Chế Tạo Vật Liệu Hấng Xử Lý Ion Pb2+ Trong Các Nguồn Nước Bị Ô Nhiễm

Trong khi đó phương pháp hấp phụ có ưu điểm là xử lý nhanh, dễ chế tạo thiết bị và đặc biệt có thể sử dụng lại vậtliệu hấp phụ Từ năm 2005 trở lại đây, sản lượng gạo của Việt Nam có xu

HỌC VIỆN NÔNG NGHIỆP VIỆT NAM

KHOA MÔI TRƯỜNG

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP TÊN ĐỀ TÀI:

CHẾ TẠO VẬT LIỆU HẤNG XỬ LÝ ION Pb2+ TRONG

CÁC NGUỒN NƯỚC BỊ Ô NHIỄM

Người thực hiện : PHẠM THU GIANG

Chuyên ngành : KHOA HỌC MÔI TRƯỜNG

Giáo viên hướng dẫn : TS NGUYỄN THỊ HỒNG HẠNH Địa điểm thực tập : BỘ MÔN HÓA

Hà Nội - 2016

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi, có sự hỗ trợ của giáoviên hướng dẫn là TS Nguyễn Thị Hồng Hạnh Các nội dung nghiên cứu và kếtquả trong đề tài này là trung thực và chưa từng được ai công bố trông bất cứcông trình nghiên cứu nào trước đây Những số liệu trong các bảng biểu phục vụcho việc phân tích, nhận xét, đánh giá do chính tôi thu thập từ các nguồn khácnhau có ghi trong phần tài liệu tham khảo Ngoài ra, đề tài còn sử dụng một sốnhận xét, đánh giá cũng như số liệu một số tác giả, cơ quan, tổ chức khác vàcũng được thể hiện trong tài liệu tham khảo

Nếu có phát hiện bất kì gian lận nào tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm trướcHội đồng cũng như kết quả khóa luận của mình

Hà Nội, Ngày tháng năm 2016

Sinh viên

Phạm Thu Giang

Đặc biệt tôi xin bày tỏ sự cảm ơn sâu sắc đến giảng viên hướng dẫnTS.Nguyễn Thị Hồng Hạnh là người đã tận tình chỉ bảo tôi trong quá trình thựctập và viết báo cáo khóa luận tốt nghiệp của mình.

Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới các giảng viên, cán bộ bộ môn Hóa học

đã giúp đỡ tôi trong thời gian làm khóa luận tốt nghiệp

Cuối cùng tôi xin cảm ơn tới gia đình và bạn bè đã luôn động viên giúp đỡ,khích lệ tôi trong suốt thời gian học tập cũng như trong quá trình thực hiện đề tàitốt nghiệp này

Do điều kiện thời gian có hạn và bản thân tôi chưa có nhiều kinh nghiệm, khóaluận tốt nghiệp của tôi không tránh khỏi những thiếu sót, rất mong nhận được sựgiúp đỡ, đóng góp ý kiến của thầy cô giáo cũng như bạn bè để bài khóa luận củatôi hoàn thiện hơn

Tôi xin chân thành cảm ơn

Hà Nội, Ngày Tháng năm 2016

Sinh viên

Phạm Thu Giang

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT v

MỞ ĐẦU 1

Tính cấp thiết của đề tài 1

Mục tiêu nghiên cứu của đề tài 2

1.1 Khái quát về kim loại chì 3

1.1.1 Giới thiệu về kim loại chì 3

1.1.2 Tính chất ,đặc trưng của kim loại chì 3

1.1.3 Ảnh hưởng của chì tới con người và môi trường 4

1.1.4 Thực trạng ô nhiễm chì 5

1.2 Tổng quan về vỏ trấu 7

1.2.1 Nguồn gốc, cấu tạo và đặc tính lý hóa 7

1.2.3 Ứng dụng của vỏ trấu 13

1.3 Cơ sở lý thuyết của hấp phụ 17

1.3.1 Sự hấp phụ 17

1.3.2 Cân bằng hấp phụ 18

1.3.4 Động học hấp phụ 18

1.3.5 Phương trình đẳng nhiệt hấp phụ 19

1.3.6 Các yếu tố ảnh hưởng tới quá trình hấp phụ 21

1.4 Phương pháp xác định hàm lượng chì trong nước 22

1.4.1 Phương pháp chuẩn độ complexon 22

1.4.2 Phương pháp phép đo cromat 24

1.4.3 Phương pháp phân tích định lượng bằng trắc quang 25

1.4.4 Phương pháp phổ nguyên tử (AAS) 27

2.1 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 29

2.1.1.Đối tượng nghiên cứu của đề tài 29

2.1.2 Phạm vi nghiên cứu 29

2.2 Nội dung nghiên cứu 29

2.3 Nguyên liệu, dụng cụ, hóa chất 29

2.3.1 Nguyên liệu 29

2.3.2 Dụng cụ và hóa chất 29

2.4 Phương pháp nghiên cứu 30

2.4.1 Phương pháp thu thập số liệu 30

2.4.2 Phương pháp thực nghiệm 30

2.4.3 Phương pháp so sánh 32

2.4.4 Phương pháp xử lý số liệu bằng Excel, phương trình Langmuir 32

CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 33

3.1 Chế tạo vật liệu hấp phụ 33

3.1.1 Sơ đồ chế tạo vật liệu hấp phụ 33

3.1.2 Hình ảnh các vật liệu hấp phụ 33

3.2 Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ của VLHP 35

3.2.1 Ảnh hưởng của thời gian cân bằng hấp phụ 35

3.2.2 Ảnh hưởng của nồng độ đến cân bằng hấp phụ 38

Kết luận 45

Kiến nghị 45

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.2: Thành phần của tro trấu : 10Bảng 1.3 : Đặc điểm của tro trấu 10Bảng 1.4: Diện tích và sản lượng lúa gạo của Việt Nam từ năm 2000-

