Nghiên cứu một số nguyên liệu tự nhiên dùng để xử lý nước và nước thải

• Tiến hành nghiên cứu phương pháp phân tích Fe, Mn nhanh chính xác để đánh giá chất lượng nước trước và sau khi xử lí.. Trong công trình này , chúng tôi nghiên cứu thăm dò khả năng sử d

Đ Ạ I H Ọ C Q U Ố C G IA H À N Ộ I

T R Ư Ờ N G Đ Ạ I H Ọ C K H O A H Ọ C T ự N H IÊ N

Đ ề tài:

NGHIÊN CỨU MỘT s ố NGUYÊN LIỆU T ự NHIÊN DÙNG ĐỂ XỬ LÝ NƯỚC VÀ NƯỚC THẢI

Các cộng tác viên:

1 PGS - TS - Nguyễn Xuân T r u n g

2 CN - Lê Thị Phong

t ' V v ' •• • ■ ■'■ ■ : triỉh ::: âv .’li'.i ■ ::.1'

I Ị Ị o p r / Ì Ã : _

HÀ NỘI - 2002

BÁO CÁO TÓM TẮT ĐỂ TÀI NGHIÊN cứu KHOA HỌC

MÃ SỐ: QT 99 - 08

a Tên đề tài :

N ghiên cứu một số nguyên liệu tự nhiên dùng để xử lí nước và nước thải

b Chủ trì đề t à i : TS Nguyễn Hoàng

c Các cán bộ tham gia:

PGS - TS - Nguyễn Xuân Trung

KS - Lê Thị Phong

d Mục tiêu nội dung nghiên cứu của đề t à i :

• Mục tiêu :do nước và nước thải chứa nhiều nguyên tố có hại, nên có nhiều tác giả nghiên cứu nhiều chất xử lí khác nhau Tuy nhiên, đế tìm được những chất xử lí nước thích hợp như nguyên liệu tự nhiên sẵn có, không gây hại cho nước thì cần nghiên cứu cụ thể

• Nội dung :

- Thăm dò khả năng xử lí của một số nguyên liệu sẵn có như than, pyroluzit, M n02 hoạt hoá

- Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng tới khả năng hấp thụ của các vật phẩm trên đối với các ion nghiên cứu F e 2+ ,F e3+, M n 2+, từ

đó tìm điều kiện thích hợp cho quá trình xử lí

- Điều chế Mn02 hoạt hoá, tạo ra hạt thích hợp

- Thử xử lí Fe, Mn tại một số giếng khoan ở một số hộ gia đình

ở Hà Nội

e Các kết quả đạt được :

• Đã chế tạo được chất xử lí nước dưới dạng hạt để xử lí nước sinh hoạt cho hộ gia đình, cơ quan xí nghiệp Đó lịyhan hoạt tính từ các nguyên liệu chứa xenlulô, chất hoạt hoá chứa MnÕ2

• Tiến hành nghiên cứu phương pháp phân tích Fe, Mn nhanh chính xác

để đánh giá chất lượng nước trước và sau khi xử lí

• Tách loại Fe, Mn có hiệu quá ở một số giếng khoan Hà Nội với qui mổ gia đình

• Đã chế tạo các thiết bị đơn giản để xử lí Fe, Mn dùng trong gia đình

f Tinh hình kinh phí của đề tài:

Tổng kinh phí được cấp : 8.000.000 đ

Đã chi theo đúng nội dung hợp đồng : 8.000.000 đ

XÁC NHẬN CỦA KHOA

PGS TS Nguyễn Xuân Trung

CHỦ TRÌ ĐỂ TÀI

Cơ QUAN CHỦ TRÌ ĐỀ TÀI

S u m m ary a- T itle <>i llic project: Investigation of using several natural m aterials for

Wilier and waslewjilcr liealmenl

h- Director ol’ llie project: Dr Nguyen Hoang

c- Research L o -o rilin alo is: Prof Dr Nguyen X u an Trung

BSc Lc T ill Phong d- O bjectives and Contents

* Objcclivc: 111 order to remove the harmful elements presented in

water and w aslcw alcr, llic scientists have been developed various materials

for Wilier Ireatmenl p r oc es s Tills s tud y is f o c u s e d o n the u s e o f natural

adsorbent m aterials which arc available and harmless

* Conlenls:

- '[Vsling (lie potential lor water treatment ol several available materials such as: activated carbon, p y io lu /il and activated M n O ,

- Investigating llic Íactors lliat influence adsorption behaviors of llicsc m akTÌals,

- Producing m anular activated MiiOt

- Testing the removal oi Fc and M il clcm cnls by these m aterials ill

f il le d wells of some households ill Hanoi

c- R e s u l t s o l llic p r o j e c t :

- Produced granular activated MnO-, lor water and waste waster

li ealincnl

- Investigated t h e r a p i d a n d a c c u r a c y a n a l y t i c a l m e t h o d s lo r F e a n d

M il ik ie rm iiK ilio n ol m ilicalcd and treated water

- The I1CW m aterials arc used c lT ic ic n llv to remove l c and M il in water from drilled w ells of Hanoi with household scale

- Produced s o n i c sim ple Wilier I r e a U n e n d e v i c e s t o r e m o v e F e a n d Ml) (lull a p p l i e d t o Wilier p u r i f i c a t i o n ill h o u s e h o l d s

I GIỚI THIỆU

Hiện nay, do khoa học kĩ thuật ngày càng phát triển, các khu công nghiệp mọc lên một nhiều nên lượng chất thải ngày một tăng Nước thải của các ngành công nghiệp làm cho nước bị o nhiễm nặng, có hại cho sức khoẻ con người Vì vậy nước cần được xử lí để làm giảm đến mức thấp nhất các chất độc hại trước khi đem dùng hoặc thải ra môi trường Vì vậy , việc nghiên cứu , tìm ra những nguyên liệu tự nhiên , sấn có để xử lí nước là rất cần thiết Ưu điểm của các chất này là giá thành

rẻ , có nhiều trong tự nhiên , không gây độc hại cho nước sau khi xử l í

Trong công trình này , chúng tôi nghiên cứu thăm dò khả năng sử dụng các nguyên liệu này để tạo ra các chất có khả năng xử lí hai ion kim loại phổ biến trong sinh hoạt là Fe và Mn Đặc biệt M n2+ rất khó xử lí bằng phương pháp thông

thường như ở các nhà máy nước đã dùng Muốn vậy , chúng tôi đã tiến hành khảo sát hàm lượng hai nguyên tố nayftrong nước bằng các phép phân tích đơn giản ,

nhanh nhưng khá chính xác , đồng thời đã điều chế các chất xử l í , đặc biệt là ỵ

-M n02 hoạt hoá để xử lí Mn2+ , Fe2+, Fe3+ có trong nước , nhất là nước sinh h o ạ t, để đem lại nguồn nước sinh hoạt sạch cho người dùng

a Muc tiêu của để tài :

Nghiên cứu khả năng hấp thụ của hạt Mn02 hoạt hoá đến các ion kim loại F e 2+ ,Fe 3+, Mn 2+, từ đó thăm dò khả năng ứng dụng của chúng trong việc xử lí nước

sinh hoạt nước thải

b Nổi dung thưc hiên :

1 Tra cứu tài liệu trong và ngoài nước việc chế tạo các chất xử lí nước , đặc biệt

xử Fe , Mn

2 Nghiên cứu khả năng hấp thụ trao đổi của các vật liệu này với các ion F e 2+ ,

Fe u đặc biệt M n 2+ trong dung dịch

3 Xây dựng quá trình phân tích xác định Fe , Mn trong nước

4 Điều chế chất xử lí nước ,như ỵ - M n02 hoạt hoá , tạo hạt phù hợp cho việc xử lí

5 Tiến hành xử lí mẫu nước chứa Fe , Mn bằng chất trên và ứng dụng lắp đặt thiết

bị xử lí cho một số hộ gia đình

I I PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN c ứ u

n 1 Phương pháp nghiên cứu

Trước khi tiến hành xử lí mẫu nước thực t ế , chúng tôi tiến hành nghiên cứu các mẫu nước nhân tạo có chứa các ion tương tự mẫu thực

