Nghiên cứu xử lý màu nhuộm trong nước thải bằng vật liệu than biến tính được điều chế từ vỏ hạt macca

Thực tế giải pháp để xử lý nước ô nhiễm hoặc nước thải dệt nhuộm chứa các loại phẩm màu thường được ứng dụng hoặc kết hợp nhiều phương pháp như vật lý, hóa lý, hóa học và sinh học …về

UỶ BAN NHÂN DÂN TỈNH BÌNH DƯƠNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦ DẦU MỘT

UỶ BAN NHÂN DÂN TỈNH BÌNH DƯƠNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦ DẦU MỘT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

TS ĐÀO MINH TRUNG

BÌNH DƯƠNG, NĂM 2020

i

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu, dữ liệu trong bài đều được trích dẫn rõ ràng, trung thực Kết quả của nghiên cứu cũng chưa từng công bố trong bất cứ nghiên cứu cùng cấp nào khác

Học viên thực hiện

Trương Minh Hùng

ii

LỜI CẢM ƠN

Trong suốt quá trình học tập và hoàn thành luận văn tốt nghiệp cao học lời đầu tiên, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến các toàn thể các giảng viên của Khoa Khoa học quản lý, trường Đại học Thủ Dầu Một Cảm ơn Thầy TS Đào Minh Trung cán bộ trực tiếp hướng dẫn tôi hoàn thành đề tài luận văn tốt nghiệp cao học này Người đã luôn hết lòng giúp đỡ, dạy bảo, thường xuyên quan tâm, động viên

và kịp thời chia sẻ những khó khăn, vướng mắc cho tôi trong suốt quá trình học tập, làm thí nghiệm và hoàn thành luận văn

Tôi xin cảm ơn Ban lãnh đạo Khoa Khoa học quản lý, ngành Khoa học môi trường và các thầy cô quản lý phòng thí nghiệm đã luôn hỗ trợ, tạo môi trường làm việc với đầy đủ các trang thiết bị, dụng cụ cần thiết cũng như mọi điều kiện thuận lợi để tôi có thể hoàn thành tốt báo cáo tốt nghiệp của mình

Một lần nữa, tôi xin chân thành cảm ơn!

Người thực hiện

Trương Minh Hùng

iii

TÓM TẮT

Nghiên cứu xử lý nước thải bằng nguyên vật liệu thân thiện môi trường là

xu thế phát triển trong khoa học trên thể giới và ở Việt Nam Theo xu hướng nầy, việc nghiên cứu xử lý Methylene Blue (MB) bằng vật liệu than hoạt tính được biến tính bởi tác nhân hóa chất H2O2 được điều chế từ vỏ Macca là cần thiết Kết quả nghiên cứu cho thấy khả năng hấp phụ Methylene Blue (MB) đạt 1g/245.68 mg Methylene Blue ở các điều kiện biến tính tối ưu tương ứng nồng độ 20% và thời gian ngâm lắc 36 giờ Phân tích phổ hồng ngoại (FT-IR) cho thấy, than được hoạt tính rồi biến tính bằng tác nhân H2O2 có các nhóm chức (nhóm chức polyphenolic, carboxyl, carbonat, nhóm liên kết đơn C-O, C-N, N-CH3, hydrogen thơm, ) Than biến tính bằng tác nhân H2O2 đạt hiệu suất xử lý màu Methylene Blue (MB) tốt nhất là 99% tương ứng độ màu ban đầu có nồng độ 25mg/L (tương ứng 349,67 Pt-

Co được xác định theo TCVN 6185:2005) tại các điều kiện tối ưu tương ứng pH =

5 liều lượng 0.5g/L và thời gian xử lý 120 phút Kết quả nghiên cứu có sự tương đồng với các kết quả nghiên cứu khác và có khả năng ứng dụng vào xử lý nước thải màu

Để chứng minh tính hiệu quả xử lý của vật liệu nghiên cứu được tiến hành khảo sát với nước thải giả định Methylene Orange (MO) Đạt hiệu suất xử lý màu

MO tốt nhất là 60.23 % tại các điều kiện tối ưu tương ứng pH = 5 liều lượng 0.9g/L

và thời gian xử lý 90 phút Cho kết quả xử lý thấp hơn

Từ khóa: Than hoạt tính, than biến tính, vỏ Macca, hấp phụ màu Methylene Blue

ABSTRACT

Research on wastewater treatment with environmentally friendly materials

is a development trend in science in the world and in Vietnam According to this trend, the treatment of Methylene Blue (MB) with activated carbon material modified by the chemical agent H2O2 prepared from macadamia shell is necessary The study results showed that the adsorption capacity of Methylene Blue (MB) reached 1g / 245.68 mg of Methylene Blue at the optimal denaturing conditions corresponding to concentration of 20% and shaking time of 36 hours Infrared spectrum analysis (FT-IR) shows that activated carbon and modified by

iv

H2O2 agent have functional groups (polyphenolic, carboxyl, carbonate, CO, CN, N-CH3, hydrogen) fragrant, ) Carbon modified by H2O2 agent achieves the best 99% of the color treatment efficiency of Methylene Blue (MB), corresponding to the initial color temperature with a concentration of 25mg / L (corresponding to 349.67 Pt-Co determined according to TCVN 6185 : 2005) at the optimum conditions corresponding to pH = 5 doses of 0.5 g/L and treatment time of 120 minutes Research results are similar to other research results and are applicable to color wastewater treatment

To demonstrate the treatment efficiency of the research material, it was conducted with wastewater assuming Methylene Orange (MO) The best MO color treatment performance was 60.23% at the optimum conditions corresponding to

pH = 5 dose 0.9g / L and treatment time of 90 minutes For lower processing results

Keywords: activated carbon, modified coal, macadamia shell, Methylene Blue

color absorption, Methylene Orange color absorption

v

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN ii

TÓM TẮT iii

DANH MỤC BẢNG ix

DANH MỤC HÌNH x

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT xii

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 4

1.1 Tổng quan về tình hình nghiên cứu ở nước ngoài và trong nước 4

1.1.1 Tình hình nghiên cứu nước ngoài 4

1.1.2 Tình hình nghiên cứu trong nước 6

1.2 Hiện trạng ô nhiễm và các chất ô nhiễm phẩm màu nhuộm 9

1.3 Đặc tính nước thải của sản xuất dệt nhuộm 9

1.4 Các phương pháp xử lý nước thải sản xuất dệt nhuộm 11

1.4.1 Phương pháp hấp phụ……… 12

1.4.2 Phương pháp tuyển nổi 13

1.4.3 Phương pháp trao đổi ion 14

1.4.4 Phương pháp keo tụ-tạo bông 14

1.4.5 Phương pháp điện hoá 15

1.4.5.1 Oxi hoá dương cực và khử âm cực 15

1.4.5.2 Tuyển nổi bằng điện 16

1.4.5.3 Keo tụ điện hoá 16

1.4.6 Giải hấp phụ 16

1.5 Tổng quan về cây Macca 17

1.5.1 Vùng phân bố trồng cây Macca ở Việt Nam 17

1.5.2 Thành phần hóa học của vỏ hạt Macca 18

1.5.3 Ứng dụng của vỏ hạt Macca (EPCO FOODS, 2020) 18

vi

1.6 Tổng quan về than hoạt tính 19

1.6.1 Những thông số của than hoạt tính (Trịnh Xuân Đại, 2010) 19

1.6.2 Điều chế than hoạt tính 21

1.6.3 Các yếu tố ảnh hưởng trong quá trình điều chế than hoạt tính 25

1.6.4 Cơ chế làm việc của than hoạt tính 25

1.6.5.Ứng dụng của than hoạt tính……….26

CHƯƠNG 2: VẬT LIỆU, THIẾT BỊ,

… NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 28

2.1 Vật liệu nghiên cứu 28

2.1.1 Đối tượng thí nghiệm 28

2.1.2 Vật liệu thí nghiệm 28

2.1.3 Thiết bị và dụng cụ 28

2.1.4 Hóa chất 29

2.2 Nội dung và phương pháp nghiên cứu 30

2.2.1 Nội dung 1: Điều chế than biến tính từ vỏ hạt Macca bằng hóa chất 30

2.2.2 Nội dung 2: Khảo sát thay đổi cấu trúc vật lý và hóa học của than biến tính điều chế ra 30

2.2.3 Nội dung 3: Hiệu suất hấp phụ của than biến tính điều chế……… 31

2.3 Quy trình thí nghiệm 32

2.3.1 Quy trình 1: Điều chế than biến tính bằng H2O2 từ than hoạt tính tác 32

nhân hóa học K2CO3 từ vỏ hạt Macca 32

2.3.2 Quy trình 2: Khảo sát khả năng xử lý màu Methylene Blue (MB) của than biến tính bằng hóa chất H2O2. 33

2.4 Phương pháp nghiên cứu 34

2.4.1 Phương pháp thu thập thông tin, kế thừa tài liệu 34

2.4.2 Phương pháp đo đạc và phân tích mẫu 34

2.4.3 Phương pháp xử lý số liệu 34

2.4.4 Phương pháp thực nghiệm 34

2.4.4.1 Điều chế than cốc 34

vii

2.4.4.2 Điều chế than hoạt hóa bằng tác nhân K2CO3 và khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng xử lý màu của than 35CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 383.1 Điều chế than cốc hóa 383.1.1 Khảo sát nhiệt độ nung thích hợp ảnh hưởng đến quá trình than cốc hóa 383.1.2 Khảo sát thời gian nung thích hợp ảnh hưởng đến quá trình than cốc hóa.393.2 Điều chế than hoạt hóa bằng hóa chất K2CO3 từ than cốc 40