2013 (Nguồn: thantrau, 2015) 12Bảng 3.1: Hình ảnh của các vật liệu hấp phụ 35Bảng 3.2 ảnh hưởng của thời gian đến hiệu suất hấp phụ của các VLHP 36Bảng 3.4: Dung lượng hấp phụ cực đại của VLHP 42

DANH MỤC HÌNH VÀ SƠ ĐỒ

Hình 1.1: Cây lúa 8

Hình 1.2: Vỏ trấu 8

Hình 1.3: Sản lượng và diện tích trồng lúa gạo thế giới 11

Hình 1.4: Đường đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir 20

Hình 1.5: Sự phụ thuộc Ccb/q vào Ccb 20

Sơ đồ 3.1: sơ đồ chế tạo Vật liệu hấp phụ 33

Hình 3.1: Đồ thị hiệu suất phụ thuộc vào thời gian của các VLHP 37 Hình 3.2: đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc nồng độ sau hấp phụ vào thời gian 37

Hình 3.3: Đồ thị sự phụ thuộc dung lượng hấp phụ vào nồng độ cân bằng 40

Hình 3.4: Đồ thị đường đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir dạng tuyến tính của VLHP1 đối với Pb2+ 41

Hình 3.5: Đồ thị đường đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir dạng tuyến tính của VLHP2 đối với Pb2+ 41

Hình 3.6: Đồ thị đường đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir dạng tuyến tính của VLHP3 đối với Pb2+ 41

Hình 3.7: Đồ thị đường đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir dạng tuyến tính của VLHP4 đối với Pb2+ 41

MỞ ĐẦU Tính cấp thiết của đề tài

Nước là nguồn tài nguyên thiên nhiên vô cùng quý giá, là yếu tố không thểthiếu được cho mọi hoạt động sống, sản xuất của con người và sinh vật.Nhưng hiện nay, nguồn nước ở một số nơi đã bị suy giảm về chất lượng, thậmchí có nơi còn bị ô nhiễm do sự phát triển của các hoạt động công nghiệp đãtác động tiêu cực đến môi trường nước Các hoạt động khai thác mỏ, côngnghiệp điện tử, mạ, sản xuất thép…đã thải ra nguồn nước chứa các kim loạinặng như: Cu, Zn, Pb, Fe…và những hợp chất hữu cơ độc hại Một số kimloại cần thiết cho cơ thể sống nhưng nếu nồng độ vượt mức cho phép sẽ ảnhhưởng đến môi trường và sức khỏe con người

Do đó nghiên cứu tách các ion kim loại nặng từ các nguồn nước bị ônhiễm là một vấn đề quan trọng nhằm bảo vệ môi trường và sức khỏe conngười Đã có nhiều công trình khoa học nghiên cứu về phương pháp xử lý cácnguồn nước bị ô nhiễm kim loại nặng như phương pháp kết tủa, trao đổi ion,thẩm thấu ngược, điện thẩm tách v.v…các phương pháp này thường khá tốnkém hoặc gây ra lượng bùn thải lớn Trong khi đó phương pháp hấp phụ có

ưu điểm là xử lý nhanh, dễ chế tạo thiết bị và đặc biệt có thể sử dụng lại vậtliệu hấp phụ

Từ năm 2005 trở lại đây, sản lượng gạo của Việt Nam có xu thế tăng dần,

cứ mỗi tấn lúa tạo ra khoảng 200 kg vỏ trấu Do đó nếu không có biện pháp

xử lý hiệu quả sẽ gây ra các vấn đề môi trường nghiêm trọng

Việc nghiên cứu vỏ trấu để ứng dụng làm vật liệu hấp phụ ion kim loạinặng và một số hợp chất hữu cơ trong nước sẽ có ý nghĩa thực tiễn trong việc

sử dụng một cách có hiệu quả nguồn vỏ trấu khổng lồ, giảm thiểu khả nănggây ô nhiễm môi trường, đồng thời tạo ra một loại vật liệu hấp phụ rẻ tiền từnguồn nguyên liệu phế thải của cây lúa Nhằm tận dụng nguồn phế phẩm dồidào này, tôi chọn đề tài: “Chế tạo vật liệu hấp phụ từ vỏ trấu- Ứng dụng xử lýion Pb2+ trong các nguồn nước bị ô nhiễm”

Mục tiêu nghiên cứu của đề tài

- Điều chế vật liệu hấp phụ từ vỏ trấu

- Khảo sát khả năng hấp phụ ion Pb2+ của vật liệu hấp phụ điều chế được, cácảnh hưởng của các yếu tố (thời gian, nồng độ) tới khả năng hấp phụ

- So sánh khả năng hấp phụ của vật liệu hấp phụ với than hoạt tính

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1.1 Khái quát về kim loại chì

1.1.1 Giới thiệu về kim loại chì.

Lê Huy Bá (2008), chì là một nguyên tố hóa học trong bảng tuần hoàn hóahọc viết tắt là Pb (latin:plumbum) và có số nguyên tử là 82 Chì có hóa trị phổbiến là II, có khi là IV Chì là một kim loại mềm, nặng, độc hại và có thể tạohình Chì có màu trắng xanh khi mới cắt nhưng bắt đầu xỉn màu thành xámkhi tiếp xúc với không khí Chì dùng trong xây dựng, ắc quy chì, đạn và làmột phần của nhiều hợp kim Khi tiếp xúc ở một mức độ nhất định, chì là chấtđộc đối với động vật cũng như con người Nó gây tổn thương cho hệ thầnkinh và gây ra rối loạn não

