Nghiên cứu tận dụng bã thải từ quá trình sản xuất tinh bột sắn và dong riềng để chế tạo than hoạt tính ứng dụng trong xử lý môi trường

Khảo sát đặc tính của than, khảo sát khả năng hấp phụ màu xanh metylen trong nước, và khảo sát các yếu tố ảnh hưởng tới quá trình hấp phụ của than điều chế được.. Trong nghiên cứ u nà

Nghiên cứu tận dụng bã thải từ quá trình sản xuất tinh bột sắn và dong riềng để chế tạo than hoạt tính ứng dụng trong xử lý môi trường

Vũ Lực

Trường Đại học Khoa học Tự nhiên Luận văn ThS chuyên ngành: Khoa học môi trường; Mã số: 60 85 02

Người hướng dẫn: PGS.TS Trần Thị Hồng

Năm bảo vệ: 2012

Abstract: Nghiên cứu điều chế than hoạt tính từ bã sắn và bã dong riềng Tận dụng chất

thải( bã thải sắn, dong) để chế tạo sản phẩm than hoạt tính có giá trị, góp phần cải thiện môi trường và tăng hiệu quả kinh tế Khảo sát đặc tính của than, khảo sát khả năng hấp phụ màu (xanh metylen) trong nước, và khảo sát các yếu tố ảnh hưởng tới quá trình hấp

phụ của than điều chế được

Keywords: Khoa học môi trường; Than hoạt tính; Chất thải; Xử lý môi trường

Content

1 MỞ ĐẦU

Một trong các loại vật liệu hấp phụ đã được sử dụng trong nhiều lĩnh vự c khác nhau như quân sự, y tế (làm vật liệu lọc độc trong các mặt nạ phòng độc ), công nghiê ̣p (như công nghiê ̣p mía đường thì làm vâ ̣t liê ̣u xử lý màu )…hiê ̣n nay than hoa ̣t tính cũng được sử du ̣ng rất nhiều trong lĩnh vực xử l ý môi trường (hấp phu ̣ hơi , khí độc trong xử lý khí ; hấp phu ̣ các chất hữu cơ trong làm sạch nguồn nước ) và đã cho những kết quả tốt Chính vì vậy , viê ̣c nghiên cứu điều chế , sản xuất và ứng du ̣ng than hoa ̣t tính ngày càng được quan tâm Ở Việt Nam cũng đã có khá nhiều công trình nghiên cứu điều chế , sản xuất và sử dụng than hoạt tính cũng như nghiên cứu các nguồn nguyên liê ̣u dùng để sản xuất than hoa ̣t tính như : than antraxit, gáo dừa , bã mía, mùn cưa,

bụi bông,…[1, 2, 3, 4, 5]

Trong nghiên cứ u này đã tận dụng bã thải từ quá trình sản xuất tinh bô ̣t sắn và dong riềng để chế ta ̣o than hoạt tính ứng dụ ng trong xử lý xanh metylen trong nước với các nội dung: 1) Nghiên cứu điều chế than hoạt tính từ bã sắn; 2) Khảo sát đặc tính của than; và 3) Khảo sát khả năng hấp phụ xanh metylen trong nước của than chế tạo ; 4) Tính toán sơ bộ chi phí chế tạo than

2 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 Vật liệu, hóa chất, thiết bị

- Bã thải từ quá trình sản xuất tinh bột sắn (bã sắn lọc tinh), tinh bột dong riềng được tâ ̣n

dụng để chế tạo than hoạt tín h

- Mẫu nướ c chứa xanh metylen (mẫu tự pha từ dung dịch xanh metylen gốc) để có nồng đô ̣ xanh metylen trong khoảng 20-100mg/L

- Hóa chất: Axit H2SO4 đặc 98%; NaHCO3 2%;

- Thiết bị: Cân điện tử, cân kỹ thuật: PA213/PA213C Ohaus – Mỹ; Máy lắc: Eđun Biiher GmbH;

Tủ sấy: UBNB42700 Memmert – Đức; Lò nung: Lenton PO Box 2031 Hope Valley S33 6BW England; Máy trắc quang UV- VIS: DR/4000U, HACH - Mỹ

