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

Một số nghiên cứu chế tạo than hoạt tính từ các nguồn nguyên liệu khác nhau  Tận dụng nguồn than gỗ Đước[11] Xử lý nguyên liệu: Nguyên liệu than gỗ Đước lấy ở Hợp tác xã than 2– 9, h

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

KHOA MÔI TRƯỜNG -*** -

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

KHOA MÔI TRƯỜNG -*** -

VŨ LỰC

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

Chuyên ngành: Khoa học Môi trường

Vũ Lực, K17-KHMT i

Mục lục

Mục lục i

DANH MỤC BẢNG iv

DANH MỤC HÌNH v

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 3

1.1 Tổng quan về sản xuất tinh bột sắn và dong riềng và các vấn đề môi trường liên quan đến bã thải 3

1.1.1 Các loại hình nghành nghề, số lượng các cơ sở sản xuất, kinh doanh làm nghề tại địa phương 3

1.1.2 Công nghệ sản xuất 3

1.1.3 Bã thải sau chế biến tinh bột 6

1.2 Giới thiệu về than hoạt tính 7

1.2.1 Khái niệm than hoạt tính 7

1.2.2 Quy tri ̀nh sản xuất than hoạt tính 8

1.2.3 Một số nghiên cứu chế tạo than hoạt tính từ các nguồn nguyên liệu khác nhau 11

1.3 Ứng dụng của than hoạt tính trong thực tế 16

1.3.1 Ứng dụng trong xử lý môi trường nước 16

1.3.2 Ứng dụng trong xử lý môi trường khí 18

1.3.3 Sử dụng trong công nghiệp, chăn nuôi , thủy sản 19

1.4 Động học quá trình hấp phụ 21

1.4.1 Khái quát về hấp phụ 21

1.4.2 Phương trình hấp phụ đẳng nhiệt 22

CHƯƠNG 2 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 26

2.1 Đối tượng nghiên cứu và đi ̣a điểm nghiên cứu 26

2.2 Điều kiện kinh tế - xã hội, hiện trạng môi trường 27

2.2.1 Điều kiện kinh tế - xã hội 27

2.2.2 Hiện trạng môi trường xã Dương Liễu 32

2.3 Phương pháp nghiên cứu 35

2.3.1 Phương pha ́ p tổng quan tài liệu 35

2.3.2 Phương pha ́ p điều tra khảo sát thực tế và lấy mẫu 36

Vũ Lực, K17-KHMT ii

2.3.3 Phương pháp chế tạo than hoạt tính từ bã sắn và bã dong riềng bằng phương

pháp hóa nhiệt 36

2.3.4 Phương pha ́ p khảo sát đặc tính than chế tạo 38

2.3.5 Khảo sát khả năng xư ̉ lý màu (xanh metylen) trong nước của than chế tạo 39

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 41

3.1 Kết quả chế tạo than hoạt tính từ bã sắn và dong riềng 41

3.1.1 Hiệu suất chế tạo 41

3.1.2 Đặc tính vật lý của than chế tạo 41

3.2 Kết quả khảo sát khả năng hấp phụ màu củ a than chế ta ̣o 44

3.2.1 Than chế ta ̣o từ bã sắn 44

3.2.2 Than chế ta ̣o từ bã dong riềng 50

KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ 58

TÀI LIỆU THAM KHẢO 60

PHỤ LỤC 63

Vũ Lực, K17-KHMT iii

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT

CAD 100 : Than hoạt tính chế tạo theo tỉ lệ axit/bã dong riềng 1:1 (w/w)

CAD 120 : Than hoạt tính chế tạo theo tỉ lệ axit/bã dong riềng 1,2:1 (w/w)

CAD 150 : Than hoạt tính chế tạo theo tỉ lệ axit/bã dong riềng 1,5:1 (w/w)

CAS 100 : Than hoa ̣t tính chế ta ̣o theo tỉ lệ axit/bã sắn 1:1 (w/w)

CAS 120 : Than hoa ̣t tính chế ta ̣o theo tỉ lệ axit/bã sắn 1,2:1 (w/w)

CAS 150 : Than hoạt tính chế ta ̣o theo tỉ lệ axit/bã sắn 1,5:1 (w/w)

ĐHQGHN: Đại học Quốc gia Hà Nội

SEM: Kính hiển vi điện tử quét

Vũ Lực, K17-KHMT iv

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1 Khối lượng bã thải trong mùa chế biến 2011-2012 tại xã Dương Liễu 7Bảng 2 Kết quả khảo sát khả năng xử lý màu dung dịch xanh metylen của than hoạt tính chế tạo 13Bảng 3 Hiệu suất chế tạo than hoạt tính từ bã sắn 41Bảng 4 Hiệu suất chế tạo than hoạt tính từ bã dong riềng 41Bảng 5 Kết quả khảo sát khả năng hấp phụ màu (xanh metylen ) của mẫu than CAS150 theo thời gian (lượng than/thể tích dung di ̣ch 1g/200ml) 45Bảng 6 Thông số động ho ̣c Ce và qe tại thời điểm cân bằng củ a mẫu than CAS150 46Bảng 7 Các thông số động học trong phương trình Langmuir và Freundlich của mẫu than CAS150 47Bảng 8 Kết quả khảo sát khả năng hấp phu ̣ màu (xanh metylen ) theo khối lượng than mẫu than CAS150 48

Bảng 9 Kết quả khảo sát khả năng hấp phu ̣ màu (xanh metylen) theo kích thước

than mẫu than CAS150 (lượng than/thể tích dung di ̣ch là 1g/200ml) 49Bảng 10 Kết quả khảo sát khả năng hấp phụ màu (xanh metylen) theo thời gian củ a than chế ta ̣o từ bã dong riềng 50Bảng 11 Kết quả hiệu suất hấp phụ màu (xanh metylen) tại thời điểm cân bằng hấp phụ của than chế tạo từ bã dong riềng 52Bảng 12 Các thông số động học Ce và qe tại thời điểm cân bằng củ a than chế ta ̣o từ

bã dong riềng 53Bảng 13 Kết quả tính toán các hệ số Langmuir và Freundlich củ a các mẫu than chế tạo từ bã dong riềng 56Bảng 14 Kết quả so sánh khả năng hấp phu ̣ màu (xanh metylen ) của than CAS150

và CAD150 (khối lượng/thể tích dung di ̣ch là 2g/200ml) 57

Vũ Lực, K17-KHMT v

DANH MỤC HÌNH

Hình 1 Sơ đồ tóm tắt quy trình sản xuất tinh bột sắn 4

Hình 2 Sơ đồ tóm tắt quy trình sản xuất tinh bột dong 5

Hình 3 Quy trình chung chế tạo than hoạt tính 9

Hình 4 Bã thải sắn khô tự nhiên 26

Hình 5 Bã dong riềng để khô tự nhiên 26

Hình 6 Quy trình chế tạo than hoạt tính từ bã thải của quá trình sản xuất tinh 37

bô ̣t sắn và dong riềng 37

Hình 7 Than chế tạo từ bã sắn 42

Hình 8 Than chế ta ̣o từ bã dong riềng: 42

Hình 9: Hình ảnh chụp SEM của mẫu than chế tạo từ bã sắn 43

Hình 10 Hình ảnh SEM của các mẫu than chế tạo từ bã dong riềng 43

Hình 11 Kết quả khảo sát khả năng hấp phụ màu của mẫu than CAS150 theo thời gian (lượng than/thể tích dung di ̣ch 1g/200ml) 45

Hình 12 Đường đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir của mẫu than CAS150 46

Hình 13 Đường đẳng nhiệt hấp phu ̣ Freundlich của than CAS150 47

Hình 14 Kết quả khảo sát khả năng hấp phu ̣ màu ( xanh metylen) theo thời gian của các mẫu than chế tạo từ bã dong riềng: 51

Hình 15 Đường đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir của các mẫu than chế tạo từ bã dong riềng 54