3.2.1 Khảo sát tỷ lệ ngâm thích hợp ảnh hưởng đến quá trình hoạt hóa 40 3.2.2 Khảo sát nhiệt độ nung thích hợp ảnh hưởng đến quá trình hoạt hóa 41 3.2.3 Khảo sát thời gian nung thích hợp ảnh hưởng đến quá trình hoạt hóa……43

3.3 Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng xử lý màu Methylene Blue….43

3.3.1 Khảo sát pH thích hợp cho quá trình xử lý 43 3.3.2 Khảo sát liều lượng than thích hợp cho quá trình xử lý 45 3.3.3- Khảo sát thời gian thích hợp cho quá trình xử lý 46

3.4 Điều chế than biến tính H2O2 hoạt hóa bằng hóa chất K2CO3 từ than cốc….473.4.1 Khảo sát nồng độ thích hợp ảnh hưởng đến quá trình biến tính 473.4.2 Khảo sát thời gian ngâm lắc thích hợp ảnh hưởng đến quá trình biến tính…… 483.5 Kết quả phân tích giản đồ FT – IR 503.6 Kết quả phân tích SEM 533.7 Kết quả khảo sát khả năng xử lý của than biến tính H2O2 trên màu nhuộm Methylene Blue trong nước thải giải định 543.7.1 Khảo sát pH thích hợp cho quá trình xử lý 543.7.2.Khảo sát liều lượng thích hợp cho quá trình xử lý Methylene Blue (MB) 553.7.3 Khảo sát thời gian thích hợp cho quá trình xử lý Methylene Blue (MB)…573.8 Kết quả khảo sát khả năng xử lý của than biến tính trên màu nhuộm Methylen Orange (MO) 583.8.1 Khảo sát pH thích hợp cho quá trình xử lý Methylene Orange (MO) 583.8.2 Khảo sát liều lượng thích hợp cho quá trình xử lý Methylene Orange……59

viii

3.8.3 Khảo sát thời gian thích hợp than biến tính trong quá trình xử lý Methylene

Orange 60

3.8.4 Khảo sát nồng độ ban đầu dung dịch MO thích hợp cho quá trình xử lý 61 3.9 Tóm lại 62

CHƯỜNG 4: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGH 64

4.1 Kết luận 64

4.2 Kiến nghị 65

TÀI LIỆU ĐƯỢC ĐĂNG TẢI TRÊN BÁO 67

TÀI LIỆU THAM KHẢO 68

Tài liệu trong nước 68

Tài liệu nước ngoài 70

PHỤ LỤC SỐ LIỆU 75

ix

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1 1 Đặc tính nước thải nhuộm 11

Bảng 2 1 Những thiết bị sử dụng trong đề tài 29

Bảng 2 2 Những hóa chất sử dụng trong đề tài 29

Bảng 3 1 Hình ảnh phổ các loại than được điều chế 50

Bảng 3 2 Hình ảnh cấu trúc các loại than 53

x

DANH MỤC HÌNH Hình 1.1: Các biện pháp xử lý nước thải nhuộm………11

Hình 1 2: Cây Macca và Hình 1 3: Trái Macca 17 Hình 2 1: Sơ đồ bố trí thí nghiệm điều chế than biến tính từ than hoạt tính bằng tác nhân hóa học K2CO3 từ vỏ hạt Macca 32Hình 2 2: Sơ đồ bố trí thí nghiệm khảo sát khả năng xử lý màu Methylene Blue của than biến tính H2O2 33 Hình 3.1 1: Kết quả xác định nhiệt độ nung tối ưu cốc hóa theo độ hấp phụ 38Hình 3.1 2: Kết qu xác định thời gian nung tối ưu cốc hóa theo độ hấp phụ Methylene Blue 39 Hình 3.2 1: Kết quả xác định tỷ lệ tối ưu hoạt hóa theo độ hấp phụ Methylene Blue 40Hình 3.2 2: Kết quả xác định nhiệt độ tối ưu hoạt hóa theo độ hấp phụ 41Hình 3.2 3: Kết quả xác định thời gian nung tối ưu hoạt hóa theo độ hấp phụ

MB 43

Hình 3.3 1: Kết quả xác định sự ảnh hưởng của pH lên hiệu suất xử lý 44

Hình 3.3 2: Kết quả xác định ảnh hưởng của liều lượng than lên hiệu suất xử

lý 45Hình 3.3 3: Kết quả khảo sát sự ảnh hưởng của thời gian lên hiệu suất xử lý màu MB 46 Hình 3.4 1: Kết quả xác định nồng độ tối ưu theo độ hấp phụ Methylene Blue 47Hình 3.4 2: Kết quả xác định thời gian lắc tối ưu theo độ hấp phụ Methylene Blue 49 Hình 3.7 1: Kết quả khảo sát sự ảnh hưởng của pH lên hiệu suất xử lý màu

xi

Hình 3.8 1: Kết quả khảo sát sự ảnh hưởng của pH lên hiệu suất xử lý màu

MO 58Hình 3.8 2: Kết quả khảo sát sự ảnh hưởng của liều lượng lên hiệu suất xử lý màu MO 59Hình 3.8 3: Kết quả khảo sát sự ảnh hưởng của thời gian lên hiệu suất xử lý 60Hình 3.8 4: Kết quả khảo sát sự ảnh hưởng của nồng độ MO lên hiệu suất xử

lý 62

xii

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT

SEM : Scanning electron microscope FT-IR : Fourriertransformation infrared

Thực tế giải pháp để xử lý nước ô nhiễm hoặc nước thải dệt nhuộm chứa các loại phẩm màu thường được ứng dụng hoặc kết hợp nhiều phương pháp như vật lý, hóa lý, hóa học và sinh học …về cơ bản bằng những kĩ thuật khác nhau Điển hình có các kĩ thuật hóa lí như keo tụ; hấp phụ màng lọc kĩ thuật sinh học; các kĩ thuật hóa học như ozon hóa, oxy hóa tiên tiến Đã được ứng nhiều vào thực tiễn có kết quả tốt với công nghệ, kỹ thuật phức tạp đầu tư giá thành lớn với chi phí cao và vận hành khó khăn

Ngày nay ứng dụng vật liệu sinh học xử lý ô nhiễm môi trường nước từ nguyên liệu thân thiện môi trường sống là xu thế rất được quan tâm đến và cho kết quả khả quan trên thế giới và Viêt Nam Nghiên cứu nguyên liệu thân thiện môi trường từ các phế phẩm sinh học trong nông nghiệp, làm vật liệu xử lý các nguồn

ô nhiễm này là đối tượng được chú ý nghiên cứu

Việc xử lý nước ô nhiễm màu phẩm nhuộm công nghiệp bằng nguyên liệu

có sẳn và thân thiện môi trường là cần thiết để hạn chế chất thải rắn, làm giảm nguy cơ ảnh hưởng xấu đến hệ sinh thái, sức khỏe con người Vì thế đề tài:

“Nghiên cứu xử lý màu nhuộm trong nước thải công nghiệp bằng vật liệu than biến tính điều chế từ vỏ trái Macca” đã được thực hiện Nhằm nghiên cứu ứng

dụng vật liệu thân thiện môi trường từ phế phẩm nông sản là vỏ trái Macca để xử

lý màu nhuộm

Nghiên cứu và đề xuất công nghệ mới phù hợp với điều kiện Việt Nam

2

trong xử lý nước thải nói riêng và môi trường nói chung là hết sức cần thiết

Tìm vật liệu thân thiện môi trường xử lý ô nhiễm là xu thế mới ngày nay trên thế giới và ở Việt Nam

Kết quả đề tài là bước đầu cho các công trình nghiên cứu áp dụng than hoạt tính thân thiện môi trường từ nguyên liệu xanh tự nhiên trong việc xử lý nước thải nhuộm, góp phần hoàn thiện thêm cơ sở lý thuyết cho chuyên ngành công nghệ môi trường

Là công trình nghiên cứu hiệu quả xử lý của than hoạt tính, than biến tính

có nguồn gốc từ thiên nhiên (thực vật), ít độc, thân thiện với hệ sinh thái của môi trường Than hoạt tính được tận dụng từ nguồn thải nông nghiệp giúp giảm lượng chất thải rắn và mang lại lợi ích kinh tế

Mục tiêu nghiên cứu

- Khảo sát khả năng xử lý màu nhuộm trong nước giả định của than biến tính điều chế với thông số tối ưu

* Đối tượng nghiên cứu

- Than biến tính và nước thải dệt nhuộm giả định

* Phạm vi nghiên cứu

- Nghiên cứu được thực hiện đối với nước thải dệt nhuộm giả định

- Không gian nghiên cứu: Phòng thí nghiệm trường Đại học Thủ Dầu Một, Trường Đại học Việt Đức, Trường Đại học Bách Khoa-TP.Hồ Chí Minh