1.1.2 Tính chất ,đặc trưng của kim loại chì.

1.1.2.1 Tính chất vật lý

Nguyễn Đức Vận (2010), chì có màu trắng bạc và sáng, bề mặt cắt còntươi của nó xỉn nhanh trong không khí tạo ra màu tối Nó là kim loại màutrắng xanh, rất mềm, dễ uốn và nặng và có tính dẫn điện kém hơn so với cáckim loại khác Chì có tính chống ăn mòn cao và do thuộc tính này nó được sửdụng để chứa các chất ăn mòn (như axit sunfuric) Do tính dễ dát mỏng vàchống ăn mòn, nó được sử dụng trong các công trình xây dựng

Chì dạng bột cháy cho ngọn lửa màu trắng xanh Giống như nhiều kim loạibột chì rất mịn và có khả năng cháy trong không khí Khói độc thoát ra khichì cháy

2Pb + O2 + H2O 2Pb(OH)2

Lượng khí CO2 hòa tan trong nước cũng ảnh hưởng mạnh tới tính bền củachì đối với nước Người ta thấy rằng, với nồng độ thấp, CO2 đã làm cho cácống nước bằng chì bền hơn do tạo ra lớp PbCO3 thực tế không tan (tích số tancủa PbCO3 bằng 1.10-3), nhưng khi nồng độ CO2 trong nước lớn hơn sẽ tạo raPb(HCO3)2 dễ tan hơn

Chì tác dụng với H2SO4 đặc

Pb + 2H2SO4(đặc) PbSO4 + SO2 + 2H2O

PbSO4 + H2SO4 Pb(HSO4)2

Chì tác dụng với HNO3 loãng

3Pb + 8HNO3 3Pb(NO3)2 + 2NO + 4H2O

1.1.3 Ảnh hưởng của chì tới con người và môi trường.

Lê Huy Bá (2008), chì và nhiều hợp chất của chì được ngành độc học xếpvào nhóm độc bản chất Trong cơ thể, chì không bị chuyển hóa, chỉ được vậnchuyển từ bộ phận này sang bộ phận khác, bị đào thải qua đường bài tiết vàtích tụ lại trong một số cơ quan với hàm lượng tăng dần theo thời gian tiếpxúc Chính vì vậy ảnh hưởng gây độc của chì rất nghiêm trọng và lâu dài Cục bảo vệ môi trường Mĩ (EPA, 1986), chì có khả năng làm thay đổi quátrình vận chuyển ion trong cơ thể, dẫn tới cản trở sự phát triển và chức năngcủa nhiều cơ quan, đặc biệt là hệ thần kinh trung ương, từ đó gây ra nhiều loạibệnh như: bệnh thiếu máu, bệnh về tiêu hóa, hệ thần kinh (bao gồm thần kinhtrung ương và thần kinh ngoại biên), bệnh tim mạch và ảnh hưởng đến quátrình sinh sản

Phan Trung Quý (2008), tác dụng hóa sinh chủ yếu của chì là gây ức chếmột số enzim quan trọng của quá trình tổng hợp máu dẫn đến không tạo đượchồng cầu Một pha quan trọng của quá trình tổng hợp máu là sự chuyển hóaaxit delta- aminolevunilic thành porphibilinogen.

Delta – aminolevunilic porphibilinogen

Chì ức chế ALA- dehidraza enzim, do đó giai đoạn tiếp theo tạo thànhporphibilinogen không thể xảy ra được Tổng quát chung, chì phá hủy quátrình tổng hợp hemoglobin và các sắc tố hô hấp khác trong máu như xitocrom Khi hàm lượng chì trong máu khoảng 0,3ppm thì nó ngăn cản quá trình sửdụng oxi để oxi hóa glucoza tạo ra năng lượng cho quá trình sống Ở nồng độcao hơn (> 0,8ppm ) có thể gây nên thiếu máu do thiếu hemoglobin Nếu hàmlượng chì trong máu khoảng (>0,5 – 0,8) gây ra sự rối loạn chức năng củathận và phá hủy não

1.1.4 Thực trạng ô nhiễm chì.

1.1.4.1 Ô nhiễm chì trên thế giới

Trần Thị Dung (2014), Viện Blacksmith- Hoa Kì, một tổ chức nghiên cứumôi trường quốc tế có trụ sở tại New York (Mỹ), đã công bố danh sách 10thành phố thuộc 8 nước được coi là ô nhiễm nhất thế giới năm 2006, trong đó

có thành phố Haina, ở cộng hòa Dominica (Châu Phi), nơi chuyên tái chế ắcquy chì Năm 2000 Bộ trưởng Tài nguyên và Môi trường Dominica đã xácđịnh Haina là một điểm nóng quốc gia về ô nhiễm chì với hàm lượng chìtrong đất lớn hơn 1000 lần so với tiêu chuẩn cho phép của Mỹ Hơn 90% dân

số của Haina có hàm lượng chì trong máu cao, nồng độ trung bình của chìtrong máu của cư dân ở đây là 60 µg/dL (tiêu chuẩn nồng độ chì cho phéptrong máu của Mỹ là 10 µg/dL) Ước tính có khoảng 300.000 người bị ảnhhưởng trực tiếp từ khu vực bị ô nhiễm chì Theo liên hợp quốc, dân số củaHiana được coi là có mức nhiễm chì cao nhất thế giới.

