HÓA LÝ NHÓM 8

Do đó, một quá trình kết hợp giữa lý thuyết và thực tế, bao gồm KMnO4 tiền oxy hóa, vôi và kết tủa tạo màu, hấp phụ FMBO và đông đặc PACl, được thực hiện trong nghiên cứu này để xử lý[r]

BÁO CÁO CHUYÊN ĐỀ NHÓM 8

XỬ LÍ NƯỚC THẢI CÓ HÀM LƯỢNG ASEN CAO BẰNG

PHƯƠNG PHÁP HÓA_LÍ KẾT HỢP

GVHD: HUỲNH TẤN NHỰT

DANH SÁCH THÀNH VIÊN

1 Phan Trọng Nghĩa - 13149258

2 Ngô Hải Đằn - 13149083

3 Bùi Thị Hồng Nhung - 13149283

4 Tràn Thị Mến - 13149234

5 Y Win Niê - 13149602

6 Nguyễn Thành Nam - 13149244

7 Lê Hoài Nam - 13149241

8 Nguyễn Văn Bảo - 13149017

9 Nguyễn Thụy Mỹ Hạnh - 13127063

10 Ngyễn Thụy Thanh Quyên - 13127209

11 Trần Mỹ Nương - 121149348

12 Lê Hồ Nguyên Ngọc – 12149324

13 Đinh Đặng Hoàng Sơn – 11149045

14.Nguyễn Tấn Tài – 13149337

15 Trần Minh Công - 13149036

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM TP.HCM KHOA MÔI TRƯỜNG VÀ TÀI NGUYÊN

MÔN HỌC : HÓA

Tóm tắt

Xử lý nước thải hàm lượng Asen cao bởi một quá trình vật lý-hóa học kết hợp

Hiệu suất của một quá trình mới kết hợp, bao gồm tiền oxy hóa, đồng kết tủa, hấp phụ và đông tụ đã được điều tra để xử lý asen nước thải công nghiệp hàm lượng cao KMnO4 đã được sử dụng để ôxi hóa As (III) As (V), trước tiên, trong khi đó tổng nồng độ asen giảm khoảng 9% Sau đó vôi và kim loại màu đồng kết tủa được thực hiện và nồng độ asen giảm từ

423 mg / L đến 6,8 mg / L Tiếp theo oxit sắt và mangan nhị phân (FMBO) hấp phụ và

polyaluminum clorua (PACl) quá trình đông tụ như là một xử lý cuối cùng loại bỏ hơn

99,88% asen resid-ual Khoảng 5.000 m3 nước thải công nghiệp, tập trung asen trung bình

465 mg / L, được an toàn xử lý và loại bỏ bởi một hệ thống quy mô thí điểm kết hợp Nồng

độ nước thải trung bình của hệ thống là 0,008 mg / L đáp ứng các giới hạn xả 0,05 mg / L, và tổng hiệu quả loại bỏ là 99,998% Kết quả thí điểm chỉ ra rằng quá trình kết hợp sẽ có lợi và thực tiễn trong xử lý nước thải có hàm lượng arsen cao, đặc biệt là xử lý tai nạn khẩn cấp của

ô nhiễm asen

1 Giới thiệu

Hầu hết các vấn đề môi trường thạch tín là kết quả của vận động trong điều kiện tự nhiên Tuy nhiên, nước thải từ các ngành công nghiệp như quá trình khai thác mỏ, luyện kim, dầu khí có hàm lượng arsen cao Văn học trước đó

đã cung cấp mô tả gen-Eral của độc asen và sức khỏe nguy hiểm, chẳng hạn như các bệnh về da, thần kinh và hệ tim mạch, cũng như ung thư da, bàng quang, thận, da, và phổi, nhiễm độc thạch tín đó là một mối quan tâm đến môi trường trên toàn thế giới

Nhiều kỹ thuật khác nhau, chẳng hạn như trao đổi ion, màng, đông tụ, làm mềm vôi, lượng mưa và hấp phụ, đã được phát triển cho loại bỏ asen từ nước Trong những năm gần đây, quan tâm nhiều hơn là quá trình hấp phụ

