Tiểu luận Nghiên cứu sử dụng bã cà phê phin hấp phụ một số hợp chất hữu cơ trong nước thải ô nhiễm trên sông ở TP Hồ Chí Minh

CƠ SỞ II TẠI THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINHTIỂU LUẬN TIN HỌC NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG BÃ CÀ PHÊ PHIN HẤP PHỤ MỘT SỐ HỢP CHẤT HỮU CƠ TRONG NƯỚC THẢI Ô NHIỄM TRÊN SÔNG Ở THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH Giảng viên

CƠ SỞ II TẠI THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

TIỂU LUẬN TIN HỌC NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG BÃ CÀ PHÊ PHIN HẤP PHỤ

MỘT SỐ HỢP CHẤT HỮU CƠ TRONG NƯỚC THẢI Ô NHIỄM

TRÊN SÔNG Ở THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

Giảng viên hướng dẫn: Trần Anh Tài Nhóm Masters of Power

1 Nguyễn Bá Thời 2011115577 K59F

2 Nguyễn Thị Khuyên 2011116417 K59F

3 Ngô Đức Phương 2011115474 K59F

4 Trần Thị Thu Thảo 2011116565 K59F

5 Trịnh Thị Hồng Nhung 2011115445 K59F

6 Nguyễn Văn Phong 2011116531 K59F

7 Trần Vĩnh Phú 2011115460 K59F

Thành phố Hồ Chí Minh, ngày 20, tháng 7 năm 2021

MỤC LỤC

MỤC LỤC i

DANH MỤC HÌNH ii

DANH MỤC BẢNG iii

LỜI MỞ ĐẦU 1

Chương 1 GIỚI THIỆU CHUNG 2

1.1 Tính cấp thiết của đề tài 2

1.2 Mục tiêu nghiên cứu 4

1.3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 4

Chương 2 TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU 6

2.1 Tình hình nghiên cứu ngoài nước 6

2.2 Tình hình nghiên cứu trong nước 8

Chương 3 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 11

3.1 Nghiên cứu tổng quan lý thuyết 11

3.2 Nghiên cứu thực nghiệm 11

KẾT LUẬN 13

TÀI LIỆU THAM KHẢO 14

PHỤ LỤC 16

DANH MỤC HÌNH

Hình 1 Báo động an ninh nguồn nước ở Việt Nam 3

Hình 2 Bã cà phê trong đời sống chúng ta 5

Hình 3 Tổng lượng chất rắn hòa tan trong nước (TSD) (đơn vị đo:

ppm) 10 Hình 4 Sơ đồ quy trình nghiên cứu 12

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1 Các nguồn gốc ô nhiễm nước 2

Bảng 2 Một số chất hóa học có trong nước sinh hoạt 6

LỜI MỞ ĐẦU

Môi trường là nhân tố ảnh hưởng quyết định đến sự tồn tại và phát triển của mỗi con người, mỗi quốc gia trên thế giới Hiện nay Trái đất của chúng ta đang bị đe dọa bởi sự ô nhiễm môi trường Mỗi ngày, hàng tấn chất thải độc hại bị đào thải bừa bãi không qua xử

lý gây ô nhiễm nguồn nước và làm cạn kiệt nguồn tài nguyên thiên nhiên, ảnh hưởng nghiêm trọng đến sức khỏe cộng đồng Bảo vệ môi trường là một việc làm hết sức cấp bách và cần thiết hơn bao giờ hết, và là nhiệm vụ không của riêng ai Bảo vệ môi trường chính là bảo vệ chính sự sống của chúng ta, nếu môi trường bị ô nhiễm hay bị hủy hoại thì chúng ta cũng không còn tồn tại

Chiến lược bảo vệ môi trường quốc gia đến năm 2020, tầm nhìn đến năm 2030 đã xác định một trong những biện pháp bảo vệ môi trường là “Phát triển ngành công nghiệp tái chế thân thiện với môi trường” Việc nghiên cứu ra các vật liệu tái chế thân thiện với môi trường, giá thành thấp và ứng dụng vào các lĩnh vực khác trong đời sống đang là vấn

đề được nhiều tác giả trong nước và thế giới triển khai thực hiện Một trong những đối tượng vật liệu tái chế được lựa chọn để nghiên cứu là rác sinh hoạt