-Thời gian nghiên cứu: tháng 5 năm 2020 đến tháng 12 năm 2020

3

*Nội dung nghiên cứu

- Nội dung 1: Điều chế than than biến tính từ vỏ hạt Macca

- Thí nghiệm 1: Khảo sát nhiệt độ và thời gian nung thích hợp than cốc hóa

- Thí nghiệm 2: Khảo sát tỉ lệ ngâm K2CO3, nhiệt độ và thời gian nung hoạt hóa thích hợp điều chế than hoạt tính

- Thí Nghiệm 3: Khảo sát nồng độ hóa chất H2O2 và thời gian ngâm lắc thích hợp điều chế than biến tính

- Nội dung 2: Xác định cấu trúc vật liệu than điều chế

Xác định cấu trúc vật lý (đo TEM, SEM, BET, XRD, Kính hiển vi điện tử…) Cấu trúc hóa học (phổ FT-IR )

- Nội dung 3: Xác định các thông số vận hành phù hợp (tối ưu)

- Thí Nghiệm 4: Khảo sát khả năng than hấp phụ màu nhuộm trong nước theo pH môi trường

- Thí Nghiệm 5: Khảo sát khả năng than hấp phụ màu nhuộm trong nước theo thời gian ngâm lắc

- Thí nghiệm 6: Khảo sát khả năng than hấp phụ màu nhuộm trong nước theo lượng than cho vào

- Thí nghiệm 7: Khảo sát khả năng than hấp phụ màu nhuộm trong nước theo nồng độ màu nhuộm

4

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan về tình hình nghiên cứu ở nước ngoài và trong nước

1.1.1 Tình hình nghiên cứu nước ngoài

Ở các nước trên thế giới đã quan tâm nhiều xử lý môi trường ô nhiễm, nhất

là xử lý nước thải có màu nhuộm công nghiệp từ lâu, bằng ứng dụng kết hợp nhiều phương pháp khoa học và biện pháp tiên tiến khác nhau để xử lý nước xả thải

Theo nghiên cứu của Jiangning Wu (1998) ứng dụng phương pháp phản ứng bậc cao Ozon kết hợp sinh học, và theo nghiên cứu của S Karcher et al (2002) đã loại bỏ thuốc nhuộm hoạt tính từ nước thải dệt nhuộm được hấp thụ vào loại nhựa dễ tái sinh trong các bộ lọc cố định Đã hoạt động tốt trong nước thải ban đầu Còn báo cáo A Al-Kdasi et al (2004) nghiên cứu xử lý màu thuốc nhuộm trong nước thải bằng quá trình oxy hóa nâng cao khác nhau như: ozon hóa, hydro peroxide, bức xạ UV hoặc sự kết hợp của chúng

Theo khảo sát của Nobuyuki (2008) đã sử dụng phương pháp Ôzôn hóa đều

xử lý tốt màu thuốc nhuộm trong nước thải Nghiên cứu A Naimabadi et al (2009)

áp dụng xử lý sinh học cho thuốc nhuộm, từ hiếu khí đến yếm khí đạt khoáng hóa hoàn toàn thuốc nhuộm azo, có hiệu quả và thân thiện với môi trường Đã loại bỏ màu trung bình là 89,5%, loại bỏ nhu cầu oxy hóa học là 69% đạt cân bằng trong

7 giờ ở bể phản ứng bùn hoạt tính cố định hiếu khí

Với khảo sát của A.K Verma et al (2012) sử dụng chất đông tụ được thủy phân như Polyaluminium clorua (PACl), Polyaluminium ferric clorua (PAFCl), Polyferpy sulphate (PFS) và Polyferric clorua (PFCl) cho việc khử màu nước thải dệt may

Theo nghiên cứu của Y Zheng et al (2013) nghiên cứu dùng hệ thống màng lọc nano dưới nước cho thấy tỷ lệ loại bỏ màu là 99,3% và giảm COD là 91,5%

Hơn nữa, làm sạch nước cao hơn 93% Với kết quả báo cáo của V Buscio et al

(2015) đã xử lý màu nhuộm bằng các màng lọc polyvinylidene difluoride đạt hiệu suất loại bỏ tới 99% màu sắc và giảm 80% nhu cầu oxy hóa học (COD)

Bên cạnh đó, theo báo cáo của P.S Yuan and B.M Ha (2014) sử dụng

5

phương pháp hệ thống điện hóa loại gần như hoàn toàn màu nhuộm với hiệu suất đạt trên 99 % tại pH=11, nồng độ màu 50 mg/L và nồng độ muối Na2SO4 1200 mg/L trong khoảng thời gian 5 phút

Và theo nghiên cứu của A.K Verma et al (2012) khuyến cáo đã nhấn mạnh

và khuyến khích nên sử dụng các chất keo tụ tự nhiên, là sự thay thế khả thi, để xử

lý nước thải dệt may vì tính chất thân thiện với môi trường của chúng

Đối với hấp phụ thuốc nhuộm Methylene Blue (BM) có các chất hấp phụ chi phí thấp khác nhau chẳng hạn như rơm ngô (Ge et al., 2016), bã mía (Said et

al 2018), và dăm gỗ (Jano s et al., 2009) … đã được sử dụng

Tuy nhiên, có những nghiên cứu về việc sử dụng chất thải từ dừa để hấp phụ Methylene Blue (MB) (Kavitha và Namasivayam, 2007; Hameed et al., 2008

và Tan et al., 2008) Các nghiên cứu này cho thấy vỏ dừa, một loại nông sản rẻ tiền

và dễ kiếm có sẵn, và than hoạt tính của nó có thể được sử dụng để loại bỏ Methylene Blue (MB) khỏi dung dịch thuốc nhuộm rất tốt,

Theo nghiên cứu thực nghiệm của V Vadivelan and K V Kumar (2005) các thí nghiệm hàng loạt đã được thực hiện để hấp thụ màu Methylene Blue (MB) lên các hạt trấu Khả năng hấp phụ đơn lớp của vỏ trấu đối với sự hấp phụ nầy được tìm thấy là 40,5833 mg/g ở nhiệt độ phòng 32oC

Và theo báo cáo của D Kavitha and C Namasivayam (2007) đã nghiên cứu than sơ dừa hoạt tính với thay đổi các thông số, thấy khả năng hấp phụ Methylene Blue (MB) là 5,87 mg/g với kích thước hạt 250-500 microm Còn ở pH=6,9 cho liều hấp phụ 100 mg/50 mL với thời gian cân bằng 30 phút và 60 phút ở nồng độ thuốc nhuộm tương ứng 10 mg/L và 20 mg/L loại bỏ tối đa 97% Và ở pH như trên cho liều hấp phụ 600 mg/50 mL ở thời gian cân bằng là 100 phút thì loại bỏ đến 100% nồng độ thuốc nhuộm 10 mg/L

Và theo báo cáo của B H Hameed and A A Ahmad (2009) đã nghiên cứu cho kết quả rằng vỏ tỏi là chất hấp phụ ít tốn kém hơn để loại bỏ thuốc nhuộm Methylene Blue (MB) Khả năng hấp phụ đơn lớp tối đa được tìm thấy lần lượt là

Thêm nữa, theo báo cáo của M Baysal et al (2018) nghiên cứu sản xuất than hoạt tính mật độ thấp có độ xốp cao từ Hướng dương (SP), một chất thải nông nghiệp, được hoạt hóa hóa học với KOH và NaOH (K-SPAC và N-SPAC) Khả năng hấp phụ tối đa của N-SPAC được tính là 965 mg/g trong khi đó là 580 mg/g đối với K-SPAC

Và nghiên cứu P.Yuan and B.M Ha (2015) Với gum được chiết xuất từ hạt của Cassia (CF) Kết quả tối ưu cho thấy gum thô không đạt được mức độ khử màu cao khi so sánh với chất keo tụ Polyaluminium clorua (PACl) với cùng điều kiện Nhưng chất keo tụ màu xanh lá cây Cassia (CF) như là một yếu tố góp phần loại bỏ màu trong nước thải dệt may mà thân thiện môi trường

Trong nước ta cũng có các công trình nghiên ứng dụng nguyên liệu thân thiện môi trường vào trong xử lý ô nhiễm, xử lý nước thải màu dệt nhuộm công nghiệp

1.1.2 Tình hình nghiên cứu trong nước

Ở Việt Nam, để xử lý màu nhuộm trong nước xả thải đã có một số nghiên cứu ứng dụng như: Phương pháp truyền thống xử lý sinh học (Nguyễn Thị Hà,

2006 và Đồng Thị Mai Anh, 2011), áp dụng phương pháp oxy hóa hóa học (Nguyễn Thị Hường, 2009; Đào Sỹ Đức, 2012 và Ngô Hồng Ánh Thu, 2015), hay phương pháp lọc (Trịnh Văn Tuyên, 2012), cột trao đổi chất hấp phụ (Hoàng Trung Thành, 2003)

Cũng như các phương pháp hiện đại như: phương pháp Fenton dị thể sử

7

dụng tro bay biến tính (Đào Sỹ Đức và cs., 2013), phản ứng quang hóa với chất xúc tác TiO2 (Nguyễn Thị Tuyết Nam, 2013), sử dụng phương pháp Keo tụ kết hợp oxy hóa (Trần Ngọc Phú, 2004 và Bùi Thị Vụ, 2010), hoặc xử lý bằng vật liệu nano pha tạp (Nguyễn Thị Thu Trang, 2016) và một số phương pháp khác

