khảo sát khả năng hấp phụ ion kim loại fe3+ trong dung dịch và khả năng diệt khuẩn của tro trấu biến tính

Theo một số tài liệu và khảo sát sơ bộ của một số nhà khao học trong và ngoài nước cho thấy trong vỏ trấu có chứa một lượng lớn SiO2 với cấu trúc xốp và diện tích bề mặt riêng lớn nên có

KHOA CÔNG NGHỆ

- -

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

KHẢO SÁT KHẢ NĂNG HẤP PHỤ ION

VÀ KHẢ NĂNG DIỆT KHUẨN CỦA TRO TRẤU BIẾN TÍNH

Ngành: Kỹ thuật hóa học - Khóa 37

Tháng 05/2015

BỘ MÔN CÔNG NGHỆ HÓA HỌC

Cần Thơ, ngày 09 tháng 05 năm 2015

3 Sinh viên thực hiện

Họ và tên: Phạm Quang Tường

MSSV: 2112218

Ngành: Kỹ thuật Hóa Học

Khóa: 37

4 Địa điểm, thời gian thực hiện

- Phòng thí nghiệm Hóa Học Hữu Cơ, Khoa Công Nghệ, Trường Đại học Cần Thơ

- Phòng thí nghiệm Hóa Học Vô Cơ, Khoa Công Nghệ, Trường Đại học Cần Thơ

- Phòng thí nghiệm Công nghệ sinh gen thực vật, Viện Nghiên Cứu & Phát Triển Công Nghệ Sinh Học, Trường Đại học Cần Thơ

- Thời gian thực hiện LVTN: từ ngày 11/01/2015 đến ngày 03/05/2015

5 Mục đích đề tài

- Khảo sát khả năng hấp phụ ion kim loại nặng Fe3+ trong dung dịch

- KHảo sát khả năg diệt khuẩn của tro trấu biến tính

6 Các yêu cầu hỗ trợ cho việc thực hiện đề tài

Các hóa chất, dụng cụ, thiết bị cần thiết để thực hiện đề tài

7 Kinh phí dự trù cho việc thực hiện đề tài:

Cán bộ hướng dẫn: Sinh viên thực hiện:

Ths Lê Đức Duy Phạm Quang Tường

DUYỆT CỦA BỘ MÔN DUYỆT CỦA HỘI ĐỒNG LV&TLTN

BỘ MÔN CÔNG NGHỆ HÓA HỌC

Cần Thơ, ngày 09 tháng 05 năm 2015 - -

NHẬN XÉT VÀ ĐÁNH GIÁ CỦA CÁN BỘ HƯỚNG DẪN 1 Tên đề tài “Khảo sát khả năng hấp phụ ion kim loại Fe3+ trong dung dịch và khả năng diệt khuẩn của tro trấu biến tính” 2 Cán bộ hướng dẫn Ths Lê Đức Duy, Trưởng phòng TN vật liệu Polymer và Composite, Bộ môn Công nghệ hóa học, Khoa Công Nghệ, Trường Đại học Cần Thơ 3 Sinh viên thực hiện Họ và tên: Phạm Quang tường MSSV: 2112218 Ngành: Kỹ thuật Hóa Học Khóa: 37 4 Nội dung nhận xét 4.1 Nhận xét về hình thức LV

4.2 Nhận xét về nội dung LVTN  Đánh giá nội dung thực hiện của đề tài

4.3 Nhận xét đối với từng sinh viên tham gia thực hiện đề tài đề tài (ghi rõ từng nội dung chính do sinh viên nào chịu trách nhiệm thực hiện nếu có)

4.4 Kết luận, đề nghị và điểm

Cần Thơ, ngày 09 tháng 05 năm 2015

Cán bộ hướng dẫn

Ths Lê Đức Duy

BỘ MÔN CÔNG NGHỆ HÓA HỌC

Cần Thơ, ngày 09 tháng 05 năm 2015 - -

NHẬN XÉT VÀ ĐÁNH GIÁ CỦA CÁN BỘ PHẢN BIỆN 1 Cán bộ phản biện

2 Tên đề tài “Khảo sát khả năng hấp phụ ion kim loại Fe3+ trong dung dịch và khả năng diệt khuẩn của tro trấu biến tính” 3 Cán bộ hướng dẫn Ths Lê Đức Duy, Trưởng phòng TN vật liệu Polymer và Composite, Bộ môn Công nghệ hóa học, Khoa Công Nghệ, Trường Đại học Cần Thơ 4 Sinh viên thực hiện Họ và tên: Phạm Quang Tường MSSV: 2112218 Ngành: Kỹ thuật Hóa Học Khóa: 37 5 Nội dung nhận xét 5.1 Nhận xét về hình thức LVTN

5.2 Nhận xét về nội dung LVTN

 Đánh giá nội dung thực hiện của đề tài

 Những vấn đề còn hạn chế

5.3 Nhận xét đối với từng sinh viên tham gia thực hiện đề tài đề tài (ghi rõ từng nội dung chính do sinh viên nào chịu trách nhiệm thực hiện nếu có)

5.4 Kết luận, đề nghị và điểm

Cần Thơ, ngày 09 tháng 05 năm 2015

Cán bộ phản biện

Đoàn Văn Hồng Thiện Lương Huỳnh Vũ Thanh

MỤC LỤC

MỤC LỤC .1

TÓM TẮT ĐỀ TÀI v

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT vii

DANH MỤC HÌNH viii

DANH MỤC BẢNG xi

LỜI NÓI ĐẦU xii

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ VỎ TRẤU VÀ TRO TRẤU 1

1.1 Tổng quan về nông nghiệp nước ta hiện nay 1

1.2 Phế phẩm nông nghiệp 1

1.3 Vỏ trấu 2

1.3.1 Nguồn gốc vỏ trấu 2

1.3.2 Thành phần hóa học trong vỏ trấu 4

1.3.3 Ứng dụng của vỏ trấu 4

1.3.3.1 Sử dụng vỏ trấu làm chất đốt 5

1.3.3.2 Dùng vỏ trấu để lọc nước 6

1.3.3.3 Sử dụng vỏ trấu tạo thành củi trấu 7

1.3.3.4 Vỏ trấu làm sản phẩm mỹ nghệ 7

1.3.3.5 Ứng dụng vỏ trấu để sản xuất gas sinh học 8

1.3.4 Các ứng dụng khác của vỏ trấu 9

1.4 Tro trấu 9

1.4.1 Sơ lượt và thành phần hóa học của tro trấu 9

1.4.2 Đặc điểm cấu tạo và tính chất của silic đioxit 12

1.4.2.1 Đặc điểm cấu tạo 12

1.4.2.2 Tính chất 13

1.4.3 Phương pháp chế tạo RHA từ vỏ trấu 13

1.4.3.1 Các quá trình đốt vỏ trấu 13

1.4.3.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng RHA trong quá trình đốt 14