Rác sinh hoạt hay chất thải rắn sinh hoạt là một bộ phận của chất thải rắn, được hiểu

là các chất thải rắn phát sinh từ các hoạt động sinh hoạt hàng ngày của con người Rác sinh hoạt không hẳn là thứ bỏ đi, vô giá trị, nếu có thể tái chế chúng một cách khoa học và hợp lí, thì rác sinh hoạt cũng mang đến cho chúng ta một nguồn lợi không nhỏ Rác sinh hoạt được xử lý sẽ giảm thiểu vấn đề gây ô nhiễm môi trường, góp phần tạo không gian sống xanh - sạch - đẹp, tốt cho sức khỏe cộng đồng Việc tái chế rác sinh hoạt không chỉ

có ý nghĩa về mặt môi trường, xã hội mà còn đem lại lợi ích về kinh tế

Chúng làm giảm sự phụ thuộc của con người vào việc khai thác, sử dụng các nguồn tài nguyên thiên nhiên đang dần cạn kiệt Với lượng hữu cơ lớn trong rác thải sinh hoạt (50-70%) thì đây sẽ là nguồn nguyên liệu dồi dào để sản xuất phân vi sinh, một loại phân rất tốt cho cây trồng và thân thiện với môi trường

Chương 1 GIỚI THIỆU CHUNG

1.1 Tính cấp thiết của đề tài

“Hơn 70% cơ thể con người là nước” qua câu nói đó cũng đủ nói lên tầm quan trọng của nước đối với con người Tuy nhiên, môi trường nước đang ngày càng bị ô nhiêm kéo theo nhiều hậu quả mà trong đó thiếu nước sạch là một trong những vấn đề nhức nhối nhất

Bảng 1 Các nguồn gốc ô nhiễm nước

1 Ô nhiễm tự nhiên Thiên tai

Xác và chất thải của động, thực vật

Sức khỏe, môi trường

2 Ô nhiễm nhân tạo Con người

Các chất thải, rác thải chưa

xử lí

Sức khỏe, môi trường

Trích từ Wikipedia.org

Hiện nay ở Việt Nam, mặc dù nhà nước và chính quyền các cấp, các ngành đã có nhiều cố gắng trong việc thực hiện chính sách và pháp luật về bảo vệ môi trường, nhưng tình trạng ô nhiễm nước là vấn đề rất đáng lo ngại Tốc độ công nghiệp hoá và đô thị hoá khá nhanh và sự gia tăng dân số gây áp lực ngày càng nặng nề dối với tài nguyên nước trong vùng lãnh thổ Môi trường nước ở nhiều đô thị, khu công nghiệp và làng nghề ngày càng bị ô nhiễm bởi nước thải, khí thải và chất thải rắn Ở các thành phố lớn, hàng trăm

cơ sở sản xuất công nghiệp đang gây ô nhiễm môi trường nước do không có công trình và thiết bị xử lý chất thải Ô nhiễm nước do sản xuất công nghiệp là rất nặng Ví dụ: Theo số liệu thống kê thì ở các ngành công nghiệp dệt may giấy và bột giấy, nước thải thường có

độ pH trung bình từ 9 – 11, chỉ số nhu cầu ôxy sinh hóa (BOD), nhu cầu ôxy hóa học (COD) có thể lên đến 700mg/1 và 2.500mg/1, hàm lượng chất rắn lơ lửng… cao gấp nhiều lần giới hạn cho phép Hàm lượng nước thải của các ngành này có chứa xyanua (CN-) vượt đến 84 lần; H2S vượt 4,2 lần; NH3 vượt 84 lần tiêu chuẩn cho phép, gây ô nhiễm nặng các nguồn nước bề mặt trong vùng dân cư Bên cạnh đó, trên địa bàn thành

phố Hồ Chí Minh tổng lượng nước thải công nghiệp của thành phố hiện nay trong khoảng: 145.000 – 150.000 m3/ngày trong khi đó chỉ có khoảng 40% doanh nghiệp có hệ thống xử lí nước thải Nhưng đó chỉ mới là bề nổi của tảng băng chìm Theo ước tính, trong tổng số 183 khu công nghiệp trong cả nước thì có trên 60% khu công nghiệp chưa

có hệ thống xử lý nước thải tập trung Tại các đô thị, chỉ có khoảng 60% – 70% chất thải rắn được thu gom, cơ sở hạ tầng thoát nước và xử lý nước thải, chất thải nên chưa thể đáp ứng được các yêu cầu về bảo vệ môi trường Từ những con số kể trên thì những hậu quả của việc ô nhiễm nguồn nước là điều không thể tránh khỏi.Thống kê và đánh giá của Bộ