để xử lý asen và một loạt các vật liệu hấp phụ, chẳng hạn như vật liệu sinh học, oxit khoáng sản, than hoạt tính, hoặc nhựa polymer, được phát triển trên toàn thế giới và quá trình hấp phụ được xem xét việc là một các công nghệ hứa hẹn nhất Trong khi hầu hết các kỹ thuật hấp phụ có hiệu quả cho

As (V) loại bỏ, nhưng không thành công trong trường hợp của As (III) Lý

do là As (III) tồn tại như 1 chất trung lập với ái lực thấp Gần đây, vật liệu Fe-Mn-khoáng sản, chẳng hạn như sắt và mangan oxit kim loại nhị phân (FMBO), đã được nghiên cứu từ quá trình oxy hóa của As (III) và hấp phụ

As (V) đồng thời Tuy nhiên, đối với nước thải có nồng độ arsenic cao (>

400 mg / L), bất kỳ phương pháp điều trị duy nhất sẽ là không đủ để làm cho nước thải phù hợp với các giới hạn thải (ít hơn 0,05 mg / L)

Quá trình tiền oxy hóa của As (III) thường được sử dụng để loại bỏ bớt asen Tạo giàn mưa tủa công nhận là một kỹ thuật hữu ích để xử lí nồng độ cao của As (V) Miễn là nồng độ asen còn lại đã được giảm xuống một mức nhất định, quá trình hấp phụ sẽ rất thích hợp cho việc xử lí thêm Do đó, một quá trình kết hợp giữa lý thuyết và thực tế, bao gồm KMnO4 tiền oxy hóa, vôi và kết tủa tạo màu, hấp phụ FMBO và đông đặc PACl, được thực hiện trong nghiên cứu này để xử lý an toàn nước thải công nghiệp tập trung asen cao

Nghiên cứu được chia thành ưu hai giai đoạn thử nghiệm Giai đoạn đầu tiên là nghiên cứu trong phòng thí nghiệm bao gồm việc tối hóa quá trình tiền oxy hóa, kết tủa , hấp phụ và đông đặc, được tiến hành bằng cách sử dụng một máy khuấy sáu mái chèo Những ảnh hưởng của liều lượng chất oxy hóa, kết tủa, hấp phụ và chất kết tủa và thời gian phản ứng trên loại bỏ asen đã được nghiên cứu chi tiết Dựa trên hàng loạt kết quả thực nghiệm, trong giai đoạn thứ hai một hệ thống thí điểm quy mô được xây dựng và áp dụng để xử lý khoảng 5.000 m3 nước thải công nghiệp, tập trung asen trung bình 465 mg / L

2 Vật liệu và phương pháp

2.1 vật liệu

Thuốc tím (KMnO4, 99%), canxi hypoclorit(Ca (ClO) 2, 70%), vôi (CaO, 90%), sắt sulfat ngậm 7 phân tử nước (FeSO4 • 7H2 O, 95%), và PACl được sử dụng trong các thí nghiệm FMBO được tổng hợp bởi sự kết hợp của dung dịch KMnO4 và FeSO4 • 7H2 O stoichio-metric

Hình ảnh canxi Hypoclorit và Thuốc tím(KMnO4)

Hình ảnh minh họa vôi và FeSO4.7H2O

Nước thải chứa asen được lấy từ một nhà máy sản xuất axit sunfuric ở miền trung Trung Quốc Tổng nồng độ asen là 450-480 mg / L và As (III) trong nước thải là khoảng 120-150

mg / L Độ pH của nước thải thấp từ 2,31-2,62

Trong nước thải giới hạn xử lý asen là 0,05 mg / L và pH trong khoảng 6-9

2.2 Các thí nghiệm:

Để nghiên cứu các quá trình tiền oxy hóa, đồng kết tủa, hấp phụ và keo tụ, các thí nghiệm