- Tiến hành xử lí theo phương pháp tĩnh : ngâm một lượng xác định chất xử lí vào một thể tích xác định dung dịch có nồng độ chính xác trong những thời gian khác nhau Sau đó đem xác định lại nồng độ còn lại của các ion trong dung dịch Từ đó xác định được khả năng hấp thụ của vật liệu

- Hàm lượng các kim loại được xác định chính xác bằng phương pháp cụ thể

F e 2+ : + nếu hàm lượng lớn xác định bằng phương pháp chuẩn độ

oxi hoá - khử + nếu hàm lượng nhỏ , xác định bằng phương pháp trắc quang với thuốc thử là o - phenantiolin

F e 1+ : + xác định bằng phương pháp trắc quang với thuốc thử

thiioxxyanat

M n 2+: + nếu hàm lượng lớn , thì ổxi hoá lên M n 02 bằng SịCV , sau

đó định lượng M n 04 bằng trắc quang + nếu hàm lượng nhỏ , trắc quang với thuốc thử foocmanoxim

I I 2 Điều chế chất xử lí - y _ Mn02 hoạt hoá

Từ quặng pyroluzit chuyển thành M n 2+ theo phản ứng :

MnOn + H2c 20 4 + 2H+ = M n 2+ + 2CO, +H 20

Chuyển M n 2+ thành muối cacbonat :

Mn 2++ C O ; = MnCO, ị

Nung MnCƠỊ ở nhiệt độ 300 - 400° c khoáng 3 giờ thu được M n 02 hoạt hoá, hiệu suất 60%

III KẾT QUẢ NGHIÊN cứu

m 1 Nghiên cứu khả năng hấp thụ của M n ơ 2 với M n 2+ , trong dung dịch

m 1 1 Khảo sát sự hấp thụ của M n 0 2 ở pH = 3

Để xem khả năng hấp thụ của M n 02 ở pH = 3 như thế nào , chúng tôi đã tiến hành thí nghiệm với 3 mẫu sau :

Mẫu 1 : lg M nOz + 1 4 m lM n 2+ 8,3.1(T3 M

Mẫu 2 ; lg M n ơ2 + 2 0 m lM n z+ 8,3.1 0 ‘ 3 M

Mẫu 3 : lg MnO, + 3 4 m lM n 2+ 8,3.10 3 M

Đưa về thể tích 20ml dung dịch , tạo mồi trường pH = 3 Lấc 30 p h ú t, lọc Phân tích nước sau khi xử l í , kết quả trình bày ở bảng 1

Bàng ] - Khả năng hấp thụ của M n 02 ở pH = 3

Mẫu V MN 2+ ( m l ) Lượng M n 2+ ban

đầu ( m g )

Lượng Mn sau xử

lí ( mg )

Như vậy , ở pH = 3 , hàm lượng M n 2+ sau xử lí lớn hơn hàm lượng ban đầu do

M n ơ2 bị tan một phần trong a x it Do đó không thể tiến hành xử lí M n 2+ trong nước trong môi trường pH = 3 Cần tăng pH lên

m 1 2 Khảo sát sự hấp phụ của M n 02 ở pH = 5

Tiến hành tương tự trên , ở pH = 5 được trình bày ở bảng 2

Bảng 2 - Sự hấp thụ của M nOz ở pH = 5

xử lí ( mg )

Lượng hấp phụ (mg/g )

Như vậy , ở pH = 5 , khả năng hấp thụ của M n 02 đã thể hiện và M n 02 không

bị tan ra

I I I 1.3 Khảo sát sự hấp thụ của MnOz trong môi trường trung tính , pH = 7

Tiến hành tưong tự với 6 mẫu có hàm lượng M n 2+ ban đầu khác nhau Kết quả được trình bày ở bảng 3

Bảng 3 - Sự hấp thụ của M n 02 ở pH = 7

đầu ( mg )

Lượng M n 2+ sau

xử lí ( mg )

Lượng hấp thụ ( rng )

Như vậy , khả năng hấp thụ của M n 02 ở pH = 7 khá t ố t , khoảng 11 mg/g

M n 0 2

I I I 2 ứng dụng qui trình phân tích xác định Mn trong nước

I I I 2 1 Tóm tắt các điểu kiện xác định Mn

2.1.1.Xác định M n 2+ bằng phương pháp trắc quang với thuốc thử

formaldoxim:

Formaldoxim có công thức cấu tạo CH2 = N-OH là sản phẩm ngưng tụ của hiđrôxylaminva và formaldehit

H-CHO + H2N OH - > CH2 = N-OH + H20

Formaldoxim tạo phức không màu với M n 2+ nhưng chuyển nhanh thành màu nâu đỏ do oxi hoá của oxi không k h í , phức tạo thành có công

thức: [M n(CH2NO)6] 2' Phức bền trong vòng 16 giờ

Cực đai hấp thụ ở Ã max=455nm

Hệ số tắt phân tử £ = ỉ 12001/mol.cm

Điều kiện tối uru để xác định M n 2+ bằng phương pháp trắc quang với

formaldoxim:

- pH= 12 điều chỉnh bằng lượng NaOH

- Lượng thuốc thử formaldoxim 3ml 4%/25ml

III.2.1.2 Xây dựng đường chuẩn xác định M n 2+ thay đổi như trong bảng 4.Tiến hành đo mật độ quang của các mẫu trong điều kiện đã chọn

Bảng 4 Mật độ quang D phụ thuộc nồng độ M n 2+

Khoảng tuyến tính của phép đo : 1 ,7 - 50,7 mg/ 2 5 m l

III.2.1.3 Khảo sát các ion ánh hướng đến việc xác định M n :+

Trong nước , ion F e 3+ ảnh hưởng đến việc xác định M n 2+ bằng phép đo quang với

thuốc thử formandexim Do đó thường che F e 3+ bằng ion xyanua khi có mặt muối

ta tr a t

m 3 Điều chế M n ơ 2 hoạt hoá

IU.3.1 Điều chế M n 02 từ thuốc tím :

Dựa trên phản ứng :

4 K M n ơ4 + 1 2 H ,02 -> 4M n(OH) 4 + 4KOH + 2H20 + 9 0 , t

Mn(OH)4 Mnb2 + 2H20

Bột M nO, thu được , rửa sạch , nung trong lò đến 500° c thu được hạt hình

cầu có kích thước nhỏ « 50 nm

111.3.2 Nhiệt phân M n C 03

Phân huỷ M n C 03 ở nhiệt độ 280 - 400 c trong lò nung :

M nCO, + - 0 2 — MnOo + c o ,

2

111.3.3 Tạo hạt M n 02 dùng để xử lí nước :

Vật liệu lọc phù hợp cho việc xử lí Mn và Fe , Fe trong nước là hỗn hợp có

chứa 20 - 80% MnO., , và 15 - 80% chất kết dính

Lấy 4 phần về khối lượng M n 02 bột trộn với 10 phần chất kết dính , thêm vào một lượng nước vừa đủ thành hỗn hợp ẩm , tạo hạt trộn trên máy tạo hạt sẽ thu được những hạt có kích thước như ý muốn Sau đó , rửa sạch , làm khô , đóng gói

Hạt tạo ra phải đạt yêu cầu : không mất tính hoạt hoá của M n 0 2 , có độ xốp

t ố t , không bị biến dạng , không bị tan trong quá trình xử lí nước

m 4 Xử lí M n 2+ trong một sô nguồn nước ở Hà Nội bằng hạt M n 0 2 hoạt hoá

III.4 1 Lấy mẫu nước và xử lí mẫu :

ở một số vùng ở Hà Nội : Cầu Giấy, B ư ở i, Thanh Xuân hàm lượng M n 2+

trong nước giếng khoan ở các hộ gia đình khá lớn Do đó việc xử lí M n 2* là cần

thiết Việc lấy mẫu nước được tiến hành như sau :

- Lấy mầu vào bình polietylen , được oxit hoá bằng một lít HNO3 đặc để tránh hiện tượng hấp phụ các ion lên thành bình , đồng thời hoà tan các dạng keo và kết

tủa của Mangan

in 4 2 Xác định M n 2+ trước và sau khi xử lí mẫu :

Dùng phương pháp phân tích đã nêu ở mục III.2 để xác định hàm lượng M n 2+

trước và sau khi xử lí nước bằng hạt Mn02.