Tại Thiên Anh, Trung Quốc là một thành phố công nghiệp, Thiên Anhchiếm khoảng hơn một nửa sản lượng chì của Trung Quốc Thứ kim loại độchại này đã ngấm vào nước và đất trồng lúa của thành phố và ngấm vào máucủa trẻ em sinh ra tại đây Đó có thể là nguyên nhân dẫn tới việc các em nhỏ ởThiên Anh có chỉ số IQ thấp Qua kiểm tra, lúa mì trồng ở Thiên Anh có hàmlượng chì cao gấp 24 lần chuẩn của Trung Quốc

1.1.4.2 Ô nhiễm chì tại Việt Nam

Những năm 90 trở lại đây, quá trình công nghiệp hóa và cơ giới hóa đượcđẩy mạnh, nền kinh tế của Việt Nam đã có bước nhảy vọt đáng kể Đi cùngvới sự phát triển là vấn đề ô nhiễm, đặc biệt tại các thành phố lớn và các làngnghề tái chế kim loại Ô nhiễm kim loại đang được sự quan tâm của nhà quản

lý, nhà khoa học và toàn cộng đồng Ảnh hưởng của các làng nghề tái chế đãlàm tăng đáng kể lượng chì trong đất, nước, thậm chí có một số nơi đã bị ônhiễm

Cao Việt Hà (2012), đất nông nghiệp của vực huyện Văn Lâm có hàmlượng chì trong đất khá rộng, từ 24,24 – 948,77mg/kg đất Đất nông nghiệpxung quanh khu công nghiệp và làng nghề của huyện Văn Lâm đã biểu hiện ônhiễm chì cụ thể như sau: 10/41 mẫu đất bị ô nhiễm chì với hàm lượng Pbtổng số vượt QCVN 03.2008 BTNMT từ 2,14 đến 13,55 lần Đất tại khu vựclàng nghề của xã Chỉ Đạo bị ô nhiễm chì rất nặng, hàm lượng chì trong đất ởđây vượt 10,03 – 13,55 lần so với QCVN 03.2008 BTNMT

Tại thôn Đông Mai thuộc xã Chỉ Đạo huyện Văn Lâm Hưng Yên là mộtlàng nghề chuyên tái chế chì từ ắc quy Năm 2012 Viện Y học lao động và Vệsinh môi trường (Bộ Y tế) kết hợp cùng trường ĐH Washington tiến hànhchọn ngẫu nhiên 109 trẻ em dưới 10 tuổi ở Đông Mai để tiến hành xét nghiệm

sàng lọc lượng chì trong máu Kết quả đáng chú ý là 109/109 trẻ được chọnđều có hàm lượng chì trong máu vượt quá giới hạn cho phép (>10 µg/dl),thậm chí hàng chục bé có độ phơi nhiễm cao gấp 7 - 8 lần Theo kết quảnghiên cứu này tại những điểm gần lò nấu, hàm lượng chì ngấm trong đất daođộng trong khoảng 659,83 mg/kg đến 96,456 mg/kg đất, đặc biệt mẫu trầmtích lên đến 196,362 mg/kg Sự ô nhiễm của thứ kim loại nặng này tồn dưtrong môi trường sẽ dẫn đến sự tích tụ hàm lượng ngày một nhiều, ảnh hưởngtrực tiếp lên các thực vật sống lân cận, gây nguy cơ khuếch đại sinh học theocác mắt xích của chuỗi dinh dưỡng, làm tổn hại sức khoẻ con người.

Trần Thị Dung(2014), khu vực khai thác và chế biến kẽm – chì làng Tân Long Thái Nguyên có hàm lượng Pb trong bãi thải cao nhất (5,3.103 –9,2.103 ppm), tiếp đến là bãi liền kề (164 – 904 ppm), đất vườn nhà dân (27,9– 35.8 ppm), bãi thải cũ (1,1.103 – 13.103 ppm), đất ruộng lúa gần bãi thải cũ(1271 – 3953 ppm), vườn nhà dân gần bãi thải cũ (203- 360 ppm) Như vậy,theo TCVN 7209:2002 (70 ppm) thì hầu hết các điểm đã bị ô nhiễm Pb, riêngkhu vực vườn nhà dân gần bãi thải mới chưa bị ô nhiễm

Hích-1.2 Tổng quan về vỏ trấu

1.2.1 Nguồn gốc, cấu tạo và đặc tính lý hóa

1.2.1.1 Nguồn gốc của vỏ trấu

Theo Vũ thị Bách (2013), lúa (Orya spp) là một trong năm loại cây lươngthực chính của thế giới, cùng với ngô (Zea Mays L), lúa mì (Triticum sp, tênkhác: tiểu mạch), sắn (Manihot esculenta Crantz, tên khác: khoai mì) và khoaitây (Solanum tuberosum L.) Lúa cung cấp hơn 1/5 toàn bộ lượng calo tiêuthụ bởi con người Nó 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 thụ phấn nhờ gió 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 câyngũ cốc) dài 5- 12 mm và dày 2-3 mm Cây lúa non được gọi là mạ Sảnphẩm thu được từ cây lúa là thóc Sau khi xát bỏ lớp vỏ ngoài thu được sảnphẩm chính là gạo cùng với các sản phẩm phụ là cám và trấu Gạo là nguồn

lương thực chủ yếu của hơn một nửa dân số thế giới (chủ yếu ở Châu Á vàChâu Mĩ La Tinh), điều này làm cho nó trở thành loại lương thực được conngười tiêu thụ nhiều nhất Không những hạt lúa được sử dụng làm thực phẩmchính, mà các phần còn lại sau khi đã thu hoạch lúa cũng được người dân tậndụng trở thành những vật liệu có ích trong đời sống hằng ngày

Hình 1.1: Cây lúa Khi nhắc đến vỏ trấu thì từ những người nông dân cho đến những nhànghiên cứu đều có thể nêu được những công dụng của chúng Trấu được sửdụng làm chất đốt hay trộn với đất sét làm vật liệu xây dựng…

Hình 1.2: Vỏ trấu

Trấu là lớp vỏ ngoài cùng của hạt lúa và được tách ra trong quá trình xayxát Trong vỏ trấu có chứa khoảng 75% chất hữu cơ dễ bay hơi sẽ cháy trongquá trình đốt và khoảng 25% còn lại sẽ chuyển thành tro (theo EnergyEfficiency Guide for Industry in Asia)

1.2.1.2 Cấu tạo của vỏ trấu

Vỏ trấu do vảy lá và mày hoa tạo thành Cả hai thành phần này được ghépliền với nhau theo nếp dọc bằng một nếp gấp cài vào nhau Phần trên của haimảnh của vỏ trấu chuyển thành đoạn cuối của vỏ trấu và cuối cùng kết thúcthành một cái râu