đã được thực hiện với bộ máy Jar-test 6 mái chèo thông thường Số lượng KMnO4 và Ca (ClO)2 được thêm vào trong 500 ml nước thải asen hỗn hợp được pha trộn liên tục khoảng 2h tại 150 rpm ở nhiệt độ phòng (250 hoặc thay đổi không quá 50C) khi kết thúc quá trình tiền oxy hóa, vôi được bổ sung và các chất pha trộn loãng( bùn )được trộn khoảng 1h Sau khi phản ứng một giờ nữa, sau đó FeSO4.7 H2O được thêm vào nổi trên mặt và tiếp tục phản ứng với pha trộn nhanh (200 rpm) trong 10 giây, trộn chậm trong 2 phút và để lắng trong 30 phút Sau đó FMBO được thêm vào để kết thúc quá trình hấp phụ với tốc độ pha trộn 150 rpm trong 30 phút và các chất lơ lửng đã được ổn định trong nhiều giờ Cuối cùng, số lượng khác nhau của PAC được đưa vào hệ thống để thực hiện quá trình keo tụ Quá trình đông tụ bao gồm quá trình trộn nhanh trong 2 phút (200 rpm) và trộn chậm trong

15 phút (50 rpm), và hoàn thành trong khoang thời gian 30-120 phút

Tổng số nồng độ asen và As (III) được xác định bằng phép đo quang phổ nguyên tử.còn nồng độ Mn (II) được phân tích bởi máy quang phổ phát xạ plasma Kích thước hạt FMBO được đo ở thời điểm kết thúc khác nhau sử dụng 1 máy đo pH để đo PH

** Các dụng cụ quan trọng được sự dụng trong thí nghiệm:

Hình ảnh máy Jartest ( 6 vị trí)và máy quang phổ phát xạ plasma (ICP-OES).

Máy đo PH và máy đo quang phổ nguyên tử 2.3 Mô tả hệ thống quy mô thí điểm

Quy trình xử lý quy mô thí điểm đối với nước thải asen nồng độ cao như sau: Lần đầu tiên cho dung dịch KMnO4 5% bổ sung vào nước thải với liều lượng là 350mg/l 4h tiếp theo,

bổ sung trực tiếp bùn vôi vào nước thải (CaO 10%) Thời gian phản ứng và lắng là khoảng 15h.Sau đó thêm FeSO4.7H2O (10%) dung dịch để tiếp khoảng 15h Tiếp tục thêm FMBO(200mg/l) vào hệ thống và làm lắng bằng lực hấp dẫn trong khoảng 15h Cuối cùng

PACL(200mg/l) được phun và lắng cho đến khi nồng độ Asen phù hợp với mức xả thải Cuối cùng là xả thải trên bề mặt và xử lý chất thải rắn bằng phương pháp keo tụ

3 Kết quả và thảo luận.

3.1 Tiền oxy hóa của KMnO4:

Trong các thí nghiệm sơ bộ, KMnO4 và Ca (ClO)2 đã được sử dụng để oxy hóa As (III) thành As (V) Kết quả cho thấy KMnO4 có hiệu quả cao hơn đối với quá trình oxy hóa As (III) so với Ca (ClO)2 Vì vậy, KMnO4 được chọn là tiền oxy hóa Ảnh hưởng của nồng độ KMnO4 trên quá trình oxy hóa As (III) đã được điều tra và các biến đổi của tổng As, As (III) và Mn (II) được thể hiện trong hình 1 Với việc bổ sung KMnO4, nồng độ của As (III) đã được giảm đáng kể cho đến As (III) được chuyển thành As (V) hoàn toàn tại

KMnO4 liều 350 mg / L, và tổng nồng độ asen đã giảm khoảng 9%

Hình 1: Sự thay đổi của lượng As, As(III) và Mn(II) trong quá trình tiền oxi hóa.

