loại qua 1 cột nối tiếp .33 Hình 2.6: Mô hình nghiên cứu khả năng xử lý kim loại qua 2 cột nối tiếp .34 Hình 3.1: Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của khối lượng VLHP đến quá trình hấp phụ Ni2+ 35 Hình 3.2: Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của thời gian đến khả năng hấp phụ Ni2+ của VLHP 37 Hình 3.3: Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của pH đến khả năng hấp phụ Ni2+ của VLHP . 38 Hình 3.4: Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của nồng độ đầu Ni2+ . .39 Hình 3.5: Đồ thị biểu diễn kết quả xác định tải trọng hấp phụ Ni2+ cực đại của VLHP . 40 Hình 3.6: Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của tốc độ dòng đến khả năng hấp phụ Ni2+ của VLHP .42 Hình 3.7: Đồ thị biểu diễn hiệu suất xử lý Ni2+ trên 1 cột hấp phụ 43 Hình 3.8: Đồ thị biểu diễn hiệu suất xử lý Ni2+ trên 2 cột hấp phụ 45 GVHD: ThS. Tô Thị Lan Phương Sinh viên: Đoàn Thị Hiếu – Lớp MT1201
  11. Khóa luận tốt nghiệp MỤC LỤC LỜI MỞ ĐẦU 4 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN 5 1.1 Sơ lƣợc về một số kim loại nặng 5 1.1.1 Kim loại nặng 5 1.1.2 Tác dụng sinh hóa của kim loại nặng đối với con người và môi trường 6 1.1.3 Niken 7 1.1.4 Quy chuẩn Việt Nam về nước thải 9 1.2 Giới thiệu về phƣơng pháp hấp phụ 10 1.2.1 Các khái niệm 10 1.2.2 Động học của quá trình hấp phụ 13 1.2.3 Các mô hình cơ bản của quá trình hấp phụ 14 1.2.4. Một số yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hấp phụ và giải hấp 18 1.2.5. Ứng dụng của phương pháp hấp phụ trong việc xử lý nước thải 19 1.3. Giới thiệu về vật liệu hấp phụ - xƣơng san hô 20 1.3.1 San hô 20 1.3.2 Phân bố 20 1.3.3 Thành phần chủ yếu của san hô 21 1.3.4 Cấu tạo xương san hô 22 1.3.5 Ứng dụng của xương san hô 24 CHƢƠNG 2: THỰC NGHIỆM 25 2.1 Dụng cụ và hóa chất 25 GVHD: ThS. Tô Thị Lan Phương Sinh viên: Đoàn Thị Hiếu – Lớp MT1201 1
  12. Khóa luận tốt nghiệp 2.1.1 Dụng cụ 25 2.1.2 Hóa chất 25 2.1.3 Nguyên liệu dùng để chế tạo VLHP 25 2.1.4 Điều kiện tiến hành thí nghiệm 25 2.2 Phƣơng pháp chuẩn độ complexon xác định Ni2+ 26 2.2.1 Nguyên tắc của phương pháp 26 2.2.2 Cách tiến hành 26 2.2.3 Hóa chất sử dụng 27 2.3 Chế tạo vật liệu hấp phụ từ nguyên liệu xƣơng san hô 27 2.4 Khảo sát các điều kiện tối ƣu cho quá trình hấp phụ Ni2+ của vật liệu 28 2.4.1 Khảo sát ảnh hưởng của khối lượng VLHP tới quá trình hấp phụ Ni2+ 28 2.4.2 Khảo sát ảnh hưởng của thời gian đến quá trình hấp phụ Ni2+ của VLHP . 29 2.4.3 Khảo sát ảnh hưởng của pH đến quá trình hấp phụ Ni2+ của VLHP 29 2.5 Mô tả quá trình hấp phụ Ni2+ theo mô hình đẳng nhiệt Langmuir 30 2.6 Khảo sát quá trình giải hấp phụ, thu hồi ion kim loại 30 2.7 Bƣớc đầu ứng dụng vật liệu hấp phụ vào xử lý nƣớc thải 31 2.7.1 Khảo sát ảnh hưởng của tốc độ dòng đến khả năng hấp phụ Ni2+ của vật liệu 32 2.7.2 Phương pháp xử lý nước thải 32 CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 35 3.1 Kết quả khảo sát ảnh hƣởng của khối lƣợng VLHP tới khả năng hấp phụ Ni2+ của vật liệu 35 GVHD: ThS. Tô Thị Lan Phương Sinh viên: Đoàn Thị Hiếu – Lớp MT1201 2
  13. Khóa luận tốt nghiệp 3.2 Kết quả khảo sát ảnh hƣởng của thời gian đến quá trình hấp phụ Ni2+ của VLHP 36 3.3 Kết quả khảo sát ảnh hƣởng của pH đến khả năng hấp phụ Ni2+ của VLHP 37 3.4 Kết quả xác định tải trọng hấp phụ Ni2+ của vật liệu 39 3.5 Kết quả xử lý nƣớc thải bằng phƣơng pháp hấp phụ động trên cột 40 3.5.1 Kết quả khảo sát ảnh hưởng của tốc độ dòng đến khả năng hấp phụ Ni2+ của vật liệu 40 3.5.2 Kết quả xử lý nước thải trên 1 cột hấp phụ 42 3.5.3 Kết quả xử lý nước thải trên 2 cột hấp phụ 44 KẾT LUẬN 46 TÀI LIỆU THAM KHẢO 47 GVHD: ThS. Tô Thị Lan Phương Sinh viên: Đoàn Thị Hiếu – Lớp MT1201 3
  14. Khóa luận tốt nghiệp LỜI MỞ ĐẦU Cùng với sự gia tăng của các hoạt động công nghiệp là việc sản sinh các chất thải độc hại, tác động tiêu cực trực tiếp đến sức khỏe con người và hệ sinh thái. Các hoạt động khai thác mỏ, công nghiệp thuộc da, công nghiệp điện tử, mạ điện, lọc hóa dầu hay công nghệ dệt nhuộm đã tạo ra các nguồn ô nhiễm chính chứa các ion kim loại nặng như: Cu, Pb, Ni, Cd, As, Hg Những kim loại này có liên quan trực tiếp đến các biến đổi gen, ung thư cũng như ảnh hưởng nghiêm trọng đến môi trường. Tuy nhiên, trước khi đưa ra môi trường hầu hết các kim loại này chưa được xử lý hoặc chỉ xử lý sơ bộ, do vậy đã gây ô nhiễm môi trường, đặc biệt là môi trường nước. Do 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 hóa lý (phương pháp hấp phụ, phương pháp trao đổi ion, ), phương pháp sinh học, phương pháp hóa học, Trong đó, phương pháp hấp phụ được áp dụng rộng rãi và cho kết quả rất khả thi. 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, bã mía, xơ dừa, vỏ sò, xỉ than, San hô là một loài sinh vật phổ biến rất nhiều tại vùng biển Việt Nam. Bộ xương san hô có cấu tạo chính từ thành phần đá vôi, với đặc điểm có rất nhiều lỗ rỗng li ti bên trong, có khả năng giữ lại một số chất trên bề mặt nên đây có thể là một vật liệu có khả năng hấp phụ. Do đó, em chọn đề tài: “Khảo sát khả năng hấp phụ Niken trong nước bằng vật liệu xương san hô”. GVHD: ThS. Tô Thị Lan Phương Sinh viên: Đoàn Thị Hiếu – Lớp MT1201 4
  15. Khóa luận tốt nghiệp CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Sơ lƣợc về một số kim loại nặng [1,4] 1.1.1 Kim loại nặng Kim loại nặng là những kim loại có khối lượng riêng lớn hơn 5 g/cm3. Cũng như nhiều nguyên tố khác, các kim loại nặng có thể cần thiết cho sinh vật, cây trồng hoặc động vật, hoặc không cần thiết. Với những kim loại cần thiết đối với sinh vật cần lưu ý về hàm lượng của chúng trong sinh vật. Nếu ít quá sẽ ảnh hưởng tới quá trình trao đổi chất, nếu nhiều quá sẽ gây độc. Những kim loại không cần thiết, khi vào cơ thể sinh vật ngay cả ở dạng vết (rất ít) cũng có thể gây tác động độc hại. Với quá trình trao đổi chất, những kim loại này thường được xếp loại độc. Ví dụ như niken, đối với thực vật thì niken không cần thiết và là chất độc, nhưng đối với động vật, niken lại rất cần thiết ở hàm lượng thấp. Trong tự nhiên kim loại tồn tại ở trong khí quyển (dạng hơi), thuỷ quyển (các muối hoà tan), địa quyển (dạng rắn không tan, khoáng, quặng) và sinh quyển (trong cơ thể con người, động thực vật). Trong những điều kiện thích hợp kim loại nặng trong môi trường nước có thể phát tán vào trong môi trường đất hoặc khí. Kim loại nặng trong môi trường thường không bị phân huỷ sinh học mà tích tụ trong sinh vật, tham gia chuyển hoá sinh học tạo thành các hợp chất độc hại hoặc ít độc hại hơn. Chúng cũng có thể tích tụ trong hệ thống phi sinh học (không khí, đất nước, trầm tích) và được chuyển hoá nhờ sự biến đổi của các yếu tố vật lý và hoá học như nhiệt độ áp suất dòng chảy, oxy, nước . Nhiều hoạt động nhân tạo cũng tham gia vào quá trình biến đổi các kim loại nặng và là nguyên nhân gây ảnh hưởng tới vòng tuần hoàn vật chất hoá địa, sinh học của nhiều loại. Trong môi trường nước thì kim loại nặng tồn tại dưới 3 dạng khác nhau và đều có thể ảnh hưởng tới sinh vật, đó là: (1) hòa tan, (2) bị hấp thụ bởi các thành phần vô sinh hoặc hữu sinh và lơ lửng trong nguồn nước hoặc lắng tụ xuống đáy và (3) tích tụ trong cơ thể sinh vật. Các chất hòa tan trong nguồn nước dễ bị các sinh vật GVHD: ThS. Tô Thị Lan Phương Sinh viên: Đoàn Thị Hiếu – Lớp MT1201 5