III.4.3 Lắp đặt hệ thống xử lí M n 2+ với qui mô hộ gia đình :

Qua thí nghệm và tính toán , có thể lắp đặt hệ thống xử lí Mn trong nước sinh

hoạt ( nước giếng khoan , nước máy ) trong gia đình theo mô hình sau :

Nước sạch

Nước chưa xử lí từ giếng khoan lên bể chứa ( 1 ) , có dung tích từ 1 - 3 m bằng

xi măng ( thép không g ỉ ), có chứa cát sạch , nước được phun mưa để oxi hoá F e 2+ thành Fe3+, kèm theo bể (1) là một bơm điều hoà nhỏ (1 ’) chứa chất oxi hoá ( javen hoặc H20 2 ) với mục đích giúp thêm quá trình oxi hoá Fe2+ , M n2+

Nước ở bể (1) qua cát đã thành nước trong đã được giữ lại Fe3+ ( Fe(OH) 3 ị ) cặn bẩn qua cột xử lí (2) bằng nhựa (thép không rỉ ) có đường kính 200-300 mm , chiều cao 1200 -1 4 0 0 mm chứa khoảng 30 - 50 kg hạt M n 02 hoạt hoá Tại đây ,

M n2+ sẽ bị giữ lại Sau nước qua cột (3) để lọc trong và đưa ra sử dụng

Thiết bị lọc M n2+ trên đã được sử dụng ở một số hộ gia đình dùng nước giếng khoan ở Hà Nội cho kết quá t ố t , Mn2+ còn lại trong nước nhỏ hơn lượng cho phép (< 0 , 1 mg/1 )

Việc tái tạo hạt M n 02 đơn giản , thời gian sử dụng lâu , khoảng sau 2 năm mới

xử lí lại hạt M n 02 trong c ộ t

III.5 Kết quả phân tích các mẫu nước

III.5.1 Kết quả phân tích nước chưa xử lí

Đã tiến hành lấy mẫu nước ở nhiều điểm trong thành phố để phân tích hàm lượng M n2+ có trong các nguồn nước Kết quả phân tích được trình bày trong bảng 5

Bảng 5 - Hàm lượng Mn trong mẫu thực tế

khoan )

khoan)

giếng khoan )

Lượng M n2+ quá mức cho phép ở hầu hết các giếng khoan trong thành phố Các sông hồ ít Mn vì ở bề m ặ t, M ir+ tiếp xúc các tác nhân oxi hoá sẽ biến thành

M n(OH) 4 kết lắng

Do vậy , việc xử lí M n2+ trong nước giếng khoan là rất cần thiết

III.5.2 Xử lí M n2+ ở một số nước giếng khoan

Đã tiến hành lắp đặt thiết bị đơn giản như đã mô tả ở mục III.4.3 ờ một số gia đình sử dụng nước giếng khoan ở Hà Nội và cho kết quả tốt từ một đến hai nãm nay Hàm lượng M n2+ sau khi xử lí còn rất thấp ( < 0,1 m g/1)

Cụ thể được ghi ở bảng 6

Bảng 6 - Kết quả xử lí M n2+ trong nước giếng khoan ở Hà Nội

Giếng khoan ở

Hà Nội

Lượng M n 02 nạp

cột

Hàm lượng M n2+

trong nước chưa

xử lí

Hàm lượng Mn2+ sau xử lí

Từ kết quả này cho thấy :

- Có thể xử lí tốt M n2+ trong nước bằng hạt MnO, hoạt hoá

- Giá thành thiết bị xử l í , hạt M n ơ2 khá rẻ phù hợp các hộ gia đình bình

thường

- Bản thân hạt M n 02 không có độc tính , không làm hại nguồn nước , lại dễ tái sinh qua sử dụng một thời gian tương đối lâu ( từ hai đến ba năm tuỳ lượng Mn2+

trong nước).

- Hạt M n ơ2 dễ điều c h ế , bảo quản được lâu d à i

- Có thể xử lí nước ở qui mô lớn hơn gia đình , điều này phụ thuộc vào dung tích nước tiêu thụ