KMnO4 được đẩy xuống Mn (II) trong quá trình oxy hóa của As (III) Hình 1 cho thấy nồng độ Mn (II) đầu tiên tăng lên với sự tăng KMnO4 liều lượng và đạt tối đa ở liều 200

mg / L và sau đó giảm với việc đưa thêm KMnO4 Các phản ứng có thể xảy ra của

KMnO4 và As (III) đã được hiển thị theo 3 phương trình hóa học như sau

2MnO4- + 5As3+ + 16H+ 5As5+ + 2Mn2+ + 8H2O (ph.trình 1) 2MnO4- + 3As3+ + 8H+ 3As3+ + 2MnO2 + 4H2O (ph.trình 2)

2MnO4- + 3Mn2+ + 4OH- 5MnO2 + 2H2O (ph.trình 3)

(ph.trình 1) và (ph.trình 2) cho thấy KMnO4 có thể được giảm xuống Mn (II) hoặc MnO2 trong dung dịch axit Và phản ứng giữa KMnO4 và Mn (II), thể hiện trong phương trình 3, cũng có thể dẫn đến sự hình thành của MnO2 Các MnO2 mới được hình thành có thể hấp thụ thạch tín, vì vậy tổng nồng độ As giảm nhẹ

3.2 Vôi – kết tủa.

Sau quá trình tiền ôxi hóa, vôi đc xem như là 1 chất kết tủa cho sự hình thành hợp chất canxi asen khó tan Kết quả của việc xử lý asen bằng vôi đã được trình bày trong hình 2

Có thể thấy rằng hàm lượng asen giảm dần khi tăng lượng vôi sống Với 1200mg/l vôi, asen giảm khoảng 50mg/l và sự dịch chuyển đạt hiệu quả đến 90%

Ở biểu đồ 2 Sự thay đổi nồng độ Asen có thể phân ra thành 3 giai đoạn Giai đoạn đầu tiên, vôi được trung hòa bởi các chất axit trong nước thải và một ít lượng Asen đã bị lọai

bỏ Với việc tăng nồng độ vôi từ 0 đến 390 mg/L, hiệu quả của việc loại bỏ Asen đạt 12% đến 71% nhưng PH tăng đột ngột từ 2.43 đến 9.93

Ở giai đoạn 2, hiệu quả xử lý asen tăng đáng kể từ 12% đến 71% khi thêm vào vôi sống từ 390mg/l đến 862mg/l trong khi pH tăng đến 12.58 Tiếp tục thêm vào vôi, cả pH lẫn hiệu quả xử lý asen tăng nhẹ ở giai đoạn 2, hầu hết asen đc xử lý bằng việc hình thành canxi asenate ít tan, như Ca3(AsO4)2

Trong giai đoạn 3, với tỉ lệ Ca/As làm tăng nhiều hơn sự kết tủa phức tạp giữa asen và canxi Mặc dù sự kết tủa vôi khá hiệu quả nhưng tính tan của Ca3(AsO4)2 là 130mg/l, hàm lượng asen được tính cao nhất khoảng 48mg/l Trong thí nghiệm trên hàm lượng asen trong nước thải vẫn cao, khoảng 50mg/l Để làm giảm thêm hàm lượng asen,bằng việc thêm vào các hợp chất không tan, việc thêm vào muối sắt đã đc nghiên cứu trong đề tài này

Hình 2: Nồng độ asen bị loại bỏ bằng phương pháp kết tủa vôi

Hình 3: Sự biến thiên nồng độ Asen trong sự lắng đọng nhờ ion sắt

Khi thêm vào FeSO4.7H2O và tăng thời gian lắng, hàm lượng asen nổi trên mặt nước giảm Khi thêm vào 180mg/l FeSO4.7H2O, hàm lượng asen đạt 7.98mg/l, 3.75mg/l và 0.21mg/l khi dung dịch được làm lắng từ 2h, 5h và 12h theo thứ tự Không có bất kì dấu hiệu gia tăng hiệu quả xử lý asen nào khi thêm dư ion sắt, vì thế lượng FeSO4.7H2O tốt nhất là 180mg/l