Hình 16 Đường đẳng nhiệt hấp phụ Freundlich của các mẫu than chế ta ̣o từ bã dong riềng 55

Vũ Lực,K17- KHMT 1

MỞ ĐẦU

Những năm gần đây kinh tế phát triển , nhu cầu các mă ̣t hàng lương thực , thực phẩm tăng nhanh Mă ̣t khác, mô ̣t số vùng chuyên canh đã ta ̣o ra mô ̣t lượn g lớn sản phẩm cần đươ ̣c chế biến ta ̣i chỗ đã góp phần thúc đẩy sản xuất ở các làng nghề Trong các làng nghề chế biến nông sản thực phẩm như sản xuất miến dong , thường sản xuất theo quy mô hộ gia đình , phân tán và sản xuất nhiều loa ̣i sản phẩm , theo thời vu ̣ Chế biến tinh bô ̣t là một nghề truyền thống phát triển từ những năm 60 của thế kỷ trước như ở làng nghề Dương Liễu , nghề chế biến tinh bô ̣t không những giúp nông dân giải quyết lao đô ̣ng trong thời gian nông nhàn mà còn tăng thêm mô ̣t

nguồn thu nhâ ̣p đáng kể, góp phần xóa đói giảm nghèo cho nhiều hộ gia đình

Do đă ̣c thù của nghề sản xuất chế biến nông sản là lượ ng bã thải thải ra với số lươ ̣ng rất lớn đă ̣c biê ̣t vào những tháng niên vu ̣ sản xuất Thực tế các chất thải rắn sản xuất chưa được xử lý , tâ ̣n du ̣ng, đổ thải tùy tiê ̣n gây ô nhiễm môi trường chung trong đi ̣a phương

Là loại vâ ̣t liê ̣u hấp phu ̣ đã được sử du ̣ng trong nhiều lĩnh vực 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 đươ ̣c sử du ̣ng rất nhiều trong lĩnh vực xử lý môi trường (hấp phu ̣ hơi, khí độc trong xử lý khí; hấp phu ̣ các chất hữu cơ trong làm sa ̣ch nguồn nước ) và đã cho những kết quả tốt Chính vì vậy, viê ̣c nghiên cứu điều chế, sản xuất và ứng dụng than hoạt 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 liệu dùng để s ản xuất than hoa ̣t tính như : than antraxit, gáo dừa, bã mía , mùn cưa , bụi bông… Để

đóng góp vào hướng nghiên cứu này luâ ̣n văn đã thực hiê ̣n đề tài “Nghiên cứu tận

dụng bã thải từ quá trình sản xuất tinh bô ̣t sắn và dong riềng để chế tạo than hoạt tính ứng dụng trong xử lý môi trường ”, với mục đích và các nội dung như

sau:

Vũ Lực,K17- KHMT 2

 Mục đích: 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

 Nội dung nghiên cứu:

 Nghiên cứu điều chế than hoạt tính từ bã sắn và bã dong riềng

 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

Vũ Lực,K17- KHMT 3

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan về sản xuất t inh bô ̣t sắn và dong riềng và các vấn đề môi trươ ̀ng liên quan đến bã thải

1.1.1 Các loại hình nghành nghề, số lượng các cơ sở sản xuất kinh doanh tại địa phương[10]:

Tổng các loại hình nghành nghề trên toàn xã là 25, với số hộ gia đình, cá nhân tham gia là 1069 Trong đó một số loại hình nghành nghề có số lượng hộ gia đình tham gia nhiều là:

+ Sản xuất, chế biến sắn: 208 + Sản xuất, chế biến đót: 69 + Chế biến tinh bột sắn: 100 + Sản xuất nha: 39

+ Sản xuất miến: 79 + Sản xuất bánh kẹo: 72

1.1.2 Công nghệ sản xuất

 Sơ đồ công nghệ sản xuất

Công nghệ sản xuất bột sắn và dong riềng tại Dương Liễu là bán thủ công với sự trợ giúp của máy móc tại một số khâu như rửa, nghiền, khuấy, trộn… Quy

trình sản xuất tinh bột sắn và dong riềng thể hiện ở sơ đồ dưới đây:

Nước thải, thu bột đen

Điện,

nước cấp

Vũ Lực,K17- KHMT 5

Hình 2 Sơ đồ tóm tắt quy trình sản xuất tinh bột dong

 Các quá trình sản xuất chính

 Qúa trình thu mua nguyên vật liệu

Vùng cấp nguyên liệu chính cho sản xuất là các tỉnh miền núi phía bắc như Sơn La, Lai Châu và một phần từ Sơn Tây, Vĩnh Phúc Phương tiện vận chuyển chính là ô tô tải Vào vụ chính (từ tháng 8 đến tháng 4 âm lịch năm sau) có hàng trăm lượt xe chở hàng từ các nơi tới đây họp thành chợ Tuy quá trình này không phát sinh nhiều rác thải nhưng do đường giao thông của xã không tốt gây lên bụi

bẩn, mất mĩ quan, gây tiếng ồn

Vũ Lực,K17- KHMT 6

 Rửa bóc vỏ

Sự cọ sát giữa củ sắn hoặc củ dong riềng với nhau, giữa củ với thiết bị rửa làm lớp vỏ bị tách ra đồng thời cùng nguyên liệu được rửa Lượng nước cấp cần thiết cho khâu này từ 2-3 m3/tấn đối với sắn củ và từ 4-5 m3/tấn đối với củ dong

Đặc điểm của khâu sản xuất này là tạo ra nhiều cặn lắng, do đó khi theo nước cuốn thẳng ra cống rãnh, làm ách tắc hệ thống cống rãnh, tiêu thoát nước trong khu vực

2 Phần bột lẫn nước được đưa qua bể lắng Nhu cầu nước cho công đoạn này là 4- 5m3/tấn củ (đối với cả sắn củ và củ dong)

 Quá trình lắng:

 Lắng lần 1: Với mục đích tách bột đen (lẫn tạp chất khác) và bột tươi riêng ra Nước thải ở lần lắng này có hàm lượng chất hữu cơ cao, do sự lên men của vi sinh vật làm nước có mùi rất chua

 Lắng lần 2: Tiếp theo của lần lắng 1 với mục đích làm trắng thêm và cứng thêm bột Nhu cầu nước ở quá trình này là 3,5- 5,5m3/tấn nguyên liệu

1.1.3 Bã thải sau chế biến tinh bột

Khối lượng bã thải sắn và dong riềng trong niên vụ chế biến 2011-2012 ở xã Dương Liễu thể hiện ở Bảng 1

Vũ Lực,K17- KHMT 7

Bảng 1 Khối lượng bã thải trong mùa chế biến 2011-2012 tại xã Dương Liễu

Nguồn thải Khối lượng nguyên liệu

(Nguồn: UBND xã Dương Liễu- 2012)

Như vậy tổng khối lượng bã thải từ sản xuất tinh bô ̣t sắn và dong riềng là 63.600 tấn và 1.000.000.000 m3 nước thải (tính trung bình mỗi hộ làm sắn chế biến

5 tấn củ/ngày, mỗi hộ làm đót chế biến 20 tấn củ/ngày Mỗi tấn củ sử dụng trung bình là 5m3

nước, tỷ lệ đạt bột của củ sắn là 40% còn của củ đót là 15-20%), nhưng thực tế lượng bã tạo ra trong quá trình lọc chứa rất nhiều nước Khoảng 95% lượng

bã sắn được sử dụng cho chăn nuôi, còn lại hầu như toàn bộ lượng bã dong không được sử dụng, với độ ẩm như vậy theo thời gian lượng bã này sẽ bị phân hủy gây ô nhiễm môi trường địa phương[10]