Tuy nhiên, các kỹ thuật trên phức tạp vận hành khó với chi phí xử lý khá lớn nên giá thành cao dù phương pháp trên đạt hiệu quả tốt Cần có quy trình đơn giản dễ thực hiện và vận hành với kinh phí đầu tư ít tốn kém đạt hiệu suất xử lý cao

Ngày nay, xu thế sử dụng nguyên vật liệu thân thiện môi trường từ phế phẩm sinh học nông nghiệp thải bỏ để xử lý màu trong nước thải dệt nhuộm được đặc biệt quan tâm Đã đạt kết quả khả quan với độ hấp phụ lớn và hiệu suất hấp phụ cao với công nghệ đơn giản dễ thực hiện dễ vận hành hơn

Các nguyên liệu sinh khối nông nghiệp khác nhau được điều chế thành vật liệu hấp phụ chất thải có chi phí thấp chẳng hạn như: vỏ cây, bông và vỏ đậu phộng đã được nghiên cứu ứng dụng hấp phụ thuốc nhuộm Methylene Blue (MB) (Đinh

và cs., 2014)

Theo nghiên cứu của Ngô Thị Lan Anh (2011), trên vật liệu bả mía hấp thụ màu nhuộm Methylene Orange (MO) với thời gian đạt cân bằng 90 phút và dung lượng hấp phụ là 11,6 mgMO/g, và báo cáo của Nguyễn Văn Thanh (2012) nghiên cứu vật liệu xơ dừa biến tính hấp phụ Methylene Orange (MO) có thời gian đạt cân bằng là 120 phút, với dung lượng hấp phụ 14,71 mgMO/g, và với dung dịch Methylene Blue (MB) trong thời gian 180 phút đạt dung lượng hấp phụ cực đại 41,67 mg MB/g

Với nghiên cứu của Dương Thị Bích Ngọc và cs (2013) khi nghiên cứu khả năng hấp phụ thuốc nhuộm Methylene Blue (MB) của vật liệu chế tạo từ lõi ngô

và vỏ ngô, ghi nhận sau 20 phút hiệu suất hấp phụ của lõi ngô ở pH.3-11 và vỏ ngô

ở pH.3-8,8 đã lên trên 97%

Năm 2013, Đào Sỹ Đức cùng với cộng sự nghiên cứu biến tính tro bay làm

8

xúc tác cho quá trình Fenton dị thể, mục tiêu phân hủy phẩm màu RB.181 Với hàm lượng xúc tác 0,4 g/L và pH=3 cùng hàm lượng hydro peoxit 3,92 mM, thời gian xử lí 90 phút đạt kết quả hiệu suất phân hủy 92,21 % trong các nguồn thải dệt nhuộm

Theo báo cáo của Phạm Thị Ngọc Huyền và cs (2015) nghiên cứu gum muồng Hoàng Yến cũng có khả năng làm giảm màu nhuộm hoạt tính triazine, đạt hiệu suất khử màu là hơn 55%, khử COD là 39,9%, trong điều kiện pH của môi trường kiềm Đây là một chất keo tụ xanh ứng dụng để xử lý nước thải của môi trường

Phan Phước Toàn và cs (2016) chỉ ra rằng than tro trấu hoạt hóa có khả năng hấp phụ Methylene Orange (MO) đạt cao nhất 33,5 mgMO/g, cao gấp 1,7 lần

so với than hoạt tính (19,2 mgMO/g) và 33,2 lần so với tro trấu thô (1,01 mgMO/g)

Theo Nguyễn Vân Hương (2017), nghiên cứu sử dụng than hoạt tính Trà Bắc hấp phụ một số phẩm màu trong nước thải dệt nhuộm đạt kết quả: với màu nhuộm Methylene Red (MR) đạt dung lượng hấp phụ cao nhất là 9,80 mg/g ở pH=4; với dung dịch thuốc màu Methylene Orange (MO) ghi nhận dung lượng hấp phụ đạt cao đến 9,34 mg/g ở pH=4; với dung dịch nhuộm Alizarin vàng G hấp phụ đạt cao 7,25 mg/g ở pH=7 với thời gian cân bằng đều là 60 phút

Báo cáo của Đào Minh Trung (2018; 2019a; 2019b; 6/2020) Kết quả nghiên cứu về khả năng hấp phụ màu Methylene Blue (MB ) bằng than hoạt tính được điều chế từ vỏ trái Macca với tác nhân hoạt hóa KOH, hoặc bằng hóa chất

H2O2, hoặc hoạt tính với tác nhân H3PO4 và biến tính bằng H2O2 , hoặc hoạt tính bởi K2CO3 và biến tính bằng HNO3 cho thấy tương ứng với hiệu suất xử lý tốt nhất lần lượt đạt 83,41%, 93,26%, 99,07%, 79,36 %

Việt Nam đã nghiên cứu nguyên liệu phế phẩm sinh học nông nghiệp ứng dụng sản xuất than hoạt tính thành công dùng trong xử lý nước xả thải màu nhuộm, với kỹ thuật điều chế than đơn giản dễ thực hiện, giá đầu tư thấp từ nguồn nguyên liệu sẳn có rẻ tiền đạt xử lý tốt với độ hấp phụ lớn, hiệu suất hấp phụ cao như mong

9

đợi

Tóm lại: Xử lý chất thải màu dệt nhuộm bằng các phương pháp vật lý, hóa

lý, hóa học, sinh học hoặc kết hợp nhau đều có kỹ thuật cao, giá vốn đầu tư lớn cho xây dựng, máy móc, vật liệu, hóa chất… chi phí xử lý cao và thao tác vận hành với kỹ thuật phức tạp Xử lý màu nhuộm bằng vật liệu thân thiện môi trường, là phế phẩm sinh học nông lâm nghiệp thải bỏ ra rất nhiều và đa dạng, là xu thế hiện nay Vừa giải quyết được lượng lớn chất thải rắn và thu mua giá thấp Nó dùng sản xuất than hoạt tính, than biến tính dễ thực hiện và chi phí không cao, được ứng dụng rộng rãi trong giải quyết ô nhiễm môi trường và xử lý khá triệt để

1.2 Hiện trạng ô nhiễm và các chất ô nhiễm phẩm màu nhuộm.

Đối với môi trường, sự đa dạng màu sắc và độ bền màu của thuốc nhuộm

là sự ô nhiễm ngày càng trầm trọng (Slokar and Le Marechal, 1998; Pinheiro et al., 2004 và Mittal et al., 2007) và càng khó xử lý trong nghiên cứu cơ chế và công nghệ xử lý nước thải mà ngành dệt nhuộm xả thải rất lớn gây nên ô nhiễm nặng Theo thống kê, trong ngành công nghiệp dệt nhuộm có khoảng 24 - 30 triệu m3nước thải/năm, thì khoảng 10% được qua xử lý và còn lại thải ra môi trường tiếp nhận Mà hiệu suất sử dụng các loại thuốc nhuộm thì nằm trong khoảng từ 70 - 80% và tối đa chỉ đạt 95% Mà hàng năm đã tiêu thụ hàng nghìn tấn các loại hoá chất thuốc nhuộm… Vậy lượng lớn còn dư thừa lại sẽ thải vào môi trường gây ô nhiễm nặng (Nguyễn Thị Tuyết Nam, 2014; Himanshu Patel và R.T Vashi, 2015) Đây là lãng phí lớn và gây khó khăn xử lý ô nhiễm phẩm màu nhuộm nhiều hơn

Trên thế giới rất quan tâm các thông số ô nhiễm của công đoạn nhuộm đã giảm xuống và buộc các cơ sở sản xuất phải thay đổi quy trình công nghệ, hóa chất

sử dụng Trong đó các hệ thống xử lý phù hợp cũng phải thay đổi theo, để đạt tiêu chuẩn và quy chuẩn Như vậy có sự tiến bộ trong công nghệ sản xuất của các nước Giảm thiểu nhiều cho ô nhiễm môi trường

1.3 Đặc tính nước thải của sản xuất dệt nhuộm

Theo Nguyễn Thị Tuyết Nam (2014), trong công nghệ nhuộm cần sử dụng 20÷100m3 nước/tấn sản phẩm, tương ứng nước thải vài trăm đến hơn ngàn

10

m3/ngày Nồng độ các chất ô nhiễm từng công đoạn nhuộm rất khác nhau: độ pH của các quá trình khá chênh lệch Nước thải chủ yếu có tính kiềm Giá trị COD cao (đều lớn hơn 2000mg/L), những công đoạn khác thải ra chất hữu cơ dễ phân hủy Còn các thông số TDS và tổng Photpho của nước thải dệt nhuộm không cao, và hàm lượng chất lơ lửng trong nhuộm, chuội vải là cao nhất

Đặc biệt công đoạn nhuộm màu thải ra lượng nước lớn chứa hàm lượng chất hữu cơ khó phân hủy cao và có độ màu lớn nhất (đến 25.000 theo thang độ màu Pt – Co)

Như vậy, các chất thải có trong nước thải công nghiệp dệt nhuộm có thể được chia thành hai loại:

- Chất thải của hóa chất và chất phụ gia sử dụng dư thừa, là chất vô cơ và chất hữu cơ dễ phân hủy

- Chất thải từ thuốc nhuộm dư thừa, là chất hữu cơ khó phân hủy

Do đặc tính khác nhau của hai loại chất thải trên, cần phải tách dòng khi đưa vào xử lý trong nhà máy

Đặc trưng quan trọng của nguồn nước thải dệt nhuộm là sự dao động lớn về

cả số lượng và tải lượng ô nhiễm Nó thay đổi theo mùa, mặt hàng sản xuất và chất lượng sản phẩm Hiệu quả hấp phụ của vải chỉ đạt 60÷70%, nên nước thải nầy có

độ kiềm cao, độ màu và hàm lượng chất hữu cơ lớn Ngoài ra có một số chất điện

ly, chất hoạt động bề mặt, chất tạo môi trường … cũng tồn tại trong nước thải làm

độ màu cao (Nguyễn Thị Tuyết Nam, 2014; Himanshu Patel and R.T Vashi, 2015)

Nước thải của ngành dệt nhuộm nếu không được xử lý khi thải vào môi trường sẽ làm mất cân bằng sinh thái của nguồn tiếp nhận, gây ô nhiễm môi trường

và ảnh hưởng lớn đến động thực vật sống và sức khoẻ con người (Lê Quốc Tuấn

và cs., 2013) Đây là vấn đề quan trọng cần được quan tâm sâu sát giải quyết tốt trả nguồn nước sạch cho sinh vật

11

Bảng 1 1 Đặc tính nước thải nhuộm (Thanh và cs., 2013)

Thông số Đơn vị Giá trị tiêu biểu QCVN cột A QCVN

Phương pháp màng Phương pháp oxi hoá (AOPs): Phương pháp hoá lý

O3/H2O2; O3/UV; H2O2/UV;

Fe2+/H2O2; UV/TiO2

Thẩm thấu Siêu lọc Điện thẩm tách Trao đổi ion Keo tụ Hấp phụ Tuyển nổi

Hình 1.1 Các biện pháp xử lý nước thải nhuộm

Nước thải chứa chất hữu cơ

khó phân hủy

12

Để xử lý nước thải chứa các hợp chất hữu cơ nói chung người ta thường sử dụng 2 biện pháp chính là biện pháp phân huỷ bằng sinh học và các biện pháp hoá học

Nước thải màu nhuộm là khó phân huỷ sinh học nên biện pháp xử lý chủ yếu là hoá học Các phương pháp hoá học như xử lý bằng keo tụ, xử lý bằng hấp phụ, xử lý bằng oxi hoá hoá học… (xem hình 1.2)

Tuy nhiên, nếu xử lý triệt để thì giá thành xử lý khá cao và đôi khi sinh ra các sản phẩm phụ không mong muốn trong quá trình xử lý (Trần Ngọc Phú, 2004)

1.4.1 Phương pháp hấp phụ

Quá trình hấp phụ là quá trình thuận nghịch, nghĩa là sau khi chất bẩn đã bị hấp phụ rồi, có thể di chuyển ngược lại từ bề mặt chất hấp phụ vào dung dịch, hiện tượng này gọi là giải hấp phụ (Trần Văn Nhân và Ngô Thị Ngọc, 2002)

Theo Tạ Ngọc Đôn (2009) Hiện tượng hấp phụ và giải hấp phụ xảy ra do lực tương tác giữa chất hấp phụ và chất bị hấp phụ, trong đó:

- Lực tương tác giữa các phân tử gây ra hấp phụ vật lý, trao đổi ion

- Lực nội phân tử gây ra hấp phụ hóa học

Trong thực tế, sự phân biệt hấp phụ vật lý và hấp phụ hóa học chỉ là tương đối vì ranh giới giữa chúng không rõ rệt Trong một số quá trình hấp phụ xảy ra đồng thời cả hấp phụ vật lý và hấp phụ hóa học (Tạ Ngọc Đôn, 2009)

Theo Trần Văn Nhân và Ngô Thị Nga (2002) với điều kiện như nhau, tốc

độ của quá trình thuận nghịch tương ứng tỷ lệ với nồng độ chất bẩn trong dung dịch và trên bề mặt chất hấp phụ Khi nồng độ chất bẩn trong dung dịch ở giá trị cao nhất thì tốc độ hấp phụ cũng lớn nhất Khi nồng độ chất hấp phụ trên bề mặt tăng lên thì số phân tử (đã bị hấp phụ) sẽ di chuyển trở lại dung dịch cũng ngày càng nhiều hơn

Trong một đơn vị thời gian, số phân tử bị hấp phụ từ dung dịch lên bề mặt hấp phụ cũng bằng số phân tử di chuyển ngược lại từ bề mặt chất hấp phụ vào dung dịch thì nồng độ chất ô nhiễm hoà tan trong dung dịch sẽ là một đại lượng không đổi, và đạt nồng độ cân bằng

Phương pháp hấp phụ thường dùng để tách các hợp chất hữu cơ hoà tan và

13

khử màu của nước thải

Một số chất hấp phụ thường dùng: Than hoạt tính, xỉ, tro, Silicagel, Nhôm oxit, polyme, sắt oxit, chất hấp phụ vô cơ tự nhiên như (khoáng sét và zeolit tự nhiên), zeolit tổng hợp, các vật liệu mao quản trung bình

Phương pháp hấp phụ bằng than hoạt tính

Than hoạt tính dùng để xử lý nước ô nhiễm xả thải, tẩy màu của nước, loại

bỏ các kim loại nặng nguy hiểm ( Hg, Cd, Pb, As, Sb, Cr, Cu, Zn, Mn,…), chiết xuất vàng, bạc và những kim loại quý, lọc khí - hơi, lọc nước, than trao đổi ion,… (Lê Huy Du và cs, 1981)

Qua trình hấp phụ làm tăng nồng độ của chất bị hấp phụ (adsorbate) lên bề mặt than hoạt tính (adsorbent) Chất bị hấp phụ chỉ tồn tại trên bề mặt than không phân bố đều khắp trong toàn bộ thể tích nên còn gọi là quá trình phân bố 2 chiều

Khi bị hấp phụ lên bề mặt than hoạt tính, chất bị hấp phụ chiếm chỗ của một cấu tử nào đó và đẩy nó ra hiện tượng này gọi là trao đổi ion

Ta có hấp phụ vật lý và hấp phụ hóa học Trong thực tế không phân biệt rõ rệt hai loại nầy chỉ là tương đối Trong một số quá trình hấp phụ xảy ra đồng thời

cả hấp phụ vật lý và hấp phụ hóa học

Hấp phụ trong môi trường nước Trong hệ có ít nhất 3 thành phần gây tương tác là: nước – chất hấp phụ - chất bị hấp phụ, sẽ xảy ra quá trình hấp phụ cạnh tranh

1.4.2 Phương pháp tuyển nổi

Dùng để tách các tạp chất dầu mỡ trong nước thải, còn gọi là quá trình tách bọt Một thiết bị tuyển nổi bao gồm: ống cấp khí, bộ phận gạt, máng gom bọt, cặn

và ống thu nước sau xử lý (Nguyễn Xuân Nguyên, 2003)

Phương pháp tuyển nổi nhờ các bọt khí nhỏ vào pha lỏng kết dính với các hạt (phân tán không tan hoặc tự lắng kém) cho đến khi lực nổi của tập hợp các bóng khí và hạt đủ lớn sẽ kéo hạt nổi lên trên bề mặt Sau đó chúng được tập hợp lại thành các bọt chứa hàm lượng cao và được thu gom bằng bộ phận vớt bọt

Quá trình tuyển nổi được phụ thuộc vào bản chất của hạt, đặc tính tương tác giữa các tác nhân với bề mặt hạt và khả năng thấm ướt của bề mặt hạt (S K A

14

Solmaz and et al., 2006)

1.4.3 Phương pháp trao đổi ion

Phương pháp này được ứng dụng để loại bỏ các kim loại, các hợp chất của

As, P, CN… và các chất phóng xạ Đây là quá trình tương tác giữa pha rắn và pha lỏng có nghĩa là các chất rắn có thể trao đổi các ion của nó bằng các ion khác có trong dung dịch Các cấu tử của pha rắn được gọi là ionit không tan trong nước (Nguyễn Văn Phước, 2006), quá trình trao đổi được thực hiện trải qua các giai đoạn:

- Vận chuyển ion A từ chất lỏng đến mặt ngoài màng biên bao quanh ionit

- Khuếch tán qua lớp biên

- Vận chuyển ion này qua bề mặt phân chia pha để vào hạt nhựa

- Phản ứng trao đổi ion A và B

- Khuếch tán ion B trong hạt đến bề mặt phân chia pha

- Chuyển ion B qua bề mặt phân chia pha đến mặt trong màng biên

- Khuếch tán ion B qua màng

- Khuếch tán ion B vào chất lỏng

Quá trình trao đổi ion là quá trình các ion trên bề mặt pha rắn trao đổi với các ion trong dung dịch đi qua Các chất trao đổi ion gồm các chất vô cơ hoặc hữu

cơ có nguồn gốc tự nhiên hay nhân tạo (Nguyễn Xuân Nguyên, 2003)