Y tế và Bộ Tài Nguyên môi trường trung bình mỗi năm ở Việt Nam có khoảng 9.000 người tử vong vì nguồn nước và điều kiện vệ sinh kém và gần 200.000 trường hợp mắc bệnh ung thư mới phát hiện, mà một trong những nguyên nhân chính là sử dụng nguồn nước ô nhiễm

Hình 1 Báo động an ninh nguồn nước ở Việt Nam

Trích từ Báo lao động

Ngày nay, cùng với sự phát triển của kinh tế xã hội thì nhu cầu tiêu thụ các loại nước giải khác cũng đang dần trở nên phổ biến, đặc biệt là cà phê Cà phê là thức uống

phổ biến không chỉ ở Việt Nam mà trên toàn thế giới Thu nhập bình quân của con người tăng lên, nhu cầu tiêu dùng ngày càng tăng, cùng với đó nhu cầu tiêu thụ và sử dụng cà phê mỗi ngày của người dân cũng ngày một tăng cao Trên địa bàn thành phố Hồ Chí Minh nói riêng và cả nước nói chung hiện nay có rất nhiều quán cà phê giải khát, hàng ngày tạo ra một lượng lớn bã cà phê phin Phần lớn bã cà phê được coi là rác sinh hoạt và được đem đổ bỏ Có thể thấy chúng ta hầu như chưa tận dụng hết tiềm năng của loại rác sinh hoạt này Bã cà phê là một vật liệu lignocellulose, có khả năng tách kim loại nặng hòa tan và màu trong nước nhờ vào cấu trúc xốp và thành phần gồm các polymer như cellulose, hemicelluloses, pectin, lignin và protein nên nó hoàn toàn có thể làm giảm đi những chất ô nhiễm trong nước thải

Nhận thấy những hậu quả nghiêm trọng và kéo dài của tình trạng ô nhiễm nguồn nước cùng với những ưu thế của bã cà phê trong việc sử lý nước thải Nhóm chúng em quyết định chọn đề tài : “Nghiên cứu sử dụng bã cà phê phin hấp phụ một số hợp chất hữu

cơ trong nước thải ô nhiễm trên sông ở thành phố Hồ Chí Minh” Hi vọng với nhứng kết quả nghiên cứu mà nhóm em mang lại có thể làm giảm đi sự ô nhiễm nguồn nước trên địa bàn thành phố Hồ Chí Minh và nhiều tỉnh khác, góp phần nâng cao giá trị cuộc sống của người dân

1.2 Mục tiêu nghiên cứu

Nhìn nhận được sự cấp thiết của đề tài, bài nghiên cứu gồm 3 mục tiêu sau:

- Phân tích thực trạng lượng sử dụng cà phê, và số lượng bã cà phê thải ra thông qua các số liệu nghiên cứu, thu thập

- Phân tích nguồn nước bẩn ở thành phố Hồ Chí Minh và phân tích thành phần bã

cà phê thông thí nghiệm, thực nghiệm

- Ứng dụng các tính chất bã cà phê trong lọc nước

1.3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu: bã cà phê và nguồn nước người dân sử dụng ở TPHCM Phạm vi nghiên cứu:

- Về không gian: nghiên cứu về ứng dụng của bã cà phê trong việc xử xử lí nước tại

19 quận ở TPHCM

- Về thời gian: dữ liệu nghiên cứu thu thập từ năm 2006-2019 , trong đó gồm các dữ liệu thứ cấp từ Sở Tài Nguyên và Môi Trường Thành phố Hồ Chí Minh, chi cục Bảo vệ môi trường thành phố, và dữ liệu sơ cấp thu thập thông qua phương pháp định tính gồm quan sát một số khu vực hay bị ô nhiễm nguồn nước, phỏng vấn nhóm tập trung và phương pháp định lượng bằng bảng khảo sát một số hộ gia đình ở khu vực TPHCM đang phải sử dụng nguồn nước bị ô nhiễm, đồng thời tìm hiểu các phương pháp xử lí nước ở

