KHOA MÔI TRƯỜNG ------ TRẦN THỊ THÚY LIÊN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO THAN HOẠT TÍNH TỪ MỤN DỪA BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐỐT YẾM KHÍ ĐỂ ỨNG DỤNG TRONG XỬ LÝ NƯỚC Hà Nội, 2014... TRƯỜ
Trang 1KHOA MÔI TRƯỜNG
- -
TRẦN THỊ THÚY LIÊN
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO THAN HOẠT TÍNH
TỪ MỤN DỪA BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐỐT YẾM KHÍ
ĐỂ ỨNG DỤNG TRONG XỬ LÝ NƯỚC
Hà Nội, 2014
Trang 2TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG HÀ NỘI
KHOA MÔI TRƯỜNG
- -
TRẦN THỊ THÚY LIÊN
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO THAN HOẠT TÍNH
TỪ MỤN DỪA BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐỐT YẾM KHÍ
ĐỂ ỨNG DỤNG TRONG XỬ LÝ NƯỚC
Chuyên ngành : Công nghệ Kỹ thuật Môi trường
Mã ngành: 52510406
Người hướng dẫn : Th.s Trần Hữu Quang
Th.s Lê Thu Thủy
Hà Nội, 2014
Trang 3MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
DANH MỤC BẢNG
DANH MỤC HÌNH
MỞ ĐẦU 1
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 4
1.1 Đôi nét về hấp phụ và chất hấp phụ 4
1.1.1 Hấp phụ vật lý 4
1.1.2 Hấp phụ hóa học 4
1.1.3 Hấp phụ trong môi trường nước 5
1.1.4 Giải hấp phụ 5
1.1.5 Chất hấp phụ 6
1.1.5.1 Chế tạo chất hấp phụ 6
1.1.5.2 Cấu trúc chất hấp phụ 6
1.1.5.3 Một số chất hấp phụ 8
1.2 Than hoạt tính 8
1.2.1 Phương pháp chế tạo than hoạt tính hiện nay 8
1.2.2 Nghiên cứu cấu trúc của than hoạt tính 12
1.2.3 Phương pháp đánh giá khả năng hấp phụ chất hữu cơ 13
1.2.4 Sử dụng than hoạt tính trong công nghệ xử lý nước và nước thải 14
1.2.5 Tình hình nghiên cứu về than hoạt tính 14
1.2.5.1 Tình hình nghiên cứu trên thế giới 15
1.2.5.2 Tình hình nghiên cứu trong nước 17
CHƯƠNG 2 THỰC NGHIỆM 18
2.1 Đối tượng nghiên cứu, mục tiêu nghiên cứu 18
2.2 Nội dung nghiên cứu 18
2.3 Phương pháp nghiên cứu 18
2.3.1 Thu thập số liệu 18
Trang 42.3.2 Phương pháp thực nghiệm 18
2.4 Phương pháp phân tích 19
2.4.1 Phân tích nhiệt vi sai (DTA) 19
2.4.2 Độ xốp và thể tích xốp 19
2.4.3 Độ tro 20
2.4.4 Phương pháp kính hiển vi điện tử quét (SEM) 20
2.4.5 Chỉ số Iod 20
2.4.6 Phương pháp BET (Brunnauer, Emmett, Teller) 22
2.5 Hóa chất và vật liệu 22
2.5.1 Hóa chất 22
2.5.2 Vật liệu 22
2.6 Chế tạo than hoạt tính 23
2.6.1 Đánh giá cấu trúc nguyên liệu thô 23
2.6.2 Phương pháp chế tạo 23
2.6.2.4 Khảo sát khả năng hấp phụ p-nitrophenol trên than 25
CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ 27
3.1 Kết quả phân tích nhiệt vi sai mẫu mụn dừa thô 27
3.2 Kết quả phân tích EDX mẫu mụn dừa thô 28
3.3 Kết quả đánh giá chất lượng than thu được sau mỗi thí nghiệm 29
3.3.1 Đặc trưng tính chất của than (hoạt hóa bởi axit H3PO4) 29
3.3.2 Đặc trưng tính chất của than (hoạt hóa bởi NaOH) 30
3.3.3 Đặc trưng tính chất của than (hoạt hóa bởi Na2CO3) 31
3.4 Kết quả chụp SEM 33
3.4 Kết quả đo diện tích bề mặt BET 35
3.5 Kết quả khảo sát khả năng hấp phụ p-nitrophenol 36