Các chất hữu cơ khi được đưa qua cột trao đổi và chất bị hấp phụ sẽ được giữ lại trên bề mặt rắn Phương pháp này cho hiệu quả cao, chi phí thấp, nguyên vật liệu đơn giản, nhưng điều kiện nghiên cứu áp dụng thực tế còn gặp khó khăn ở Việt Nam (Hoàng Trung Thành, 2003)

Trong thực tế, các biện pháp như hấp phụ bằng than hoạt tính, trao đổi ion, lọc khử nước, tuyển nổi… Còn ít được áp dụng trong trường hợp xử lý nước thải nhuộm ở Việt Nam ta

1.4.4 Phương pháp keo tụ-tạo bông

Phương pháp keo tụ được định nghĩa là một hiện tượng làm mất sự ổn định của các hạt huyền phù dạng keo “ổn định” để cuối cùng tạo ra các cụm hạt lớn hơn khi có sự tiếp xúc giữa các hạt keo Cũng có thể nói keo tụ là một phương pháp

Chất keo tụ thường là các loại muối kim loại vô cơ cation Còn đối với các chuỗi polymer dài không điện tích hoặc anion được sử dụng làm chất tạo bông Trong thực tế người ta thường sử dụng một số chất đông tụ sau: Al2(SO4)3.18H2O, NaAlO2, Al2(OH)5Cl, KAl(SO4)2.12H2O, NH4Al(SO4)2.12H2O

Theo báo cáo Smith et.al (1975) đã sử dụng chất keo tụ Al2(SO4)3 để xử lý nước thải công đoạn trước tẩy trong dệt nhuộm Lượng phèn sử dụng là 70-100mg/L, hiệu quả xử lý đạt 95% với SS và BOD5 là 38%

Và với Knocke et al (1986) đã xử lý màu nước thải công đoạn tẩy trong dệt nhuộm bằng phèn sắt FeCl3 và FeSO4 Khi sử dụng 300mg/L FeCl3 thì hiệu quả

xử lý màu đạt 95-99% Khi sử dụng 500mg/L FeSO4 thì hiệu quả xử lý màu đạt 100% Jia-Qian Jiang and Nigel J.D Graham (2003)

Còn trong nghiên cứu của Duk Jong Joo, Won Sik Shin và Jeong Hak Choi đã tiến hành xử lý nước thải chứa thuốc nhuộm hoạt tính bằng phèn nhôm, phèn sắt và sử dụng thêm chất trợ lắng polime tổng hợp Kết quả khi kết hợp phèn và chất trợ lắng thì màu của nước thải được loại hầu như hoàn toàn Hiệu quả xử lý tăng khi tăng lượng chất trợ lắng Ngoài ra, hiệu quả keo tụ còn phụ thuộc vào điều kiện pH và loại chất keo tụ sử dụng (Duk Jong Joo et.al., 2005)

1.4.5 Phương pháp điện hoá

Theo giáo trình của Nguyễn Văn Phước (2006) Quá trình điện hóa được diễn ra trên điện cực khi cho dòng điện một chiều qua nước thải Phương pháp này được sử dụng để xử lý các tạp chất tan và phân tán trong nước, gồm các kỹ thuật:

1.4.5.1 Oxi hoá dương cực và khử âm cực

Trên điện cực dương diễn ra quá trình oxy hóa, các chất trong nước thải bị phân rã hoàn toàn tạo thành CO2, NH3 và H2O hoặc ra chất đơn giản và không độc

16

Còn trên điện cực âm diễn ra quá trình khử catot, các kim loại bị khử sẽ được lắng

và thu hồi trên catot

1.4.5.2 Tuyển nổi bằng điện

Trên anot xuất hiện các bọt khí oxi còn trên catot xuất hiện bọt khí hydro giúp làm nổi các hạt lơ lửng trong nước thải nhờ hệ thống sục khí trong bể nhan

1.4.5.3 Keo tụ điện hoá

Keo tụ điện hóa là một phương pháp đơn giản và hiệu quả, các chất bông tụ được tạo ra từ qúa trình oxy hóa điện cực của một anot, thường các vật liệu này được làm bằng sắt hoặc nhôm Hiện nay việc sử dụng phương pháp keo tụ điện hóa để xử lý kim loại nặng trong nước thải đã trở nên rất phổ biến (N Adhoum et al., 2004)

Với khả năng loại bỏ cao các ion kim loại nặng mà không cần thêm vào các chất keo tụ hóa học, phương pháp này còn đem lại khả năng làm giảm lượng bùn đáng kể sau xử lý (M A Shannag et al., 2014)

Tuy nhiên vận hành với nguồn điện lớn là nhược điểm mà phương pháp này vẫn chưa khắc phục được (Nguyễn Văn Phước, 2006)

1.4.6 Giải hấp phụ (Tạ Ngọc Đôn, 2009)

Đây là quá trình ngược với quá trình hấp phụ, tách chất bị hấp phụ ngay trên

bề mặt chất rắn ra ngoài dung dịch Giải hấp phụ dựa trên nguyên tắc sử dụng các yếu tố bất lợi với quá trình hấp phụ

Đối với hấp phụ vật lý, để làm giảm khả năng hấp phụ có thể tác động thông qua 5 yếu tố sau:

- Giảm nồng độ chất bị hấp phụ ở dung dịch để thay đổi thế cân bằng hấp phụ

- Tăng nhiệt độ làm lệch hệ số cân bằng vì hấp phụ là quá trình tỏa nhiệt, thực chất là làm yếu tương tác giữa chất hấp phụ và chất bị hấp phụ

- Thay đổi bản chất tương tác của hệ thông qua thay đổi pH môi trường

- Sử dung tác nhân hấp phụ mạnh hơn để đẩy các chất đã hấp phụ trên bề mặt chất rắn

- Sử dụng tác nhân vi sinh vật

17

Giải hấp phụ là phương pháp tái sinh chất hấp phụ để có thể tiếp tục sử dụng lại, nên nó mang đặc trưng về hiệu quả kinh tế Nếu chất hấp phụ rẻ mà tái sinh tốn kém thì chỉ nên sử dụng chất hấp phụ một lần rồi bỏ Vì vậy, khi tái sinh cần tính toán kỹ hiệu quả kinh tế

Dựa trên nguyên tắc giải hấp phụ nêu trên, có thể sử dụng 3 phương pháp tái sinh: Tái sinh nhiệt, phương pháp hóa lý và phương pháp vi sinh vật

1.5 Tổng quan về cây Macca

Theo tác giả Nguyễn Công Tạn, (2005) và Hoàng Hòe, (2015) Cây Macca

là tên gọi từ cách phiên âm trong tiếng Việt của chi thực vật có danh pháp khoa học Macadamia, gồm nhiều cây thân gỗ có nguồn gốc từ châu Đại Dương, thuộc

họ Proteaceae Các loài trong chi này là bản địa của đông bắc New South Wales

và trung-đông nam Queensland Cũng là một loại cây phổ biến có xuất xứ từ nước

Úc

Cây Maca là loại cây thân gỗ lớn, khi trưởng thành chiều cao tới 18m, tán rộng 15m Gồm 2 loại macca vỏ nhẵn và vỏ trơn Hoa nở rộ từ tháng 12 tới tháng

2 năm sau có thể kéo dài hơn Hoa thường màu trắng, mọc thành từng chùm

Cây Macca là loại cây ưa sáng, chịu được nhiệt độ từ 13-32 độ C Thích hợp với loại đất tơi xốp, thoát nước tốt, đặc biệt là đất đỏ

Hình 1 2: Cây Macca Hình 1 3: Trái Macca

1.5.1 Vùng phân bố trồng cây Macca ở Việt Nam

Cây Macca được đưa vào trồng ở nước ta từ năm 1994, đến nay Việt Nam

là nước đứng thứ 11 trong 17 nước có diện tích cây mắc ca lớn nhất trên thế giới Nước ta đang đẩy mạnh trồng cây Macca ở một số vùng Tây Nguyên, Tây Bắc

18

diện tích trồng ngày càng được mở rộng Ngoài ra, ở một số địa phương vùng Bắc Trung bộ cũng có một số diện tích trồng Macca do các hộ dân trồng tự phát, nhỏ

lẻ, không đáng kể (Hoàng Hòe, 2015)

1.5.2 Thành phần hóa học của vỏ hạt Macca

Trái Macca là loại quả giàu giá trị dinh dưỡng, có chứa nhiều vitamin, acid béo không no, protein và các chất khoáng Trong protein của nhân Macca có hơn

20 loại acid amin, trong đó có 10 acid amin không thể thay thế…(Hays M 2001)

Hàm lượng lipid trong nhân mắc ca chiếm khoảng 78,20%, trong đó acid béo không no chiếm 84% tổng lipid (Nguyễn Văn Lợi, 2016)

Theo báo cáo của Đào Minh Trung (2018) kết quả nghiên cứu của Toles (1998), Bada (2015) và Xavier (2016) cho thấy, trong vỏ Macca có nhiều hoạt chất

để làm than hoạt tính như: hàm lượng Cacbon (47-49%) cao hơn lượng Cacbon

có trong tre (45,53%) và tương đương với lượng Cacbon trong gáo dừa 48,63%

Ngoài ra, trong vỏ còn chứa hàm lượng Oxi 46,52%, Hidro 6,10%, Nito 0,36% và hàm lượng tro tương đối thấp chỉ 0,22% Điều này cho thấy vỏ Macca

có tiềm năng sản xuất thành than hoạt tính nhờ những đặc tính nêu trên (Đào Minh Trung, 2018)