1.2 Giới thiệu về than hoạt tính

1.2.1 Khái niệm than hoạt tính

Than hoạt tính là một d ạng sản phẩm vâ ̣t chất than đư ợc đốt b ởi lò đốt đ ặc biê ̣t ở nhiê ̣t đô ̣ cao trong môi trư ờng yếm khí Sau đó than được hoạt hóa theo công nghê ̣ riêng c ủa từng doanh nghiê ̣p s ản xuất nh ằm đem đến chất lư ợng họ mong muốn

Than hoạt tính là một chất gồm chủ yếu là cacbon nguyên tố ở dạng vô định hình, một phần nữa có dạng tinh thể vụn grafit Ngoài cacbon thì phần còn lại thường là tàn tro, mà chủ yếu là các kim loại kiềm và vụn cát Than hoạt tính có diện tích bề mặt ngoài rất lớn nằm trong khoảng 800 – 1500 m2/g…

Vũ Lực,K17- KHMT 8

Thành phần chủ yếu của than hoạt tính là cacbon 85 – 95% Than hoạt tính thường có thể tích lỗ xốp từ 0,2 – 0,6 cm3/g Diện tích than hoạt tính được quyết định chủ yếu bởi các lỗ xốp nhỏ hơn 2 nm

Bề mặt riêng rất lớn của than hoạt tính là hệ quả của cấu trúc xơ rỗng mà chủ yếu là do thừa hưởng từ nguyên liệu hữu cơ xuất xứ, qua quá trình chưng khô (sấy) ở nhiệt độ cao, trong điều kiện thiếu khí Phần lớn các vết rỗng - nứt vi mạch, đều có tính hấp thụ rất mạnh và chúng đóng vai trò các rãnh chuyển tải (kẽ nối) Than hoạt tính thường được tự nâng cấp (ví dụ, tự rửa tro hoặc các hóa chất tráng mặt), để lưu giữ lại được những thuộc tính lọc hút, để có thể thấm hút được các thành phần đặc biệt như kim loại nặng

Thuộc tính làm tăng ý nghĩa của than hoạt tính còn ở phương diện là chất không độc (kể cả một khi đã ăn phải), giá thành sản xuất rẻ (được tạo từ gỗ và nhiều phế chất hữu cơ khác như từ vỏ, xơ dừa, trấu, tre….) Chất thải của quá trình chế tạo than hoạt tính dễ dàng được tiêu hủy bằng phương pháp đốt Nếu như các chất đã được lọc là những kim loại nặng thì việc thu hồi lại từ tro đốt cũng rất dễ

Than hoạt tính có nhiều hình dạng và kích thước khác nhau, từ dạng bột, dạng hạt cho đến dạng thanh dài Kích thước nhỏ thì việc hấp phụ sẽ có lợi hơn so với loại lớn Tuy nhiên, than có kích thước lớn có tốc độ hấp phụ chậm hơn nhưng

sử dụng được lâu hơn, còn than có kích thước nhỏ có tốc độ hấp phụ nhanh hơn nhưng tuổi thọ của than ngắn

1.2.2 Quy tri ̀nh sản xuất than hoạt tính

Mỗi loại nguyên liệu có một quy trình cũng như kỹ thuật chế tạo riêng và tạo nên sản phẩm có những đặc trưng riêng, hơn nữa có thể áp dụng nhiều kỹ thuật chế tạo khác nhau trên cùng một loại nguyên liệu để tạo nên các sản phẩm than có các đặc trưng khác nhau Nhưng nhìn chung quy trình sản xuất than hoạt tính có thể chia các bước sau:

Vũ Lực,K17- KHMT 9

 Xử lý sơ bộ nguyên liệu: Bã thải sắn, dong lấy về được phơi khô tự nhiên

 Than hóa: Nguyên liệu sau xử lý sơ bộ (đây là quá trình loại bỏ các tạp

chất vô cơ, tiến hành cắt, nghiền nguyên liệu, sấy khô…) được tiến hành than hóa Quá trình than hóa là quá trình loại bỏ các hợp chất hữu cơ nhẹ có thể bay hơi ra khỏi nguyên liệu nhằm mục đích thu nhận cacbon Đây là quá trình đốt cháy không hoàn toàn nguyên liệu, các hợp chất hữu cơ phân hủy bởi nhiệt và tạo ra cacbon

 Hoạt hóa: Quá trình hoạt hóa có bản chất là phản ứng hóa học giữa

cacbon với các tác nhân hoạt hóa – muối, axit vô cơ, bazơ, các khí như hơi nước, oxy không khí, khí CO2… Các phân tử của tác nhân hoạt hóa phản ứng với phân tử cacbon trên bề mặt và trong mạng lưới tinh thể Kết quả của quá trình này là tạo ra

hệ thống lỗ xốp bên trong thể tích than và các trung tâm hoạt động trên bề mặt than Hoạt hóa là quá trình quan trọng nhất trong quy trình điều chế than hoạt tính, nó trực tiếp ảnh hưởng và quyết định đến chất lượng sản phẩm

 Bao gói và bảo quản: Đây là những khâu không trực tiếp ảnh hưởng đến

quá trình điều chế, cũng như chất lượng sản phẩm, nhưng có ảnh hưởng gián tiếp đến chất lượng sản phẩm

Vũ Lực,K17- KHMT 10

 Một số phương pháp nghiên cứu đặc tính vật lý của than hoạt tính

- Phương pha ́ p phổ nhiễu xạ tia X (XRD)

 Mục đích: Nghiên cứ u cấu trúc tinh thể của vâ ̣t liê ̣u

 Nguyên tắc : theo lý thuyết cấu ta ̣o tinh thể , mạng tinh thể cấu tạo từ những nguyên tử , phân tử hay ion phân bố mô ̣t cách đều đă ̣n trong không gian theo mô ̣t quy luâ ̣t xác đi ̣nh Khoảng cách giữa các nguyên tử (hay ion) trong tinh thể cỡ vài Ăngstron (A0

), tứ c là khoảng bước sóng tia X Khi chùm tia X tới đâ ̣p vào mă ̣t tinh thể và xuyên vào bên trong nó thì ma ̣ng tinh thể đóng vai trò như mô ̣t cách nhiễu xa ̣

đă ̣c biê ̣t Các nguyên tử bị kích thích bởi chùm tia X sẽ trở thành cá c tâm phát ra các tia tán xạ Các nguyên tử hoặc các ion này được phân bố trên các mặt phẳng song song Do đó , hiê ̣u quang trình của hai tia phản xa ̣ bất kỳ trên hai mă ̣t phẳng cạnh nhau có trị số là:

Δ = 2dsinө

Trong đó:

Δ - Hiệu quang trình của hai tia phản xa ̣

Ө – Góc giữa chùm tia X và mặt phẳng phản xạ

d – Khoảng cách giữa hai mặt phẳng song song

Khi các chùm tia này giao thoa với nhau sẽ thu được các cực đa ̣i n hiễu xa ̣, lúc đó bước sóng λ của tia X phải thỏa mãn :

Δ = 2dsinө = nλ Đây chính là hê ̣ thức Vulf – Bragg, phương trình cơ bản dùng để nghiên cứu cấu trúc ma ̣ng tinh thể Từ phương trình trên khi biết các giá tri ̣ góc quét λ, ө ta có thể xác đi ̣nh được thành phần d So sánh giá tri ̣ d với d chuẩn , sẽ xác định được thành phần, cấu trúc ma ̣ng tinh thể cần nghiên cứu (vì mỗi chất có các giá trị d đặc trưng riêng) Vì thế phương pháp nhiễu xạ tia X đư ợc sử dụng rộng rãi trong nghiên cứu cấu trúc tinh thể của vâ ̣t liê ̣u

Vũ Lực,K17- KHMT 11

- Kính hiển vi điện tử quét- Scanning Electron Microscopy (SEM)

 Mục đích : Phương pháp SEM cho phép xác đi ̣nh đươ ̣c bề mă ̣t , kích thước trung bình và hình dạng tinh thể của các vật liệu có cấu trúc tinh thể