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 38
* Kết luận 38
* Kiến nghị 38
TÀI LIỆU THAM KHẢO 39
Trang 5LỜI CẢM ƠN
Với lòng biết ơn sâu sắc nhất em xin gửi tới PGS.TS Lê Văn Cát đã tạo điều kiện tốt nhất cho em hoàn thành đồ án này
Em xin chân thành cảm ơn Th.S Trần Hữu Quang, ThS Lê Thu Thủy đã tận tâm hướng dẫn, chỉ bảo và giúp đỡ em trong thời gian thực hiện đồ án
Em cũng xin cảm ơn các cán bộ Phòng Hóa Môi trường - Viện Hóa học và các thầy cô Trường Đại Học Tài Nguyên Môi Trường Hà Nội đã giúp đỡ em để hoàn thành đồ án
Do kiến thức còn nhiều hạn chế nên sẽ không tránh khỏi những sai sót trong
đồ án này Em rất mong nhận được sự đóng góp quý báu từ quý thầy cô
Và em muốn gửi lời cảm ơn tới gia đình và bạn bè đã quan tâm, động viên và giúp đỡ tôi hoàn thành tốt đồ án này
Sau cùng, em xin kính chúc toàn thể cán bộ Phòng Hóa Môi trường, Viện Hóa học và các thầy cô giáo Trường Đại Học Tài Nguyên Môi Trường Hà Nội sức khỏe, công tác tốt
Trân Trọng!
Hà Nội, Ngày 10 tháng 06 năm 2014
Sinh viên thực hiện
Trần Thị Thúy Liên
Trang 6DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
BET Đẳng nhiệt hấp phụ-giải hấp phụ nitơ (the Brunauer-Emmett-Teller) SEM Phương pháp hiển vi điện tử quét (Scanning Electron Microscopy)
EDX Phổ tán xạ năng lượng tia X (Energy-Dispersive X-ray spectroscopy)
IUPAC
Danh pháp Hóa học theo Liên minh Quốc tề về Hóa học thuần túy và Hóa học ứng dụng (International Union of Pure and Applied Chemistry
Nomenclature)
Trang 7DANH MỤC BẢNG
Bảng 1.1 Nguyên liệu và tỷ trọng của từng nguyên liệu trong sản xuất than
Bảng 2.1 Quy trình chế tạo than hoạt tính từ mụn dừa hoạt hóa với axit H3PO4 24 Bảng 2.2 Quy trình chế tạo than hoạt tính từ mụn dừa hoạt hóa với NaOH 24 Bảng 2.3 Quy trình chế tạo than hoạt tính từ mụn dừa hoạt hóa với Na2CO3 25
Bảng 3.1 Thành phần các nguyên tố hóa học của mụn dừa thô 28 Bảng 3.2 Kết quả phân tích các mẫu than tẩm axit H3PO4 29
Bảng 3.3 Kết quả phân tích các mẫu than tẩm NaOH 30 Bảng 3.4 Kết quả phân tích các mẫu than tẩm Na2CO3 32 Bảng 3.5 Khả năng hấp phụ p- nitrophenol của than 37 Bảng 3.6 Hiệu suất xử lý p-nitrophenol của than được hoạt hóa với H3PO4 37
Trang 8DANH MỤC HÌNH
Hình 2.1 Lò nung và cách bố trí đốt yếm khí trong lò 23
Hình 3.1 Giản đồ phân tích nhiệt vi sai của mụn dừa thô 27 Hình 3.2 Giản đồ biểu diễn thành phần các nguyên tố có trong mẫu mụn dừa thô 28 Hình 3.3 Mối liên hệ giữa chỉ số iod và hàm lượng H3PO4 30 Hình 3.4 Mối liên hệ giữa chỉ số iod và hàm lượng NaOH 31 Hình 3.5 Mối liên hệ giữa chỉ số iod và tỉ lệ hóa chất tẩm Na2CO3 32 Hình 3.6 Một số ảnh vi quét điện tử của mụn dừa thô và than hoạt tính 33,34
Hình 3.8 Mối tương quan giữa lượng nitơ hấp phụ với thể tích mao quản
Hình 3.9 Mối tương quan giữa lượng nitơ hấp phụ với thể tích mao quản
Trang 9MỞ ĐẦU