3.3 Hấp phụ bằng FMBO kết hợp với keo tụ:

Sau quá trình tiền oxy hóa đồng kết tủa, nồng độ asen giảm xuống ít hơn 8mg/l Sau đó thì

sự hấp phụ là cần thiết để xử lý thêm FMBO, là chất hấp phụ mới được trực tiếp tổng hợp

và thêm vào nước thải Các kết quả được thể hiện trong hình 4

Với việc bổ sung FMBO từ 20mg/l đến 300mg/l, nồng độ asen dư giảm liên tục Và thời gian lắng có thể ảnh hưởng đến kết quả Hiệu quả loại bỏ asen tăng lên nhanh chóng cho đến khi lượng FMBO đạt 150mg/l và nồng độ asen còn lại được giảm tương ứng còn 0.23mg/l, 0.19mg/l sau khi lắng trong 2h và 12h sau đó thể huyền phù được lọc bằng màng Teflon 0.45 µm , nồng độ asen còn lại của dịch lọc thấp hơn 0.08mg/l việc tăng thêm FMBO chỉ gây ra giảm nhẹ nồng độ asen và nồng độ asen dư của dịch lọc được duy trì ở 0.08mg/l

Với việc bổ sung 150mg/l FMBO nồng độ asen còn lại được xác định sau khi lọc bằng film Teflon 0.45µm theo thời gian lắng Và kết quả được thể hiện trong hình 5 Điều đó cho thấy rằng không có sự thay đổi đáng kể nồng độ asen còn lại sau khi thể huyền phù được lắng quá 30 phút và được lọc, trong khi tổng nồng độ asen giảm liên tục với thời gian lắng Nó cho thấy rằng quá trình bám hóa hoàn thành một cách nhanh chóng nhưng quá trình tách rất chậm do các thành phần keo của FMBO Do kích thước hạt của FMBO, sẽ ảnh hưởng đến khả năng loại bỏ asen

Hình 4 Sự biến nồng độ Asen với việc sử dụng FMBO

Đường kính trung bình của FMBO vừa được hình thành là khoảng 112 µm, và sau khi được lắng 2h đường kính trung bình của FMBO nổi trên mặt giảm xuống còn 19.5 µm Vì các ái lực mạnh mẽ của keo FMBO với asen, nồng độ asen còn lại vẫn cao hơn nhiều so với dịch lọc Kích thước hạt nhỏ hơn , quá trình tách chậm hơn Vì vậy, trong nghiên cứu này PACL được sử dụng như một chất kết tủa cho việc tách các hạt keo cho FMBO Kết quả trong hình 6 cho thấy với việc bổ sung PACL nồng độ asen còn lại giảm đáng kể Với 100mg/l PACL và 2h lắng nồng độ asen giảm xuống dưới 0.05mg/l là phù hợp với các giới hạn xử lý Khi PACL tăng lên đến 150mg/l thì nồng độ asen cũng có thể giảm dưới

0.05mg/l chỉ sau 30 phút lắng Vì vậy lượng PACL và thời gian lắng có thể điều chỉnh linh hoạt theo tình hình thực tế

Hình 5 Hiệu quả của thời gian lắng động trong việc loại bỏ Asen khi sử dụng

FMBO

Hình 6 Loại bỏ Asen bằng bông keo tụ PACL

3.4 Giải quyết quy mô thí điểm và đánh giá mặt kinh tế của quá trình kết hợp

Kiểm tra hàng loạt cho thấy quá trình, bao gồm quá trình oxy hóa bằng KMnO4, vôi và kết tủa màu đồng, FMBO hấp phụ và PACl đông và kết bông, có thể làm giảm nồng độ asen

từ 462 mg / L đến dưới 0,05 mg / L Giải quyết quy mô thí điểm cho nước thải hàm lượng arsen cao được tiến hành với quá trình kết hợp Các thông số chính của hệ thống dựa trên kết quả xét nghiệm đã có một chút thay đổi để thích ứng với các ứng dụng thực tế, hầu như mức thấp: KMnO4, 350 mg / L, thời gian lưu nước (HRT), 4 tiếng; vôi, 1 g / L, HRT, 15 h; FeSO4 • 7H2 O, 200 mg / L, HRT, 15 h; FMBO, 200 mg / L, HRT, 15 h; PACl, 200 mg / L, HRT, 8 tiếng Kết quả giai quyết quy mô thí điểm của quá trình kết hợp được thể hiện trong Bảng 1