 Nguyên tắc: Sử du ̣ng tia điê ̣n tử để ta ̣o ảnh mẫu nghiên cứu Ảnh đó khi đến màn ảnh quang có thể đạt độ phóng đại đạt yêu cầu Chùm tia điện tử được tạo từ katot qua hai tu ̣ quay sẽ được hô ̣i tu ̣ lên mẫu nghiên cứu Khi chùm điê ̣n tử đâ ̣p vào bề

mă ̣t của mẫu sẽ phát ra các điê ̣n tử phát xa ̣ thứ cấp Mỗi điê ̣n tử phát xạ này qua điê ̣n thế gia tốc vào phần thu và biến đổi thành mô ̣t tín hiê ̣u ánh sáng Chúng được khuếch đa ̣i, đưa vào ma ̣ng lưới điều khiển to ̣a đô ̣ sáng trên màn ảnh Độ sáng, tối trên màn ảnh phu ̣ thuô ̣c vào số điê ̣n tử thứ cấp phát ra từ mẫu nghiên cứu và phụ thuô ̣c vào hình da ̣ng bề mă ̣t mẫu nghiên cứu

Kính hiển vi điện tử quét có ưu điểm nổi bật là mẫu nghiên cứu có thể đưa trực tiếp vào thiết bi ̣ mà không cần qua bất cứ mô ̣t sự gia công nào Điều đó đảm bảo giữ nguyên trạng của mẫu Nói cách khác là mẫu không bị phá hủy Tuy nhiên, kính hiển vi điện tử quét chỉ là công cụ để nghiên cứu bề mặt của vật liệu

1.2.3 Một số nghiên cứu chế tạo than hoạt tính từ các nguồn nguyên liệu khác nhau

 Tận dụng nguồn than gỗ Đước[11]

Xử lý nguyên liệu: Nguyên liệu than gỗ Đước lấy ở Hợp tác xã than 2– 9, huyện Năm Căn, tỉnh Cà Mau (than được sản xuất bằng lò thủ công) Nguyên liệu được đập vỡ tự nhiên kích thước 5x5mm và được sàng lọc những hạt nhỏ hơn 3mm

Chế tạo vật liệu: Tác nhân hoạt hóa là hơi nước quá nhiệt được tạo ra nhờ nồi hơi gia nhiệt bằng điện Lưu lượng hơi nước được điều chỉnh bằng điện áp của nồi hơi Than Đước được hoạt hóa ở 5 cấp độ lưu lượng hơi nước: 1; 2; 3; 4; 5 ml/phút Nhiệt độ hoạt hóa ở 4 cấp độ: 700; 800; 900; 950o

C, thời gian hoạt hóa 1 – 8 giờ, lượng than 400g

Vũ Lực,K17- KHMT 12

Thực nghiệm đánh giá chất lượng than hoạt tính bằng 3 chỉ tiêu: khả năng hấp phụ của than với hơi benzen, diện tích bề mặt riêng, độ bền hạt Khảo sát bằng việc thay đổi các thông số: tốc độ hơi nước, thời gian hoạt hóa, nhiệt độ hoạt hóa

Kết quả thu được: kiểm tra độ hấp phụ theo phương pháp hấp phụ khí benzen đạt 6 mmol/g Độ bền hạt tỷ lệ nghịch vào thời gian hoạt hóa Thời gian hoạt hóa càng lâu than có độ xốp càng lớn vì vậy độ bền hạt giảm Thời gian hoạt hóa tối ưu đưa ra là 5 giờ Diện tích bề mặt riêng đạt được khoảng 1000 m2

/g

 Chế tạo than hoạt tính từ bùn thải giấy

Nguồn nguyên liệu: bùn thải là bùn sau quá trình bông kết và lắng sơ cấp – chứa đa phần là sơ xợi xenlulo từ quá trình sản xuất bột giấy và xeo giấy; bùn vi sinh hoạt tính là bùn sau quá trình xử lý vi sinh và lắng thứ cấp; chúng được lấy tại

khu xử lý nước thải của công ty giấy Bãi Bằng

Xử lý nguyên liệu: sau khi sấy khô ở 150oC bùn thải và bùn vi sinh sẽ được than hóa ở nhiệt độ 800o

C bằng phương pháp sản xuất than hoạt tính công nghiệp.Tiếp đó than được cho nóng dần tại 800 – 9500C trong đó có cho vào hơi nước, CO2,… Sau đó tiếp tục biến tính than bằng HCl

Phương pháp xác định cấu trúc vật liệu: phương pháp phân tích nhiễu xạ Ronghen XRD; phương pháp kính hiển vi điện tử SEM

Kết quả thu được: 1kg bùn thải từ quá trình bông kết và lắng sơ cấp của hệ thống xử lý nước thải nhà máy giấy Bãi Bằng sau quá trình hoạt hóa khối lượng than hoạt tính thu được là 84g; 1kg bùn vi sinh sau khi hoạt hóa khối lượng than hoạt tính thu được là 125g

 Sử dụng vỏ quả sầu riêng để điều chế than hoạt tính

Chế tạo vật liệu: Vỏ sầu riêng được thu gom, rồi rửa để loại bỏ đất cát Nguyên liệu được cắt nhỏ tới kích thước 1 – 2 cm, rồi sấy khô ở nhiệt độ 60oC trong

8 giờ Sau khi sấy khô lại được nghiền nhỏ tới kích thước 351 – 589µm, rồi tiến hành ngâm trong dung dịch HCl 3% trong 4 giờ Sau ngâm, đem lọc thu lấy vật liệu rồi rửa đến pH trung tính Cuối cùng vật liệu được sấy khô ở 80oC trong 24 giờ

Vũ Lực,K17- KHMT 13

Kết quả thu được: hiệu suất hấp phụ tối ưu ở môi trường axit và hiệu quả hấp phụ cao nhất ở pH = 2 Tại các điều kiện tối ưu (pH = 2, nhiệt độ 30oC) thì dung lượng hấp phụ màu đơn lớp tối đa là 63,29 mg/g

 Tận dụng nguồn phế liệu gáo dừa để điều chế than hoạt tính dạng ép

viên

Chế tạo vật liệu: thu gom các phế thải gáo dừa dạng mảnh và loại tạp chất

cơ học Nguyên liệu được đập nhỏ, nghiền thành bột bằng máy nghiền bi Bột được sàng qua sàng 0,08 mm Hỗn hợp bột mịn với phụ gia kết dính và nước được trộn theo tỷ lệ: bột gáo dừa/chất kết dính/nước = 6/3/1 theo khối lượng Hỗn hợp được trộn đều bằng máy trộn khoảng 30 phút Sau đó ép tạo hạt hình trụ có đường kính

∅ = 4mm bằng máy ép thủy lực, áp suất ép 60 –70 kg/cm2 Hạt ép được than hóa trong lò quay ở nhiệt độ 450oC trong 1 giờ với tốc độ lò quay là 10 vòng/phút Sản phẩm than hóa được hoạt hóa trong lò quay, tác nhân hoạt hóa là hơi nước quá nhiệt, tốc độ quay của lò 4 vòng/phút Kết quả đạt được cho ở Bảng 2 dưới đây:

Bảng 2 Kết quả khảo sát khả năng xƣ̉ lý màu dung dịch xanh metylen của

than hoạt tính chế tạo

Kết quả đạt được: hiệu suất chế tạo than là 62,3%; cân bằng hấp phụ đạt được sau 75 phút; hiệu quả hấp phụ giảm khi pH tăng, đạt được cao nhất tại pH = 2; dung lượng hấp phụ xanh metylen đơn lớp tối đa là 16,0 mg/g cường độ màu giảm được 98,4%