  16. Khóa luận tốt nghiệp hấp thụ. Các độc chất kỵ nước có thể lắng xuống bùn đáy, ở dạng keo, khó bị sinh vật hấp thụ. Tuy nhiên, cũng có một số sinh vật đáy có thể sử dụng chúng qua đường tiêu hóa hay hô hấp. Các độc chất trở thành trầm tích đáy có thể tái hoạt động khi lớp trầm tích bị xáo trộn. Độc chất có thể tích tụ trong cơ thể sinh vật tại các mô khác nhau, qua quá trình trao đổi chất và thải trở lại môi trường qua con đường bài tiết. Kim loại nặng trong nước làm ô nhiễm cây trồng khi các cây trồng này được tưới bằng nguồn nước có chứa kim loại nặng hoặc đất trồng cây bị ô nhiễm bởi nguồn nước có chứa kim loại nặng chảy qua. Do đó kim loại nặng trong môi trường nước có thể đi vào cơ thể con người thông qua con đường ăn hoặc uống. Nguyên nhân chủ yếu gây ô nhiễm kim loại nặng là quá trình đổ vào môi trường nước nước thải công nghiệp và nước thải độc hại không xử lý hoặc xử lý không đạt yêu cầu. Ô nhiễm nước bởi kim loại nặng có tác động tiêu cực tới môi trường sống của sinh vật và con người. Kim loại nặng tích luỹ theo chuỗi thức ăn thâm nhập và cơ thể người. Nước mặt bị ô nhiễm sẽ lan truyền các chất ô nhiễm vào nước ngầm, vào đất và các thành phần môi trường liên quan khác. 1.1.2 Tác dụng sinh hóa của kim loại nặng đối với con người và môi trường [5] Các kim loại nặng ở nồng độ vi lượng là các nguyên tố dinh dưỡng cần thiết cho sự phát triển bình thường của con người. Tuy nhiên nếu như vượt quá hàm lượng cho phép chúng lại gây ra các tác động hết sức nguy hại tới sức khỏe con người. Các kim loại nặng xâm nhập vào cơ thể thông qua các chu trình thức ăn. Khi đó, chúng sẽ tác động đến các quá trình sinh hóa và trong nhiều trường hợp dẫn đến những hậu quả nghiêm trọng về mặt sinh hóa. Các kim loại nặng có ái lực lớn với các nhóm - SH, - SCH3 của các nhóm enzim trong cơ thể. Vì thế các enzim bị mất hoạt tính, cản trở quá trình tổng hợp protein của cơ thể. GVHD: ThS. Tô Thị Lan Phương Sinh viên: Đoàn Thị Hiếu – Lớp MT1201 6
  17. Khóa luận tốt nghiệp 1.1.3. Niken [1,4,5] 1.1.3.1 Đặc tính của Niken Niken là nguyên tố thuộc phân nhóm phụ nhóm VIII của bảng hệ thống tuần hoàn Mendeleep. Niken có số nguyên tử là 28 và khối lượng nguyên tử là 58.7, có màu trắng bạc, dễ rèn, dễ cán mỏng, dễ đánh bóng Niken đơn chất có từ tính, bị nam châm hút như sắt. Trong số bảy đồng vị phóng xạ đã biết 63Ni (chu kì bán phân rã là 92 năm) được dùng nhiều nhất trong các nghiên cứu đất – cây trồng. Ni có thể xuất hiện trong 1 số trạng thái oxy hóa nhưng chỉ có Niken (II) bền vững trên dãy pH rộng và điều kiện oxy hóa – khử trong môi trường đất. Bán kính ion của Ni (II) là 0,065 nm (gần với bán kính ion của Fe, Mg, Cu và Zn). o Niken có nhiệt độ nóng chảy cao (tnc = 1453 C) và nhiệt độ sôi cao (ts = 3185oC), là kim loại có hoạt tính hoá học trung bình. 1.1.3.2 Nguồn phát sinh Niken Niken được phân bố chủ yếu trong các khoáng vật và có mặt trong các tế bào động thực vật. Nguồn Ni lớn nhất do con người tạo ra là việc đốt cháy nhiên liệu và dầu ăn còn dư thừa, thải ra 26700 tấn Ni/năm trên toàn thế giới. Niken tập trung trong khói thải của động cơ diesel là 500 – 1000 mg/lít. Dầu chứa nhiều Niken, chì, đồng và kẽm hơn than đá. Niken có trong nước thải của một số nhà máy luyện kim và hoá chất có sử dụng Niken, đặc biệt là trong nước thải của các cơ sở mạ Niken. Các hợp chất Niken sử dụng trong công nghệ mạ điện là NiSO4 và Ni(NO3)2. Việc nấu chảy Niken có thể có các ảnh hưởng nghiêm trọng cho các vị trí gần hầm mỏ và lò luyện kim. Cũng có các nguồn Niken lớn trong tự nhiên hiện hữu trong bầu khí quyển. Ví dụ: đất bị gió cuốn, hoạt động của núi lửa, cháy rừng, bụi sao băng và muối biển ở dạng bụi nước hoặc hạt nhỏ chứa Niken. GVHD: ThS. Tô Thị Lan Phương Sinh viên: Đoàn Thị Hiếu – Lớp MT1201 7
  18. Khóa luận tốt nghiệp Bảng 1.1: Ước tính toàn cầu về việc thải Niken vào khí quyển từ các nguồn tự nhiên và do con người năm 1983 Nguồn phát thải Ni Nguồn do các hoạt động con người: - Đốt than đá 3.38 – 24.15 - Đốt dầu 11.00 – 43.14 - Khai thác mỏ 0.80 - Sản xuất chì 0.33 - Sản xuất đồng, nikel - Sắt và thép 7.65 - Thành thị 0.04 – 7.10 - Rác, nước thải 0.098 – 0.42 - Phân photsphate 0.03 – 0.18 - Sản xuất xi măng 0.14 – 0.69 - Đốt củi - Phương tiện đi lại có động cơ 0.09 – 0.89 0.60 – 1.8 Cộng 0.9 Trung bình 25.05 – 88.05 55.65 (87%) Nguồn thiên nhiên 4.8 - Thể vẩn trong đất - Núi lửa 2.5 - Cây trồng 0.82 - Cháy rừng 0.19 - Bụi sao băng 0.18 - Muối biển 0.009 Cộng 8.5 (13%) Tổng cộng chung 64.15 ( Nguồn: Nariagu và Pacyna, 1986; Schmidt và Andren, 1987) GVHD: ThS. Tô Thị Lan Phương Sinh viên: Đoàn Thị Hiếu – Lớp MT1201 8
  19. Khóa luận tốt nghiệp 1.1.3.3 Độc tính của Niken Niken là kim loại có tính linh động cao trong môi trường nước, tích tụ trong các chất sa lắng, tích luỹ trong cơ thể thực vật và một số loài thuỷ sinh. Niken có khả năng hoạt hoá một số enzim trong cơ thể, độc tính của Niken được thể hiện khi nó có thể thay thế các kim loại thiết yếu trong các enzyme và gây ra sự đứt gãy các đường trao đổi chất trong cơ thể sinh vật và người. Tiếp xúc lâu với Niken có thể xuất hiện hiện tượng viêm da và dị ứng. Khi vào trong cơ thể, Niken tan vào máu, kết hợp với albumin tạo thành hợp chất protein kim loại. Niken tích lũy trong các mô và được đào thải qua nước tiểu. Nguy hiểm lớn nhất khi tiếp xúc với Niken là có thể mắc bệnh ung thư đường hô hấp. Nhiễm độc Niken có thể chia thành hai trường hợp: - Nhiễm độc cấp tính: bệnh này thường do Ni(CO)4 gây nên. Sự phục hồi sau khi nhiễm độc cấp tính rất chậm, hậu quả dẫn đến viêm phổi xơ hóa. - Nhiễm độc mãn tính: nhiều nghiên cứu cho thấy những công nhân tinh chế Niken có nguy cơ mắc bệnh ung thư xoang mũi, thanh quản và phổi. Ngộ độc Niken qua đường hô hấp gây khó chịu, buồn nôn, đau đầu. Nếu kéo dài sẽ làm tăng nguy cơ gây bệnh ác tính ở một số cơ quan khác như gây ung thư thanh quản, dạ dày, thận và một số phụ tạng khác (mô mềm). Hàm lượng cho phép của Niken trong nước uống theo TCVN là 0.01mg/l. 1.1.4 Quy chuẩn Việt Nam về nước thải [9] QCVN 40:2011/ BTNMT quy định giá trị tối đa cho phép các thông số ô nhiễm trong nước thải công nghiệp khi xả thải ra nguồn tiếp nhận nước thải. Bảng 1.2 : Giá trị C của các thông số ô nhiễm trong nước thải công nghiệp Giá trị C STT Thông số Đơn vị A B 1 Niken mg/l 0.2 0.5 GVHD: ThS. Tô Thị Lan Phương Sinh viên: Đoàn Thị Hiếu – Lớp MT1201 9