Nhờ những tiến bộ không ngừng của khoa học và công nghệ, cuộc sống của con người ngày càng tiện nghi hơn Tuy nhiên, cùng với việc tạo ra tiện nghi về mặt vật chất, những công trình khoa học, thì mặt trái của công nghiệp hiện đại là tạo ra ô nhiễm môi trường
Nước ta có trên 70% dân số sống ở nông thôn và khoảng 80% số dân đó chưa được tiếp cận với nguồn cấp nước sạch Trong khi đó tình trạng ô nhiễm nguồn nước sinh hoạt ở nông thôn và miền núi đang trở nên rất nghiêm trọng Nước từ nguồn nước ngầm (giếng khoan) bị ô nhiễm bởi các kim loại nặng (arsen, sắt, mangan), chất hữu cơ, amoni… Nguồn nước mặt (ao, hồ, sông, suối, kênh rạch, giếng khơi…) cũng bị ô nhiễm nặng bởi các chất hữu cơ, hóa chất từ các khu công nghiệp, nguồn phân bón hóa học, thuốc bảo vệ thực vật và các vi khuẩn gây bệnh… Nguồn nước mưa cũng không còn được coi là an toàn Nó cũng đã bị ô nhiễm khá nặng bởi khói bụi từ các khu công nghiệp, do các phương tiện giao thông vận chuyển, quá trình bốc hơi của các loại thuốc trừ sâu, thuốc bảo vệ thực vật và các loại chất ô nhiễm khác qua các dụng cụ thu gom
Ở nông thôn, chất lượng nước sinh hoạt chỉ đáp ứng được tiêu chuẩn cảm quan về màu và mùi hay cặn lơ lửng còn các yếu tố gây độc còn nằm ngoài tầm kiểm soát Ví dụ: nước cấp cho sinh hoạt tại thành phố Hà Nội (nguồn nước ngầm) chứa tới 300 - 400 chất hữu cơ khác nhau có nguồn gốc từ tự nhiên hay hình thành trong quá trình xử lý, chuyển tải, tàng trữ
Việc xử lý nước sinh hoạt ở nông thôn chủ yếu bằng các công nghệ truyền thống và thủ công qua vật liệu lọc đơn giản là cát, sỏi… Phương pháp truyền thống này không loại trừ được hết các chất ô nhiễm Các thiết bị lọc nước nhập ngoại sử dụng màng (RO-Reversed Osmosis, Nano, ) đã được sử dụng để lọc nước uống, qua thực tế sử dụng được đánh giá là không có khả năng thích ứng đối với các nguồn nước chưa xử lý qua lọc thô và lọc tinh ở nông thôn
Một trong những kỹ thuật xử lý nước có hiệu quả đối với nhiều đối tượng gây hại là phương pháp hấp phụ trên than hoạt tính - xử lý chất hữu cơ và trong chừng mực nào đó là xử lý kim loại nặng Than hoạt tính còn đóng vai trò như vật liệu cố định vi sinh, loại có tác dụng xử lý thêm một số loại độc tố [15,9]
Trang 102
Hơn nữa, những phế liệu nông nghiệp như trấu, vỏ lạc, xơ dừa, lõi ngô, thân cây ngô, vỏ quả măng cụt, vỏ cà phê, vỏ hạt điều, hạt vải, hạt nhãn, hạt trám, hạt cao su, thân cây lạc, đỗ, vỏ quả mít, bã mía là nguồn nguyên liệu sẵn có cần được
xử lý và có hiệu quả rất cao nếu được biến tính hoặc chuyển hóa thành dạng hữu hiệu ứng dụng cho mục đích xử lý nước cấp quy mô hộ gia đình và vùng dân cư
Ở Việt Nam, tồn tại nhiều phế phẩm nông nghiệp với trữ lượng rất lớn vẫn chưa được thu gom, chế biến thành các loại sản phẩm có chất lượng cao, ứng dụng cho xử lý nước sinh hoạt, xử lý nước thải, xử lý mùi và lọc không khí Ngoài tính năng hấp phụ và hấp thụ nó còn được sử dụng làm chất mang vi sinh (Bio-film) rất hiệu quả cho các ứng dụng công nghệ về môi trường và năng lượng