1.4.4 Ứng dụng của tro trấu 15

1.4.4.1 Sử dụng tro trấu làm phụ gia trong sản xuất xi măng 16

1.4.4.2 Sản xuất vật liệu zeolite 4A từ tro trấu 17

1.4.4.3 Công nghệ sản xuất lốp xe từ RHA 18

1.4.4.4 Chế tạo thủy tinh lỏng từ tro trấu 19

1.4.4.5 Một số ứng dụng khác của RHA 20

Chương 2 KIM LOẠI NẶNG 21

2.1 Kim loại nặng 21

2.1.1 Sơ lượt về kim loại nặng 21

2.1.2 Tính chất của kim loại nặng 22

2.1.3 Ảnh hưởng của kim loại nặng đến con người 22

2.1.4 Một số KLN phổ biến và tác hại của chúng 23

2.1.4.1 Chì (Pb) 23

2.1.4.2 Thuỷ ngân (Hg) 24

2.1.4.3 Cađimi (Cd) 25

2.1.4.4 Asen (As) 26

2.2 Sơ lượt về sắt và một số phương pháp xử lý nước nhiễm sắt 28

2.2.1 Sơ lượt về sắt (Fe) 28

2.2.2 Các trạng thái tồn tại của sắt trong nước 29

2.2.3 Các hợp chất vô cơ và một số phương pháp xử lý ion sắt trong nước 30

2.2.3.1 Các hợp chất vô cơ của ion sắt trong nước 30

2.2.3.2 Các phương pháp xử lý ion sắt trong nước 30

2.3 Hiện trạng ô nhiễm KLN trong nguồn nước ở nước ta 31

2.3.1 Hiện trạng ô nhiễm KLN 31

2.3.2 Ảnh hưởng của ô nhiễm KLN trong môi trường nước ở nước ta 32

Chương 3 GIỚI THIỆU VỀ HIỆN TƯỢNG HẤP PHỤ 34

3.1 Hấp Phụ 34

3.1.1 Các khái niệm cơ bản 34

3.2 Phân loại hấp phụ 35

3.2.1 Hấp phụ vật lý 35

3.2.2 Hấp phụ hóa học 35

3.3 Cân bằng hấp phụ 35

3.4 Các phương trình đẳng nhiệt hấp phụ 36

3.4.1 Phương trình Freundlich 36

3.4.2 Phương trình hấp phụ đẳng nhiệt Henry 37

3.4.3 Phương trình Langmuir 37

3.5 Các công thức tính toán trong hấp phụ 38

3.5.1 Dung lượng hấp phụ cân bằng 38

3.5.2 Hiệu suất hấp phụ 39

3.6 Động học hấp phụ 39

3.7 Quá trình hấp phụ trong dung dịch 39

3.7.1 Hấp phụ ion 39

3.7.2 Hấp phụ trao đổi 40

3.7.3 Những yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hấp phụ trong dung dịch 41

3.8 Cơ sở lý thuyết hập phụ của RHA 42

Chương 4 MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH VẬT LIỆU RHA 44

4.1 Phương pháp phổ hấp phụ phân tử UV – VIS 44

4.2 Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD) 46

4.2.1 Tia X 46

4.2.2 Cơ sở phương pháp nhiễu xạ tia X 46

4.2.3 Cấu tạo 46

4.3 Phương pháp phổ hồng ngoại IR 48

4.3.1 Sơ lược về IR 48

4.3.2 Điều kiện hấp thụ bức xạ hồng ngoại 50

4.3.3 Ứng dụng 50

Chương 5 THỰC NGHIỆM 51

5.1 Mục tiêu, đối tượng, phạm vi, phương pháp nghiên cứu 51

5.2 Mục tiêu, đối tượng nghiên cứu 51

5.3 Phạm vi nghiên cứu 51

5.4 Phương pháp nghiên cứu 51

5.5 Hóa chất, dụng cụ, thiết bị và nguyên liệu 51

5.5.1 Hóa chất 51

5.5.2 Dụng cụ, thiết bị 52

5.5.3 Nguyên liệu 52

5.5.4 Địa điểm và thời gian thực hiện 53

5.6 Chế tạo RHA từ vỏ trấu 53

5.6.1 Quy trình chế tạo RHA từ vỏ trấu 53

5.6.2 Mô tả quy trình chế tạo RHA từ vỏ trấu 54

5.7 Tiến hành oxy hóa sản phẩm RHA 55

5.7.1 Thiết lập đường chuẩn 56

5.8 Khảo sát hấp phụ ion Fe 3+ trong dung dịch bằng RHA 57

5.8.1 Chuẩn bị hóa chất và dung dịch 57

5.8.2 Xác định nồng độ ion Fe 3+ 57

5.8.3 Phương pháp nghiên cứu quá trình hấp phụ của RHA 58

5.8.4 Các vấn đề khảo sát 58

5.8.5 Tiến hành khảo sát hấp phụ 59

5.8.5.1 Khảo sát khả năng hấp phụ của các mẫu RHA 60

5.8.5.2 Khảo sát ảnh hưởng của pH đến quá trình hấp phụ ion Fe 3+ 61

5.8.5.3 Khảo sát ảnh hưởng của thời gian hấp phụ đến quá trình hấp phụ ion Fe 3+ 61

5.8.5.4 Khảo sát ảnh hưởng của lượng RHA đến quá trình hấp phụ ion Fe 3+ 62

5.8.5.5 Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ ion Fe 3+ ban đầu đến quá trình hấp phụ 63

5.9 Khảo sát khả năng diệt khuẩn của tro trấu biến tính 63

5.9.1 Mục đích khảo sát 63

5.9.2 Các vấn đề cần khảo sát 63

5.9.3 Khảo sát khả năng hấp phụ Ag 64

5.9.3.1 Hấp phụ Ag bằng mẫu GA1 và GA2 64

5.9.3.2 Hấp phụ Ag mẫu GB1 và GB2 66

5.9.4 Khảo sát khả năng diệt khuẩn của RHA-Ag 66

5.10 Phân tích các chỉ tiêu hóa lý 68

5.10.1 Đo phổ hấp thụ phân tử phức Fe 3+ bằng máy UV-VIS 68

5.10.2 Đo phổ hồng ngoại IR 68

5.10.3 Đo nhiễu xạ tia X (XRD) 69

Chương 6 KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 70

6.1 Chế tạo RHA 70

6.2 Thiết lập đường chuẩn 71

6.3 Khảo sát khả năng hấp phụ ion Fe 3+ của các mẫu RHA 72

6.3.1 Mẫu RHA ở 650 o C 72

6.3.2 Mẫu RHA ở 700 o C 72

6.3.3 Mẫu RHA ở 750 o C 73

6.4 Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hấp phụ ion Fe 3+ 74

6.4.1 Ảnh hưởng của pH 74

6.4.2 Ảnh hưởng của thời gian hấp phụ 75

6.4.3 Ảnh hưởng của lượng chất hấp phụ 76

6.4.4 Ảnh hưởng của nồng độ ion Fe 3+ ban đầu 77

6.5 Khả năng diệt khuẩn tro trấu biến tính RHA-Ag 79

6.5.1 Khă năng hấp phụ Ag của các mẫu RHA 79

6.5.2 Khả năng diệt khuẩn của tro trấu biến tính RHA-Ag 80

6.6 Kết quả phân tích phổ IR 81

6.7 Kết quả phân tích phổ XRD 86

Chương 7 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 90

7.1 Kết luận 90

7.2 Kiến nghị 91

TÀI LIỆU THAM KHẢO 93

TÓM TẮT ĐỀ TÀI

Tận dụng nguồn phế phẩm nông nghiệp vỏ trấu dồi dào, rẻ tiền và có nguồn gốc

từ thiên nhiên Trong đề đề tài này, nghiên cứu một số điều kiện chế tạo RHA từ nguồn nguyên liệu vỏ trấu, sau đó tiến hành khảo sát khả năng hấp phụ ion kim loại Fe3+ và diệt khuẩn của tro trấu biến tính, cũng như các điều kiện ảnh hưởng đến quá trình hấp phụ Kết quả từ vật liệu RHA chế tạo được đã hấp phụ được ion Fe3+ trong dung dịch

và tro trấu biến tính RHA-Ag diệt được vi khuẩn E coli

Vỏ trấu khô được thu gom từ nhà máy xay xát gạo, sau đó tiến hành chế tạo vật liệu RHA và khảo sát hấp phụ ion kim loại Fe3+, như sau: 100 g vỏ trấu được làm sạch

sơ bộ dưới nước vòi, sau đó được khuấy mạnh với 2,5 L nước cất trong khoảng thời gian

3 giờ Lấy phần vỏ trấu tiếp tục đem khuấy với 2,5 L HCl 0,1N trong khoảng thời gian

1 giờ Sau khi khuấy xong, vỏ trấu được rửa bằng nước cất cho đến khi sạch hết axit và cho vào tủ sấy ở 60 oC trong vòng 5 giờ Cân 100 g vỏ trấu và tiến hành các bước làm sạch sơ bộ ban đầu tương tự như trên, nhưng khi khuấy vỏ trẩu chỉ dùng nước cất Từ 2 mẫu vỏ trấu ban đầu, ta đem đốt cháy hoàn toàn trong không khí thu được vỏ trấu đen Cân 12 g vỏ trấu đen của 2 mẫu cho hai vào bát nung khác nhau và thực hiện quá trình nung gián đoạn ở nhiệt độ 650 oC trong thời gian 3 giờ với tốc độ nâng nhiệt trung bình

là 5 oC trên một phút và tiếp tục cân 12 g vỏ trấu đen của 2 mẫu, đem nung ở 700 oC trong 3 giờ, 12 g nung ở 750 oC trong 3 giờ Tiếp theo, lấy RHA chế tạo được thực phản ứng oxy hóa (quá trình này lập lại ở tất cả các mẫu chế tạo được) Cân 3,0 g RHA cho vào cốc thủy tinh 500 mL được đặt sẵn trên bếp khuấy từ Cho tiếp 80 mL dung dịch

H2SO4 (0 oC, 1M) và 3,0 g KMnO4 vào cốc thủy tinh Khuấy dung dịch trong 2 giờ trong khoảng nhiệt độ từ 35 – 40 oC, tốc độ khuấy 400 vòng/phút Để nguội dung dịch đến nhiệt độ phòng, cho tiếp vào erlen: 200 mL H2O cất ở 0 oC Sau đó nhỏ từng giọt H2O2

(20 mL, 0 oC, 30%) vào cốc thủy tinh Sau khi phản ứng xảy ra hoàn toàn, tiến hành lọc

và rửa nhiều lần với nước cất Sản phẩm thu được cho vào tủ sấy ở nhiệt độ 60 oC trong