  20. Khóa luận tốt nghiệp Trong đó: C : giá trị của thông số ô nhiễm trong nước thải công nghiệp. Cột A: quy định giá trị C của các thông số ô nhiễm trong nước thải công nghiệp khi xả vào nguồn nước được dùng cho mục đích cấp nước sinh hoạt. Cột B: quy định giá trị C của các thông số ô nhiễm trong nước thải công nghiệp khi xả vào nguồn nước không dùng cho mục đích cấp nước sinh hoạt. 1.2 Giới thiệu về phƣơng pháp hấp phụ Khi các sản phẩm hàng hóa trên thị trường ngày càng đa dạng kéo theo thành phần nước thải của các ngành công nghiệp cũng đa dạng theo. Đã có rất nhiều phương pháp khắc phục và xử lý được sử dụng như các phương pháp hóa lý (đông tụ và keo tụ, tuyển nổi, hấp phụ, trao đổi ion, các quá trình tách màng và các phương pháp điện hóa ), các phương pháp hóa học (phương pháp trung hòa, phương pháp ôxi hóa – khử ), phương pháp sinh học (phương pháp hiếu khí, phương pháp yếm khí ). Hấp phụ là phương pháp đã và đang được sử dụng rộng rãi để xử lý nước thải, loại bỏ các chất hữu cơ hòa tan, các kim loại nặng Những chất này thường có một lượng nhỏ trong nước thải nhưng rất khó phân hủy bằng con đường sinh học vì có độc tính cao. Ngoài ra, chi phí cho phương pháp hấp phụ không lớn nhưng lại đạt hiệu quả cao nên sử dụng phương pháp này là hợp lý hơn cả. 1.2.1 Các khái niệm [6,8] * Sự hấp phụ [2,3]: Hấp phụ là sự tích lũy chất trên bề mặt phân cách các pha ( khí – rắn, lỏng – rắn, khí – lỏng, lỏng – lỏng). Đây là một phương pháp nhiệt tách chất, trong đó các cấu tử xác định từ hỗn hợp lỏng hoặc khí được hấp phụ trên bề mặt chất rắn, xốp. Chất hấp phụ là chất mà phần tử ở lớp bề mặt có khả năng hút các phần tử của các pha khác nằm tiếp xúc với nó. Chất bị hấp phụ là chất bị hút ra khỏi pha thể tích đến tập trung trên bề mặt chất hấp phụ. Thông thường quá trình hấp phụ là một quá trình tỏa nhiệt. GVHD: ThS. Tô Thị Lan Phương Sinh viên: Đoàn Thị Hiếu – Lớp MT1201 10
  21. Khóa luận tốt nghiệp Tùy theo bản chất của lực tương tác giữa chất hấp phụ và chất bị hấp phụ, người ta phân biệt hấp phụ vật lý và hấp phụ hóa học. Hấp phụ vật lý gây ra bởi lực Vander Waals giữa phần tử chất bị hấp phụ và bề mặt chất hấp phụ, liên kết này yếu, dễ bị phá vỡ. Hấp phụ hóa học gây ra bởi lực liên kết hóa học giữa bề mặt chất hấp phụ và phần tử chất bị hấp phụ, liên kết này bền, khó bị phá vỡ. Trong thực tế, sự phân biệt giữa hấp phụ vật lý và hấp phụ hóa học chỉ là tương đối vì ranh giới giữa chúng không rõ rệt. Một số trường hợp tồn tại cả quá trình hấp phụ vật lý và hấp phụ hóa học . Ở vùng nhiệt độ thấp xảy ra quá trình hấp phụ vật lý, khi tăng nhiệt độ khả năng hấp phụ vật lý giảm và khả năng hấp phụ hóa học tăng lên. * Giải hấp phụ: Giải hấp phụ là quá trình chất bị hấp phụ ra khỏi lớp bề mặt chất hấp phụ. Giải hấp phụ dựa trên nguyên tắc sử dụng các yếu tố bất lợi đối với quá trình hấp phụ. Giải hấp phụ là phương pháp tái sinh vật liệu hấp phụ để có thể tiếp tục sử dụng lại nó nên nó mang đặc trưng về hiệu quả kinh tế. Một số phương pháp tái sinh vật liệu hấp phụ [3]: - Phương pháp nhiệt: được sử dụng cho các trường hợp chất bị hấp phụ bay hơi hoặc sản phẩm phân hủy nhiệt của chúng có khả năng bay hơi. - Phương pháp hóa lý: có thể thực hiện tại chỗ, ngay trong cột hấp phụ nên tiết kiệm được thời gian, công tháo dỡ, vận chuyển, không vỡ vụn chất hấp phụ và có thể thu hồi chất bị hấp phụ ở trạng thái nguyên vẹn. Phương pháp hóa lý có thể thực hiện theo cách: chiết với dung môi, sử dụng phản ứng oxi hóa khử, áp đặt các điều kiện làm dịch chuyển cân bằng không có lợi cho quá trình hấp phụ. - Phương pháp vi sinh: là phương pháp tái tạo khả năng hấp phụ của chất hấp phụ nhờ vi sinh vật. GVHD: ThS. Tô Thị Lan Phương Sinh viên: Đoàn Thị Hiếu – Lớp MT1201 11
  22. Khóa luận tốt nghiệp * Cân bằng hấp phụ [5,8]: Hấp phụ vật lý là một quá trình thuận nghịch. Các phần tử chất bị hấp phụ khi đã hấp phụ trên bề mặt chất hấp phụ vẫn có thể di chuyển ngược lại pha mang (hỗn hợp tiếp xúc với chất hấp phụ). Theo thời gian, lượng chất bị hấp phụ tích tụ trên bề mặt chất hấp phụ càng nhiều thì tốc độ di chuyển ngược trở lại pha mang càng lớn. Đến một thời điểm nào đó, tốc độ hấp phụ bằng tốc độ phản hấp phụ thì quá trình hấp phụ đạt cân bằng. * Dung lượng hấp phụ cân bằng (tải trọng hấp phụ) [3,5,6]: Dung lượng hấp phụ cân bằng là khối lượng chất bị hấp phụ trên một đơn vị khối lượng chất hấp phụ ở trạng thái cân bằng và ở điều kiện xác định về nồng độ và nhiệt độ. Dung lượng hấp phụ được tính theo công thức: - q = (1.1) Trong đó: q : dung lượng hấp phụ cân bằng (mg/g) Ci : nồng độ dung dịch đầu (mg/l) Cf : nồng độ dung dịch khi đạt cân bằng hấp phụ (mg/l) V : thể tích dung dịch chất bị hấp phụ (l) m : khối lượng chất hấp phụ (g) Cũng có thể biểu diễn đại lượng hấp phụ theo khối lượng chất hấp phụ trên một đơn vị diện tích bề mặt chất hấp phụ. - q = (1.2) S : diện tích bề mặt riêng của chất hấp phụ. GVHD: ThS. Tô Thị Lan Phương Sinh viên: Đoàn Thị Hiếu – Lớp MT1201 12
  23. Khóa luận tốt nghiệp * Hiệu suất hấp phụ: Hiệu suất hấp phụ là tỷ số giữa nồng độ dung dịch bị hấp phụ và nồng độ dung dịch ban đầu - H = . 100 (1.3) H : hiệu suất hấp phụ (%). 1.2.2 Động học của quá trình hấp phụ [8] Quá trình hấp phụ từ pha lỏng trên bề mặt của chất hấp phụ gồm 3 giai đoạn: – Chuyển chất từ lòng pha lỏng đến bề mặt ngoài của hạt chất hấp phụ: chất hấp phụ trong pha lỏng sẽ được chuyển dần đến bề mặt của hạt chất hấp phụ nhờ đối lưu. Ở gần bề mặt hạt luôn có lớp màng giới hạn làm cho sự truyền chất và nhiệt bị chậm lại. – Khuếch tán vào các mao quản của hạt: sự chuyển chất từ bề mặt ngoài của chất hấp phụ vào bên trong diễn ra phức tạp. Với các mao quản đường kính lớn hơn quãng đường tự do trung bình của phân tử thì diễn ra khuếch tán phân tử. Với các mao quản nhỏ hơn thì khuếch tán Knudsen chiếm ưu thế. Cùng với chúng còn có cơ chế khuếch tán bề mặt, các phân tử dịch chuyển từ bề mặt mao quản vào trong lòng hạt, đôi khi giống như chuyển động trong lớp màng (lớp giới hạn). – Hấp phụ là bước cuối cùng diễn ra do tương tác của bề mặt chất hấp phụ và chất bị hấp phụ. Lực tương tác này là các lực vật lý và khác nhau đối với các phân tử khác nhau, tạo nên một tập hợp bao gồm các lớp phân tử nằm trên bề mặt, như một lớp màng chất lỏng tạo nên trở lực chủ yếu cho giai đoạn hấp phụ. Quá trình hấp phụ làm bão hoà dần từng phần không gian hấp phụ, đồng thời làm giảm độ tự do của các phân tử bị hấp phụ nên luôn kèm theo sự toả nhiệt. GVHD: ThS. Tô Thị Lan Phương Sinh viên: Đoàn Thị Hiếu – Lớp MT1201 13
  24. Khóa luận tốt nghiệp 1.2.3 Các mô hình cơ bản của quá trình hấp phụ 1.2.3.1 Mô hình động học hấp phụ Sự tích tụ chất bị hấp phụ trên bề mặt vật rắn gồm hai quá trình: - Khuếch tán ngoài: khuếch tán các phân tử chất bị hấp phụ từ pha mang đến bề mặt vật rắn. - Khuếch tán trong: khuếch tán các phần tử bị hấp phụ vào trong lỗ xốp. Như vậy lượng chất bị hấp phụ trên bề mặt vật rắn sẽ phụ thuộc vào 2 quá trình khuếch tán. Tải trọng hấp phụ sẽ thay đổi theo thời gian tới khi quá trình hấp phụ đạt cân bằng. Gọi tốc độ hấp phụ là biến thiên độ hấp phụ theo thời gian, ta có: R = Khi tốc độ hấp phụ phụ thuộc bậc nhất vào sự biến thiên nồng độ theo thời gian thì: R = = β.(Ci – Cf) = k.(Cm – q) (1.4) Trong đó: x : nồng độ chất bị hấp phụ (mg/l) t : thời gian (giây) β : hệ số chuyển khối Ci : nồng độ chất bị hấp phụ trong pha mang tại thời điểm ban đầu (mg/l) Cf : nồng độ chất bị hấp phụ trong pha mang tại thời điểm t (mg/l) k : hằng số tốc độ hấp phụ Cm : tải trọng hấp phụ cực đại (mg/g) q : tải trọng hấp phụ tại thời điểm t (mg/g) GVHD: ThS. Tô Thị Lan Phương Sinh viên: Đoàn Thị Hiếu – Lớp MT1201 14