Quá trình oxy hóa và đồng kết tủa chứng minh là có hiệu quả trong việc loại bỏ asen (hiệu quả xử lý cao hơn so với 98%) sau đó hấp phụ và quá trình đông tụ như là một bước xử lý cuối cùng có hiệu quả loại bỏ asen còn lại Hiệu quả loại bỏ nồng độ Asen trong các ệ thống quy mô thí điểm kết hợp là 99,998% đã cho ra nước thải có nồng độ Asen trung bình

là 0,008 mg / l, phù hợp giới hạn xả thải (<0,05 mg / L)

Bảng 1: X ử lý nước thải quy mô thí điểm asen cao

lý (%)

Bảng 2: Cho thấy việc đánh giá hiệu quả kinh tế của quá trình kết hợp Do KMnO4 có giá đắt, chi phí của quá trình oxy hóa mất trên 60% tổng chi phí

Mặc dù hầu hết hàm lượng asen được loại bỏ bằng vôi và kết tủa, chi phí của vôi và ion kim loại kết tủa chỉ mất 2,7% tổng chi phí Dường như quá trình hấp phụ FMBO là ít tốn kém

Nhưng sự hấp thụ FMBO và PACl keo tụ quá trình này có hiệu quả có thể làm giảm nồng độ asen từ nhiều mg / L đến dưới 0,05 mg / L Điều đó cho thấy rằng hệ thống kết hợp là rất thiết thực trong quá trình xử lý asen khẩn cấp

bảng 2:Đánh giá kinh tế của quá trình kết hợp quy mô thí điểm

Thuốc thử hóa học và liều lượng Giá (Yên

FMBO, 0.2 kg/m3 10.00 2.00

PACl, 0.2 kg/m3 1.00 0.20

TỔNG CHI PHÍ 5.96

4 Kết luận:

Asen trong nước thải có tính axít cao với nồng độ trung bình là 465mg/l là an toàn và hiệu quả khi xử lý theo quá trình kết hợp của tiền oxy hóa, vôi và kết tủa màu, hấp phụ FMBO và bông PACl Qúa trình oxy hóa là cần thiết vì 120 - 150 mg/l của As (III) trong nước thải có tính axít KMnO4 hoàn toàn có thể ôxi hóa As (III) và các sản phẩm phụ của MnO2 cũng có thể hấp thụ asen Hiệu quả loại bỏ trước khi quá trình oxy hóa là khoảng 9% Trong quá trình vôi hóa và kết tủa màu sẽ tạo ra một loạt các hợp chất khó tan Nồng

độ asen đã giảm từ 423 mg/l xuống còn 6,8 mg/l FMBO được sử dụng để tiếp tục loại bỏ asen bằng cách hấp phụ và lượng asen còn lại được hấp thụ gần như hoàn toàn bởi

FMBO Nhưng thật khó có thể giải quyết triệt để do FMBO tạo keo và trong thực tế PACl thực sự cần thiết

Khoảng 5000m3 nước thải công nghiệp với nồng độ asen trung bình là 465 mg / L, được

xử lý hiệu quả, kinh tế phù hợp và xử lý một cách an toàn Hàm lượng asen trong nước thải cuối cùng là ít hơn 0,013 mg/l Kết quả hiện tại và đánh giá kinh tế cho rằng quá trình kết hợp có thể thuận lợi và khả thi để xử lý nồng dộ asen cao trong nước thải

*******Lời cảm ơn

Công trình này được hỗ trợ bởi các quốc gia công nghệ cao R & D Chương trình của Trung Quốc (số 2009AA062905) và Chương trình đổi mới công nghệ của Đại học Lâm Nghiệp Bắc Kinh của Trung Quốc (số TD2010-5)