 Nghiên cứu điều chế và ứng dụng than hoạt tính từ tre để hấp phụ dung

môi hữu cơ

Phương pháp than hóa: Tre được sử dụng có độ tuổi từ 4 – 8 năm, được lấy

từ Hòa Bình, tre được cắt nhỏ thành mảnh có kích thước 3 – 4 cm để chuẩn bị cho quá trình than hóa Quá trình than hóa được thực hiện ở dải nhiệt độ từ 300 – 450oC trong lò nung yếm khí Thời gian than hóa đối với mỗi nhiệt độ tương ứng được thực hiện ở dải nhiệt độ từ 20 – 40 phút để có thể xác định được nhiệt độ và thời gian than hóa thích hợp

Phương pháp hoạt hóa: Sản phẩm sau khi than hóa được đập nhỏ với kích thước 5 – 10 mm và tiến hành hoạt hóa trong lò quay nằm ngang SRJK – 5 – 9S của Trung Quốc Tốc độ quay 4 vòng/phút, tác nhân hoạt hóa được hoạt hóa lựa chọn là hơi nước

Kết quả: Than điều chế có diện tích bề mặt riêng theo BET là 575,96 m2/g tương đương với than hoạt tính antraxit Kết quả dung lượng hấp phụ benzen của các mẫu than điều chế của mẫu than sau than hóa kích thước 5 mm cho vào lò quay sau 20 phút là 3,45 mmol/g

Giai đoạn than hóa: nguồn than được đốt trong buồng nhiệt độ từ 400-5000C với điều kiện khống chế lượng khí nhằm phá vỡ các mạch các-bon, đốt cháy các tạp chất

Giai đoạn hoạt hóa: các hoạt chất hoạt hóa được bổ sung Kết quả thu được: mẫu đem phân tích thử nghiệm tại trường Đại học Bách khoa Hà Nội theo phương pháp Langmuir để xác định độ hấp phụ cho thấy diện tích bề mặt đạt từ 150-350 m2/g Kết quả đo chỉ số i-ốt tại Viện Hóa học, Viện Khoa học Công nghệ Việt Nam cũng cho kết quả tương đương

Với kết quả này, than antraxit qua lửa hoàn toàn có thể dùng để chế tạo ra than hoạt tính

 Chế tạo than hoạt tính từ tính dạng sợi có cấu trúc lỗ xốp từ tính bằng

phương pháp kết hợp hoạt hóa với từ hóa

Vật liệu hấp phụ thường được sử dụng nhất trong xử lý nước hiện nay là than hoạt tính Trong những nghiên cứu trước đây, than hoạt tính dạng sợi từ xơ đay và

xơ dừa đã được thử nghiệm khả năng hấp phụ đối với một số chất ô nhiễm hữu cơ trong nước như phenol, phẩm màu, p- nitrophenol và kim loại nặng như Pb2+

, Hg2+ Kết quả thử nghiệm cho thấy than hoạt tính dạng sợi từ nguyên liệu xơ đay, xơ dừa

có dung lượng và tốc độ hấp thụ đối với chất hữu cơ, cũng như kim loại nặng cao hơn so với than hoạt tính dạng hạt thương phẩm, do than hoạt tính dạng sợi có cấu trúc lỗ xốp, đặc biệt các lỗ xốp macro sắp xếp đẳng hướng dọc theo trục sợi và các

lỗ xốp meso, micro mở ra trên thành lỗ macro, tạo thành một hệ thống mạng lưới Tuy nhiên, cũng như than hoạt tính dạng hạt, than hoạt tính dạng sợi cũng có nhược

Kết quả cho thấy, than hoạt tính từ tính dạng sợi được chế tạo bằng phương pháp mới có khả năng hấp phụ metyl da cam và phenol trong dung dịch nước cao hơn so với than hoạt tính gáo dừa thương phẩm Từ tính cao của than hoạt tính dạng sợi còn cho phép tách than khỏi dung dịch một cách triệt để và dễ dàng khỏi dung dịch bằng hệ lọc từ, mở ra triển vọng cải tiến công nghệ xử lý nước bằng vật liệu hấp thụ có từ tính và hệ lọc từ

Dứa bà (còn gọi là thùa, dứa Mỹ), tên khoa học Agave americana L., là một

loài cây ban đầu được trồng làm cảnh, sau đó phát triển lan rộng và mọc hoang khắp nơi Dứa bà có lá màu xanh lục, hình kiếm dài, mọng nước; đầu lá có gai to, nhọn, cứng

1.3 Ứng dụng của than hoạt tính trong thực tế

1.3.1 Ứng dụng trong xử lý môi trường nước

Than hoạt tính ứng dụng ở hai lĩnh vực chính: xử lý chất lỏng (79%) và chất khí (21%) Đặc biệt được ứng dụng nhiều nhất là trong xử lý nước

Than hoạt tính lọc nước qua hai quá trình song song: quá trình lọc cơ học - giữ lại các hạt cặn bằng những lỗ nhỏ và quá trình hấp phụ các t ạp chất hòa tan

Vũ Lực,K17- KHMT 17

trong nước bằng cơ chế hấp phụ bề mặt và trao đổi ion Từ nguồn nước muốn lọc, cho nước đi qua vòi sen để tạo mưa (hạt nhỏ - tránh làm xói mòn lớp cát trên cùng) Qua lớp cát trên cùng, nước đã được lọc sơ các loại bụi bẩn, sinh vật, phèn Sau đó nước sẽ thấm qua lớp than hoạt tính Lớp than hoạt tính này có tác dụng hấp phụ các chất độc hại, các loại vi sinh vật nguy hiểm và trung hòa các khoáng chất khó hoàn tan trong nước Qua lớp than hoạt tính, nước tiếp tục thấm qua hệ thống lọc đa lớp, vật liệu gồm cát, sỏi rồi đi ra bể chứa nước sạch

Những ứng dụng quan trọng của than hoạt tính có liên quan đến những ứng dụng khử màu, mùi và những tạp chất phi hữu cơ khác từ vòi nước, trong công trình nước nội ô, công nghiệp nước thải, thu hồi dung môi, lọc khí ở những nơi đông người, công nghiệp chế biến thực phẩm, hóa chất để khử màu đường ăn, trong kiểm soát khí ô nhiễm, lọc trong công nghiệp hóa chất…

 Than hoạt tính dùng trong nước giải khát

Rượu và rượu mạnh lọc qua than hoạt tính dạng hạt để thu hồi nguyên tố có trong mẫu và dầu Đối với rượu Brandy được lọc qua than hoạt tính thu hồi hương

vị không mong muốn, được loại ra trong suốt quá trình sản xuất và bảo quản Than hoạt tính làm giảm lượng Aldehyde trong quá trình chưng cất thô và làm tăng sự kết

tụ Trong sản xuất bia, than hoạt tính làm tăng chất lượng ủ bia, cải tiến màu và tách hương vị làm tăng phenol và màu

 Than hoạt tính dùng trong các quy trình xử lý nước cấp và nước thải

Trong các quy trình xử lý nước và nước thải than hoạt tính thường dùng để hấp phụ các chất màu, màu nhuộm, các phân tử hợp chất hữu cơ không phân ly, kim loại nặng… chủ yếu để xử lý tinh (khi nồng độ chất ô nhiễm đã giảm thấp nhờ một quá trình trước đó mà chi phí để xử lý đạt quy chuẩn quá cao mà hiệu quả không cao)

Trong xử lý nước thải: than hoạt tính dạng hạt dùng để khử chất hữu cơ hoà tan còn lại sau quá trình xử lý sinh học và các chất vô cơ khác Đặc biệt là giúp thu hồi các chất quý hiếm

Vũ Lực,K17- KHMT 18

Trong xử lý nước cấp: thường dùng trong bể lọc, than hoạt tính dùng để khử sắt, mangan, khử độ cứng, các hợp chất gây mùi, thuốc trừ sâu, diệt cỏ…

1.3.2 Ứng dụng trong xử lý môi trường khí

Lọc khí: Có hai hệ lọc khí đặc trƣng

 Lọc khí ở những nơi tập trung đông người: văn phòng, bệnh viện, phòng thí nghiệm, nhà hàng, nhà máy chế biến thực phẩm… những nơi cần khí tự do sạch