5 giờ, sau đó đem cân sản phẩm thu được và bảo quản lại trong tủ sấy Cuối cùng, tiến hành khảo sát khả năng hấp phụ ion Fe3+ của tất cả các mẫu RHA chế tạo được và các mẫu đã được oxy hóa, từ đó ta chọn ra mẫu có hiệu suất hấp phụ cao nhất để tiến hành

khảo sát các yếu tố khác ảnh hưởng đến quá trình hấp phụ như: pH, thời gian hấp phụ, lượng RHA hấp phụ, nồng độ ion Fe3+ ban đầu Để phân tích và đánh giá RHA ta sử dụng các phương pháp: đo phổ IR và XRD

Từ các kết quả khảo sát thu được trên thực nghiệm và phân tích mẫu Kết luận được rằng: Mẫu RHA chế tạo từ vỏ trấu không xử lý axit HCl, được nung ở 700 oC và không oxy hóa bằng KMnO4 thì có khả năng hấp phụ ion Fe3+ tốt nhất Hàm lượng RHA hấp phụ tốt nhất là 90 mg trong 50 mL dung dịch ion Fe3+ nồng độ 60 mg/L Các điều kiện tối ưu của quá trình hấp phụ là: hấp phụ ở pH bằng 4, thời gian hấp phụ 30 phút và mẫu RHA được đánh nhiễn bằng sóng siêu âm trong dung môi nước cất thì khả năng hấp phụ sẽ tốt hơn Vật liệu RHA-Ag diệt được vi khuẩn

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

KLN: Kim loại nặng

RH: Rice husk (vỏ trấu)

RHA: Rice husk ash (Tro trấu sau khi nung)

RHA-A: RHA được chế tạo từ vỏ trấu có xử lý axit HCl

RHA-Ag: Tro trấu sau khi nung hấp phụ Ag

RHA-B: RHA được chế tạo từ vỏ trấu không xử lý axit HCl

SEM: Scanning Electron Microcope (kính hiển vi điện tử quét)

UV-VIS: Ultraviolet–visible spectroscopy (Quang phổ hấp thụ phân tử)

XRD: X – ray Diffraction – phổ nhiễu xạ tia X

DANH MỤC HÌNH

Hình 1-1 Sản lượng cây trồng qua các năm ( theo Tổng Cục Thống Kê, 2010) 2

Hình 1-2 Cây lúa 2

Hình 1-3 Vỏ trấu 2

Hình 1-4 Cấu tạo của hạt lúa 3

Hình 1-5 Lò đốt vỏ trấu dùng trong sinh hoạt ở các vùng Tây Nam Bộ 5

Hình 1-6 Dùng vỏ trấu làm nguyên liệu đốt trong quá trình sản xuất gạch 6

Hình 1-7 Củi trấu thành phẩm 7

Hình 1-8 Bình hoa, tượng làm từ vỏ trấu 7

Hình 1-9 Bếp trấu hóa gas của GS Trần Bình 8

Hình 1-10 Quy trình sản xuất gas sinh học trong công nghiệp từ vỏ trấu 8

Hình 1-11 Tro trấu đen sau khi đốt RH trong không khí ở điều kiện thường 9

Hình 1-12 Tro trấu sau khi nung (RHA) ở nhiệt độ 700 o C trong 3 giờ 10

Hình 1-13 Cấu trúc liên kết trên bề mặt của vật liệu RHA 11

Hình 1-14 SEM của RHA (600 o C, 3h) 11

Hình 1-15 Cấu trúc tinh thể SiO 2 12

Hình 1-16 Cấu trúc xốp của vỏ trấu (Chandrasekhar K.G, et al., 2003) và Tro trấu (RHA) (Bouzoubaâ N, et al., 2001) 14

Hình 1-17 Ứng dụng tro trấu làm phụ gia trong sản xuất Ximăng 16

Hình 1-18 Hệ thống thiết bị sản xuất zeolite của PGS.TS Trần Ngọc Tuyền 17

Hình 1-19 Zeolite dạng bột 18

Hình 1-20 Sản xuất lốp xe từ tro trấu sau khi nung (RHA) của Công ty Goodyear 19

Hình 1-21 Thủy tinh được chế tạo từ tro trấu 19

Hình 2-1 Ô nhiễm kim loại nặng do tác động của con người do tác động của con người đối với đất và nước (singht et al., 1994) 21

Hình 2-2 Kim loại chì (Pb) trong tự nhiên 23

Hình 2-3 Kim loại thủy ngân (Hg) 24

Hình 2-4 Kim loại Cađimi (Cd) 26

Hình 2-5 Kim loại Asen (As) trong ống nghiệm 27

Hình 2-6 Nguồn nước bị nhiễm phèn sắt tại Hòa Xuân - Đà Nẵng 28

Hình 2-7 Kim loại Sắt (Fe) ở dạng bột 29

Hình 2-8 nước bị ô nhiễm kim loại nặng và muối thủy ngân xyanua ở các vùng công nghiệp mạ và tái chế kim loại 31

Hình 2-9 Cá chết do nhiễm kim loại nặng trong nước (baomoi.com, 2013) 33

Hình 3-1 Cơ chế hấp thụ khí-lỏng (a) và hấp thụ chất lỏng-rắn (b) 34

Hình 3-2 Đường hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir 37

Hình 3-4 sự định hướng các phân tử chất HĐBM trên bề mặt phân chia hai pha khác nhau 41

Hình 3-5 Ảnh SEM bề mặt của RHA độ phóng đại 15000 lần 41

Hình 4-1 Máy quang phổ UV – VIS, Bộ môn Công Nghệ Hóa Học, Khoa Công Nghệ, Trường Đại học Cần Thơ 44

Hình 4-2 Sơ đồ mô phỏng cấu tạo của máy quang phổ 45

Hình 4-3 Máy nhiễu xạ tia X (XRD) D8 - Advanced, Bộ môn Hóa Học, Khoa Khoa Học Tự Nhiên, Trường Đại học Cần Thơ 47

Hình 4-4 Sự phân vùng bước sóng các loại bức xạ 48

Hình 4-5 Máy quang phổ IR, Bộ môn Hóa Học, Khoa Khoa Học Tự Nhiên, Trường Đại học Cần Thơ 49

Hình 5-1 Nguyên liệu vỏ trấu 52

Hình 5-2 Quy trình chế tạo RHA từ vỏ trấu 53

Hình 5-3 cân vỏ trấu khô 54

Hình 5-4 Quá trình xử lý vỏ trấu 54

Hình 5-5 Đốt cháy vỏ trấu trong không khí 54

Hình 5-6 Cân tro trấu đen trước khi nung 55

Hình 5-7 Thiết bị nung 55

Hình 5-8 Thí nghiệm oxy hóa RHA bằng KMnO 4 56

Hình 5-9 Thí nghiệm hấp phụ 60

Hình 5-10 Đo UV-VIS của các mẫu 60

Hình 5-11 Đánh nhuyễn các mẫu RHA bằng thiết bị sóng siêu âm 61

Hình 5-12 Thí nghiệm hấp phụ Ag bằng tro trấu đen (GA1 và GB1) 65

Hình 5-13 Lọc kết tủa của dung dịch AgCl 65

Hình 5-14 Thí nghiệm hấp phụ Ag bằng tro trấu trấu trắng (GB1 và GB2) 66

Hình 5-16 Vi khuẩn E.coli 67

Hình 5-17 Môi trường LB 67

Hình 5-18 Đĩa Petri 67

Hình 5-19 Tủ ủ tân sinh mẫu và vi khuẩn (chế độ lắc) 68

Hình 6-1 Tro trấu đen trước khi nung 70

Hình 6-2 Tro trấu sau khi nung (RHA) 70

Hình 6-3 Đồ thị đường chuẩn của ion Fe 3+ 71

Hình 6-4 Đồ thị thể hiện sự phụ thuộc của hiệu suất hấp phụ vào pH 74

Hình 6-5 Đồ thị thể hiện sự phụ thuộc của hiệu suất hấp phụ vào thời gian 75

Hình 6-6 Đồ thị thể hiện sự phụ thuộc của hiệu suất hấp phụ vào lượng RHA 76

Hình 6-7 Đường cong đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir đối với ion Fe 3+ 77

Hình 6-8 Dạng tuyến tính của phương trình đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir 78

HÌnh 6-9 Các mẫu tro trấu biến tính RHA-Ag 79

Hình 6-10 Đĩa petri ban đầu khi mới đặt các giấy thấm RHA-Ag 80

Hình 6-11 Đĩa petri của các mẫu sau khi đặt trong tủ ủ 12 giờ 80

Hình 6-12 Phổ IR của mẫu B2 81

Hình 6-13 phổ IR của mẫu B1 82

Hình 6-14 Phổ IR của mẫu B3 82

Hình 6-15 Phổ IR của mẫu OA2 83

Hình 6-16 Phổ IR của mẫu OB2 83

Hình 6-17 Phổ IR của mẫu A2 84

Hình 6-18 Phổ IR của các mẫu RHA 84

Hình 6-19 Phổ XRD của mẫu đối chứng (DC) 86

Hình 6-20 Phổ XRD của mẫu GA1 86

Hình 6-21 Phổ XRD của mẫu GA2 87

Hình 6-22 Phổ XRD của mẫu GB1 87

Hình 6-23 Phổ XRD của mẫu GB2 88

Hình 6-24 Phổ XRD của các mẫu RHA-Ag 88

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1-1 Thành phần hữu cơ của vỏ trấu 4