  25. Khóa luận tốt nghiệp 1.2.3.2 Các mô hình đẳng nhiệt hấp phụ Có thể mô tả quá trình hấp phụ dựa vào đường đẳng nhiệt hấp phụ. Đường đẳng nhiệt hấp phụ biểu diễn sự phụ thuộc của dung lượng hấp phụ tại một thời điểm vào nồng độ cân bằng của chất bị hấp phụ trong dung dịch tại thời điểm đó ở một nhiệt độ xác định. Đường đẳng nhiệt hấp phụ được thiết lập bằng cách cho một lượng xác định chất hấp phụ vào một lượng cho trước dung dịch có nồng độ đã biết của chất bị hấp phụ. Với chất hấp phụ là chất rắn, chất bị hấp phụ là chất lỏng thì đường đẳng nhiệt hấp phụ được mô tả qua các phương trình đẳng nhiệt: phương trình đẳng nhiệt hấp phụ Henry, phương trình đẳng nhiệt hấp phụ Freundlich, và phương trình đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir [3,8] a, Mô hình đẳng nhiệt hấp phụ Henry Phương trình đẳng nhiệt hấp phụ Henry: là phương trình đẳng nhiệt đơn giản mô tả sự tương quan tuyến tính giữa lượng chất bị hấp phụ trên bề mặt pha rắn và nồng độ (áp suất) của chất bị hấp phụ ở trạng thái cân bằng: a = K.P (1.5) Trong đó: K : hằng số hấp phụ Henry a : lượng chất bị hấp phụ (mol/g) P : áp suất (mmHg) Từ số liệu thực nghiệm cho thấy vùng tuyến tính này nhỏ. Trong vùng đó, sự tương tác giữa các phân tử chất bị hấp phụ trên bề mặt chất rắn là không đáng kể. GVHD: ThS. Tô Thị Lan Phương Sinh viên: Đoàn Thị Hiếu – Lớp MT1201 15
  26. Khóa luận tốt nghiệp b, Mô hình đẳng nhiệt hấp phụ Frenundrich Phương trình đẳng nhiệt hấp phụ Frenundrich là phương trình thực nghiệm có thể sử dụng để mô tả nhiều hệ hấp phụ hóa học hay vật lý. Các giả thiết của phương trình như sau: - Do tương tác đẩy giữa các phần tử, phần tử hấp phụ sau bị đẩy bởi phần tử hấp phụ trước, do đó nhiệt hấp phụ giảm khi tăng nhiệt độ che phủ bề mặt. - Do bề mặt không đồng nhất, các phần tử hấp phụ trước chiếm các trung tâm hấp phụ mạnh có nhiệt hấp phụ lớn hơn, về sau chỉ còn lại các trung tâm hấp phụ có nhiệt hấp phụ thấp hơn. Phương trình này được biểu diễn bằng một hàm mũ: 1/n q = k.Cf (1.6) Trong đó: q : tải trọng hấp phụ tại thời điểm cân bằng (mg/g) k : dung lượng hấp phụ (ái lực chất hấp phụ đối với bề mặt chất hấp phụ). Hằng số này phụ thuộc vào nhiệt độ, diện tích bề mặt và các yếu tố khác. Cf : nồng độ cân bằng của chất bị hấp phụ (mg/l) n : cường độ hấp phụ, hằng số này phụ thuộc vào nhiệt độ và luôn >1. Phương trình Frenundrich phản ánh khá sát số liệu thực nghiệm cho vùng ban đầu và vùng giữa của vùng hấp phụ đẳng nhiệt. Để xác định các hằng số, ta đưa phương trình trên về dạng đường thẳng: lg q = lg k + lg Cf (1.7) GVHD: ThS. Tô Thị Lan Phương Sinh viên: Đoàn Thị Hiếu – Lớp MT1201 16
  27. Khóa luận tốt nghiệp q(mg/g) lg q tg β M 0 Cf (mg/l) 0 lg Cf Hình 1.1: Đường đẳng nhiệt Frenundrich Hình 1.2: Sự phụ thuộc lgq vào lgCf tgβ = OM = lg k c, Mô hình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir Mô tả quá trình hấp phụ một lớp đơn phân tử trên bề mặt vật rắn. Phương trình Langmuir được thiết lập với các giả thiết sau: - Các phần tử được hấp phụ đơn lớp phân tử trên bề mặt chất hấp phụ (tiểu phân bị hấp phụ liên kết với bề mặt tại mỗi trung tâm xác định). - Sự hấp phụ là chọn lọc (mỗi trung tâm chỉ hấp phụ một tiểu phân). - Giữa các phần tử chất hấp phụ không có tương tác qua lại với nhau. - Bề mặt chất hấp phụ đồng nhất về mặt năng lượng, tức sự hấp phụ xảy ra trên bất kì chỗ nào thì nhiệt hấp phụ vẫn là một giá trị không đổi. Hay trên bề mặt chất hấp phụ không có những trung tâm hoạt động. Phương trình đẳng nhiệt Langmuir: b.C1 q = Cm. (1.8) 1+b.C1 Trong đó: q : tải trọng hấp phụ tại thời điểm cân bằng (mg/g) Cm : tải trọng hấp phụ cực đại (mg/g) b : hằng số, chỉ ái lực của vị trí liên kết trên bề mặt chất hấp phụ GVHD: ThS. Tô Thị Lan Phương Sinh viên: Đoàn Thị Hiếu – Lớp MT1201 17
  28. Khóa luận tốt nghiệp Khi b.C1 > 1 thì q = Cm mô tả vùng hấp phụ bão hòa. Khi nồng độ chất hấp phụ nằm giữa 2 giới hạn trên thì đường đẳng nhiệt biểu diễn là một đường cong. Để xác định các hằng số trong quá trình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir, ta có thể sử dụng phương pháp đồ thị bằng cách đưa phương trình về phương trình đường thẳng: C1 1 C1 (1.9) q b.Cm Cm Xây dựng đồ thị sự phụ thuộc của C1/q vào C1 sẽ xác định các hằng số trong phương trình Langmuir. q(mg/g) C1/q Cm tgα N 0 C1 0 C1 Hình 1.3: Đường hấp phụ đẳng nhiệt Hình 1.4: Sự phụ thuộc của C1/q vào C1 Langmuir: tgα = ON = 1.2.4 Một số yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hấp phụ và giải hấp [3,8] Hấp phụ là một quá trình phức tạp, nó chịu ảnh hưởng bởi một số yếu tố sau: a, Ảnh hưởng của dung môi: hấp phụ trong dung dịch là hấp phụ cạnh tranh nghĩa là khi chất tan bị hấp phụ càng mạnh thì dung môi bị hấp phụ càng yếu. GVHD: ThS. Tô Thị Lan Phương Sinh viên: Đoàn Thị Hiếu – Lớp MT1201 18
  29. Khóa luận tốt nghiệp Dung môi có sức căng bề mặt lớn thì chất tan càng dễ bị hấp phụ. Chất tan trong dung môi nước bị hấp phụ tốt hơn so với dung môi hữu cơ. b, Độ xốp của chất hấp phụ: khi kích thước mao quản trong chất hấp phụ giảm thì sự hấp phụ từ dung dịch thường tăng lên. Nhưng đến một giới hạn nào đó, kích thước mao quản quá nhỏ sẽ cản trở sự đi vào của chất bị hấp phụ. c, Nhiệt độ:khi tăng nhiệt độ sự phụ thuộc trong dung dịch giảm, tuy nhiên đối với những cấu tử tan hạn chế, khi tăng nhiệt độ, độ tan tăng làm cho nồng độ của nó trong dung dịch tăng lên, do vậy khả năng hấp phụ cũng có thể tăng lên. d, pH của môi trường: ảnh hưởng nhiều lên tính chất bề mặt của chất hấp phụ và chất bị hấp phụ trong dung dịch, nên cũng ảnh hưởng tới quá trình hấp phụ. Ngoài ra còn có các yếu tố khác như: nồng độ của chất tan trong dung dịch, áp suất đối với chất khí, quá trình hấp phụ cạnh tranh đối với các chất bị hấp phụ. 1.2.5 Ứng dụng của phương pháp hấp phụ trong việc xử lý nước thải [3] Phương pháp hấp phụ được sử dụng rộng rãi trong xử lý nước thải công nghiệp vì nó cho phép tách loại đồng thời nhiều chất bẩn (bao gồm cả chất vô cơ và chất hữu cơ) từ một nguồn nước bị ô nhiễm và tách loại tốt ngay khi chúng ở nồng độ thấp. Bên cạnh đó, sử dụng phương pháp hấp phụ còn tỏ ra có ưu thế hơn các phương pháp khác vì giá thành xử lý thấp. : . GVHD: ThS. Tô Thị Lan Phương Sinh viên: Đoàn Thị Hiếu – Lớp MT1201 19