đó, nhu cầu sử dụng nước sạch của người dân

Hình 2 Bã cà phê trong đời sống chúng ta

Chương 2 TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU

2.1 Tình hình nghiên cứu ngoài nước

Đến nay trên Thế giới đã có một số công trình nghiên cứu về ứng dụng bã cà phê để làm giảm thiểu ô nhiễm nguồn nước như hấp phụ các ion kim loại, thuốc nhuộm

Bảng 2 Một số chất hóa học có trong nước sinh hoạt

STT Tên các chất hóa học Công thức hóa học

Trích từ Wikipedia.org

Năm 2010, N Azouaou, Z Sadaoui, A Djaafri, H Mokaddem đã sử dụng ba mô hình đẳng hấp phụ là Langmuir, Freundlich và Dubinin-Radushkevich để phân tích dữ liệu cân bằng Qua nghiên cứu, đường đẳng nhiệt Langmuir cho thấy tằng sự hấp phụ của Cd(II) vào bã cà phê là thuận lợi và khả năng hấp phụ được tìm thấy là 15,65 mg.g-1, và động học hấp phụ Cadimi lên bã cà phê phù hợp với mô hình động học bậc hai hơn là mô hình bậc nhất Kết quả cho thấy rằng bã cà phê có khả năng cao được sử dụng làm chất hấp phụ hiệu quả và kinh tế để loại bỏ Cd2+ Tuy nhiên, hạn chế của nghiên cứu này là phạm

vi nghiên cứu quá rộng do ở mỗi vùng thì điều kiện khác nhau nên rất khó áp dụng vào thực tế

Năm 2013, Ivo Safarik, Katerina Horska, Barbora Svobodova, Mirka Safarikova đã nghiên cứu loại bỏ các thuốc nhuộm hữu cơ bằng bã cà phê biến đổi từ tính Kết quả cho thấy bã cà phê từ ngành công nghiệp thực phẩm được kết hợp với chất lỏng từ tính là vật liệu tiềm năng cho việc loại bỏ các thuốc nhuộm hữu cơ Tuy nhiên mặt hạn chế của đề tài

là chưa làm rõ được ứng dụng của sự kết hợp trên vào nghành công nghiệp thực phẩm như thế nào

Năm 2016, nhóm tác giả Hsing Yuan Yen và Chen Pei Lin đã nghiên cứu và đánh giá tính khả thi về việc sử dụng bã cà phê đã qua sử dụng (SCG) làm chất hấp thụ để loại

bỏ Cd(II) khỏi nước thải bằng cách thiết kế thí nghiệm Taguchi nhằm xác định điều kiện hấp phụ tối ưu Kết quả cho thấy mức độ ảnh hưởng của các yếu tố có thể kiểm soát được của việc loại bỏ Cd(II) theo mức độ giảm dần: nồng độ Cd(II) > liều lượng SCG > quy trình xử lí SCG > nhiệt độ > thời gian tiếp xúc Mặt khác, hiệu quả loại bỏ Cd(II) của SCG theo thứ tự giảm dần khi được khử bằng: năng lượng mặt trời > rửa bằng nước DI đun sôi > rửa bằng nước DI Cụ thể là SCG được khử bằng năng lượng mặt trời là chất hấp phụ Cd(II) tốt nhất với khả năng hấp phụ tối đa là 5,46mg/g Tuy nhiên mặt hạn chế

là chưa làm rõ được nơi nào nên áp dụng vào việc sử dụng bã cà phê vì ở mỗi nơi điều kiện nhiệt độ khác nhau và nồng độ Cd(II) cũng khác nhau