Bảng 1-2 Thành phần hóa học của RHA xác định bởi XRF 10

Bảng 5-1 Số liệu pha dung dịch thiết lập đường chuẩn 56

Bảng 6-1 Khối lượng tro trấu sau khi nung (RHA) 70

Bảng 6-2 số liệu đo phổ UV-VIS tại bước sóng 520 nm của các mẫu chuẩn 71

Bảng 6-3 Kết quả thí nghiệm hấp phụ ion Fe 3+ bằng RHA được nung ở 650 o C 72

Bảng 6-4 Kết quả thí nghiệm hấp phụ ion Fe 3+ bằng RHA được nung ở 700 o C 72

Bảng 6-5 kết quả thí nghiệm hấp phụ ion Fe 3+ bằng RHA được nung ở 750 o C 73

Bảng 6-6 So sánh hiệu suất hấp phụ ion Fe 3+ của các mẫu RHA 73

Bảng 6-7 Kết quả khảo sát ảnh hưởng của pH quá trình hấp phụ 74

Bảng 6-8 Kết quả khảo sát ảnh hưởng của thời gian hấp phụ đến quá trình hấp phụ 75

Bảng 6-9 Kết quả khảo sát ảnh hưởng của lượng chất hấp phụ RHA đến quá trình hấp 76

Bảng 6-10 Kết quả khảo sát ảnh hưởng của nồng độ ion Fe 3+ ban đầu đến quá trình hấp phụ 77

Bảng 6-11 Kết quả hấp phụ Ag của tro trấu biến tính RHA-Ag 79

Bảng 6-12 Khả năng diệt khuẩn của tro trấu biến tính RHA-Ag 80

Bảng 6-13 Các peak dao đông của các mẫu RHA 85

LỜI NÓI ĐẦU

Trong quá trình công nghiệp hóa hiện đại hóa của nước ta hiện nay, với sự phát triển vượt bậc về kinh tế thì gắn liền với nó là vấn đề ô nhiễm môi trường do các nguồn chất thải từ công nghiệp Trong đó ô nhiễm do kim loại nặng thải ra từ các ngành công nghiệp là một mối đe doạ nghiêm trọng đối với sức khoẻ của con người và sự an toàn của hệ sinh thái Hầu hết các kim loại nặng như Pb, Hg, Cd, As, Cu, Zn, Fe, Cr, Co, Mn,

Se, Mo… Tồn tại trong nước ở dạng ion, chúng phát sinh chủ yếu từ công nghiệp Việc loại trừ các thành phần chứa ion kim loại nặng độc hại ra khỏi các nguồn nước, đặc biệt

là nước thải công nghiệp là mục tiêu môi trường quan trọng bậc nhất phải giải quyết hiện nay Đã có nhiều giải pháp được đưa ra nhằm loại bỏ ion kim loại nặng trong nước thải Trong đó phương pháp hấp phụ có nhiều ưu điểm và được sử dụng ngày càng rộng rãi Theo một số tài liệu và khảo sát sơ bộ của một số nhà khao học trong và ngoài nước cho thấy trong vỏ trấu có chứa một lượng lớn SiO2 với cấu trúc xốp và diện tích bề mặt riêng lớn nên có thể được sử dụng làm vật liệu hấp phụ các kim loại nặng và các chất hữu cơ trong nước

Việc nghiên cứu tách SiO2 từ vỏ trấu để làm vật liệu xử lý các ion kim loại nặng trong nước thải công nghiệp, không chỉ có ý nghĩa thực tiễn trong việc sử dụng hiệu quả nguồn vỏ trấu khổng lồ, giảm khả năng gây ô nhiễm môi trường, đồng thời còn tạo ra một loại vật liệu hấp phụ rẻ tiền từ nguồn nguyên liệu phế phẩm nông nghiệp của cây lúa, đây cũng là một bước tiến khoa khọc mới rất có nghĩa “sử dụng phế phẩm nông nghiệp để xử lý chất thải công nghiệp” mà con người hoàn toàn có thể làm được Vì vậy,

tôi chọn đề tài: “Khảo sát khẳ năng hấp phụ ion Fe 3+ trong dung dịch và khả năng diệt khuẩn của tro trấu biến tính” để tìm hiểu về một loại vật liệu hấp phụ rẻ tiền, có

nguồn gốc tự nhiên ứng dụng trong xử lý kim loại nặng trong nước thải công nghiệp

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ VỎ TRẤU VÀ TRO TRẤU

1.1 Tổng quan về nông nghiệp nước ta hiện nay

Nông nghiệp là ngành kinh tế quan trọng của Việt Nam Hiện nay, Việt Nam vẫn

là một nước nông nghiệp Việc tự do hóa sản xuất nông nghiệp, đặc biệt là sản xuất lúa gạo, đã giúp Việt Nam là nước thứ nhất trên thế giới về xuất khẩu gạo năm 2013 (Wikipedia, 2015)

Theo báo cáo của Bộ Nông nghiệp và PTNT, năm 2014, thị trường tiêu thụ nông lâm thủy sản cả trong nước và xuất khẩu được phát triển, mở rộng Tổng kim ngạch xuất khẩu cả nước ước đạt 30,86 tỷ USD, tăng 11,2% so với năm 2013 Trong đó, nhiều mặt hàng có kim ngạch xuất khẩu tăng mạnh như cà phê tăng 32,2%, hạt điều tăng 21,1%,

hồ tiêu tăng 34,1%, rau quả tăng 34,9%, thủy sản tăng 18%, lâm sản và đồ gỗ tăng 12,7%, gạo tăng 5,3% (không kể tiểu ngạch) Đã có 10 mặt hàng đạt kim ngạch trên 1

tỷ USD (gạo, cà phê, cao su, điều, tiêu, sắn, rau quả, tôm, cá tra, lâm sản…)

Báo cáo cũng đã nêu rõ, năm nay, tái cơ cấu ngành nông nghiệp được tác động mạnh, mang lại kết quả khá toàn diện, với tốc độ tăng trưởng ngành nông nghiệp khá cao, đạt 3,3%, vượt mục tiêu Chính phủ đề ra và cao hơn nhiều so với năm ngoái Đặc biệt, tổng kim ngạch xuất khẩu ước đạt 30,86 tỷ USD, tăng trên 11% so với năm trước,

đã có 10 mặt hàng đạt trên đạt kim ngạch trên 1 tỷ USD Tuy nhiên, việc tái cơ cấu ngành nông nghiệp chưa đồng bộ, đồng đều ở các địa phương, tiêu thụ nông sản còn khó, như cao su, cá tra, mía đường (Bộ Nông nghiệp và PTNT, 2014)

kỹ thuật vào sản xuất nên sản lượng, năng suất cây trồng qua các năm luôn tăng

Hình 1-1 Sản lượng cây trồng qua các năm (theo Tổng Cục Thống Kê, 2010)

Cùng với sự tăng trưởng về sản lượng nông nghiệp là sự gia tăng về khối lượng phế phẩm nông nghiệp sau khi thu hoạch và chế biến lên tới hàng trục triệu tấn qua các năm, đặc biệt là nguồn vỏ trấu khổng lồ thải ra môi trường hàng năm

Cấu tạo của hạt lúa (Wikipedia, 2015):

Hình 1-4 Cấu tạo của hạt lúa

 Vỏ trấu có kích thước trung bình khoảng 8 - 10 mm dài, 2 - 3 mm rộng và 0,2

mm dày Khối lượng thể tích của vỏ trấu khi nén trong bao đựng khoảng 122 kg.m-3

 Vỏ trấu là vỏ ngoài cùng của hạt lúa bao bọc và chiếm 20% khối lượng

 Lớp tiếp theo bao phủ phía ngoài cùng hạt gạo là lớp vỏ mỏng có màu hồng hoặc

đỏ hay nói cách khác nó gọi là cám chiếm từ 7-8% khối lượng, bên trong gồm những tế bào diệp lục Khi xay xát dù nhẹ, lớp này cũng bong hoàn toàn thành cám, lớp chứa đựng nhiều protein và lipid, tùy theo mức độ xay xát mà hạt gạo mất hoàn toàn hay một phần Phôi của hạt: Chứa rất nhiều các loại men (enzym), vitamin, chất khoáng, protein, lipid… và hầu như không có tinh bột, dù xay xát

ở mức vừa phải thì phôi cũng bị bong ra theo cám, làm cho hạt gạo bị khuyết một đầu