 Dùng hạn chế khí ô nhiễm môi trường từ khí thải của các hoạt động công nghiệp: sản xuất thuốc súng, nhựa, chất dẻo tổng hợp, thuộc da, các quy trình công nghiệp như công nghiệp sơn, vec ni…

Lọc khí được thực hiện ở những nơi có nồng độ chất ô nhiễm dưới 10 ppm, thông thường từ 2-3 ppm và trong trường hợp này dùng hệ thống tấm lọc than hoạt tính Ở những nơi có độ ô nhiễm thấp, những hệ thống lọc này có thể làm việc trong thời gian dài Quá trình tái sinh lượng than hoạt tính sử dụng được thải hồi rất đắt Trong quá trình kiểm soát khí bị ô nhiễm yêu cầu trang bị những hệ thống tương ứng với mật độ ô nhiễm lớn Lượng than hoạt tính tiêu dùng cần được tái sinh bằng hơi nước, không khí và xử lý khí độc hại Những ứng dụng này đòi hỏi than hoạt tính có những cấu trúc xốp khác nhau Than hoạt tính dùng cho quá trình lọc khí ở những nơi công cộng cần có cấu trúc xốp vi mô cao mới có hiệu quả lớn đối với việc hấp phụ ở độ đậm đặc thấp Trong trường hợp than hoạt tính dùng để kiểm soát việc ô nhiễm môi trường, lỗ phải có khả năng hấp phụ lớn hơn trong nồng độ ô nhiễm 10-500 ppm Rất khó để xác định được chính xác đường kính nhưng thông thường lỗ có đường kính, có mật độ vi lỗ cao và dải trung gian được ưa dùng bởi vì hấp phụ độ ô nhiễm này

 Than hoạt tính dùng trong mặt nạ phòng độc

Có hai dạng mặt nạ phòng độc:

 Mặt nạ phòng độc dùng trong công nghiệp hóa chất có chứa các chất hóa học độc tương đối thấp và thường có trọng lượng phân tử cao – những hóa chất này được than hoạt tính hấp phụ nhanh và mạnh

Vũ Lực,K17- KHMT 19

 Mặt nạ phòng độc dùng trong quân đội: yêu cầu có sự bảo vệ triệt để các chất hóa học và hơi độc mạnh

 Than hoạt tính dùng trong nhà máy nguyên tử

Hệ thống lọc than hoạt tính được dùng trong các nhà máy nguyên tử để hạn chế sự thoát ra những hơi khí phóng xạ và một số chất khí như: krupton, xenon thải

ra môi trường Mối quan tâm chính trong các phản ứng hạt nhân là methyl iodide và khí trong điều kiện phản ứng không thành Mặt khác, than hoạt tính được dùng để khử helium được dùng như hơi khí bảo vệ trong phản ứng lạnh và điều tiết bằng nước

 Thu hồi gasoline, propane và butane từ khí tự nhiên

Khí tự nhiên có chứa khoảng 3% propane và 4-5% hydrocacbon được thu hồi bằng hấp phụ của than hoạt tính Khoảng 35% propane và 70% butane và 98-99% pentane và hydrocacbon được thu hồi bằng than hoạt tính

 Than hoạt tính trong mỹ phẩm (thẩm mỹ):

Than hoạt tính thường dùng để điều chế các loại tinh dầu tinh khiết và các loại nước hoa cao cấp bằng cách cho một luồng không khí có tinh dầu đã được làm đậm đặc đi qua lớp than hoạt tính Tinh dầu sẽ bị công dụng than hoạt tính hấp thụ

và khi đã hoàn tất quá trình, tinh dầu sẽ bám trên than hoạt tính sẽ được thu lại bằng một loại dung môi thích hợp Hiện trên thị trường đã có bán một số loại kem rửa mặt có chứa than hoạt tính nhằm hấp thụ bã nhờn rất tốt cho da

 Than hoạt tính trong phong thủy (nội thất, nhà đất)

Sản phẩm than hoạt tính này sẽ loại trừ các tia bức xạ hay còn hay còn gọi là tia đất xấu có ảnh hưởng không tốt đến sức khỏe con người, mang lại một môi

trường sống trong lành Một căn phòng với 20m2 bị nhiễm bức xạ tia đất sẽ cần khoảng 4 gói than hoạt tính, mỗi gói 3kg than

1.3.3 Sử dụng trong công nghiệp, chăn nuôi , thủy sản

 Lọc đường, dầu, mỡ

Đối với dầu và mỡ, than hoạt tính được dùng trong quá trình liên kết chất tẩy trắng để tách màu không mong muốn Sự bổ sung của than hoạt tính cho thấy chất tẩy trắng làm giảm lượng hỗn hợp hấp phụ để thu được hiệu quả mong muốn

 Trồng trọt và chăn nuôi

Như đã biết, nhiều thập kỷ trở lại đây lĩnh vực trồng trọt và chăn nuôi đã và đang vấp phải nhiều trở ngại lớn là: diện tích bị thu hẹp, chất đất ngày một thoái hóa già cỗi, sức đề kháng của cây trồng và vật nuôi ngày một giảm sút và nhiều bệnh dịch phát sinh phát triển khó kiểm soát Phân bón, thuốc trừ sâu, thuốc tăng trọng, thuốc tiêm phòng dập dịch tràn lan ra đời Nhưng dịch bệnh vẫn ẩn chứa nhiều nguy

cơ xấu, đe doạ bùng phát bất cứ lúc nào - lặp đi lặp lại Nguyên nhân chẳng phải ở đâu xa lạ, đó là do cách ứng xử phản khoa học của con người đối với giới tự nhiên

Sự can thiệp quá mức, vô tội vạ đã làm cho môi sinh – môi trường sinh thái mất cân bằng, thậm chí bị đảo lộn, bị ô nhiễm ngày một nghiêm trọng Một trong những giải pháp có hiệu quả nhằm góp phần làm hạn chế những mặt tiêu cực này là sử dụng than hoạt tính

Trồng trọt:

Than hoạt tính giúp điều chỉnh nhiệt độ đất, mùa hè mát, mùa đông ấm kể cả làm cho tuyết tan nhanh, nhiệt độ tăng cải tạo chất đất, làm cho đất tơi xốp, nhiệt độ tăng, oxy tăng Đối với lúa bộ rễ lan rộng lúa không bị đổ, góp phần hạn chế vi khuẩn, sâu bệnh phát sinh, phát triển, sản lượng cao Đối với đậu tương, lượng rễ tăng 4,6 lần, sản lượng tăng 7 lần (Nhật Bản) Đối với khoai (Yamato – Nhật), chất lượng cao hơn hẳn, hương vị thơm ngon Đối với các cây khác như chè, cà chua, hành, dưa, dâu tây, wasabi – làm mù tạp thậm chí cả cỏ nếu trộn vào đất sau khi

Vũ Lực,K17- KHMT 21

cầy bừa một lượng than hoạt tính nhất định đều có tác dụng làm cho bộ rễ phát triển bám chắc vào đất, sản lượng tăng cao, chất lượng sản phẩm cải thiện rõ rệt, đến tuyệt hảo, mùi vị thơm ngon, khô hạn không bị héo, chống và hạn chế sâu bệnh trên

lá như Nizyu, Boshitento Hồi sinh và phát triển, đặc biệt đối với các cây ăn quả và hoa nếu chộn một lượng than hoạt tính dưới đất cạnh hoặc xung quanh bộ rễ thì cây xanh tốt quanh năm, nếu cây đã vàng úa, mầu xanh sẽ xanh trở lại, khỏe cứng cáp, chống sâu bệnh, cho quả trái thơm ngon và chất lượng (ví dụ đậu tây, lượng đường tăng cao – ngọt hơn)

Chăn nuôi:

Nếu đưa than hoạt tính vào khẩu phần thức ăn của vật nuôi với tỷ lệ thích hợp có hướng dẫn cụ thì than hoạt tính sẽ giúp phòng chống bệnh tật, ngăn ngừa bệnh viêm tuyến vú, sỏi thận vặn thắt dạ dầy ở bò, giảm tỷ lệ chết ở lợn, tăng sản lượng, tăng lượng sữa và giảm các tế bào sôma trong sữa của bò, chuyển hóa thức

ăn tốt và ít thức ăn thừa do đó tăng thể trọng ở lợn, tăng mức đẻ trứng, trọng lượng trứng cao hơn ở gà, tất cả các vật nuôi đều cho thịt chất lượng thơm ngon hơn hẳn

so với vật nuôi không trộn than hoạt tính vào khẩu phần thức ăn, tẩy mùi hôi chuồng trại, cho vật nuôi ăn và uống nước hàng ngày có than hoạt tính với một tỷ lệ nhất định chúng sẽ thải có mùi hôi giảm hẳn

Thủy sản:

Như cá, tôm, cua…thì hiệu quả của than hoạt tính càng rõ rết Làm sạch môi trường nước Thời gian đảo nước kéo dài Sinh vật khỏe chống được bệnh, năng suất tăng rõ rệt Lĩnh vực này chưa được áp dụng ở Việt Nam

1.4 Động học quá trình hấp phụ

1.4.1 Khái quát về hấp phụ

Hấp phụ là một hiện tượng (quá trình) gây ra sự tăng nồng độ của một chất hoặc của một hỗn hợp chất trên bề mặt tiếp xúc giữa hai pha (rắn – khí, rắn – lỏng, lỏng – khí) Chất giữ lại chất khác trên bề mặt của nó được gọi là chất hấp phụ, ngược lại chất bị giữ lại trên bề mặt nào đó được gọi là chất bị hấp phụ

Vũ Lực,K17- KHMT 22

Có thể chia hấp phụ làm hai loại: hấp phụ vật lý và hấp phụ hóa học

Hấp phụ vật lý: là loại hấp phụ gây ra do tương tác yếu giữa các phân tử Lực tương tác là lực Van der Waals

Hấp phụ hóa học: là loại hấp phụ gây ra do tương tác mạnh giữa các phân tử

và tạo ra hợp chất bề mặt giữa bề mặt chất hấp phụ và các phần tử bị hấp phụ Hấp phụ hóa học tạo ra do áp lực hóa học Đó là các lực như lực ion, lực liên kết cộng hóa trị, phối trí…

Trong môi trường nước, quá trình hấp phụ xảy ra chủ yếu trên bề mặt của chất hấp phụ, vì vậy quá trình động học hấp phụ xảy ra theo một loạt các giai đoạn

Trong một hệ hấp phụ, quá trình hấp phụ xảy ra đến lúc nào đó nồng độ chất

bị hấp phụ ở pha liên tục và trên bề mặt chất hấp phụ sẽ có một cân bằng động được xác lập Đường biểu diễn sự phụ thuộc lượng chất bị hấp phụ trên bề mặt chất rắn vào nồng độ cân bằng của nó ở pha lỏng hoặc áp suất tương đối của nó ở pha hơi tại một nhiệt độ xác định được gọi là đường đẳng nhiệt hấp phụ (adsorption isotherm) Mối quan hệ lượng chất bị hấp phụ trên bề mặt chất rắn (ký hiệu Q đơn

vị là mg/g hoặc ml/g) và nồng độ cân bằng đối với chất lỏng (ký hiệu C, đơn vị là mg/L hoặc mmol/l) hoặc áp suất tương đối với chất khí (P/P0) được mô tả qua các

Vũ Lực,K17- KHMT 23

phương trình đẳng nhiệt hấp phụ như: Henry, Langmuir, Freundlich, Brunauer – Emette – Teller (BET) …

a Phương trình đường đẳng nhiệt Langmuir:

Đường đẳng nhiệt Langmuir được xây dựng trên cơ sở những giả thiết:

Các tiểu phân (phân tử các chất bị hấp phụ) bị hấp phụ tại những trung tâm xác định

Quá trình hấp phụ đơn lớp (mỗi trung tâm hấp phụ chỉ hấp phụ một tiểu phân)

Bề mặt chất hấp phụ là đồng nhất, nghĩa là năng lượng hấp phụ trên các tiểu phân là như nhau và không phụ thuộc vào sự có mặt của các tiểu phân hấp phụ trên các trung tâm bên cạnh

Phương trình đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir như sau:

q = Qo× b×C

1+b (1) trong đó:

q – dung lượng hấp phụ, mg/g

C – nồng độ chất bị hấp phụ còn lại trong dung dịch, mg/L

b – hằng số Langmuir

Để tìm các hằng số trong phương trình Langmuir người ta dùng phương pháp

đồ thị Xét tại thời điểm cân bằng:

𝐶𝑒

𝑞𝑒 =𝑄1

𝑜 × 𝐶𝑒 + 𝑏×𝑄1

𝑜 (2) trong đó:

mg/L

Vũ Lực,K17- KHMT 24

b Phương trình đường đẳng nhiệt Freundlich

Phương trình đường đẳng nhiệt Freundlich được xây dựng trên cơ sở thực nghiệm dùng trong trường hợp:

Các tiểu phân (phân tử các chất bị hấp phụ) bị hấp phụ tại những trung tâm xác định

Quá trình hấp phụ đa lớp

Bề mặt chất hấp phụ là không đồng nhất (năng lượng bề mặt không đồng nhất)

Phương trình Freundlich như sau:

𝑞 = 𝐾𝑓 × 𝐶1/𝑛 (6) trong đó:

q – dung lượng hấp phụ, mg/g

1/n – đặc trưng cho tương tác hấp phụ của hệ

C – nồng độ chất bị hấp phụ còn lại trong dung dịch, mg/L

đồng nghĩa với khả năng hấp phụ càng cao

Vũ Lực,K17- KHMT 26

CHƯƠNG 2 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

2.1 Đối tượng nghiên cứu và địa điểm nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu:

- Bã thải từ quá trình sản xuất tinh bột s ắn, dong riềng được tâ ̣n du ̣ng để chế tạo than hoạt tính

Hình 4 Bã thải sắn khô tự nhiên Hình 5 Bã dong riềng để khô tự nhiên

- 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

Đi ̣a điểm nghiên cứu

 Làng nghề xã Dương Liễu, huyê ̣n Hoài Đức, Thành Phố Hà Nội

 Nghiên cứu thực nghiệm tại phòng thí nghiệm phân tích môi trường, Khoa Môi trường, trường Đại học Khoa học Tự nhiên

 Tại phòng thí nghiệm khoa Vật lý, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên – ĐHQGHN

Vũ Lực,K17- KHMT 27

2.2 Điều kiện kinh tế - xã hội, hiện trạng môi trường khu vực nghiên cứu

2.2.1 Điều kiện kinh tế - xã hội [10]

Xã Dương Liễu nằm ở phía Tây Bắc huyện Hoài Đức, cách Thủ đô Hà Nội

20 km với dân số là 12.801 người và diện tích đất tự nhiên là 410,57 ha trong đó :

- Đất nông nghiệp : 295,25 ha

+ Đất hai lúa : 133 ha chiếm 45,4 %

+ Màu bãi : 162 ha chiếm : 54,6 %

- Đất phi nông nghiệp: 113,32 ha

Năm 2001, xã được UBND tỉnh công nhận là Làng nghề chế biến nông sản Tính đến thời điểm tháng 6/2011, toàn xã có 3.043 hộ thì có tới 2.600 hộ tham gia vào sản xuất CN - TTCN và kinh doanh tạo ra các sản phẩm mang giá trị thương phẩm cao trên thị trường Các ngành trên chủ yếu tập trung vào lĩnh vực các sản phẩm nông sản truyền thống, ngoài ra mấy năm gần đây, xuất phát từ nhu cầu thị trường còn xuất hiện một số ngành, nghề mới như: Dệt, làm bánh kẹo, sản xuất giường ghế đan, màng mỏng, thêu Năm 2003 chợ Sấu đã được đầu tư cải tạo với tổng dự toán ~ 6 tỷ đồng tạo ra hiệu quả và bước chuyển biến tích cực trong ngành Thương mại dịch vụ, thu hút thêm loại hình mới đó là hoạt động của chợ Hoa Quả với sản lượng tiêu thụ khoảng 250 tấn/ ngày, chỉ tính riêng mặt hàng thịt lợn cung cấp cho nhu cầu của Thủ đô Hà Nội và nhân dân quanh vùng hằng ngày tiêu thụ từ