Hiện nay, một trong số các phế phẩm nông nghiệp có tiềm năng nhất là phế thải từ quả dừa như gáo dừa và mụn dừa Ở Việt Nam, có nơi đã sản xuất than gáo dừa Trà Bắc có chất lượng khá tốt, tuy nhiên giá thành của nó còn cao và chủ yếu được xuất khẩu sang nước ngoài Trong khi đó, bã thải mụn dừa cũng có khả năng chế tạo thành loại than hoạt tính có chất lượng cao thì ít được nghiên cứu Nếu sản phẩm than từ mụn dừa mà được chế tạo thành công (loại than có chất lượng cao đáp ứng không chỉ cho vấn đề lọc nước uống trực tiếp, mà còn có thể sử dụng để lọc một số đồ uống cao cấp như rượu) thì đây là một sản phẩm có nhiều thị trường sử dụng
Do vậy, nhóm nghiên cứu chúng tôi quyết định chọn đề tài:
yếm khí để ứng dụng trong xử lý nước”
Mục đích của đồ án:
Mục đích của đồ án là nghiên cứu chế tạo than hoạt tính từ phế phẩm nông nghiệp, cụ thể là mụn dừa, ứng dụng trong xử lý nước cấp
Để thực hiện được mục đích trên, đồ án cần thực hiện những nội dung sau:
- Xác định đặc trưng của nguyên liệu thô
- Chế tạo than hoạt tính
Hiện nay tại phòng Hóa môi trường viện Hóa học đã than hóa mụn dừa ở các nhiệt độ khác nhau 4000C, 4500C, 5000C, 5500C, 6000C, 6500C, 7000C để theo dõi biến đổi trong cấu trúc của vật liệu mụn dừa: cấu trúc xốp, chỉ số iod, lựa chọn mẫu than có chất lượng tốt đem hoạt hóa [thực nghiệm]
Trang 11+ Đây chỉ là bước than hóa, tính chất của than thành phẩm thu được không tốt như loại than hoạt tính cần thiết cho mục đích xử lý nước cấp, ví dụ: diện tích bề mặt thấp, độ xốp không cao Vì vậy, cần kết hợp với giai đoạn hoạt hóa bằng hóa chất đồng thời gia nhiệt (phương pháp chế tạo than hoạt tính 2 giai đoạn), nếu chế tạo như vậy sẽ bị tốn năng lượng, thời gian
+ Trong đề tài này nhóm nghiên cứu chúng tôi chế tạo than hoạt tính chỉ qua một giai đoạn kết hợp cả than hóa và hoạt hóa ở 7000C trong vòng 2 giờ Với các chất hoạt hóa khác nhau: NaOH, H3PO4, Na2CO3 Lựa chọn than có chất lượng tốt hơn trong các mẫu đã hoạt hóa bằng cách đem xác định các thông số độ xốp, phân tích nhiệt vi sai, độ tro, chụp ảnh SEM, chỉ số iod, đo diện tích bề mặt (BET) và dung lượng hấp phụ chất hữu cơ (p-nitrophenol)
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
Nghiên cứu chế tạo than hạt tính từ phế liệu nông nghiệp (mụn dừa) tuy là sản phẩm không mới, nhưng chưa được chú ý đến như mụn dừa
Sản phẩm than thành phẩm thu được có những đặc trưng như xốp, có cấu trúc mao quản và chất lượng phù hợp để xử lý nước sinh hoạt, đặc biệt cung cấp hệ thống xử lý nước nhanh cho đồng bào vùng lũ
Về mặt kinh tế thì đây là phế liệu nông nghiệp sẵn có và tiềm năng ở Việt Nam, là một dạng vật liệu hấp phụ đặc biệt và giá thành hợp lý, phù hợp với điều kiện kinh tế của Việt Nam
Vì giới hạn thời gian thực hiện đồ án, nên hạn chế của đồ án là không thực hiện được bước sử dụng than hoạt tính thành phẩm để lắp ráp hệ thống pilot ứng dụng xử lý các chất hữu cơ trong nước sinh hoạt cho các hộ dân