 Cuối cùng là hạt gạo bên trong chiếm 70% khối lượng còn lại

Lúa được trồng ở hầu hết các châu lục và chiếm trên 1% diện tích bề mặt trái đất

để tạo ra nguồn lượng thực nuôi sống hàng tỷ người, chỉ đứng sau lúa mì cả về diện tích

và sản lượng (apps.fao.org, 2002) Lúa là một trong năm loại cây lương thực chính của thế giới, cùng với ngô (Zea Mays L,), lúa mì (Triticum sp, tên khác: tiểu mạch), sắn (Manihot esculenta Crantz, tên khác khoai mì) và khoai tây (Solanum tuberosum L) Theo quan niệm xưa lúa cũng là một trong sáu loại lương thực chủ yếu trong lục cốc,

Lúa là các loài thực vật sống một năm, có thể cao tới 1-1,8 m, đôi khi cao hơn, với các

lá mỏng, hẹp bản (2 - 2,5 cm) và dài 50 - 100 cm, các hoa nhỏ tự thụ phấn mọc thành các cụm hoa phân nhánh cong hay rủ xuống, dài 30-50 cm, hạt là loại quả thóc (hạt nhỏ, cứng của các loại cây ngũ cốc) dài 5 - 12 mm và dày 2 - 3 mm Sau khi xát bỏ lớp vỏ ngoài thu được sản phẩm chính là gạo và các phụ phẩm là cám và trấu

1.3.2 Thành phần hóa học trong vỏ trấu

Thành phần hóa học trong vỏ trấu tuy phụ thuộc vào nhiều yếu tố như: điều kiện

tự nhiên, thổ nhưỡng, khí khậu, mùa vụ, giống lúa…Nhưng Trong vỏ trấu chứa khoảng 75% chất hữu cơ dễ bay hơi sẽ cháy trong quá trình đốt và khoảng 25% còn lại chuyển thành tro Chất hữu cơ chứa chủ yếu cellulose, lignin và Hemi - cellulose (90%), ngoài

ra có thêm thành phần khác như hợp chất nitơ và vô cơ, lignin chiếm khoảng 25-30%

và cellulose chiếm khoảng 35-40% Có nhiều kết quả khảo sát về thành phần hóa học trong vỏ trấu Nhìn chung, các kết quả phân tích cho thấy thành phần các chất chính trong vỏ trấu thì không có sự chênh lệch nhiều giữa các vỏ trấu được khảo sát ở các điều

kiện khác nhau (Sharma, N K et al., 1984)

Bảng 1-1 Thành phần hữu cơ của vỏ trấu

∝-cellulose

Lignin D-xylose I-arabinose Methylglucuronic axít D-galactose

43,33 22,00 17,52 6,53 3,27 2,35

1.3.3 Ứng dụng của vỏ trấu

Vỏ trấu là một trong những chất thải nông nghiệp phổ biến rộng rãi nhất ở nhiều nước sản xuất gạo trên thế giới Khoảng 600 triệu tấn lúa gạo được sản xuất mỗi năm trên thế giới Tính trung bình 20% của lúa gạo là trấu, cho một tổng sản lượng hàng năm

là 120 triệu tấn vỏ trấu (Giddel M.R, el at., 2007)

Ở nước ta, theo Tổng cục thống kê thì sản lượng lúa cả năm 2014 ước tính đạt gần 45 triệu tấn, khối lượng chất thải vỏ trấu trung bình là 8 triệu tấn/năm Hiện tại, hầu hết lượng vỏ trấu tạo ra chưa được tận dụng mà bị vứt bỏ, như là một dạng chất thải nông nghiệp Chất thải này tập trung phổ biến ở các quốc gia nông nghiệp do chưa có

giải pháp xử lý hiệu quả nên vỏ trấu sau khi bị thải thẳng ra môi trường đã gây hậu quả nghiệm trọng về ô nhiễm môi trường, nhất là nguồn nước và các nguồn lợi gắn liền với nguồn nước

Vỏ trấu có rất nhiều tại Đồng bằng sông Cửu Long và Đồng bằng sông Hồng, 2 vùng trồng lúa lớn nhất cả nước Chúng thường không được sử dụng hết nên phải đem đốt hoặc đổ xuống sông suối để tiêu hủy Theo khảo sát, lượng vỏ trấu thải ra tại Đồng bằng sông Cửu Long khoảng hơn 3 triệu tấn/năm, nhưng chỉ khoảng 10% trong số đó được sử dụng hiện nay như (www.ecoenergy-vn.com, 2015):

1.3.3.1 Sử dụng vỏ trấu làm chất đốt

Từ lâu, vỏ trâu đã là một loại chất đốt rất quen thuộc với bà côn nông dân, đặc biệt

là bà con nông dân ở vùng Đồng bằng Sông Cửu Long Chất đốt từ vỏ trấu được sử dụng nhiều trong cả sinh hoạt (nấu ăn, nấu thức ăn gia súc …) và sản xuất (làm gạch, sấy lúa) Trấu là nguồn nguyên liệu rất dồi dào và lại rẻ tiền, thành phần là chất xơ cao phân tử

rất khó cho vi sinh vật sử dụng nên việc bảo quản, tồn trữ rất đơn giản, chi phí đầu tư ít

Hình 1-5 Lò đốt vỏ trấu dùng trong sinh hoạt ở các vùng Tây Nam Bộ

Đối với sản xuất tiểu thủ công nghiệp và chăn nuôi, trấu cũng đưọc sử dụng rất thường xuyên Thông thường trấu là chất đốt dùng cho việc nấu thức ăn nuôi cá hoặc lợn, nấu rượu và một lượng lớn trấu được dùng nung gạch trong nghề sản xuất gạch tại khu vực đồng bằng sông Cửu Long…

Thống kê của Tổ chức Lương Thực và Nông nghiệp Liên Hiệp Quốc (FAO) cho biết, hàng năm, thế giới thu hoạch hơn 700 triệu tấn gạo và việc tìm nơi xử lý vỏ trấu

là một khó khăn, Vì thế, vỏ trấu thường được dùng để sản xuất nhiệt điện để giảm tải khối lượng đổ ra các bãi rác thải

Hình 1-6 Dùng vỏ trấu làm nguyên liệu đốt trong quá trình sản xuất gạch

1.3.3.2 Dùng vỏ trấu để lọc nước

Tại thành phố Hải Dương đã có người phát minh ra cách chế tạo thiết bị lọc nước

từ vỏ trấu, có khả năng lọc thẳng nước ao, hồ thành nước uống sạch Cốt lõi của thiết bị

là một cụm sứ xốp trắng, hình trụ nằm trong chiếc bình lọc Điều đặc biệt là loại sứ này được tạo ra bằng cách tách ôxit silic từ trấu, có đặc tính lọc cực tốt, với lỗ lọc siêu nhỏ, nhỏ hơn lỗ lọc của thiết bị của Mỹ tới 10 lần, của Nhật 4 lần, ngoài ra nó cũng có độ bền

cao (có thể sử dụng 10 đến 20 năm) Thiết bị còn có khả năng khử được mùi ở nguồn

nước ô nhiễm, khử chất dioxin khi mắc nối tiếp một bình lọc có ống lọc bằng than hoạt

tính

Để kiểm tra tính hiệu quả an toàn của thiết bị lọc nước Trung tâm y tế dự phòng tỉnh Hải Dương đã lấy mẫu nước hồ Bạch Đằng, nơi bị ô nhiễm nặng trong thành phố Hải Dương đem xử lý qua thiết bị lọc từ vỏ trấu Kết quả cho thấy: nước hồ sau xử lý đạt tiêu chuẩn vệ sinh nước ăn uống về các chỉ tiêu vi sinh Mặt khác việc bảo dưỡng lõi lọc khá đơn giản, chỉ cần dùng giẻ lau hoặc khăn mặt lau sạch là lõi lọc trắng, tốc độ lọc như ban đầu

1.3.3.3 Sử dụng vỏ trấu tạo thành củi trấu

Máy ép củi trấu được sản xuất tại Gò Công (Tiền Giang) có công suất 70 - 80 kg

củi/giờ, tiêu thụ điện 6 - 7 KW.h-1 Cứ 1,05 kg trấu thì cho ra 1 kg củi trấu, chỉ cần cho trấu vào họng máy, qua bộ phận ép thì máy cho ra những thanh củi trấu Củi trấu có đường kính 73 mm, dài từ 0,5 - 1 m, cứ 1 kg củi trấu thì nấu được bữa ăn cho 4 người

Hình 1-7 Củi trấu thành phẩm

1.3.3.4 Vỏ trấu làm sản phẩm mỹ nghệ

Hình 1-8 Bình hoa, tượng làm từ vỏ trấu

Huyện Gia Viễn, Ninh Bình người ta đã tạo ra các sản phẩm mỹ nghệ nội thất từ

vỏ trấu Vỏ hạt thóc (trấu) được nghiền nhỏ tạo thành bột dưới dạng mịn và bột sợi, sau khi kết hợp với keo, trấu được cho vào máy ép định hình sản phẩm và sấy khô, hoàn thiện,để trở thành một sản phẩm mỹ nghệ