  30. Khóa luận tốt nghiệp . . 1.3. Giới thiệu về vật liệu hấp phụ - xƣơng san hô [10,11,12] 1.3.1 San hô [11] San hô là các sinh vật biển bậc thấp thuộc lớp San hô, tồn tại dưới dạng các thể polyp nhỏ giống hải quỳ, sống bám cố định vào các giá thể nhờ bộ xương bằng vôi. San hô tiết ra một chất chủ yếu là carbonat hình thành khung vôi để bảo vệ các cơ thể sống polyp chỉ nằm ở phần đầu khung xương. Khi polyp sinh sản và phát triển, các khung carbonat cũng lớn dần lên và phát triển nhiều nhánh. Hầu hết san hô phụ thuộc vào ánh sáng mặt trời, chúng sống ở vùng biển: - Trong và nông, thường ở độ sâu không tới 60m. - Nhiệt độ 22–29oC (nhiệt độ trung bình hàng năm). - Nước trong, độ đục thấp. - Ít chất dinh dưỡng. - Độ mặn ổn định. 1.3.2 Phân bố [11] Các rạn san hô sinh trưởng xung quanh các sườn dốc của lục địa hoặc các bờ lục địa. Chúng được biết đến như các rạn riềm. Vùng biển Việt Nam có tới 550 loài san hô khác nhau, 3200 km bờ biển cùng 4000 đảo và quần đảo có san hô phân bố rộng rãi từ Bắc tới Nam. Rạn san hô tập trung với mật độ cao ở vùng biển Nha Trang, Trường Sa, Hoàng Sa, biển Hòn Mun GVHD: ThS. Tô Thị Lan Phương Sinh viên: Đoàn Thị Hiếu – Lớp MT1201 20
  31. Khóa luận tốt nghiệp – Khánh Hòa, vịnh Hạ Long, vùng biển Côn Đảo. Quần đảo Hoàng Sa và Trường Sa là hai vùng san hô tốt nhất Việt Nam. Đây được xem là trung tâm đa dạng sinh học biển thế giới nằm trong trung tâm phát triển san hô lớn nhất thế giới. Hàng năm, lượng san hô chết đi là khá lớn do các hoạt động tự nhiên và nhân tạo như: sự nóng lên của Trái đất, lượng khí CO2 tăng, hoạt động đánh bắt hải sản, do ô nhiễm môi trường, thảm họa tự nhiên .Vì vậy, trữ lượng xương san hô ở Việt Nam nói riêng và thế giới nói chung là rất lớn. 1.3.3 Thành phần chủ yếu của san hô Bảng 1.3 Thành phần các chất cấu tạo nên san hô Tên các chất Thành phần (%) CaO 53.2 SiO2 2.2 Al2O3 1.2 MgO 1.2 P2O5 0.67 Fe2O3 0.4 SO2 0.3 Na2O 0.17 K2O 0.02 Các chất dễ bay hơi 41.84 Tổng 100 (Nguồn Kajiyama,1975, United States Patent) GVHD: ThS. Tô Thị Lan Phương Sinh viên: Đoàn Thị Hiếu – Lớp MT1201 21
  32. Khóa luận tốt nghiệp 1.3.4 Cấu tạo xương san hô [10] Hình 1.5: Hình thái và cấu tạo của san hô Hình 1.6: Cấu tạo của 1 polyp san hô Bộ xương bằng đá vôi hay chất sừng. San hô đơn độc và tập đoàn có cấu tạo cơ thể phần thịt mềm và bộ xương rất phát triển. Ở san hô 6 ngăn (Hexacoralia), bộ xương được hình thành do tế bào lớp ngoài ở phần đế của từng cá thể tiết ra, tạo thành các tia đâm sâu vào cơ thể con vật sau đó chúng liên kết với nhau để tạo thành bộ xương vững chắc. Fungia là san hô 6 ngăn đơn độc. Bộ xương có hình đĩa hẹp, đôi khi hơi lõm ở mặt dưới, các vách có độ cao khác nhau: vách càng cao thì sinh trưởng càng thấp. Galaxea là san hô 6 ngăn tập đoàn với bộ xương của các polyp nằm sát bên nhau, dính liền ở thành ngoài. Symphillia là san hô 6 ngăn tập đoàn, mức độ dính của các polyp cao hơn. Ở san hô 8 ngăn (Octocorallia) , bộ xương nằm trong tầng trung giao, do các tế bào xương bằng chất sừng, thấm canxi, ghép với nhau và thường có màu sắc khác nhau (đỏ, đen, nâu ). Như vậy bộ xương san hô 8 ngăn cơ bản khác rất nhiều so với bộ xương 6 ngăn. Tubipora là san hô 8 ngăn tập đoàn có bộ xương gồm những ống dài ghép song song với nhau. Mỗi ống là phần xương của polyp trong tập đoàn , xoang rỗng của GVHD: ThS. Tô Thị Lan Phương Sinh viên: Đoàn Thị Hiếu – Lớp MT1201 22
  33. Khóa luận tốt nghiệp ống xương ứng với xoang vị của polyp, cuối ống xương về phía dưới là phần đáy của polyp, hợp thành phần đế của tập đoàn. Dọc theo các ống xương có các cầu nối liên kết các ống lại với nhau, đó cũng chính là cầu nối giữa các tập đoàn. Trong quá trình phát triển các tầng mới được hình thành và tập đoàn sẽ có cấu tạo nhiều lớp. Gorgonia có bộ xương không còn phân biệt được từng xương riêng biệt của mỗi cá thể: cả tập đoàn có một bộ xương chung dưới dạng 1 trụ cứng có nhiều nhánh, nằm trong phần mềm của các cá thể tập đoàn. Các polyp cá thể Gorgonia thường mọc thẳng góc với bề mặt nhô cao lên trên phần mềm phủ bên ngoài trụ xương. Hình 1.7: Hình chụp xương san hô Hình 1.8: Mặt cắt ngang của xương san hô Bộ xương là một cấu tạo đặc biệt của san hô, có tác dụng nâng đỡ và bảo vệ, thích nghi với lối sống cố định. Tuy nhiên, chính bộ xương đã cản trở bước tiến hóa xa hơn của nhóm động vật này, tách chúng ra khỏi con đường phát triển chung của giới động vật. GVHD: ThS. Tô Thị Lan Phương Sinh viên: Đoàn Thị Hiếu – Lớp MT1201 23
  34. Khóa luận tốt nghiệp 1.3.5 Ứng dụng của xương san hô [12] Xương san hô được ứng dụng trong ngành y học: trong răng - hàm - mặt, trong các bệnh lý gây chèn ép tủy do hẹp ống sống (do thoái hóa xương hoặc đĩa đệm, chèn ép vào lòng tủy). Năm 2003 bắt đầu dùng san hô để tạo hình những phần khiếm khuyết xương cho bệnh nhân bị tổn thương xương hàm, xương gò má, xương hốc mắt Hoá thạch san hô là vật chỉ thị quan trọng của các địa tầng trong nghiên cứu địa chất. Rạn san hô bảo vệ bờ biển chống xói lở, ngăn chặn các tác động của sóng biển. Làm sạch môi trường GVHD: ThS. Tô Thị Lan Phương Sinh viên: Đoàn Thị Hiếu – Lớp MT1201 24
  35. Khóa luận tốt nghiệp CHƢƠNG 2: THỰC NGHIỆM 2.1 Dụng cụ và hóa chất 2.1.1 Dụng cụ - Cân kỹ thuật - Cân phân tích -Tủ sấy - Máy lắc - Các dụng cụ thí nghiệm khác: bình định mức, ống đong, cốc thủy tinh, bình tam giác, pipet, buret, phễu nhỏ giọt . - Một số dụng cụ phụ trợ khác 2.1.2 Hóa chất NiSO4.6H2O H2SO4 EDTA NaOH Murexide NH4Cl NH4OH NaCl 2.1.3 Nguyên liệu dùng để chế tạo VLHP Xương san hô được lấy từ Đảo Khỉ thuộc huyện đảo Cát Bà– Thành phố Hải Phòng 2.1.4 Điều kiện tiến hành thí nghiệm Các thí nghiệm trong quá trình được tiến hành trong điều kiện: - Dung dịch Niken ban đầu có nồng độ Ni2+= 470.47 mg/l - Quá trình tiến hành trong máy lắc. Tốc độ máy lắc 150 vòng/ phút. - Nhiệt độ làm việc 250C. GVHD: ThS. Tô Thị Lan Phương Sinh viên: Đoàn Thị Hiếu – Lớp MT1201 25
  36. Khóa luận tốt nghiệp - pH của dung dịch được xác định bằng máy đo pH và giấy quỳ. 2.2 Phƣơng pháp chuẩn độ complexon xác định Ni2+ 2.2.1 Nguyên tắc của phương pháp Ni2+ được xác định bằng phương pháp chuẩn độ complexon dựa vào phản ứng giữa ion kim loại và complexon với chỉ thị Murexide: Phản ứng tạo phức bền của Ni2+ với EDTA. 2 2- 2- + Ni + H2Y NiY + 2H Murexide tạo phức màu vàng với Ni2+ trong môi trường kiềm mạnh (pH = 10). Tại điểm tương đương phản ứng xảy ra rất chậm, phải thêm EDTA từ từ. Murexide tan rất ít trong nước tạo thành dung dịch màu đỏ tía. Có màu hồng trong môi trường axit và tím trong môi trường kiềm. 2- 2- 2- 2- + H2Y + [Ni(H2F)] H2F + NiY + 2H 2.2.2 Cách tiến hành Dùng Pipet lấy chính xác Vml (V=10ml) dung dịch Ni2+ cần xác định vào bình nón cỡ 250ml. Thêm 5ml dung dịch đệm chỉnh pH về 10, tiếp đó cho thêm một ít chỉ thị Murexide (dung dịch lúc này sẽ có màu vàng nhạt). Chuẩn độ Ni 2+ bằng dung dịch EDTA nồng độ 0.005M cho đến khi dung dịch chuyển sang màu tím nhạt thì ngừng chuẩn độ. Ghi số ml EDTA đã dùng (Vo ml). Làm 3 lần rồi lấy kết quả trung bình. CEDTA .Vo CNi(II) = (2.1) V Trong đó : 2+ CNi : Nồng độ Niken (mg/l) V : Thể tích dung dịch Ni2+ cần xác định (ml) GVHD: ThS. Tô Thị Lan Phương Sinh viên: Đoàn Thị Hiếu – Lớp MT1201 26