- Phương pháp phân tích: Hàm lượng xanh metylen trong các mẫu nước được phân tích theo

phương pháp trắc quang (đường chuẩn) tại bước sóng 724nm

2.2 Phương pháp chế tạo than hoạt tính từ bã sắn, bã dong riềng bằng hóa nhiệt

Chế tạo than hoạt tính theo phương pháp hóa học (axit hóa), phương pháp vật lý (nhiệt), kết hợp

giữa phương pháp vật lý (nhiệt) và phương pháp hóa học (xem hình 1)

Hình 1 Quy trình chế tạo than hoạt tính từ bã thải của quá trình sản xuất tinh

bô ̣t sắn, dong riềng

Bã sắn, bã dong riềng để khô tự nhiên

Ngâm trong axit H 2 SO 4 đặc 98% 1 giơ ̀

Đốt trong 3 giờ ở 250 o

C

Trung hòa axit dư bằng dung dịch NaHCO 3 2%

Rửa bằng nước cất đến pH = 7

Than sản phẩm

Tỉ lệ axit/bã (theo khối lượng) thay đổi 1:1; 1,2:1 và 1,5:1 tương ứng với các mẫu than CAS100, CAS120 và CAS150, CAD100, CAD120, CAD150.Than sau khi được tráng rửa bằng nước cất đến

pH= 7 đem sấy khô ở nhiê ̣t đô ̣ 60 – 65oC

2.3 Phương pha ́ p khảo sát đặc tính than chế ta ̣o

Nghiên cứu sự thay đổi cấu trúc bề mặt vật liệu sau biến tính bằng phương pháp kính hiển vi điện

tử quét SEM (phòng thí nghiệm khoa Vật lý, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên – ĐHQGHN) Chùm điện tử sơ cấp được gia tốc bằng điện thế từ 1 – 50 kV giữa anot và catot rồi đi qua thấu kính hội tụ quét lên bề mặt mẫu đặt trong buồng chân không Chùm điện tử có đường kính từ 1 – 10nm mang dòng điện từ 10-10 – 10-12A đến bề mặt mẫu Do tương tác của chùm điện tử với các nguyên

tử trên bề mặt mẫu, các điện tử thứ cấp phát ra được thu và chuyển thành ảnh biểu thị bề mặt vật liệu Xác định diện tích bề mặt theo phương pháp BET tại trường Đại học Bách khoa Hà Nội

2.4 Phương pha ́ p khảo sát khả năng hấp phụ xanh metylen

Nghiên cứu khả năng hấp phụ được tiến hành theo mẻ với lượng than CAS150 (kích thước 0,2 và 2mm) 0,1 và 0,2g/200 ml dung dịch xanh metylen (nồng độ trong khoảng 20-100mg/L) Hỗn hợp được cho vào bình tam giác 250 ml, lắc với tốc độ 150 vòng/phút ở nhiệt độ phòng

Sau các khoảng thời gian 0; 10; 25; 55; 70; 85 và 115 phút, lấy một phần dung dịch đem lọc qua

giấy lọc, đem phân tích xác định hàm lượng xanh metylen còn lại trong dung dịch

3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1 Kết quả chế tạo than hoạt tính tư ̀ bã sắn

Kết quả chế tạo than thu được và hiệu suất đạt lớn nhất khoảng 57% đối với tỉ lệ axit:bã 1,5:1 theo khối lượng So sánh với vật liệu chế tạo từ than tre ở nhiệt độ nung 900oC hiệu suất đạt

49,5% thì hiệu suất chế tạo than hoạt tính từ bã sắn đạt được là khá cao [4, 5]

3.2 Kết quả khảo sát đặc tính của than chế tạo

Than thu được đem nghiền mịn vớ i các kích thước 2 và 0,2mm (hình 2) và phân tích đặc tính

than (chụp SEM và phân tích BET)

Kết quả chụp SEM (hình 3) cho thấy bề mă ̣t than chế ta ̣ o được có rất nhiều vùng ghồ ghề và

các mảnh vụn vỡ , quan sát thấy các ha ̣t không chỉ khác nhau về hình da ̣ng mà còn cả kích thước ,

quan sát cũng thấy có rất nhiều lỗ rỗng và kích thư ớc không đồng đều So sánh kết quả chụp