1.3.3.5 Ứng dụng vỏ trấu để sản xuất gas sinh học

Khí hóa là việc chuyển đổi nguyên liệu rắn hoặc lỏng thành nhiên liệu khí hữu ích

và thuận tiện cho việc đốt cháy để giải phóng năng lượng

Những năm gần đây, công nghệ năng lượng sinh khối không chỉ thay thế phần nào cho năng lượng hóa thạch mà còn góp phần đáng kể trong việc xử lý rác thải Nguồn phế thải phụ phẩm nông nghiệp (cả sau thu hoạch lẫn sau chế biến) như rơm rạ, trấu, vỏ

cà phê, sơ dừa, bã mía …trong cả nước ước tính trên 30 triệu tấn/năm Một trong các giải pháp thay đổi quy trình đốt là khí hóa trấu (hoặc các sản phẩm Biomas khác) Rất nhiều các nhà khoa học, các viện, trường quan tâm đến việc nghiên cứu và ứng dụng công nghệ khí hóa vào thực tế tại Việt nam trong khoảng 5 năm trở lại đây Có 2 hướng

mà các doanh nghiệp cố gắng ứng dụng công nghệ khí hóa (www.khihoa.com, 2012):

 Ứng dụng vào các bếp nhỏ qua mô hộ gia đình

 Ứng dụng quy mô công nghiệp

Hình 1-9 Bếp trấu hóa gas của GS Trần Bình

Hình 1-10 Quy trình sản xuất gas sinh học trong công nghiệp từ vỏ trấu

1.3.4 Các ứng dụng khác của vỏ trấu

Không những ở các ứng dụng trên, vỏ trấu còn có thể dùng làm thiết bị cách nhiệt, làm chất độn, giá thể trong công sản xuất meo giống để trồng nấm, dùng đánh bóng các vật thể bằng kim loại, tro trấu có thể dùng làm phân bón…

Trấu có thể được ứng dụng rất đa dạng trong đời sống của con người Việt Nam Trấu có ưu thế rất lớn về nguồn nguyên liệu và giá thành nên việc nghiên cứu sử dụng trấu vào sản xuất luôn mang lại hiệu quả kinh tế cao và tiết kiệm chi phí Thực tế hiện nay một số tỉnh nhất là ở đồng bằng sông Cửu Long lượng trấu vẫn còn rất dồi dào nên cần lưu ý tăng cường việc nghiên cứu ứng dụng nguồn nguyên liệu này nhằm mở rộng khả năng sử dụng trấu vừa tiết kiệm chi phí sản xuất, vừa có lợi cho môi trường

Vỏ trấu trước giờ được xem là một phế phẩm nông nghiệp, là một trong những chất thải gây ô nhiễm môi trường nước trong những năm qua, chỉ một phần nhỏ vỏ trấu được ứng dụng đời sống sinh hoạt của con người và công nghiệp Ngày nay, với sự phát triển không ngừng của khoa học kỹ thuật, con người đã nghiên cứu, chế tạo và ứng dụng sản phẩm từ vỏ trấu vào cuộc sống và xem vỏ trấu như là một vật liệu xanh thân thiện với môi trường và hữu ích với con người

1.4 Tro trấu

1.4.1 Sơ lượt và thành phần hóa học của tro trấu

Tro trấu là một sản phẩm của quá trình đốt cháy vỏ trấu trong không khí Vỏ trấu sau khi cháy các thành phần hữu cơ sẽ chuyển thành CO, CO2 và H2O và phần còn lại

là tro chứa các thành phần oxit kim loại và carbon (than)

Hình 1-11 Tro trấu đen sau khi đốt RH trong không khí ở điều kiện thường

Đối với mỗi 1,000 kg thóc xay, khoảng 220 kg (22%) của vỏ trấu được tạo ra, và khi vỏ này được nung trong ở những điều kiện cụ thể ở nhiệt độ cao, khoảng 55 kg (25%) của RHA được tạo ra (www.ricehuskash.com, 2015)

Thành phần hóa học của RHA thành phẩm, phụ thuộc vào nhiều yếu tố như; loại

vỏ trấu, điều kiện xử lý ban đầu của vỏ trấu, điều kiện đốt của vỏ trấu…Tùy thành phần hóa học của RHA chế tạo được ở các điều kiện khác nhau thì khác nhau, nhưng không

có sự chênh lệch nhiều Silic dioxit là chất chiểm tỉ lệ cao nhất vể phần tram khối lượng trong thành phần tro trấu (RHA) sau khi nung, chiếm khoảng 80 - 90% và còn lại là

những hợp chất vô cơ khác (Londeree, et al., 2002)

Bảng 1-2 Thành phần hóa học của RHA xác định bởi XRF

Thành phần hóa học của RHA

Thành phần %

Hình 1-13 Cấu trúc liên kết trên bề mặt của vật liệu RHA

Các kết quả phân tích FTIR, SEM và FSEM, chỉ ra rằng tiền xử lý trấu đã tạo ra các nhóm chức (-OH, Si-OH, -CH, C=O, -C=C-, =CH2, -CH3, Si-O-Si, Si- H) trên bề

mặt của vật liệu hấp phụ RHA làm thay đổi và tăng diện tích bề mặt (L.T Zhuravlev et al., 2000)

(S.B Daffalla et al., 2000)

1.4.2 Đặc điểm cấu tạo và tính chất của silic đioxit

1.4.2.1 Đặc điểm cấu tạo

Silic dioxit không tồn tại dưới dạng phân tử riêng rẽ mà tồn tại dưới dạng tinh thể hoặc vô định hình, nghĩa là dưới dạng một phân tử khổng lồ.Trong tự nhiên, ở điều kiện thường nó có dạng tinh thể là thạch anh, triđimit và cristtobalit Mỗi dạng đa hình này lại có hai dạng: dạng 𝛼 bền ở nhiệt độ thấp, dạng 𝛽 bền ở nhiệt độ cao Đa số SiO2 tổng hợp nhân tạo đều được tạo ra ở dạng bột hoặc dạng keo và có cấu trúc vô định hình

cứ trên một nguyên tử Si có hai nguyên tử O và công thức kinh nghiệm của silic đioxit

là SiO2 Silic đioxit đã nóng chảy hoặc khi đung nóng bất kì dạng nào khi để nguội chậm đến nhiệt độ hóa mềm, ta đều thu được một vật liệu vô định hình giống như thủy tinh

Khác với dạng tinh thể, chất giống thủy tinh có tính đẳng hướng và không nóng chảy ở nhiệt độ không đổi, mà hóa mềm ở nhiệt độ thấp hơn so với khi nóng chảy Bằng phương pháp Rơnghen người ta xác định được rằng trong trạng tháy thủy tinh, mỗi nguyên tử vẫn được bao quanh bởi những nguyên tử khác giống nhưu trong trạng thái tinh thể nhưng những nguyên tử đó sắp xếp một cách hỗn loan hơn (Hoàng Nhâm, 2000)

1.4.2.2 Tính chất

Về mặt hóa học, Silic đioxit rất trơ Nó không tác dụng với oxi Clo, brom và các axit kể cả khi đung nóng SiO2 chỉ tác dụng với F2 và HF ở điều kiện thường (Hoàng Nhâm, 2000):

H2O 2

1.4.3 Phương pháp chế tạo RHA từ vỏ trấu

RHA được chế tạo từ vỏ trấu hiện nay, chủ yếu bằng pháp đơn giản đó là đốt cháy hoàn toàn vỏ trấu trong những điều kiện thích hợp Tùy thuộc vào yêu cầu sản phẩm RHA mong muốn mà ta thưc hiện các quá trình đốt khác nhau

1.4.3.1 Các quá trình đốt vỏ trấu

Các quá trình đốt trấu thành tro được thực hiện bằng nhiều công nghệ khác nhau và tạo ra sản phẩm RHA có chất lượng khác nhau Tuy nhiên, điển hình nhất hiện nay là

một trong số những phương pháp sau (Bronzeoak Ltd, el at., 2003):

 Đốt tự do: vỏ trấu được đổ thành đống và đốt tự do ngoài không khí Phương pháp

này không điều chỉnh được nhiệt độ và sự đối lưu của không khí nên không quản lý được chất lượng của tro

 Đốt không tận thu năng lượng: vỏ trấu được đốt trong các loại lò có khống chế nhiệt

độ nhưng không thiết kế các bộ phận để tận thu nhiệt năng Phương pháp này thu được sản phẩm RHA có chất lượng đảm bảo nhưng nhiệt năng bị phát tán ra môi trường