6 đến 8 tấn Xã có 01 HTX nông nghiệp đã chuyển đổi theo luật HTX, hiện tại hoạt động kinh doanh dịch vụ ổn định và có hiệu quả, có 01 Quỹ tín dụng nhân dân mới được thành lập từ tháng 6/2002 hoạt động có hiệu quả với dư nợ cho đến 2/2011 ~

60 tỷ đồng

Tính đến hết tháng 6 năm 2011 toàn xã có 40 công ty TNHH, công ty cổ phần và HTX Trong đó có 35 công ty tham gia vào quá trình sản xuất và chế biến nông sản, hơn 200 hộ gia đình sản xuất với quy mô vừa

Vũ Lực,K17- KHMT 28

 Thuận lợi :

Với thế mạnh riêng có của địa phương là xã có truyền thống lâu đời trong sản xuất chế biến nông sản, lực lượng lao động dồi dào, thị trường tiêu thụ ổn định qua nhiều năm, vốn tích luỹ của nhân dân qua nhiều năm đầu tư cho sản xuất mang tính

ổn định, có chiều sâu Nghề CBNS nói riêng và CN – TTCN nói chung được sự quan tâm, chỉ đạo sát sao của Đảng uỷ, chính quyền địa phương khẳng định rõ việc phát triển nghề chế biến nông sản của Làng nghề là hướng đi đúng và phù hợp trong

cơ chế mới Địa phương hiện tại đã có quy hoạch các điểm CN – TTCN, quy hoạch

mở rộng làng nghề từ 2001 đến 2020 tạo điều kiện về mặt bằng sản xuất cho các hộ gia đình và doanh nghiệp

 Khó khăn

a Về cơ sở hạ tầng:

Đã nhiều năm Dương Liễu duy trì phát triển các ngành nghề, mật độ giao thông vào những tháng niên vụ sản xuất rất lớn có ngày lưu lượng xe ô tô vận tải vào và ra Làng nghề lên tới ~ 400 chiếc Nhưng hệ thống giao thông đầu tư không được đồng bộ, đường vào ra khó khăn vì thế ảnh hưởng rất lớn đến việc phát triển

và giao lưu hàng hoá Hệ thống tiêu thoát nước và hệ thống giao thông nội bộ mặc

dù địa phương đã cố gắng đầu tư, cải tạo, sửa chữa nhưng do tốc độ phát triển sản xuất nhanh đặc biệt trong những năm gần đây nên không đáp ứng được với yêu cầu sản xuất, hệ thống đường giao thông, rãnh tiêu thoát nước xuống cấp nhanh nguyên nhân chính là do đầu tư cải tạo thiếu đồng bộ, chấp vá, địa phương không đủ kinh phí đầu tư, cải tạo Hệ thống điện được đầu tư cải tạo liên tục nhưng khi vào niên vụ sản xuất do các máy động cơ điện hoạt động hết công suất nên vào những tháng

niên vụ sản xuất thường xảy ra tình trạng quá tải ( Hiện tại toàn xã có 17 trạm biến

áp với công suất 8.750 KVA với sản lượng điện tiêu thụ năm 2010 ~ 11 triệu KW )

Quy hoạch giao thông cho những năm tới cùng với chủ trương nhà nước và nhân dân cùng làm và đầu tư có trọng điểm các công trình giao thông, tiêu thoát nước là giải pháp chính trong tình hình hiện nay

Vũ Lực,K17- KHMT 29

b Về môi trường:

Do đặc thù của sản xuất và chế biến nông sản là lượng nước thải, bã thải từ sản xuất CN – TTCN thải ra quá nhiều vào những tháng niên vụ sản xuất hệ thống tiêu thoát không đáp ứng kịp gây tình trạng ứ đọng, mặt khác lượng rác thải trong sinh hoạt, chăn nuôi của cộng đồng dân cư ngày càng lớn, khâu xử lý và địa điểm

xử lý rác thải địa phương đang gặp phải những khó khăn do điều kiện khách quan dẫn đến tình trạng ô nhiễm môi trường chung trong địa phương Tuy Luật môi trường và Nghị định hướng dẫn về xử lý ô nhiễm môi trường đã có hiệu lực nhưng

để xử lý được hành vi gây ô nhiễm môi trường cần có đánh giá của rất nhiều cơ quan chức năng như Y tế, tài nguyên dẫn đến khó khăn trong vấn đề xử lý hành vi gây ô nhiễm môi trường

c Về thị trường tiêu thụ sản phẩm, vốn và nguyên liệu sản xuất:

Sản phẩm nông sản của Dương Liễu hiện tại chủ yếu tiêu thụ nội địa, cạnh tranh với một số sản phẩm nông sản của một số địa phương khác nên gặp khó khăn, khó nâng cao được chất lượng và đẩy nhanh tốc tộ tiêu thụ sản phẩm Yêu cầu đặt

ra là phải xuất khẩu được một số mặt hàng nông sản mang tính chiến lược có chất lượng cao ra thị trường nước ngoài nhưng khó khăn lớn nhất là vẫn là việc tìm giải pháp đầu tư, đổi mới công nghệ nâng cao chất lượng sản phẩm và tìm kiếm các đối tác kinh tế trong và ngoài nước để liên doanh, liên kết sản xuất và tiêu thụ sản phẩm Bên cạnh đó cần tổ chức các hộ sản xuất, các doanh nghiệp đăng ký thương hiệu, bảo hộ quyền sở hữu đối với sản phẩm của mình Thực hiện nghiêm vấn đề

Vũ Lực,K17- KHMT 30

nguyên liệu, không đủ nguyên liệu sản xuất hoặc phải ngừng sản xuất do giá nguyên liệu đầu vào quá cao Đây cũng là đặc thù của sản xuất nông sản

 Về phát triển kinh tế

Trong những năm gần đây, tỷ trọng cơ cấu kinh tế của xã Dương Liễu tăng trung bình từ 8 đến 14 %/ năm theo hướng tăng trưởng các ngành CN – TTCN và thương mại dịch vụ Riêng ngành chăn nuôi chiếm tỷ trọng cao trong cơ cấu kinh tế nông nghiệp ở mức từ 65 đến 75 %

BIỂU TỶ TRỌNG CƠ CẤU KINH TẾ TỪ 2004 ĐẾN 2010

Năm

Tổng thu nhập

( Tỷ đồng )

Nông nghiệp

( % )

Công nghiệp - TTCN

(% )

Thương mại - Dịch vụ

(Nguồn UBND xã Dương Liễu)

Có được những kết quả trên trong việc duy trì và phát triển các ngành nghề

CN – TTCN mà đặc trưng là nghề chế biến nông sản là nhờ có sự quan tâm chỉ đạo sâu sát của Đảng , Chính quyền địa phương Bằng những chính sách khuyến khích

cụ thể như : Tạo điều kiện về mặt bằng sản xuất, vốn vay, quảng bá sản phẩm của Làng nghề thông qua các Hội chợ triển lãm, thành lập Hội các nhà sản xuất chế biến nông sản thông qua đó các hộ gia đình, các doanh nghiệp có thể trao đổi thông tin, học tập, kinh nghiệm và giúp đỡ nhau trong sản xuất và tiêu thụ sản phẩm, đầu tư