SEM của mẫu than CAS150 cho thấy kích thước lỗ của các mẫu than chế tạo từ bã sắn trong

khoảng 0,01÷5μm Diện tích bề mặt riêng đạt được khá lớn 428 và 254m/g tương ứng với than

kích thước 0,2 và 2mm So với các cacbon hoạt hoá từ các vật liệu khác thì cacbon hoạt hoá từ

bã sắn có diện tích bề mặt riêng khá cao, ví dụ than chế tạo từ bụi bông có diện tích bề mặt là

562 và 380m/g tương ứng với kích thước hạt 0,25 và 1,0mm; từ thân cọ có diện tích bề mặt là

188m2/g, cây đậu phộng là 208m/g, cây sắn là 207m/g

3.3 Kết quả khảo sát khả năng hấp phụ xanh metylen của than chế tạo

Tiến hành theo mẻ với 0,1g than hoạt tính CAS150 kích thước 2mm và 200 ml dung dịch xanh

metylen nồng độ 20; 40; 80 và 100 mg/L (xem hình 4)

Hình 2 Than chế ta ̣o từ bã sắn (a – than chế tạo; b- than kích thước 2mm; c- than kích thước 0,2mm)

Hình 3 Hình ảnh SEM của (a) bã sắn ban đầu và (b) mẫu than chế ta ̣o CAS150

Kết quả cho thấy khả năng hấp phụ tăng theo thời gian, thời gian đạt cân bằng hấp phụ là khoảng 85 phút Kết quả hiệu suất hấp phụ xanh metylen tại thời điểm cân bằng hấp phụ tương ứng với các nồng độ 20; 40; 80; và 100 mg/L lần lượt là : 86,9; 84,9; 80 và 73,9% So với các

nghiên cứu trước hiệu quả có thấp hơn nhưng không nhiều [6, 7, 8, 9]

3.4 Kết qua ̉ xác định dung lƣợng hấp p hụ cực đại và động học quá trình hấp phụ

Động học quá trình hấp phụ xanh metylen theo phương trình sau:

𝑞 = (𝐶𝑜− 𝐶)𝑉

𝑚𝑡

Trong đó: q- Dung lượng hấp phụ tại thời điểm cân bằng (mg/g)

C 0 – nồng độ xanh metylen ban đầu (mg/L)

C – nồng độ xanh metylen còn lại trong nước (mg/L)

V – thể tích dung dịch hấp phụ (L)

m t – khối lượng than sử dụng hấp phụ (g)

Kết quả thu được đối với quá trình hấp phụ của than CAS150 đưa ra ở bảng 1

Bảng 1 Thông số động học quá trình hấp phụ xanh metylen của mẫu than CAS150

Co (mg/L) Ce (mg/L) qe (mg/g)

Từ kết quả bảng 1 xây dựng được đường đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir (hình 5)

0

20

40

60

80

100

120

Thời gian hấp phụ (phút)

20 (mg/L)

40 (mg/L)

80 (mg/L)

100 (mg/L) Hình 4 Kết quả khảo sát khả năng hấp phụ màu của mẫu than

CAS150 theo thời gian và nồng độ xanh metylen (0,1g/200ml dung dịch xanh metylen)

Hình 5 Đường đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir (a) và Freundlich (b) của mẫu than CAS150 (lượng

than 0,1g/200ml dung dịch xanh metylen)

Từ các phương trình đường đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir và Freundlich ở trên, tính toán dung lượng hấp phụ cực đại và các hệ số của phương trình Langmuir và Freundlich (xem bảng 2) Kết quả trên cho thấy hệ số tương quan R2 là rất cao, chứng tỏ cả hai mô hình đều phù hợp với kết quả thực nghiệm Theo mô hình Langmuir thấy dung lượng hấp phụ đơn lớp cực đại là khá cao (234,7mg/g) so vớ i dung lượng hấp phu ̣ đơn lớp của than chế ta ̣o từ bu ̣i bông ch ỉ đạt là

160,3mg/g[5]

y = 0.042x + 0.626 R² = 0.995 0

0.5

1

1.5

2

Ce(mg/L)

y = 0.639x + 0.300 R² = 0.983 0

0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4

lgCe

Bảng 2 Các thông số động học trong phương trình Langmuir và Freundlich của mẫu than