 Đốt sử dụng cho lò hơi: nhiệt thu được từ quá trình đốt trấu được tận dụng để đun

nóng nước trong các lò hơi Các loại lò này hiện nay chưa quan tâm đến công nghệ đốt để đạt được RHA đảm bảo chất lượng mà mới chỉ quan tâm đến việc tận dụng nhiệt lượng

 Đốt trong lò đốt tầng sôi: đây là loại lò đốt có điều khiển nhiệt cho phép chuyển hoá

nhanh vỏ trấu thành nhiệt lượng và tro ở điều kiện nhiệt độ không đổi định trước Trong quá trình hoạt động, hỗn hợp không khí và nhiên liệu đốt được thổi áp lực vào buồng đốt của lò Dưới tác động của nhiệt độ và lưu tốc dòng khí, trấu được đốt cháy để chuyển hoá thành nhiệt và tro Sau đó, nhiệt năng và tro nhẹ sẽ được thu theo những thiết bị được thiết kế trước

 Đốt trong lò đốt hoá hơi: trấu nhiên liệu được đốt ở chế độ nhiệt cao (trên 700 oC)

để chuyển hóa thành các nhiên liệu khí thương mại như CO; H2 và metan Tuy nhiên,

do phải đốt ở nhiệt độ cao nên RHA thu được không đạt được chất lượng pozzolan mong muốn

Từ những phân tích nêu trên cho thấy, lò đốt tầng sôi là kiểu lò phù hợp nhất cho việc đốt trấu Kiểu lò này một mặt vừa thu được năng lượng khi đốt trấu phục vụ cho các mục đích công nghiệp, một mặt đảm bảo được chất lượng của RHA thu được

Hình 1-16 Cấu trúc xốp của vỏ trấu (Chandrasekhar K.G, et al., 2003) và Tro

trấu (RHA) (Bouzoubaâ N, et al., 2001)

1.4.3.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng RHA trong quá trình đốt

Khi trấu được đốt ở điều kiện khống chế nhiệt, SiO2 vô định hình với độ hoạt tính cao, kích cỡ hạt mịn và tỷ diện tích bề mặt lớn có thể được tạo ra Như vậy, các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng của sản phẩm RHA sau khi đốt bao gồm (Đào Văn Đông,

2014):

 Tốc độ tăng nhiệt độ trong quá trình đốt: Yếu tố này quyết định đến quá trình oxy

hoá cácbon Khi cháy với tốc độ nhanh, quá trình oxy hoá carbon khó xảy ra do sự chảy bề mặt diễn ra trước, dẫn đến hàm lượng các các hạt màu đen tăng lên Khi đó lượng MKN sẽ cao Ngược lại, nếu trấu cháy với tốc độ chậm thì quá trình oxy hoá cácbon diễn ra trước khi sự chảy bề mặt của SiO2, làm giảm đáng kể hàm lượng các hạt màu đen, đồng thời sẽ kích thích quá trình oxy hoá cácbon xảy ra để giải phóng khí CO2

 Nhiệt độ cao nhất trong quá trình đốt: Đây là yếu tố quan trọng nhất trong quá

trình đốt Nếu nhiệt độ đốt thấp sẽ làm cho trấu không cháy triệt để và dẫn đến hàm lượng cácbon tồn tại trong tro lớn, tương ứng với lượng MKN cao Ngược lại, nếu nhiệt độ cháy quá cao sẽ hình thành SiO2 dạng tinh thể, làm cho độ hoạt tính pozzolan của RHA thấp Các nghiên cứu đã chỉ ra nhiệt độ phù hợp để phản ứng cháy diễn ra triệt để và hình thành RHA có hàm lượng SiO2 vô định hình cao nhất

là vùng nhiệt từ 500 đến 700 oC

 Thời gian duy trì nhiệt độ cao nhất: Là yếu tố đảm bảo sự oxy hoá triệt để của các

phản ứng cháy của vỏ trấu Nếu thời gian ngắn, một phần vỏ trấu chưa cháy hết sẽ

để lại lượng MKN lớn Ngược lại, khi duy trì thời gian cháy dài sẽ làm cho hiệu suất của chu trình đốt thấp

 Sự lưu thông của không khí: Đây là một yếu tố quan trọng để đảm bảo tỷ lệ oxy

hoá các thành phần vỏ trấu Nếu lượng oxy không đủ cho các phản ứng oxy hoá khi cháy sẽ làm cho hàm lượng cácbon trong tro lớn Ngược lại, khi cung cấp đủ oxy trong quá trình cháy thì toàn bộ các thành phần hoá học trong vỏ trấu có thể oxy hoá

để tách phần cácbon và chuyển hoá thành khí CO2 thoát ra khỏi lò đốt

1.4.4 Ứng dụng của tro trấu

Trong những năm gần đây, nghiên cứu ứng dụng tro trấu (RHA) từ vỏ trấu là phế phụ phẩm trong quá trình sản xuất nông nghiệp, đang được nhiều nhà khoa khọc trong

và ngoài nước nghiên cứu, nhằm giải quyết vấn đề ô nhiểm môi trường, góp phần xây dựng một nền sản xuất nông nghiệp bền vững là một trong những mục tiêu đang được các nhà nghiên cứu quan tâm và thực hiện, đặc biệt trong điều kiện đặc thù của nước ta, vốn là một nước nông nghiệp

Tro trấu là loại phế thải nông nghiệp phổ biến hiện nay ở trên thế giới nói chung

và ở Việt Nam nói riêng Trong thành phần của tro trấu có chứa một lượng lớn SiO2, khoảng 85- 90% theo khối lượng Đặc biệt, SiO2 trong tro trấu tồn tại ở dạng vô định hình, cấp hạt rất mịn, có hoạt tính rất cao, Nên nó có nhiều ứng dụng quan trọng trong đời sống và công nghiệp hiện nay:

1.4.4.1 Sử dụng tro trấu làm phụ gia trong sản xuất xi măng

Các nhà khoa học từ lâu đã phát hiện ra vỏ trấu có giá trị khi sử dụng làm nguyên liệu xây dựng Trong trấu có chứa hàm lượng SiO2 rất nhiều, mà đây lại là thành phần chính trong xi măng Trộn tro trấu trong xi măng đã trở thành một đề nghị phổ biến hầu như trong tất cả các tiêu chuẩn xây dựng quốc tế Nghiên cứu sâu rộng đã được thực hiện trên ứng dụng của RHA như phụ gia khoáng sản để cải thiện hiệu suất của bê tông (Faiziev S, 2003)

Hình 1-17 Ứng dụng tro trấu làm phụ gia trong sản xuất Ximăng

Mới đây, theo tin từ Discovery, dưới sự hỗ trợ của các quỹ khoa học xã hội, các nhà khoa học Mỹ đã phát hiện một phương pháp gia công vỏ trấu mới, có thể đồng thời

sử dụng tro vỏ trấu làm thành phần trong xi măng, thúc đẩy sự phát triển nguyên liệu xây dựng sạch Tại hội nghị hóa chất sạch và công trình được tổ chức tại phân hiệu trường Đại học Maryland Park, Vempati cùng với nhóm nghiên cứu của ông đã giới thiệu về kết quả nghiên cứu của họ Kết quả nghiên cứu cho thấy, trong bê tông nếu thêm tro vỏ trấu sẽ cứng chắc hơn và có khả năng chống xâm thực cao hơn Nhóm nghiên cứu dự đoán, việc sửa chữa các ngôi nhà cao tầng, trụ cầu hay bất kỳ công trình

nào gần biển hay trên nước, nếu như sử dụng tro vỏ trấu thay thế 20% xi măng, thì sẽ mang lại hiệu quả rất cao cho bê tông Nhóm nghiên cứu của Vempati hiện đang tiến hành một thí nghiệm, nếu như có thể chứng minh phương pháp đốt vỏ trấu ở nhiệt độ cao có hiệu quả, họ sẽ huy động nguồn vốn bắt đầu xây dựng lò cỡ lớn, và dự kiến sẽ sản xuất tro vỏ trấu với sản lượng 15,000 tấn/năm Nhóm nghiên cứu còn cho biết thêm, nếu việc sản xuất tro vỏ trấu đi vào ổn định, tận dụng tất cả nguồn vỏ trấu ở Mỹ thì có thể thu được lượng tro vỏ trấu là 2,1 triệu tấn/ năm, Trên thực tế, đối với những quốc gia đang phát triển tiêu thụ lúa gạo và bê tông rất lớn như Việt Nam, Trung Quốc, Ấn Độ,… tiềm năng phát triển của tro vỏ trấu là rất lớn

Do đó, vật liệu SiO2 kích thước micro và nano trong tro vỏ trấu được tổng hợp và ứng dụng làm vật liệu xây dựng là đối tượng nghiên cứu được quan tâm một số tác giả

trong nước (Le Van Hai et al., 2012; Nguyen Van Tuan et al., 2011) và rất nhiều ở ngoài nước (Thuadaij Nittaya et al., 2008), (Ghosh Rajesh et al., 2013), (Rafiee Ezzat et al., 2013) và (Kalapathy U et al., 2000)