Vỏ quả Macca khi già thường có màu xanh đậm, hoặc ngà vàng, trong đó

có các thành phần dinh dưỡng như: glucid, protein, lipid, vitamin, pectin, chất khoáng, polyphenol (Nguyễn Văn Lợi, 2016)

1.5.3 Ứng dụng của vỏ hạt Macca (EPCO FOODS, 2020)

- Sản xuất nhựa xanh

19

Vỏ hạt Macca đã qua chế biến có thể được sử dụng để sản xuất các loại nhựa thân thiện với môi trường Nó được nghiền thành bột mịn, sau đó trộn với một polymer để tạo ra một loại chất dẻo

Trong đề tài nghiên cứu nầy chế biến vỏ Macca thành than hoạt tính và than biến tính bằng hóa chất khảo sát hiệu quả xử lý nước thải màu nhuộm giải định

1.6 Tổng quan về than hoạt tính

Than hoạt tính, được điều chế khi đốt các nguyên liệu cho ra cacbon khan,

có thành phần chủ yếu 85% đến 95% là cacbon và thành phần còn lại là các kim loại kiềm và vụn cát, các hợp chất vô cơ Do vậy nguồn nguyên liệu để sản xuất than hoạt tính khá phong phú

Than hoạt tính sản xuất từ những nguyên liệu giàu cacbon như các loại sọ dừa, rơm rạ, vỏ quả, hạt cứng, các loại thực vật (gỗ, mùn cưa,…), các loại có nguồn gốc từ than mỏ như than antraxit, than bùn, than nâu, than bán cốc, hoặc từ các hợp chất hữu cơ như polime, lignin, dầu mỏ…

Than hoạt tính có những lỗ rỗng bé, tạo ra một cấu trúc rất xốp diện tích bề mặt riêng rất lớn từ 500 – 2500 m2/g do đó thích hợp cho hấp phụ hoặc phản ứng hóa học, lý tưởng dùng để hấp phụ nhiều loại chất ô nhiễm (Lê Huy Du và cs., 1981)

Ở nước ta than hoạt tính bắt đầu được nghiên cứu từ những năm 60 của thế

kỷ 20 Nghiên cứu đầu tiên là ở Viện Hoá học Công nghiệp với than hoạt tính từ antraxit, gáo dừa, bã mía, tiếp đó là các nghiên cứu của Viện Hoá học Công nghiệp

và Trung tâm Nghiên cứu Than hoạt tính, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội.Các kết quả nghiên cứu đã được triển khai ở quy mô pilot (Phạm Ngọc Thanh, 1987)

Hiện nay than hoạt tính đã được sử dụng rộng rãi ứng dụng rất nhiều trong việc lọc hút nhiều loại hóa chất trong hầu khắp mọi lĩnh vực khoa học, quân sự và đời sống Tùy theo mục đích sử dụng, hiện có một số loại than hoạt tính như sau: Than lọc khí - hơi, than tẩy màu, than lọc nước, than trao đổi ion,… (Lê Huy Du

và cs, 1981)

1.6.1 Những thông số của than hoạt tính (Trịnh Xuân Đại, 2010)

+ Kích thước, thể tích lỗ xốp và diện tích bề mặt riêng

20

Than hoạt tính có cấu trúc lỗ xốp được hình thành trong quá trình cacbon hóa và phát triển trong quá trình hoạt hóa tạo thành các lỗ trống trong mạng tinh thể, sự sắp xếp ngẫu nhiên của các lớp vi tinh thể làm cho than hoạt tính có cấu trúc lỗ xốp phát triển

Quá trình hoạt hóa than làm tăng thể tích và kích thước lỗ xốp, được thể hiện thông qua các thông số: diện tích bề mặt (Sr), thể tích lỗ mao quản, tính riêng theo từng kích cỡ hạt

Dựa vào kích thước hạt than chia làm 3 loại: lỗ bé (micropore d < 2nm), lỗ trung bình (mesopore 2nm < d < 50nm) và lỗ lớn (macropore d > 50nm) Lỗ xốp micropore chiếm phần lớn diện tích bề mặt than hoạt tính, và các lỗ xốp mesopore

và macropore là phần còn lại

Để biết khả năng hấp phụ của than hoạt tính người ta tiến hành đo diện tích

bề mặt riêng của than hoạt tính (m²/g) Diện tích của những lỗ xốp micro chiếm 95% diện tích bề mặt riêng của than, còn lại không quá 5% lỗ xốp meso và macro

+ Độ cứng

Là khả năng chống chịu mài mòn của than hoạt tính, phải đảm bảo được độ

Kích thước hạt than ảnh hưởng lớn đến khả năng hấp phụ, tiếp cận của chất

bị hấp phụ tới bền mặt của than Kích thước hạt càng nhỏ tiếp cận càng dễ và quá trình hấp phụ diễn nhanh

Trong hệ khí có áp suất thấp thì điều này đặc biệt có ý nghĩa Khi tính toán được kích thước hạt ta có thể lựa chọn được những thông số tối ưu để giảm việc tiêu thụ năng lượng một cách tối đa

1.6.2 Điều chế than hoạt tính

Phương pháp điều chế than hoạt tính gồm hai quá trình: than hóa và hoạt hóa

Than hoá: là dùng nhiệt để phân hủy nguyên liệu ban đầu chuyển hoá về dạng than, làm tăng hàm lượng cacbon và tạo xốp ban đầu

Giai đoạn hoạt hoá: dùng nhiệt cao phát triển thêm nhiều lỗ xốp, tăng diện tích bề mặt riêng của than

1.6.2.1 Nguyên liệu chế tạo than hoạt tính

Do than hoạt tính có thành phần chủ yếu là cacbon, như vậy tất cả những nguồn nguyên liệu giàu cacbon đều có thể được dùng để chế tạo than hoạt tính

Hiện nay, những nguồn nguyên liệu chủ yếu chế tạo than hoạt tính như: + Than đá: là nguồn nguyên liệu thực vật hóa thạch hình thành, phân hủy trong các hệ sinh thái đầm lầy bị chôn kín không oxy hóa Thành phần chính là cacbon tốt cho việc sản xuất than hoạt tính

+ Sản phẩm dầu mỏ: như hắc ín, những khí alkan, cacbon thơm mạch vòng Là những nguyên liệu giàu cacbon làm nguyên liệu đầu vào sản xuất than hoạt tính

+ Sọ dừa, vỏ lạc, tre, củi: là những thực vật có hàm lượng cacbon lớn Đây nguồn nguyên liệu tốt cho việc sản xuất than hoạt tính

22

Ở Việt Nam hiện nay, than hoạt tính gáo dừa được sử dụng trong nhiều lĩnh vực ở trong và ngoài nước Xuất khẩu đem lại nguồn thu đáng kể cho ngân sách Nhà nước

+ Vỏ trấu: như một nguồn nguyên liệu sản xuất than hoạt tính, một hướng

đi mới hiện nay

Việt Nam là một nước nông nghiệp trồng lúa nước và cạn cho sản lượng rất lớn Hàng năm, lượng vỏ trấu thải ra hàng chục triệu tấn Theo kết quả phân tích

vỏ trấu có chứa từ 13 ÷ 15% SiO2, 18 ÷ 20% cacbon cố định, còn lại là ẩm và những chất hữu cơ khác

Do đó, việc sản xuất than hoạt tính từ vỏ trấu là tốt, có năng suất và đạt hiệu quả cao, giảm thiểu ô nhiễm môi trường do phế thải trấu mà còn mở ra nguồn nguyên liệu tái tạo thay thế cho nguồn nguyên liệu hóa thạch đang cạn kiệt để sản xuất than hoạt tính

1.6.2.2 Quá trình than hóa (Võ Thị Diễm Kiều, 2015)

Than hóa có mục đích chuyển nguyên liệu đầu vào thành cacbon, làm thoát hơi ẩm và bay hơi các hợp chất hữu cơ không bền, tạo ra hệ thống lỗ xốp đầu tiên cho quá trình hoạt hóa tiếp theo

Đối với các nguyên liệu đầu vào có bản chất thực vật (gỗ, tre, sọ dừa, vỏ lạc, vỏ trấu,…) có cấu tạo từ những hệ phân tử lớn Dùng nhiệt độ để phân hủy và phá vỡ những liên kết tạo ra phân tử nhỏ hơn

Trong quá trình này, một số chất không bền thường được thóat ra dưới dạng khí hoặc chất lỏng và ẩm dạng hơi để lại các lỗ xốp như đã nêu trên Những nguyên

tử cacbon còn lại sẽ dịch chuyển ở những khoảng cách rất nhỏ (< 1nm) trong khối vật liệu, tới những vị trí bền vững hơn Than thu được luôn có tỷ trọng nhỏ hơn nguyên liệu đầu vào

Đối với các loại nguyên liệu khác thì cách thức hình thành lỗ xốp ban đầu cũng như cơ chế hình thành than có đặc điểm riêng và hoàn toàn khác nhau Do