Bảng 1.1:Thành phần hóa học của vỏ trấu

Thành phần chủ yếu của tro trấu là xenlulo, silic dioxit, cả hai chất này đều

có khả năng hấp phụ kim loại

1.2.1.3 Các đặc trưng và tính chất hóa lý của vỏ trấu

Tùy theo từng loại trấu mà trấu có chiều dài từ (5 – 10)mm, chiều ngangbằng (1/2 – 1/3) chiều dà Góc nghỉ của trấu từ (35 – 50)0 tùy theo độ ẩm vàđiều kiện môi trường Vỏ trấu không cháy dễ dàng với ngọn lửa trừ khi cókhông khí thổi qua Vỏ trấu có khả năng chống ẩm và mục rữa nên nó là vậtliệu cách nhiệt tốt

Tro trấu chứa nhiều SiO2 gây nên hiện tượng ăn mòn các loại lò sử dụng vỏtrấu làm chất đốt

Bảng 1.2: Thành phần của tro trấu :Thành phần chính của tro trấu Hàm lượng

(Nguồn: Đặng Thị Thanh Bình, Nguyễn Ngọc Bích 2007)

Trong tro trấu có chứa một lượng lớn silic dioxit nên có khả năng hấp phụ kim loại Đã có nhiều nghiên cứu tách silic dioxit từ trấu để xử lý nước và đã được ứng dụng tại một số nơi, phát triển khả năng ứng dụng của tro trấu trongviệc xử lý nước giúp làm giảm ô nhiễm môi trường do vỏ trấu và tận dụng được nguồn nguyên liệu dồi dào

Bảng 1.3 : Đặc điểm của tro trấuDiện tích bề mặt (m2/g) 57,5

Đường kính (m) 3,02.10-4

(Nguồn: Tarun Kumar Naiyaa ,2009)

Diện tích bề mặt của tro trấu khá lớn nên tro trấu có khả năng hấp phụ cácchất như kim loại nặng, các hợp chất hữu cơ…

Vỏ trấu khó xử lý vì cồng kềnh và bụi bặm Khối lượng riêng của vỏ trấuthấp, khoảng (70 – 110)kg/m3 do đó đòi hỏi không gian lớn để lưu trữ và vậnchuyển Khi đốt cháy vỏ trấu tạo ra một lượng tro khoảng (17 – 26)% cao hơnrất nhiều so với gỗ (0,2 – 2)% và than đá (12,2%) Dẫn đến có một khối lượnglớn tro trấu cần phải được xử lý Trấu có giá trị nhiệt lượng trung bình cao(khoảng 3410kcal/kg) Do đó, nó là một nguồn năng lượng tái tạo tốt

1.2.2 Tình hình phát triển của lúa gạo trên thế giới và Việt Nam

1.2.2.1 Tình hình phát triển của lúa gạo trên thế giới

Thantrau (2015), Lúa gạo là một loại lương thực quan trọng đối với 3,5 tỷngười, chiếm 50% dân số thế giới Theo thống kê của tổ chức lương thực thếgiới FAO năm 2015 sản lượng lúa gạo đạt 749,1 triệu tấn tăng 1% so với năm

2014 (741,8 triệu tấn) và có xu thế tăng trong những năm tiếp theo

Sản lượng lúa gạo tại châu Á chiếm tới 90,4% toàn thế giới, tức là 677,7triệu tấn Tỷ lệ này vẫn đang liên tục tăng vì vấn đề dân số gia tăng ở khu vựcnày Theo thống kê, sản lượng lúa gạo cao chủ yếu nhờ sản lượng tăng mạnhtại Trung Quốc, Ấn Độ, Thái Lan, Pakistan và Việt Nam Trong đó, sản lượnglúa gạo của Việt Nam năm 2015 đạt tới 44,7 triệu tấn

Sản lượng lúa gạo tại Châu Phi đạt 28,7 triệu tấn, tăng 0,8% so với sảnlượng năm 2014 Sản lượng tăng tại các nước Tây Phi đã bù đắp những thiếuhụt do sự suy giảm tại một nước ở Đông và Nam Phi

Tại vùng trung Mỹ và Caribe sản lượng lúa gạo duy trì ở mức ổn định 3triệu tấn Vùng nam Mỹ sản lượng lúa gạo đạt 25,4 triệu tấn năm 2015 tăng2,7% so với cùng kỳ năm 2014 Sản lượng lúa gạo tại châu Âu giữ ở mức ổnđịnh đạt 4.1 triệu tấn năm 2015

Hình 1.3: Sản lượng và diện tích trồng lúa gạo thế giới

1.2.2.2 Tình hình sản xuất lúa gạo tại Việt Nam.

Theo ThanTrau (2015), Việt Nam là một nước nhiệt đới gió mùa có chiềudài bờ biển lên tới 3000km, địa hình phức tạp nhiều sông núi, do đó hìnhthành nhiều vùng canh tác lúa khác nhau Căn cứ vào điệu kiện tự nhiên, tậpquán canh tác, sự hình thành mùa vụ và phương pháp gieo trồng, nghề trồnglúa nước được hình thành và chia ra là 3 vùng chính: đồng bằng sông Hồng,đồng bằng ven biển miền Trung và đồng bằng Nam Bộ

Bảng 1.4: Diện tích và sản lượng lúa gạo của Việt Nam từ năm 2000-2013

(Nguồn: thantrau, 2015)