Năm 2018, nhóm tác giả A Naga Babu, D Srinivasa Reddy, G Suresh Kumar, K Ravindhranath, G V Krishna Mohan nghiên cứu ô nhiễm nước do các hoạt động công nghiệp và con người đã trở thành một mối đe dọa nghiêm trọng đối với môi trường Tổ chức Y tế Thế giới (WHO) đã xác định rằng chì và florua trong số các chất gây ô nhiễm môi trường là những chất gây ô nhiễm nước độc nhất có tác động tàn khốc đối với loài người Công trình này đề xuất một nghiên cứu về kỹ thuật kinh tế dựa trên chất hấp phụ sinh học sử dụng bã cà phê đã cạn kiệt để loại bỏ các chất ô nhiễm chì và florua khỏi nước Bã cà phê cạn kiệt được thu gom từ chất thải công nghiệp đã được kích hoạt axit và kiểm tra khả năng hấp phụ của chúng Hình thái bề mặt và đặc tính nguyên tố của các hoạt động hấp phụ trước và sau hấp phụ bằng phân tích phổ FESEM, EDX và FTIR đã khẳng định tiềm năng của bã cà phê cạn kiệt là chất hấp thụ sinh học thành công Tuy nhiên, phân tích nhiệt động lực học đã xác nhận sự hấp phụ là hấp phụ vật lý tự phát với chế độ lắng đọng đơn lớp đồng nhất của Langmuir Động học của sự hấp phụ được xác định rõ bởi mô hình bậc hai giả cho cả chì và florua Một lượng đáng kể chì và florua được loại bỏ khỏi nước bị ô nhiễm tổng hợp bằng chất hấp thụ sinh học được đề xuất với khả năng hấp thụ tương ứng là 61,6 mg/g và 9,05 mg/g Tuy nhiên, chất hấp thụ sinh học được phát triển cũng có thể tái chế và có khả năng loại bỏ chì và florua từ các nguồn nước thải sinh hoạt và công nghiệp với hiệu suất loại bỏ tổng thể khoảng 90% Tuy nhiên hạn

chế của đề tài là chưa nêu rõ được cách thu gom bã cà phê vì để thực hiện thành công để tài này cần sử dụng rất nhiều bã cà phê

Năm 2018, nhóm tác giả Emanuele F Lessa, Matheus L Nunes, André R Fajardo nghiên cứu bã cà phê thải (WCG), một nguồn hợp chất sinh học chưa được khám phá nhiều, được kết hợp với chitosan (Cs) và poly (rượu vinyl) (PVA) để thu được vật liệu tổng hợp Nhìn chung, WCG cho thấy sự tương tác tốt với ma trận cao phân tử và khả năng phân tán tốt lên đến 10% trọng lượng Ở 5 wt – % WCG, hỗn hợp thể hiện sự tăng cường đáng chú ý (từ 10% đến 44%) sự hấp phụ dược phẩm (metamizol (MET), axit acetylsalicylic(ASA), acetaminophen (ACE) và caffeine (CAF)) khi so sánh đến mẫu nguyên sinh Hiệu quả loại bỏ cao nhất đã được ghi nhận ở pH 6 và việc loại bỏ tuân theo thứ tự ASA > CAF > ACE > MET Đối với tất cả các dược phẩm, động học hấp phụ tuân theo mô hình bậc hai giả, trong khi cơ chế hấp phụ được giải thích bằng đường đẳng nhiệt Freundlich Các thí nghiệm tái sử dụng chỉ ra rằng composite chứa WCG có hiệu quả chi phí hấp dẫn vì nó thể hiện khả năng tái sử dụng đáng kể trong ít nhất năm chu kỳ hấp phụ / giải hấp phụ liên tiếp Tuy nhiên khả năng áp dụng đề tài vào thực tế cuộc sống còn chưa cao, chưa đủ tính thuyết phục do tốn chi phí cao

2.2 Tình hình nghiên cứu trong nước

Tại Việt Nam, nghiên cứu xử lý các kim loại nặng và màu trong nước thải bằng các vật liệu giá thành thấp, thân thiện với môi trường được chế tạo từ các chất thải nông nghiệp là vấn đề được nhiều tác giả quan tâm Các phế thải như bã cà phê, ngoài giá thành

rẻ, còn có thành phần chính chứa các polymer dễ biến tính và có tính chất hấp phụ, trao đổi ion, là vật liệu lí tưởng cho các nghiên cứu

Năm 2009, nhóm tác giả Nguyễn Trung Dũng, Nguyễn Công Hào, Khoa Môi trường

và Công nghệ sinh học, Đại học Kỹ thuật công nghệ Thành phố Hồ Chí Minh đã đưa ra đánh giá về khả năng hấp phụ kim loại nặng Cr (VI) và màu trong nước thải dệt nhuộm của bã cà phê Các tác giả đã khảo sát khả năng tách ion kim loại Cr6+và hấp phụ màu trong nước dệt nhuộm, vật liệu được biến tình bằng quá trình hoạt hóa với H2SO4 và