CAS 150

234,7 0,068 0,9953 1,562 1,9952 0,9873 Phương trình Freundlich có giá trị n là 1,562 chứng tỏ quá trình hấp phụ cũng tương đối hiệu quả vì theo Sandro Altenor và nnk (2009) cũng như một số nghiên cứu khác chỉ ra rằng giá trị n

nằm trong khoảng 2 đến 10 thì đặc trưng cho quá trình hấp phụ tốt [7, 9, 10]

3.5 Kết qua ̉ khảo sát khả năng hấp phu ̣ xanh metylen theo khối lượng và kích thước than

Nghiên cứu khả năng hấp phụ được tiến hành theo mẻ với 0,1 và 0,2g mẫu than CAS150 kích thước 2mm và 200 ml dung dịch xanh metylen nồng độ 20; 40; 80 và 100 mg/L (xem bảng 3) Với khối lượng than tăng gấp đôi (0,2g/200ml dung dịch xanh metylen ) hiê ̣u suất hấp phu ̣ màu tăng lên rõ rệt, với nồng độ xanh metylen 20 và 40 mg/L hiê ̣u suất hấp phu ̣ màu đ ạt tới 100%

tương ứng sau 85 và 115 phút

Bảng 3 Khả năng hấp phụ xanh metylen theo khối lượng than mẫu than CAS 150

Thời gian hấp phụ

(phút)

Nồng đô ̣ xanh metylen (mg/L)

0,1g than

20 12,1 9,8 7,6 5,5 2,6 2,5

40 25,8 19,3 15,4 10,6 6,0 5,9

80 69,4 54,2 39,3 29,8 16,2 16,1

100 86,3 63,6 43,7 35,7 26,1 25,9

0,2g than

80 45,8 39,6 10,7 8,5 2,2 0,8

100 63,2 57,4 19,6 13,5 5,4 1,8

Bảng 4 Kết quả khảo sát khả năng hấp phụ màu( xanh metylen) theo kích thước than mẫu than

CAS 150 (lươ ̣ng than/thể tích dung di ̣ch là 1g/200ml)

Nồng đô ̣ xanh metylen

còn lại (mg/L)

2mm

Nồng đô ̣ xanh metylen

còn lại (mg/L)

0,2mm

100 60,65 48,35 20,76 12,54 3,75 1,2

Kết quả khảo sát khả năng hấp phu ̣ xanh metylen theo kích thước than v ới thí nghiệm tiến hành theo mẻ với lượng than CAS150 là 0,1gam, kích thước 2mm và 0,2mm trong 200ml dung dịch xanh metylen nồng độ 20; 40; 80 và 100 mg/L Kết quả cho th ấy kích thước của than ảnh hưởng rất rõ r ệt đến khả năng và tốc độ hấp phu ̣ Với than kích thước 0,2 mm, tốc độ hấp phu ̣ màu xảy ra nhanh và hiê ̣u suất hấp phu ̣ của than là rất lớn gần như đa ̣t 100% chỉ sau 55 phút, trong khi than 2mm có thời gian đạt cân bằng khoảng sau 85 phút ở cùng điều kiện thí nghiệm

3.6 Than chế ta ̣o tƣ̀ bã dong riềng

Kết quả khảo sát khả năng hấp phụ màu (xanh metylen) theo thời gian

Tiến hành thí nghiệm hấp phụ theo mẻ với 2g than hoạt tính và 200 ml dung dịch xanh metylen nồng độ tương ứng 20; 40; 80 và 100 mg/L, khuấy từ ở nhiệt độ phòng với tốc độ 150 vòng/phút, sau các khoảng thời gian 0; 5; 15; 30; 45; 60 và 90 phút lấy giấy dịch lọc qua giấy lọc Kết quả

khảo sát được thể hiện ở bảng 10

Bảng 5 Kết quả khảo sát khả năng hấp phụ màu (xanh metylen) theo thời gian cu ̉a than chế tạo

từ bã dong riềng

Nồng độ dung dịch xanh metylen còn lại (mg/L) Thời gian (phút)

Mẫu than(2g)

CAD 100

CAD 120

CAD 150

Từ kết quả ở bảng 5 dựng đồ thị sự phụ thuộc của nồng độ màu (xanh metylen) còn lại trong dung dịch theo thời gian hấp phụ ở các nồng độ ban đầu khác nhau được thể hiện ở các hình dưới

đây:

a)

b)

c)

Hình 5 Kết quả khảo sát khả năng hấp phụ màu ( xanh metylen) theo thời gian của các mẫu

than chế tạo từ bã dong riềng:

0 20 40 60 80 100 120

Thời gian hấp phụ (phút)

20 (mg/L)

40 (mg/L)

80 (mg/L)

100 (mg/L)

0 20 40 60 80 100 120

Thời gian hấp phụ (phút)

20 (mg/L)

40 (mg/L)

80 (mg/L)

100 (mg/L)

0 20 40 60 80 100 120

Thời gian hấp phụ (phút)

20 (mg/L)

40 (mg/L)

80 (mg/L)

100 (mg/L)

a) Mẫu than CAD 100 b) Mẫu than CAD 120

c) Mẫu than CAD 150

Kết quả của bảng 10 và các hình 14 cho thấy rằng: khả năng hấp phụ màu (xanh metylen) tăng theo thời gian hấp phụ (nồng độ xanh metylen giảm theo thời gian hấp phụ), thời gian đạt cân bằng hấp phụ là khoảng 60 phút Và hiệu suất hấp phụ của các mẫu than đạt được là khá cao,

trên 75%

Kết quả hiệu suất hấp phụ màu (xanh metylen), tính theo công thức tại thời điểm cân bằng hấp

phụ, được thể hiện ở bảng 5

Bảng 6 Kết quả hiệu suất hấp phụ màu (xanh metylen) tại thời điểm cân

bằng hấp phụ của than chế ta ̣o từ bã dong riềng

H hp %

C o (mg/L)

Loại than

Ta có thể thấy hiê ̣u suất hấp phu ̣ màu tăng lên khi tỷ lê ̣ axit / bã dong riềng tăng , với mẫu than CAD120 và CAD150 hiệu suất hấp phu ̣ cao đối với nồng độ là 20 mg/L và giảm dần khi nồng độ xanh metylen tăng dần nhưng đối với mẫu than CAD 100 thì hiệu suất hấp phụ cao nhất với nồng

đô ̣ là 40 mg/L

Kết quả xác định dung lượng hấp phụ cực đại và động học quá trình hấp phụ theo

phương trình đẳng nhiê ̣t hấp phụ Langmuir và Freundlich

Từ kết quả khảo sát khả năng hấp phụ màu (xanh metylen) theo thời gian hấp phụ thể hiện trong bảng ở trên tính được dung lượng hấp phụ màu (xanh metylen) tại thời điểm cân bằng hấp

phụ theo công thức và kết quả được thể hiện ở bảng 6

Bảng 7 Các thông số động học Ce và qe tại thời điểm cân bằng cu ̉a than chế tạo từ bã dong

riềng

C o

(mg/L) C e (mg/L) q e (mg/g)

C e

(mg/L) q e (mg/g) C e (mg/L) q e (mg/g)

Từ kết quả bảng 7 ở trên dựng được đường đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir:

a) Mẫu than CAD 100

b) Mẫu than CAD 120

y = 0.059x + 1.798 R² = 0.945

qe

y = 0.097x + 0.769 R² = 0.961

qe

c) Mẫu than CAD 150

Hình 6 Đường đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir của các mẫu than chế tạo từ bã dong riềng

Kết quả đường đẳng nhiệt hấp phụ Freundlich của các mẫu than CAD100; CAD120;

CAD150 theo thực nghiệm:

a) Mẫu than CAD 100

y = 0.097x + 0.509 R² = 0.930

qe

y = 0.867x - 0.310 R² = 0.988

y = 0.867x - 0.310 R² = 0.988

lgCe

b) Mẫu than CAD 120

c) Mẫu than CAD 150

Hình7 Đường đẳng nhiệt hấp phụ Freundlich của các mẫu than chế tạo

từ bã dong riềng

Từ các phương trình đường đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir và Freundlich ở trên, tính toán dung lượng hấp phụ cực đại và các hệ số của phương trình Langmuir và Freundlich Được b ảng kết

quả dưới đây:

Bảng 8 Kết quả tính toán các hệ số Langmuir và Freundlich cu ̉a các mẫu than chế tạo từ bã

dong riềng

y = 0.514x + 0.199 R² = 0.992

y = 0.514x + 0.199 R² = 0.992

lgCe

y = 0.450x + 0.329 R² = 0.974

y = 0.450x + 0.329 R² = 0.974

lgCe