đó, nguồn nguồn liệu khác nhau sẽ tạo ra những cấu trúc than hoạt tính khác nhau

1.6.2.3 Quá trình hoạt hóa

Hoạt hóa là quá trình nâng cao hoạt tính cho than sau than hóa, lấy đi

23

những nguyên tử cacbon trong thể tích hạt than (bào mòn mạng lưới tinh thể cacbon) dưới tác dụng của nhiệt và tác nhân hoạt hóa tạo độ xốp cho than bằng một hệ thống lỗ có kích thước khác nhau, ngoài ra còn tạo các tâm hoạt động trên

bề mặt

Theo báo cáo nghiên cứu của Võ Thị Diễm Kiều (2015) Có hai phương pháp hoạt hóa cơ bản là: hoạt hóa vật lý và hoạt hóa hóa học

a Phương pháp hoạt hóa vật lý

Hoạt hóa vật lý luôn đi kèm với giai đoạn than hóa, ở nhiệt độ cao vật liệu

bị đề hyđrát hóa, đồng thời xảy ra quá trình tái cấu trúc bề mặt than, kết quả làm tăng cấu trúc xốp của bề mặt làm tăng diện tích bề mặt riêng của than

Tác nhân hoạt hóa phổ biến là khí CO2, hơi nước, không khí, … Tuy nhiên, tác nhân hoạt hóa CO2, hơi nước ngoài vai trò đuổi oxi, nó còn là tác nhân hoạt hóa cho quá trình tạo lỗ xốp và phát triển bề mặt riêng của than

Các phản ứng hoạt hóa chính ứng với tác nhân hoạt hóa CO2, hơi nước lần lượt là:

C + CO2 = 2 CO

C + H2O = CO + H2Khi cacbon tương tác với hơi nước, các phản ứng sau đây diễn ra cùng lúc:

C + H2O = H2 + CO – 31 kcal

2 H2O + C = CO2 + 2 H2Phản ứng cơ bản giữa cacbon và hơi nước là phản ứng thu nhiệt, do đó ta phải cấp nhiệt

Trong quá trình hoạt hóa, hydro được xem như là chất hấp phụ trên bề mặt cacbon Sự chiếm các vị trí trung tâm hoạt động làm kiềm chế phản ứng hoạt hóa:

C + H2 = C(H2) Oxy và hydro được hấp phụ trên trung tâm hoạt động gần kề nó Phản ứng hoạt hóa hơi nước ở nhiệt độ cao trong môi trường không có oxy vẫn tồn tại phản ứng cháy: C + O2 = CO2 + Q

2 C + O2 = 2 CO

2 CO + O2 = 2 CO2

24

2 H2 + O2 = H2O Chính vì vậy, ta cần hạn chế lượng oxy dự trên bề mặt than, vì lượng oxy

dự tạo phản ứng cháy trên bề mặt than

* Ưu nhược điểm của phương pháp hoạt hóa vật lý

• Ưu điểm : Thiết bị đơn giản; Ít gây ăn mòn thiết bị; Sản phẩm than hoạt tính thu được sạch; Có thể thực hiện với năng suất lớn; Chi phí sản xuất thấp

• Nhược điểm: Diện tích bề mặt than hoạt tính không cao; Thời gian hoạt hóa lâu; Nhiệt độ sử dụng hoạt hóa cao trên 700 0C;

Tóm lại|: Hoạt hóa bằng phương pháp vật lý mặc dù có thể thu được than hoạt tính có diện tích bề mặt riêng lớn nhưng hiệu suất thu hồi lại không cao do lượng mất mát than lớn trong quá trình hoạt hóa

b Phương pháp hoạt hóa hóa học

Hoạt hóa hóa học thường được dùng để nâng cao hoạt tính cho than có nguồn gốc thực vật Quá trình than hóa và hoạt hóa cũng có thể diễn ra đồng thời Nguyên liệu đầu vào được trộn với những tác nhân hoạt hóa và xử lý ở nhiệt độ từ (500 ÷ 800oC)

Các chất hoạt hóa có thể phân chia thành tác nhân hoạt hóa có tính axit (H3PO4, H2SO4, ZnCl2…) và các tác nhân có tính bazơ (KOH, NaOH, K2CO3,

Na2CO3…) Trong đó, tác nhân hoạt hóa thường được dùng nhiều nhất là: KOH, NaOH, ZnCl2, H3PO4

Các chất này được tẩm vào than và hoạt hóa ở nhiệt độ cao trong một khoảng thời gian thích hợp Cơ sở chung để chọn chất hoạt hóa là chất đó phải có khả năng xúc tác cho quá trình dehydrat hóa hoặc tương tác được với cacbon Các tác nhân hoạt hóa phản ứng với C và tạo ra những lỗ xốp trong cấu trúc của than

Trong quá trình hoạt hóa ở nhiệt độ cao có thể xảy ra các phản ứng sau: KOH: 2 C + 6 KOH = 2 K + 2 K2CO3 + 3 H2

• Tác nhân hoạt hóa vật lý và hoạt hóa hóa học

• Tính chất của than hoạt tính bị ảnh hưởng bởi nồng độ tác nhân hoạt hóa Nếu nồng độ tác nhân hoạt hóa thấp thì diện tích bề mặt than hoạt tính thấp Ngược lại, nồng độ tác nhân hoạt hóa quá cao thì các mao quản bé sẽ phát triển thành các mao quản trung bình và lớn, dẫn tới khả năng hấp phụ giảm

• Thời gian hoạt hóa ảnh hưởng tới phương pháp điều chế than hoạt tính

Cụ thể, thời gian hoạt hóa ngắn, mức hoạt hóa thấp, diện tích bề mặt riêng thấp

• Nhiệt độ hoạt hóa ảnh hưởng tới tính chất than hoạt tính

• Cấu trúc của than nguyên liệu

• Các hợp chất vô cơ có trong than

1.6.4 Cơ chế làm việc của than hoạt tính

Cơ chế làm việc của than hoạt tính bao gồm 2 giai đoạn là lọc thô và hấp phụ

Ở giai đoạn đầu là lọc thô các tạp chất, các chất hữu cơ kích thước lớn được giữ lại trên bề mặt than do chúng lớn hơn đường kính của lỗ xốp

Giai đoạn tiếp theo là giai đoạn hấp phụ các phân tử hữu cơ nhỏ, các ion kim loại nặng được hấp phụ vào bề mặt hệ thống lỗ xốp của than

Những lỗ xốp có kích thước macro (> 50nm) có nhiệm vụ vận chuyển chất hấp phụ tới những lỗ xốp meso và micro Ở những lỗ xốp micro cơ chế hấp thụ là lấp đầy, lực hấp phụ ở đây rất lớn do hiệu ứng nhân đôi của 2 thành ống Còn ở những lỗ xốp meso (2 < d < 50nm) thì cơ chế hấp phụ là ngưng tụ mao quản

26

1.6.5 Ứng dụng của than hoạt tính

Ngày nay than hoạt tính đang được sử dụng rộng rãi trong rất nhiều lĩnh vực của cuộc sống như:

- Trong xử lý nước thải: than hoạt tính được dùng để xử lý nguồn nước ô nhiễm từ những nhà máy, xí nghiệp, bệnh viên, trường học,… Những nguồn nước thải này, thường chứa một lượng lớn các chất thải hữu cơ, khi phân hủy sẽ gây ra

ô nhiễm môi trường xung quanh và có những mùi hôi rất khó chịu

Khi được xử lý qua than hoạt tính, các chất hữu cơ sẽ này bị hấp thụ vào than, nước thải sẽ không còn có mùi hôi, thối cũng như đảm bảo được tiêu chuẩn vệ sinh môi trường

- Loại bỏ các kim loại nặng nguy hiểm: nước thải của một số ngành sản xuất công nghiệp có chứa một lượng lớn những kim loại nặng như Hg, Cd, Pb, As, Sb,

Cr, Cu, Zn, Mn,…

Nếu các kim loại này không được loại bỏ triệt để sẽ đi vào nguồn nước sinh hoạt Một số có thể gây ra các bệnh tật hiểm nghèo, số khác có thể làm giảm chất lượng cuộc sống Con người cũng như động vật nếu uống phải nguồn nước này, theo thời gian sẽ tích tụ và sinh ra nhiều bệnh tật

Than hoạt tính có khả năng hấp thụ nhiều kim loại nặng và cho phép thu hồi những kim loại này sau khi hấp thụ

- Trong công nghệ hóa học: than hoạt tính có thể được sử dụng làm chất xúc tác cho nhiều quá trình hóa học, hoặc được sử dụng làm nguyên liệu, chất mang, giá thể sinh học cho nhiều quá trình khác

- Trong y tế: than hoạt tính được dùng trong việc chữa trị ngộ độc thức ăn cũng như được ứng dụng trong sản xuất nhiều loại thuốc, dược phẩm như: trong thành phần của Carbogast trị đau dạ dày và đường ruột, Carbotrim trị nhiễm khuẩn

và ngộ độc thức ăn,…

- Làm vật liệu lọc: than hoạt tính được dùng để lọc nước sinh hoạt hàng ngày Hiện nay, than hoạt tính được sử dụng trong hầu hết các hệ thống lọc nước phổ biến trên thị trường

Ngoài ra, than hoạt tính còn được dùng để lọc không khí, diệt khuẩn và được