  37. Khóa luận tốt nghiệp CEDTA : Nồng độ EDTA (mg/l) Vo : Thể tích EDTA cần dùng (ml) 2.2.3 Hóa chất sử dụng - Dung dịch gốc NiSO4: hòa tan 2.096g [NiSO4.6H2O] trong nước cất và định mức thành 1000ml ta được dung dịch có nồng độ Ni2+ là 470.47mg/l. - Chỉ thị Murexide (C8H4N5O8NH4.H20): cân 5g murexide + 50g NaCl tinh khiết, đựng trong lọ thủy tinh màu, kín. - Dung dịch đệm NH4OH + NH4Cl: cân 20g NH4Cl hòa tan trong 500ml nước cất, thêm 100ml NH4OH 25% rồi thêm nước cất tới vạch 1000ml ta được dung dịch đệm có pH = 10. - EDTA (0.005M) - H2SO4 loãng, NaOH 2.3 Chế tạo vật liệu hấp phụ từ nguyên liệu xƣơng san hô Quá trình xử lý xương san hô được mô tả theo hình sau: Vật liệu xương san hô Làm Sấy Nghiền Ngâm Lọc Sấy sạch khô nhỏ nước cất khô Vật liệu hấp phụ Hình 2.1: Quá trình xử lý vật liệu hấp phụ - xương san hô Xương san hô lấy về, được ngâm nước, rửa đi rửa lại nhiều lần cho sạch. Sau đó, đem sấy khô và nghiền tới kích thước nhỏ hơn 0.5mm. Tiếp đó đem ngâm GVHD: ThS. Tô Thị Lan Phương Sinh viên: Đoàn Thị Hiếu – Lớp MT1201 27
  38. Khóa luận tốt nghiệp trong nước cất qua đêm, rồi rửa sạch, đem sấy khô ở nhiệt độ 105oC tới khối lượng không đổi. Hình 2.2 Ảnh chụp xương san hô Hình 2.3 Ả nh chụp vật liệu hấp phụ 2.4 Khảo sát các điều kiện tối ƣu cho quá trình hấp phụ Ni2+ của vật liệu 2.4.1 Khảo sát ảnh hưởng của khối lượng VLHP tới quá trình hấp phụ Ni2+ Bước 1: lấy 7 bình tam giác thủy tinh cỡ 250ml, đánh số từ 1 – 7. Bước 2: cho vào mỗi bình 50ml dung dịch Ni2+ nồng độ 470.47 mg/l. Bước 3: cân lần lượt vào mỗi bình 0.2; 0.5; 1; 1.5; 2; 2.5; 3g VLHP rồi đem lắc trên máy lắc trong thời gian 60 phút. Bước 4: sau khi lắc, tiến hành lọc và xác định nồng độ còn lại của Ni2+. - Hút 10ml dung dịch Ni2+ cần xác định vào bình nón cỡ 250ml, thêm 5ml dung dịch đệm NH4OH + NH4Cl chỉnh pH về 10, tiếp đó cho thêm một ít chỉ thị murexide (dung dịch lúc này sẽ có màu vàng nhạt). - Đem chuẩn độ dung dịch trên bằng dung dịch EDTA, cho đến khi dung dịch chuyển sang màu tím nhạt thì ngừng chuẩn độ. Ghi số ml EDTA đã chuẩn độ. Làm 3 lần rồi lấy kết quả trung bình. Và nồng độ Ni2+ được xác định theo công thức sau: GVHD: ThS. Tô Thị Lan Phương Sinh viên: Đoàn Thị Hiếu – Lớp MT1201 28
  39. Khóa luận tốt nghiệp CEDTA .Vo 2+ CNi = V Trong đó: 2+ CNi : Nồng độ Niken cần xác định (mg/l) CEDTA : Nồng độ EDTA (mg/l) Vo : Thể tích EDTA cần dùng (ml) V : Thể tích dung dịch Ni2+ cần xác định (ml) Từ đó xác định khối lượng VLHP tối ưu. 2.4.2 Khảo sát ảnh hưởng của thời gian đến quá trình hấp phụ Ni2+ của VLHP Để khảo sát thời gian đạt cân bằng hấp phụ của VLHP. Tiến hành các bước như sau: Bước 1: chuẩn bị 6 bình tam giác thủy tinh 250ml, đánh số thứ tự từ 1 đến 6. Cân chính xác 2g vật liệu cho vào các bình trên. Bước 2: thêm 30ml dung dịch Ni2+ có nồng độ 470.47mg/l . Bước 3: tiến hành lắc, cứ sau thời gian khác nhau 30 phút, 60 phút, 120 phút, 180 phút, 240 phút, 300 phút lấy ra lọc và xác định nồng độ Ni2+ còn lại. Từ kết quả trên xác định được thời gian đạt cân bằng hấp phụ đối với Ni2+. 2.4.3 Khảo sát ảnh hưởng của pH đến quá trình hấp phụ Ni2+ của VLHP Tiến hành khảo sát pH tới khả năng hấp phụ Ni2+ của vật liệu thực hiện theo các bước sau: Bước 1: chuẩn bị 8 bình tam giác thủy tinh cỡ 250ml, cân chính xác 2g khối lượng vật liệu vào mỗi bình. Bước 2: dùng pipet hút 30ml Ni2+ có nồng độ 470.47mg/l lần lượt vào 8 cốc thủy tinh 100ml. GVHD: ThS. Tô Thị Lan Phương Sinh viên: Đoàn Thị Hiếu – Lớp MT1201 29
  40. Khóa luận tốt nghiệp Bước 3: điều chỉnh pH từ khoảng 3.07 ÷ 10 và lắc trong 120 phút. Bước 4: sau khi lắc xong ta tiến hành lọc lấy dung dịch xác định lại nồng độ Ni2+. Từ kết quả trên xác định được pH tối ưu với quá trình hấp phụ Ni2+. 2.5 Mô tả quá trình hấp phụ Ni2+ theo mô hình đẳng nhiệt Langmuir Dựa vào kết quả thời gian đạt cân bằng hấp phụ, tiến hành khảo sát quá trình hấp phụ theo mô hình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir, sau đó dựa vào đường đẳng nhiệt hấp phụ để xác định các thông số đặc trưng của quá trình hấp phụ. * Khảo sát xác định tải trọng hấp phụ Ni2+ của VLHP Các thí nghiệm được tiến hành như sau: Bước 1: chuẩn bị 10 bình tam giác và cân 2g vật liệu cho vào mỗi bình. Bước 2: tiến hành pha loãng dung dịch Ni2+ bằng cách hút 5ml, 10ml, 15ml, 20ml, 25ml, 30ml, 35ml, 40ml, 45ml, 50ml vào bình định mức 50 ml và định mức bằng nước cất. Bước 3: điều chỉnh pH dung dịch về pH tối ưu và lắc trong thời gian tối ưu hấp phụ khảo sát ở trên. Bước 4: sau đó lọc lấy dung dịch và tiến hành xác định lại nồng độ Ni2+ bằng cách chuẩn độ bằng EDTA như trên. Bước 5: tính toán nồng độ Ni2+ trước và sau khi hấp phụ sẽ xác định tải trọng hấp phụ theo công thức (2.1). 2.6 Khảo sát quá trình giải hấp phụ, thu hồi ion kim loại Quá trình giải hấp phụ là quá trình ngược lại với quá trình hấp phụ, nghĩa là quá trình tách Ni2+ ra khỏi vật liệu hấp phụ. Để giải hấp phụ có thể sử dụng nhiều cách khác nhau đối với từng loại vật liệu hấp phụ cũng như từng phương thức hấp phụ. Thông thường để giải hấp các VLHP đã hấp phụ Ni2+ người ta thường sử dụng GVHD: ThS. Tô Thị Lan Phương Sinh viên: Đoàn Thị Hiếu – Lớp MT1201 30
  41. Khóa luận tốt nghiệp dung dịch axit đặc. Tuy nhiên, quá trình giải hấp phụ không thể tiến hành đối với xương san hô do thành phần chính của nó là CaCO3 (53.2%) 2.7 Bƣớc đầu ứng dụng vật liệu hấp phụ vào xử lý nƣớc thải Nước thải được lấy tại miệng cống thải nằm trong nhà máy thép thuộc cụm công nghiệp Nam Cầu Kiền thuộc địa bàn xã Kiền Bái, Huyện Thủy Nguyên, Thành phố Hải Phòng. Vị trí lấy mẫu: miệng cống chứa nước thải tập trung của nhà máy trước khi đưa vào xử lý, cách bãi phế liệu khoảng 30m Hình 2.4 Ảnh chụp vị trí lấy mẫu Sau khi lấy nước thải, tiến hành đo pH và cố định mẫu bằng axit H2SO4 đặc. Kết quả xác định nồng độ của các ion kim loại trong nước thải thể hiên ở bảng sau: GVHD: ThS. Tô Thị Lan Phương Sinh viên: Đoàn Thị Hiếu – Lớp MT1201 31
  42. Khóa luận tốt nghiệp Bảng 2.1 Nồng độ các ion kim loại trong mẫu nước thải Các chỉ tiêu Kết quả QCVN 40:2011 Vượt QCVN cần xác định phân tích giá trị C 40:2011 pH 6 5.5 – 9 Không vượt QCVN Nồng độ Ni2+ 94.4 0.5 93.9 (mg/l) 2.7.1 Khảo sát ảnh hưởng của tốc độ dòng đến khả năng hấp phụ Ni2+ của vật liệu Để khảo sát ảnh hưởng của tốc độ dòng em tiến hành thí nghiệm: Bước 1: chọn cột hấp phụ là buret 25 ml, đường kính 1cm. Lớp dưới cùng của cột được lót bằng lớp dây bao dứa tước nhỏ, sau đó nhồi 10g vật liệu vào cột. Bước 2: cho nước thải có chứa Ni2+ với nồng độ là 94.4 mg/l chảy qua các cột. Bước 3: điều chỉnh tốc độ qua mỗi cột lần lượt là 0.5ml/phút, 0.8ml/phút, 1.6ml/phút. Sau đó, tiến hành làm chuẩn độ như trên để xác định nồng độ Ni2+ còn lại. 2.7.2 Phương pháp xử lý nước thải Để đánh giá khả năng hấp phụ của vật liệu đối với Ni2+ trong nước thải, em chọn phương pháp hấp phụ động trên cột. 2.7.2.1 Xử lý trên 1 cột hấp phụ - Chọn cột hấp phụ là buret 25 ml, đường kính 1cm. Lớp dưới cùng của cột được lót bằng lớp dây bao dứa tước nhỏ, sau đó nhồi 10g vật liệu vào cột. - Cho nước thải có chứa Ni2+ với nồng độ đầu của Ni2+ là 94.4 mg/l qua cột hấp phụ với tốc độ dòng chảy là 0.8 ml/phút. GVHD: ThS. Tô Thị Lan Phương Sinh viên: Đoàn Thị Hiếu – Lớp MT1201 32