Theo bảng thống kê diện tích và sản lượng lúa của cả nước, nhận thấyrằng bắt đầu từ năm 2000 đến năm 2007 diện tích trồng lúa giảm từ 7.666nghìn ha xuống 7.207 nghìn ha và từ năm 2007 trở đi diện tích trồng lúa có xuhướng tăng trở lại và đạt 7.899 nghìn ha vào năm 2013 Diện tích của vụ lúamùa có xu hướng giảm dần, còn diện tích của vụ đông xuân thì tăng dần theotừng năm Diện tích vụ hè thu giữ ở mức ổn định và bắt đầu có xu hướng tăng

từ năm 2010

Từ năm 2005 trở lại đây sản lượng lúa gạo có xu thế tăng dần Ngoài việctăng diện tích trồng lúa thì việc ứng dụng khoa học kỹ thuật vào nông nghiệpbằng việc tạo ra những giống lúa mới có năng suất cao, chống chọi được vớinhiều loại sâu bệnh cũng góp phần nâng cao sản lượng lúa gạo của cả nước Theo số liệu thống kê cứ mỗi tấn lúa tạo ra khoảng 200 kg vỏ trấu (vỏ trấuchiếm khoảng 20% khối lượng thóc) Như vậy, trung bình hàng năm thế giớitạo ra khoảng 150 triệu tấn vỏ trấu, lượng trấu của Việt Nam khoảng 8,94triệu tấn chiếm khoảng 5,96% lượng trấu thế giới Hiện nay, lượng trấu nàyvẫn chưa được tận dụng một cách hợp lý nhất là ở những nước đang pháttriển, trong đó có Việt Nam Phần lớn vỏ trấu được đốt hoặc đổ thẳng ra hệthống kênh mương gây ô nhiễm môi trường

Sản lượng lúa gạo của thế giới nói chung và Việt Nam nói riêng đang có

xu hướng gia tăng, điều đó đồng nghĩa với việc lượng vỏ trấu thải ra ngàycàng nhiều Do đó, tìm một giải pháp xử lý hiệu quả vỏ trấu là một bài toánhết sức cấp bách

1.2.3 Ứng dụng của vỏ trấu

1.2.3.1 Xử lý nước thải bằng vỏ trấu

Trung bình hàng năm thế giới tạo ra khoảng 150 triệu tấn vỏ trấu, lượngtrấu của Việt Nam khoảng 8,94 triệu tấn, đây là nguồn nguyên liệu khổng lồcho việc nghiên cứu xử lý nước bằng vỏ trấu

Lê Văn Cát, Trần Thị Kim Thoa ( 2003), đã chế tạo than từ vỏ trấu hấpphụ P-nitrophenol Than trấu được chế tạo theo phương pháp nhiệt phân yếmkhí trong khoảng nhệt độ từ 500 – 900 oC với thời gian từ 1 – 3 giờ, tác nhân

hoạt hóa là sô đa được tẩm vào trấu với hàm lượng từ 0 – 30 % Than sảnphẩm được rửa sạch Kết quả hấp phụ tuân theo phương trình đẳng nhiệtFreundlich có gia trị n cao nhất là 2,735

Trần Văn Đức (2012), Nghiên cứu hấp phụ ion kim loại nặng Cu2+ và Zn2+

trong nước bằng vật liệu SiO2 tách từ vỏ trấu Quy trình biến tính: vỏ trấu rửasạch, nung ở 800oC được tro trấu, thêm dung dịch NaOH 5M đun nóng, lọc ,rửa sach Thêm dung dịch HCl 4M được dung dịch dạng gel Đem hỗn hợpnày sấy ở 100oC thu được SiO2.nH2O Cuối cùng đem SiO2.nH2O nung tạothành SiO2 Kết quả hấp phụ được miêu tả bằng mô hình hấp phụ đẳngnhiệt langmuir có dung lượng hấp phụ cực đại qmax của Cu2+ và Zn2+ là 1,787

và 1,826

Nguyễn Văn Hội (2005), Nghiên cứu chế tạo vật liệu từ vỏ trấu để táchkim loại chì trong nước Quy trình biến tính: Lấy một lượng vỏ trấu đã đượclàm sạch, cho vào dung dịch NaOH 0,1M, tiến hành khuấy trộn trong 1 giờ ởnhiệt độ phòng, sau đó lấy phần vỏ trấu cho vào nước cất, khuấy trộn trong 45phút ở nhiệt độ phòng, quá trình được lặp lại đến khi hết kiềm Lấy vỏ trấu ởtrên cho vào axit xitric 0,6M để phản ứng trong 12 giờ ở 70 oC Sau đó lọc lấyphần vỏ trấu đem sấy khô ở nhiệt độ 110 oC Phần vỏ trấu được rửa sạch trênphễu lọc để loại bỏ hết axit và đêm sấy khô ở 80 oC trong vòng 3 giờ.Kết quảhấp phụ được miêu tả bằng mô hình hấp phụ đẳng nhiệt langmuir có qmax =30,8 mg/g

Theo Lương Văn Để, làm thiết bị lọc nước từ chất liệu vỏ trấu theo cáchtách ôxit silic (SiO2) từ trấu để tạo ra sứ xốp chất lượng cao, làm sản phẩm lọcnước Thiết bị này có thể lọc nước sông, hồ thành nước sạch với tốc độ lọctinh 0,7 lít/phút, áp lực bơm nước máy đạt 3 lít/phút Nước sạch này không cótác hại phụ do dùng hoá chất, bảo đảm khả năng diệt khuẩn (trong thời hạnbảo hành 12 tháng), giữ được các yếu tố vi lượng có lợi cho cơ thể trongnguồn nước tự nhiên Thiết bị còn có khả năng khử được mùi ở nguồn nước ônhiễm, khử chất dioxin khi mắc nối tiếp một bình lọc có ống lọc bằng thanhoạt tính

1.2.3.2 Sử dụng vỏ trấu làm chất đốt

Nguyễn Văn Nghị (2012),Từ lâu, vỏ trâu đã là một loại chất đốt rất quenthuộc với bà con nông dân, đặc biệt là bà con nông dân ở vùng đồng bằngsông Cửu Long Chất đốt từ vỏ trấu được sử dụng rất nhiều trong cả sinh hoạt(nấu ăn, nấu thức ăn gia súc) và sản xuất (làm gạch, sấy lúa) nhờ những ưuđiểm sau:

Trấu có khả năng cháy và sinh nhiệt tốt do thành phần có 75% là chất xơ: Trấu là nguồn nguyên liệu rất dồi dào và lại rẻ tiền: Sản lượng lúa năm

2007 cả nước đạt 37 triệu tấn, trong đó, lúa đông xuân 17,7 triệu tấn, lúa hèthu 10,6 triệu tấn, lúa mùa 8,7 triệu tấn (Nguồn Bộ Nông Nghiệp và phát triểnNông Thôn) Như vậy lượng vỏ trấu thu được sau xay xát tương đương 7,4triệu tấn Sản lượng trấu có thể thu gom được ở đồng bằng sông Cửu Long lêntới 1,4 – 1,6 triệu tấn (lang, 2006)

Nguyên liệu trấu có các ưu điểm nổi bật khi sử dụng làm chất đốt: Vỏ trấusau khi xay xát luôn ở dạng rất khô, có hình dạng nhỏ và rời, tơi xốp, nhẹ, vậnchuyển dễ dàng Thành phần là chất xơ cao phân tử rất khó cho vi sinh vật sửdụng nên việc bảo quản, tồn trữ rất đơn giản, chi phí đầu tư ít Chính vì các lý

do trên mà trấu được sử dụng làm chất đốt rất phổ biến

1.2.3.3 Sử dụng vỏ trấu tạo thành củi trấu

Củi trấu là một dạng năng lượng tái sinh, chi phí thấp, thay thế được than

đá, dầu DO, FO , giảm chi phí xử lý môi trường, tăng tuổi thọ của thiết bị vàthu nhập cho nông dân

Nguyễn Văn Nghị, với việc sản xuất thành công củi trấu có thể sử dụngnhiệt lượng của nó để sản xuất điện năng, làm vật liệu xây dựng, sản xuất ôxitsilic, nhờ khả năng đốt cháy mạnh và rẻ có thể ứng dụng hơi nóng sinh ra khiđốt nóng không khí bằng củi trấu để làm quay tua bin phát điện Theo tínhtoán mỗi kg củi trấu có thể tạo ra 0,125kWh điện và 4kW giờ nhiệt tùy theocông nghệ

Sản xuất củi từ vỏ trấu là một hướng đi khả thi nhất hiện nay để giải quyếtlượng trấu dư thừa Cứ 1,05 kg trấu sẽ cho ra 1 kg củi trấu thành phẩm dạng

ống với giá thành giảm được khoảng 20%-25% so với than đá, than cám, dầuFO.

1.2.3.4 Sử dụng vỏ trấu trong việc tạo sản phẩm công nghệ cao

Ứng dụng sơn nano

So với sơn thông thường, sơn nano có các tính năng ưu việt như khôngđộc, hàm lượng các chất hữu cơ bay hơi (VOC) thấp, khả năng siêu chịu nhiệtchống chịu thời tiết, chống ăn mòn, tự làm sạch, chịu mài mòn cao ; đồngthời rất thân thiện môi trường nhờ giảm hơn 50% nguyên liệu từ dầu mỏ,giảm phát thải CO2

Nguyễn Thị Hòe cùng các cộng sự đã mở ra một bước tiến mới trong sảnxuất sơn nano, đó là sử dụng nguyên liệu từ vỏ trấu Các hạt silicat SiO2,thành phần quan trọng trong sản xuất sơn nano, cũng là thành phần hóa họcchủ yếu của vỏ trấu, chiếm tới 9,5 - 10% khối lượng vỏ trấu, đã được nhómnghiên cứu tách thành công Đặc biệt, nano silicat từ vỏ trấu không độc hại,với hàm lượng VOC = 0, rất thân thiện môi trường, đặc thù sản phẩm có chấtlượng cao hơn so với các nguyên liệu khác, có thể được ứng dụng trong nhiềulĩnh vực như sơn, chống thấm, mỹ phẩm, dược phẩm, vi tính

Các sản phẩm nano từ vỏ trấu do đó có chất lượng thậm chí còn cao hơn

so với từ các vật liệu khác, chẳng hạn có thể giúp giảm nhiệt độ mái tôn từ 8 10% Mặt khác, việc sản xuất sơn từ vỏ trấu còn mang một ý nghĩa vô cùng tolớn trong việc bảo vệ môi trường, làm giảm sự ấm lên toàn cầu do ít sử dụngnguyên liệu từ chất hữu cơ, đặc biệt là dầu mỏ

-1.2.3.5 Các ứng dụng khác của vỏ trấu

Một số ứng dụng khác của vỏ trấu: Không dừng ở các ứng dụng trên, vỏtrấu còn có thể dùng làm thiết bị cách nhiệt, làm các sản phẩm mĩ nghệ làmchất độn, giá thể trong sản xuất nấm, dùng đánh bóng các vật thể bằng kimloại, tro trấu có thể dùng làm phân bón

Việt Nam là một nước nông nghiệp nên hằng năm có một lượng trấu rấtlớn được tạo ra nên việc nghiên cứu sử dụng trấu vào sản xuất luôn mang lạihiệu 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 tăngcường việc nghiên cứu ứng dụng nguồn nguyên liệu này nhằm mở rộng khảnăng sử dụng trấu vừa tiết kiệm chi phí sản xuất, vừa có lợi cho môi trường

1.3 Cơ sở lý thuyết của hấp phụ

1.3.1 Sự hấp phụ

Theo Phan Xuân Vận, Nguyễn Tiến Quý (2006) đã đưa ra: Sự hấp phụ làhiện tượng bề mặt nhằm thu hút các chất bị hấp phụ lên bề mặt chất hấp phụ,làm giảm sức căng bề mặt của chất hấp phụ