1.4.4.2 Sản xuất vật liệu zeolite 4A từ tro trấu

Từ phế phẩm tro trấu, PGS.TS Trần Ngọc Tuyền, khoa Hoá, Trường đại học Khoa học Đại học Huế đã nghiên cứu thành công vật liệu zeolite góp phần giải quyết tình trạng ô nhiễm môi trường do vỏ trấu Đây là kết quả của đề tài nghiên cứu khoa học cấp tỉnh 2012-2014: “Xây dựng quy trình sản xuất vật liệu zeolite 4A từ tro trấu và ứng dụng

để xử lý nước ao hồ nuôi trồng thuỷ sản” do PGS.TS, Trần Ngọc Tuyền làm chủ nhiệm

Hình 1-18 Hệ thống thiết bị sản xuất zeolite của PGS.TS Trần Ngọc Tuyền

Trong nông nghiệp, zeolite được sử dụng làm phân bón bằng cách trộn thêm các loại phân đạm, lân, kali và các nguyên tố vi lượng, giúp hạn chế tối đa sự rửa trôi, tiết kiệm lượng phân bón, tăng độ phì nhiêu, xốp, ẩm cho đất Zeolite còn được trộn vào thức ăn để hấp phụ chất độc trong cơ thể vật nuôi, tăng khả năng kháng bệnh Zeolite cũng được dùng làm phụ gia trong sản xuất bột giặt, thay thế chất phụ gia trợ giặt được dùng phổ biến hiện nay là natri tripolyphotphat (bởi chất phụ gia trợ giặt này thường gây nên hiện tượng phú dưỡng, làm sông hồ bị ô nhiễm trầm trọng), làm chất xúc tác trong lĩnh vực lọc hoá dầu… (www.khamphahue.com.vn, 2015)

Hình 1-19 Zeolite dạng bột

Zeolite là các aluminosilicat có công thức phân tử: Mn.Al2O3.xSiO2.mH2O Trong đó: M là cation có hóa trị n dùng để trung hòa điện tích âm của mạng lưới aluminosilicate Đơn vị cấu trúc cơ bản của zeolite là các tứ diện [SiO4]4- và [AlO4]5-

nối với nhau qua các đỉnh oxi chung, Các tứ diện [SiO4]4- và [[AlO4]5- thường được viết

là TO4 (trong đó T là Si hoặc Al) (skhcn.thuathienhue.gov.vn, 2015)

1.4.4.3 Công nghệ sản xuất lốp xe từ RHA

Tro trấu có thể trở thành nguyên liệu sản xuất lốp xe trong tương lai gần Công ty Goodyear đã nghiên cứu thử nghiệm silica có nguồn gốc từ tro trấu trong suốt hai năm tại trung tâm sáng tạo Kết quả cho thấy, tác động của tro trấu đến hiệu suất lốp tương đương với nguyên liệu truyền thống, doanh nghiệp này đang đàm phán với các nhà cung cấp tiềm năng để mua tro trấu silica về sản xuất lốp xe Ông Joseph Zekoski, giám đốc

kỹ thuật Goodyear cho biết: “Việc ứng dụng tro trấu vào sản xuất sẽ cho chúng tôi nguồn nguyên liệu thay thế, đồng thời giảm thiểu khối lượng tro trấu đổ ra các bãi rác hàng

năm” Tác động của tro trấu đến hiệu suất lốp có thể tương đương với loại nguyên liệu dùng trong chế tạo lốp xe hiện nay Tro thu được sau khi đốt vỏ trấu có thể sản xuất điện năng như một nguồn silica thân thiện với môi trường Thông thường, hỗn hợp silica được trộn vào cao su sản xuất lốp để tăng sức chịu đựng và giảm lực cản lăn cho lốp xe, giúp tiết kiệm nhiên liệu, công nghệ này còn làm tăng độ bám của lốp xe trên mặt đường ướt (moitruongxanh.org.vn, 2015)

Hình 1-20 Sản xuất lốp xe từ tro trấu sau khi nung (RHA) của Công ty Goodyear

1.4.4.4 Chế tạo thủy tinh lỏng từ tro trấu

Thuỷ tinh lỏng còn gọi là natri silicat (Na2O.nSiO2) là một vật liệu sử dụng rất phổ biến trong thực tế để sản xuất sơn chống thấm, xà phòng, giày vải, que hàn, gốm sứ, keo dán… Đặc biệt, thủy tinh lỏng là một nguyên liệu quan trọng của quá trình tổng hợp các loại vật liệu mao quản như zeolite

Hình 1-21 Thủy tinh được chế tạo từ tro trấu

Hàng năm, nhu cầu sử dụng thủy tinh lỏng ở nước ta lên tới hàng trăm ngàn tấn Tuy nhiên, hiện nay việc sản xuất thủy tinh lỏng trong công nghiệp chủ yếu đi từ nguyên liệu cát trắng và xoda (Na2CO3) Do SiO2 trong cát trắng tồn tại ở dạng tinh thể thạch anh (quartz) có cấu trúc bền vững, rất trơ về mặt hóa học, nó chỉ phản ứng với xoda khi nung nóng chảy ở nhiệt độ rất cao, khoảng 1400 oC Vì thế, quá trình sản xuất tiêu tốn nhiều năng lượng, thiết bị phản ứng phức tạp, giá thành sản phẩm cao, sử dụng nguồn tài nguyên cát lớn gây ra ảnh hưởng xấu đến môi trường (mde.com.vn, 2015)

1.4.4.5 Một số ứng dụng khác của RHA

Tro trấu được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng công nghiệp khác nhau như: chế biến thép, xi măng, công nghiệp vật liệu chịu lửa, hấp thụ khí thải khử lưu huỳnh, sơn nano, aerogel… RHA còn được sử dụng trong sản xuất gạch chịu lửa do đặc tính cách nhiệt của nó Nó đã được sử dụng trong sản xuất chi phí thấp, ván cách điện nhẹ RHA đã được sử dụng như là nguồn silica cho sản xuất cordierite

Với rất nhiều ứng dụng to lớn của tro trấu (RHA) vào cuộc sống hiện nay của chúng ta, nếu ta tận dụng và ứng dụng tốt nguồn vỏ trấu từ phế thải nông nghiệp, thì không chỉ đem hiệu quả về kinh tế mà còn giảm bớt một phần ránh nặng ô nhiễm môi trường sống của con người Vì vậy trong đề tài này, tôi sẽ tìm hiểu thêm một ứng khác của RHA là “Hấp phụ ion kim loại nặng và diệt khuẩn của tro trấu biến tính“ vấn đề này

đã được nhiều nhà khoa học trong và ngoài nước quan tâm nghiên cứu Tôi hy vọng từ kết quả đã đạt được, đề tài có thể áp dụng trong thực tế tại các vùng có nguyên liệu vỏ trấu dồi dào như đồng bằng sông Cửu Long, đồng bằng sông Hồng nhằm sử dụng một cách có hiệu quả nguồn phế thải nông nghiệp, tạo ra loại sản phẩm… mới thiết thực cho cuộc sống, đồng thời góp phần hạn chế ô nhiễm môi trường

Chương 2 KIM LOẠI NẶNG

2.1 Kim loại nặng

2.1.1 Sơ lượt về kim loại nặng

Kim loại nặng KLN là những kim loại có tỷ trọng lớn hơn 5g/cm3và thông thường chỉ những kim loại hoặc các á kim liên quan đến sự ô nhiễm và độc hại Tuy nhiên chúng cũng bao gồm những nguyên tố kim loại cần thiết cho một số sinh vật ở nồng độ thấp (Adriano, 2001) KLN được được chia làm 3 loại: các kim loại độc Hg, Cr, Pb, Zn, Cu,

Ni, Cd, As, Co, Sn…những kim loại quý Pd, Pt, Au, Ag, Ru…các kim loại phóng xạ U,

Th, Ra, Am…Tỷ trọng của những kim loại này thông thường lớn hơn 5g/cm3 (bishop, 2002) Nguồn KLN đi vào đất và nước do tác động của con người bằng các con đường chủ yếu như bón phân, bã bùn cống và thuốc bảo vệ thực vật và các con đường phụ như khai khoáng và kỹ nghệ hay lắng đọng từ không khí

Hình 2-1 Ô nhiễm kim loại nặng do tác động của con người

đối với đất và nước (singh et al., 1994)

KLN hiện diện trong tự nhiên đều có trong đất và nước, hàm lượng của chúng thường tăng cao do tác động của con người Các KLN do tác động của con người là nguồn gây ô nhiễm KLN chủ yếu khi chúng đi vào môi trường đất và nước, các kim loại

do hoạt động của con người như As, Cd, Cu, Ni và Zn thải ra ước tính là nhiều hơn so