  43. Khóa luận tốt nghiệp Nước thải Vật liệu Lớp lót Hình 2.5 Mô hình nghiên cứu khả năng xử lý kim loại qua 1 cột hấp phụ 2.7.2.2 Xử lý trên 2 cột hấp phụ - Chuẩn bị 2 cột buret sạch, đường kính 1cm. Lớp dưới cùng mỗi cột được lót bằng lớp dây bao dứa tước nhỏ, sau đó nhồi 5g vật liệu mỗi cột. - Cho nước thải có chứa Ni2+ với nồng độ đầu của Ni2+ là 94.4 mg/l chảy nối tiếp qua 2 cột hấp phụ với tốc độ dòng chảy là 0.8 ml/phút. GVHD: ThS. Tô Thị Lan Phương Sinh viên: Đoàn Thị Hiếu – Lớp MT1201 33
  44. Khóa luận tốt nghiệp Nước thải Cột 1 Cột 2 Vật liệu Vật liệu Lớp lót Lớp lót Hình 2.6 Mô hình nghiên cứu khả năng xử lý kim loại qua 2 cột nối tiếp GVHD: ThS. Tô Thị Lan Phương Sinh viên: Đoàn Thị Hiếu – Lớp MT1201 34
  45. Khóa luận tốt nghiệp CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1 Kết quả khảo sát ảnh hƣởng của khối lƣợng VLHP tới khả năng hấp phụ Ni2+ của vật liệu Tiến hành khảo sát ảnh hưởng khối lượng VLHP đến khả năng hấp phụ Ni 2+ của vật liệu thu được kết quả như bảng 3.1: Bảng 3.1 Ảnh hưởng của khối lượng VLHP đến khả năng hấp phụ Ni2+ Khối lượng Nồng độ Ni 2+ ban Nồng độ Ni2+ còn STT Hiệu suất (%) VLHP (g) đầu (mg/l) lại (mg/l) 1 0.2 470.47 306.73 34.8 2 0.5 470.47 285.34 45.1 3 1 470.47 187.42 60.16 4 1.5 470.47 114.71 75.62 5 2 470.47 60.42 87.16 6 2.5 470.47 58.61 87.54 7 3 470.47 56.73 87.94 Hiệu suất(%) 100 80 60 40 20 0 0 1 2 3 4 Khối lƣợng VLHP (g) Hình 3.1 Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của khối lượng VLHP đến quá trình hấp phụ Ni2+ GVHD: ThS. Tô Thị Lan Phương Sinh viên: Đoàn Thị Hiếu – Lớp MT1201 35
  46. Khóa luận tốt nghiệp Theo thực nghiệm, khi khối lượng VLHP tăng dần từ 0.2 – 3g, nồng độ Ni2+ còn lại trong dung dịch giảm dần, chứng tỏ là lượng Ni2+ được hấp phụ tăng lên. Với khối lượng VLHP là 2g, nồng độ Ni2+ còn lại trong dung dịch là 60.42mg/l, hiệu suất hấp phụ đạt 87.16%. Tiếp tục tăng khối lượng VLHP lên 2.5g và 3.0g thấy rằng hiệu suất hấp phụ tăng không đáng kể. Chứng tỏ từ khối lượng 2g trở đi sự hấp phụ đã gần như đạt cân bằng. Vì vậy, em chọn khối lượng VLHP là 2g để tiến hành nghiên cứu các thí nghiệm tiếp theo. 3.2 Kết quả khảo sát ảnh hƣởng của thời gian đến quá trình hấp phụ Ni2+ của VLHP Cho 30ml dung dịch Ni2+ có nồng độ 470.47 mg/l vào 6 bình tam giác cỡ 250ml có chứa 2g vật liệu. Tiến hành lắc trong các khoảng thời gian khác nhau: 30 phút, 60 phút, 120 phút, 180 phút, 240 phút, 300 phút. Qua quá trình thực nghiệm, kết quả khảo sát ảnh hưởng của thời gian đến khả năng hấp phụ Ni2+ của vật liệu thu được như sau: Bảng 3.2 Ảnh hưởng của thời gian đến khả năng hấp phụ Ni2+ của VLHP Nồng độ Ni 2+ ban Thời gian Nồng độ Ni2+ còn Hiệu suất STT đầu (mg/l) (phút) lại (mg/l) (%) 1 470.47 30 383.5 18.48 2 470.47 60 265.5 43.57 3 470.47 120 70.8 85 4 470.47 180 53.1 88.71 5 470.47 240 47.2 90 6 470.47 300 41.3 91.2 GVHD: ThS. Tô Thị Lan Phương Sinh viên: Đoàn Thị Hiếu – Lớp MT1201 36
  47. Khóa luận tốt nghiệp Hiệu suất (%) 100 80 60 40 20 0 0 100 200 300 400 Thời gian (phút) Hình 3.2 Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của thời gian đến khả năng hấp phụ Ni2+ của VLHP Nhận xét: Kết quả thực nghiệm cho thấy, thời gian khuấy (thời gian tiếp xúc của VLHP với ion kim loại) càng lâu, nồng độ Ni2+ còn lại trong dung dịch càng giảm. Sau khoảng 120 phút, nồng độ Ni2+ còn lại trong dung dịch gần như không đổi, hiệu quả hấp phụ ổn định ở mức 85%. Chứng tỏ từ 120 phút trở đi sự hấp phụ đã gần như đạt cân bằng. Vì vậy, em chọn khoảng thời gian là 120 phút để nghiên cứu các thí nghiệm tiếp theo. 3.3 Kết quả khảo sát ảnh hƣởng của pH đến khả năng hấp phụ Ni2+ của VLHP Cho 30ml dung dịch Ni2+ có nồng độ 470.47mg/l vào 8 bình tam giác cỡ 250ml có chứa 2g vật liệu. Điều chỉnh pH từ 3.07 – 10 rồi đem lắc trong 120 phút. Sau quá trình khảo sát ảnh hưởng pH đến khả năng hấp phụ của vật liệu thu được kết quả như bảng 3.3: GVHD: ThS. Tô Thị Lan Phương Sinh viên: Đoàn Thị Hiếu – Lớp MT1201 37
  48. Khóa luận tốt nghiệp Bảng 3.3 Ảnh hưởng của pH đến khả năng hấp phụ Ni2+ của VLHP Nồng độ Ni2+ ban Nồng độ Ni2+ còn STT pH Hiệu suất (%) đầu (mg/l) lại (mg/l) 1 470.47 3.07 219.2 53.4 2 470.47 4.1 174.5 62.9 3 470.47 5 149.1 68.3 4 470.47 6.25 63.93 86.41 5 470.47 7.13* 63.65 86.47 6 470.47 8.1 36.98 92.14 7 470.47 9.04 31.99 93.2 8 470.47 10 29.6 93.7 *: Bắt đầu kết tủa. Hiệu suất (%) 100 80 60 40 20 0 0 5 10 15 pH Hình 3.3 Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của pH đến khả năng hấp phụ Ni2+ của VLHP Dải pH khảo sát dao động từ 3.07 đến 10. Khi pH tăng từ 3.07 đến 6, hiệu suất hấp phụ Ni2+ tăng từ 53.4% đến 86.41%. Bắt đầu từ pH = 7.13 thấy xuất hiện kết tủa Ni(OH)2 trong dung dịch, pH dung dịch càng tăng, lượng kết tủa Ni(OH)2 xuất hiện càng nhiều do vậy chọn pH tối ưu cho quá trình hấp phụ Ni2+ là 6.25. GVHD: ThS. Tô Thị Lan Phương Sinh viên: Đoàn Thị Hiếu – Lớp MT1201 38
  49. Khóa luận tốt nghiệp 3.4 Kết quả xác định tải trọng hấp phụ Ni2+ của vật liệu Kết quả xác định tải trọng hấp phụ Ni2+ của vật liệu thu được như ở bàng sau: Bảng 3.4 Kết quả xác định tải trọng hấp phụ Ni2+ cực đại của VLHP Ci (mg/l) q (mg/g) Cf (mg/l) Cf/q 47.047 0.528 11.8 22.35 94.094 0.969 29.5 30.45 141.141 1.321 53.1 40.21 188.188 1.672 76.7 45.88 235.235 2.01 109.75 54.6 282.282 2.275 138.65 64.35 329.329 2.47 174.05 74.72 376.376 2.61 215.33 82.5 423.423 2.65 247.8 93.51 470.47 2.67 287.92 105.15 Từ kết quả trên ta vẽ đồ thị biểu diễn phương trình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir của VLHP đối với Ni2+: q (mg/g) 3 2.5 2 1.5 1 0.5 0 0 100 200 300 400 500 Ci (mg/l) Hình 3.4 Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của nồng độ đầu Ni2+ GVHD: ThS. Tô Thị Lan Phương Sinh viên: Đoàn Thị Hiếu – Lớp MT1201 39
  50. Khóa luận tốt nghiệp Kết quả cho thấy khi nồng độ đầu của dung dịch Ni2+ tăng thì tải trọng hấp phụ của vật liệu cũng tăng dần. Khi nồng độ đầu tăng đến một giá trị nào đó thì q bão hòa không tăng nữa. Dựa vào số liệu thực nghiệm thu được, vẽ đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc Cf/q vào Cf theo lý thuyết hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir cho VLHP được mô tả như hình (3.5) Cf/q 120 100 y = 0.192x + 11.56 R² = 0.995 80 60 40 20 0 0 100 200 300 400 500 Cf (mg/l) Hình 3.5 Đồ thị biểu diễn kết quả xác định tải trọng hấp phụ Ni 2+ cực đại của VLHP Sự phụ thuộc của Cf/q vào Cf được mô tả theo phương trình: y = 0.1925x + 11.561 (3.1) Ta có tgα = = = = 5.2 (mg/g) 3.5 Kết quả xử lý nƣớc thải bằng phƣơng pháp hấp phụ động trên cột 3.5.1 Kết quả khảo sát ảnh hưởng của tốc độ dòng đến khả năng hấp phụ Ni2+ của vật liệu Cho nước thải có chứa Ni2+ với nồng độ là 94.4 mg/l chảy qua các 3 cột buret có nhồi 10g vật liệu, điều chỉnh tốc độ trên mỗi cột lần lượt là 0.5 ml/phút, 0.8 ml/phút, 1.6 ml/phút. Kết quả khảo sát ảnh hưởng của tốc độ dòng đến khả năng hấp phụ Ni2+ thu được trên bảng sau: GVHD: ThS. Tô Thị Lan Phương Sinh viên: Đoàn Thị Hiếu – Lớp MT1201 40