Trần Văn Nhân, Hồ thị Nga (2005) cho rằng: Hấp phụ là quá trình tụ tập(chất chứa, chất hút) các phân tử khí, hơi hoặc các phân tử, ion của các chấttan lên bề mặt chia pha, có thể là lỏng – rắn, khí – lỏng hay khí – rắn Chất màtrên bề mặt của nó có sự hấp phụ xảy ra gọi là chất hấp phụ (adsorbate), cònchất tụ tập trên bề mặt phân chia được gọi là chất bị hấp phụ (adsorbent) Thông thường quá trình hấp phụ là quá trình tỏa nhiệt

Tùy theo bản chất lực tương tác giữa chất hấp phụ và chất bị hấp phụ,người ta phân biệt hấp phụ vật lý và hấp phụ hóa học Hấp phụ vật lý gây rabởi lực Vander Waals giữa phần tử chất bị hấp phụ và bề mặt chất hấp phụ,liên kết này yếu, dễ bị phá vỡ Hấp phụ hóa học gây ra bởi lực liên kết hóahọc giữa bề mặt chất hấp phụ và phần tử chất bị hấp phụ, liên kết này bền,khó bị phá vỡ trong thực tế sự phân biệt giữa hấp phụ vật lý và hấp phụ hóahọc chỉ là tương đối vì ranh giới của chúng không rõ rệt Một số trường hợptồn tại cả quá trình vật lý và quá trình hóa học Ở vùng nhiệt độ thấp, xảy raquá trình hấp phụ vật lý, khi tăng nhiệt độ khả năng hấp phụ vật lý giảm vàkhả năng hấp phụ hóa học tăng lên

Ngược với quá trình hấp phụ là quá trình giải hấp phụ Giải hấp phụ là sự

ra đi của chất bị hấp phụ khỏi bề mặt chất hấp phụ Quá trình này dựa trênnguyên tắc sử dụng các yếu tố bất lợi đối với quá trình hấp phụ Đây làphương pháp tái sinh vật liệu hấp phụ nên nó mang đặc trưng về hiệu quả

kinh tế Các phương pháp tái sinh vật liệu hấp phụ gồm: Phương pháp hóa lý,phương pháp nhiệt, phương pháp vi sinh.

1.3.2 Cân bằng hấp phụ.

Theo Lê Văn Cát (2002), hấp phụ vật lý là một quá trình thuận nghịch, cácphần tử chất bị hấp phụ khi đã hấp phụ trên bề mặt chất hấp phụ vẫn có thể dichuyển ngược lại pha mang (hỗn hợp tiếp xúc với chất hấp phụ) Theo thờigian, lượng chất bị hấp phụ tích tụ trên bề mặt chất hấp phụ càng nhiều thì tốc

độ di chuyển ngược trở lại pha mang càng lớn Đến một thời điểm nào đó, tốc

độ hấp phụ bằng tốc độ phản hấp phụ thì quá trình hấp phụ đạt cân bằng Dung lượng hấp phụ cân bằng (q) là khối lượng chất bị hấp phụ trên mộtđơn vị khối lượng chất hấp phụ ở trạng thái cân bằng ở điều kiện xác định vềnồng độ và nhiệt độ Dung lượng hấp phụ được tính theo công thức:

q = * V (1.1)

1.3.3 Hiệu quả quá trình hấp phụ

Theo Lê Văn Cát (2002), hiệu suất hấp phụ (H) là tỷ số giữa nồng độ dungdịch bị hấp phụ và nồng độ dung dịch ban đầu:

- Khuếch tán của các chất hấp phụ từ pha lỏng đến bề mặt chất hấp phụ

- Khuếch tán bên trong hạt hấp phụ

- Giai đoạn hấp phụ thực sự: các phần tử bị hấp phụ chiếm chỗ các trung tâmhấp phụ.

Trong tất cả các giai đoạn đó, giai đoạn nào có tôc độ chậm nhất sẽ quyếtđịnh toàn bộ quá trình động học hấp phụ Với hệ hấp phụ trong môi trườngnước, quá trình khuếch tán thường chậm và đóng vai trò quyết định Tốc độhấp phụ (v) là biến thên nồng độ chất bị hấp phụ theo thời gian

Trong đề tài này, tôi nghiên cứu cân bằng hấp phụ của vật liệu hấp phụ đốivới ion chì trong môi trường nước theo mô hình đường đẳng nhiệt hấp phụLangmuir

Phương trình đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir được xây dựng dựa trên các giảthuyết:

- Tiểu phân bị hấp phụ liên kết với bề mặt tại những trung tâm xác định

- Mỗi trung tâm chỉ hấp phụ một tiểu phân

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

Phương trình biểu diễn quá trình hấp phụ trong môi trường nước có dạng: = = (1.3)

Trong đó:

- Ccb: nồng độ chất bị hấp phụ ở trạng thái cân bằng (mg/l)

- q, qmax: dung dịch hấp phụ và dung lượng hấp phụ cực đại (mg/g)

- : độ che phủ.

- K; hằng số Langmuir

Phương trình (1.3) chứa hai thông số là qmax và hằng số K Dung lượnghấp phụ cực đại qmax có một giá trị xác định tương ứng với số tâm hấp phụ cònhằng số K phụ thuộc cặp tương tác giữa chất hấp phụ, chất bị hấp phụ và nhiệtđộ

Khi nồng độ chất bị hấp phụ nằm giữa hai giới hạn trên thì đường đẳngnhiệt biểu diễn là một đoạn cong

Với phương pháp đồ thị, phương trình (1.3) được viết dưới dạng đườngthẳng:

O Ccb (mg/l)Hình 1.5: Sự phụ thuộc Ccb/q vào Ccb

Từ đồ thị sự phụ thuộc của Ccb/q vào Ccb dễ dàng tính được qmax và hằng số K