  51. Khóa luận tốt nghiệp Bảng 3.5 Kết quả khảo sát ảnh hưởng của tốc độ dòng đến khả năng hấp phụ Ni2+ của VLHP Cột 1 Cột 2 Cột 3 Thể tích Nồng (0.5 ml/phút) (0.8 ml/phút) (1.6 ml/phút) mẫu độ đầu qua cột (mg/l) Nồng Hiệu Nồng độ Hiệu Nồng độ Hiệu (ml) độ cuối suất cuối suất cuối suất (mg/l) (%) (mg/l) (%) (mg/l) (%) 100 94.4 18.53 80.37 22.56 76.1 25.43 73.06 200 94.4 21.37 77.36 23.36 75.25 27.12 71.27 300 94.4 22.31 76.37 25.11 73.4 28.34 70 400 94.4 24.36 74.2 25.47 73.02 29.81 68.42 500 94.4 25.12 73.38 26.62 71.8 32.25 65.84 600 94.4 26.42 72.01 27.47 70.9 35.93 61.94 700 94.4 28.23 71.01 30.16 68.05 38.14 59.6 800 94.4 29.81 68.42 30.29 67.91 40.32 57.3 900 94.4 31.35 66.8 35.87 62 45.63 51.7 1000 94.4 35.11 62.81 38.04 59.7 51.35 45.6 GVHD: ThS. Tô Thị Lan Phương Sinh viên: Đoàn Thị Hiếu – Lớp MT1201 41
  52. Khóa luận tốt nghiệp Hiệu suất (%) Cột 1 (0.5 100 ml/phút) 80 60 cột 2 (0.8 ml/phút) 40 20 cột 3 (1.6 0 ml/phút) 0 500 1000 Thể tích mẫu qua cột (ml) Hình 3.6 Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của tốc độ dòng đến khả năng hấp phụ Ni2+ của VLHP Từ kết quả trên em thấy với tốc độ dòng càng nhỏ tức thời gian lưu trong cột càng lâu thì hiệu suất hấp phụ càng lớn và hiệu suất sẽ giảm dần theo thể tích mẫu qua cột. Tuy nhiên, để tiết kiệm chi phí xử lý nước thải mà vẫn đảm đảm hiệu quả xử lý nước thải em chọn tốc độ dòng là 0.8 ml/phút để tiến hành các thí nghiệm tiếp theo. 3.5.2 Kết quả xử lý nước thải trên 1 cột hấp phụ Cho nước thải có chứa Ni2+ với nồng độ đầu của Ni2+ là 94.4 mg/l qua cột hấp phụ chứa 10g vật liệu với tốc độ dòng chảy là 0.8 ml/phút. Kết quả khảo sát quá trình xử lý nước thải trên 1 cột hấp phụ được thể hiện ở bảng sau : GVHD: ThS. Tô Thị Lan Phương Sinh viên: Đoàn Thị Hiếu – Lớp MT1201 42
  53. Khóa luận tốt nghiệp Bảng 3.6 Kết quả xử lý Ni2+ trên 1 cột hấp phụ 2+ Thể tích Xử lý Ni mẫu qua Nồng độ Ni2+ ban đầu Nồng độ Ni2+ cuối Hiệu suất (%) cột (ml) (mg/l) (mg/l) 100 94.4 22.56 76.1 200 94.4 23.36 75.25 300 94.4 25.11 73.4 400 94.4 25.47 73.02 500 94.4 26.62 71.8 600 94.4 27.47 70.9 700 94.4 30.16 68.05 800 94.4 30.29 67.91 900 94.4 35.87 62 1000 94.4 38.04 59.7 Hiệu suất (%) 80 70 60 50 40 Hiệu suất 30 Ni (II) (%) 20 10 0 0 200 400 600 800 1000 1200 Thể tích mẫu qua cột (ml) Hình 3.7 Đồ thị biểu diễn hiệu suất xử lý Ni2+ trên 1 cột hấp phụ Nhận xét: Từ các kết quả thí nghiệm trên em thấy thể tích mẫu qua cột càng lớn thì hiệu suất hấp phụ các ion kim loại càng giảm. Nếu chỉ cho nước thải chạy qua 1 GVHD: ThS. Tô Thị Lan Phương Sinh viên: Đoàn Thị Hiếu – Lớp MT1201 43
  54. Khóa luận tốt nghiệp cột hấp phụ thì hiệu suất xử lý chưa cao. Hiệu suất hấp phụ Ni2+ cao nhất đạt 76.1%. Vì vậy, em tiến hành tiếp thí nghiệm trên 2 cột hấp phụ đặt nối tiếp. 3.5.3 Kết quả xử lý nước thải trên 2 cột hấp phụ Cho nước thải có chứa Ni2+ với nồng độ đầu của Ni2+ là 94.4 mg/l qua 2 cột hấp phụ nối tiếp nhau, mỗi cột chứa 10g vật liệu, với tốc độ dòng chảy là 0.8 ml/phút. Kết quả khảo sát quá trình xử lý nước thải trên 2 cột hấp phụ được thể hiện ở bảng sau : Bảng 3.7 Kết quả xử lý Ni2+ trên 2 cột hấp phụ 2+ Thể tích Xử lý Ni mẫu qua Nồng độ Ni2+ ban đầu Nồng độ Ni2+ cuối Hiệu suất (%) cột (ml) (mg/l) (mg/l) 100 94.4 0.5 99.5 200 94.4 1.12 98.81 300 94.4 1.86 98.03 400 94.4 2.6 97.2 500 94.4 3.13 96.68 600 94.4 4.72 95 700 94.4 6.92 92.67 800 94.4 11.29 88.04 900 94.4 11.97 87.32 1000 94.4 13.59 85.6 GVHD: ThS. Tô Thị Lan Phương Sinh viên: Đoàn Thị Hiếu – Lớp MT1201 44
  55. Khóa luận tốt nghiệp Hiệu suất (%) 102 100 98 96 Hiệu suất 94 Ni(II)(%) 92 90 88 86 84 0 200 400 600 800 1000 1200 Thể tích mẫu qua cột (ml) Hình 3.8 Đồ thị biểu diễn hiệu suất xử lý Ni2+ trên 2 cột hấp phụ Nhận xét: sau khi tiến hành hấp phụ trên 2 cột liên tiếp em thấy hiệu suất xử lý cao hơn so với việc chỉ xử lý trên 1 cột. Hiệu suất hấp phụ Ni2+ cao nhất đạt 99.5%. Nhận xét chung: Việc xử lý nước thải trong thực tế còn phụ thuộc nhiều vào các yếu tố như: sự ưu tiên hấp phụ giữa các ion kim loại có trong nước thải, nồng độ các ion kim loại nặng, COD Qua đó, em thấy nếu cho nước thải chảy liên tiếp qua nhiều cột hấp phụ thì hiệu quả xử lý của vật liệu đối với nước thải sẽ tăng cả về số lượng và chất lượng. Có thể ứng dụng kết quả này vào việc thiết kế hệ thống xử lý nước thải chứa kim loại bao gồm nhiều cột hấp phụ nối tiếp nhau thì hiệu quả xử lý sẽ tăng lên rất nhiều. GVHD: ThS. Tô Thị Lan Phương Sinh viên: Đoàn Thị Hiếu – Lớp MT1201 45
  56. Khóa luận tốt nghiệp KẾT LUẬN Nghiên cứu khả năng hấp phụ Ni2+ của vật liệu hấp phụ đi từ xương san hô đã thu được một số kết quả sau: 1. Xương san hô hấp phụ Ni2+ tốt nhất ở khối lượng 2g. 2. Trong các khoảng thời gian khảo sát (từ 30 - 300 phút) khoảng thời gian đạt cân bằng hấp phụ của VLHP đối với Ni2+ là 120 phút. 3. Trong khoảng pH khảo sát (3.07 – 10) pH để sự hấp phụ Ni2+ của VLHP xảy ra tốt nhất là 6.25. 4. Áp dụng điều kiện tối ưu trên cho quá trình khảo sát xác định tải trọng hấp phụ Ni2+ của vật liệu. Kết quả tải trọng hấp phụ cực đại của vật liệu đối với Ni2+ là 5.2 mg/g, khảo sát với tốc độ dòng là 0.8 ml/phút. 5. Dùng VLHP chế tạo được để xử lý trên mẫu thực. Kết quả cho thấy nếu tiến hành dẫn nước thải qua hai cột liên tiếp thì nồng độ Ni2+ sẽ giảm xuống mức cho phép đối với nước thải công nghiệp theo QCVN 40:2011/BTNMT. Như vậy, việc sử dụng VLHP chế tạo từ xương san hô hấp phụ Ni2+ có những ưu điểm sau: - Sử dụng nguyên liệu tự nhiên, rẻ tiền, dễ kiếm. - Quy trình xử lý đơn giản, đạt hiệu quả xử lý cao. - Xương san hô sau khi hấp phụ kim loại nặng không có khả năng giải hấp nhưng có thể đem tái sử dụng dùng làm chất trộn trong ngành sản xuất xi măng và xây dựng (bê tông cốt thép, nhựa đường). GVHD: ThS. Tô Thị Lan Phương Sinh viên: Đoàn Thị Hiếu – Lớp MT1201 46
  57. Khóa luận tốt nghiệp TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Lê Huy Bá, 2008, Độc học môi trường cơ bản, Nhà xuất bản Đại học quốc gia TP. HCM. [2] Nguyễn Đình Bảng, 2004,Giáo trình các phương pháp xử lý nước và nước thải, Đại học KHTN Hà Nội. [3] Lê Văn Cát, 2002, Hấp phụ và trao đổi ion trong kĩ thuật xử lý nước và nước thải, Nhà xuất bản thống kê Hà Nội [4] Trần Hồng Côn, Đồng Kim Loan, 2001, Độc học và vệ sinh công nghiệp, Tài liệu lưu hành nội bộ, Đại học Quốc Gia Hà Nội. [5] Nguyễn Thùy Dương, 2008, Đề tài: “Nghiên cứu khả năng hấp phụ một số ion kim loại nặng trên vật liệu hấp phụ chế tạo từ vỏ lạc và thăm dò xử lý môi trường”, Luận văn thạc sĩ hóa học. [6] Đặng Đình Kim, PGS.TS Lê Văn Cát và các cộng sự, 2000, Đề tài: “Nghiên cứucông nghệ xử lý nước thải công nghiệp chứa kim loại nặng (Pb, Cu, Hg, Ni, Cr) bằng phương pháp hóa học và sinh học”. [7] Phạm Luận, Nguyễn Xuân Dũng, 1987, Sổ tay tra cứu pha chế dung dịch, Nhà xuất bản KH & KT Hà Nội. [8] Trần Văn Nhân, Nguyễn Thạc Sửu, Nguyễn Văn Tuế,1997), Giáo trình Hoá lý, tập2, Nxb Giáo dục. [9] Quy chuẩn kĩ thuật quốc gia về nước thải công nghiệp, QCVN 40:2011/BTN MT [10] Thuviensinhhoc.com Lớp san hô (Anthozoa) [11] Vi.wikipedia.org San hô [12] Vnexpress.net Dùng san hô thay xương để ghép cho bệnh nhân GVHD: ThS. Tô Thị Lan Phương Sinh viên: Đoàn Thị Hiếu – Lớp MT1201 47