Nghiên cứu sự hấp phụ pb2+ trong môi trường nước bằng vật liệụ hấp phụ bã chè biến tính koh
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (1.76 MB, 59 trang )
ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM
KHOA HÓA
TRẦN THỊ NGUYỆT NGA
NGHIÊN CỨU SỰ HẤP PHỤ Pb2+ TRONG MÔI TRƢỜNG
NƢỚC BẰNG VẬT LIỆU HẤP PHỤ BÃ CHÈ BIẾN TÍNH KOH
KHĨA LUẬN TỐT NGHIỆP
CỬ NHÂN KHOA HỌC
Đà Nẵng - 2017
ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM
KHOA HÓA
NGHIÊN CỨU SỰ HẤP PHỤ Pb2+ TRONG MÔI TRƢỜNG NƢỚC
BẰNG VẬT LIỆU HẤP PHỤ BÃ CHÈ BIẾN TÍNH KOH
KHĨA LUẬN TỐT NGHIỆP
CỬ NHÂN KHOA HỌC
Sinh viên thực hiện:
Trần Thị Nguyệt Nga
Lớp:
13CHP
Giáo viên hƣớng dẫn: TS. Đinh Văn Tạc
Đà Nẵng - 2017
Khóa luận tốt nghiệp
ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
SVTH: Trần Thị Nguyệt Nga
CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VỆT NAM
TRƢỜNG ĐHSP
Độc lập – Tự do - Hạnh phúc
KHOA HÓA
NHIỆM VỤ KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP
Họ và tên sinh viên: Trần Thị Nguyệt Nga
Lớp: 13CHP
1. Tên đề tài: Nghiên cứu sự hấp phụ Pb2+ trong môi trường nước bằng vật liệụ hấp
phụ bã chè biến tính KOH
2. Nguyên liệu, dụng cụ và thiết bị
2.1. Nguyên liệu
- Bã chè.
2.2. Dụng cụ, thiết bị
- Máy quang phổ hấp thụ nguyên tử AAS;
- Cân phân tích;
- Máy khuấy từ gia nhiệt;
- Tủ sấy;
- Máy đo pH;
- Bếp điện;
- Bình hút ẩm;
- Chén sứ;
- Dụng cụ thủy tinh:
+Cốc thủy tinh dung tích 500ml, 250ml, 100ml, 50ml;
+Bình định mức 500ml, 250ml, 100ml, 50ml, 25ml;
+Bình tam giác dung tích 250ml;
+Đũa thủy tinh, pipet, pipet bầu;
+Lọ thủy tinh để bảo quản hóa chất.
2.3. Hóa chất
- Pb(NO 3)2 (Trung Quốc);
- KOH (Trung Quốc);
Khóa luận tốt nghiệp
SVTH: Trần Thị Nguyệt Nga
- NaOH (Trung Quốc);
- Axit HCl 36,5% (Trung Quốc).
3. Nội dung nghiên cứu
- Khảo sát một số đặc điểm bề mặt của VLHP phương pháp hiển vi điện tử
quét (SEM).
- Khảo sát khả năng hấp phụ, các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hấp phụ của
VLHP và chọn điều kiện tối ưu cho quá trình hấp phụ Pb2+.
- Khảo sát dung lượng hấp phụ ion Pb2+ theo mơ hình hấp phụ đẳng nhiệt
Langmuir, Frendlich.
4. Giáo viên hướng dẫn: TS.Đinh Văn Tạc
5. Ngày giao đề tài:
6. Ngày hoàn thành:
Chủ nhiệm khoa
(Ký và ghi rõ họ, tên)
Giáo viên hƣớng dẫn
(Ký và ghi rõ họ, tên)
TS. Đinh Văn Tạc
PGS.TS Lê Tự Hải
Sinh viên đã hoàn thành và nộp báo cáo cho Khoa ngày…tháng…năm…
Kết quả điểm đánh giá
Ngày…tháng…năm
CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG
(Ký và ghi rõ họ, tên)
Khóa luận tốt nghiệp
SVTH: Trần Thị Nguyệt Nga
LỜI CẢM ƠN
Em xin được gửi lời cảm ơn sâu sắc nhất đến tất cả thầy cơ khoa Hóa trường
Đại học Sư Phạm, Đại học Đà Nẵng đã tận tình giảng dạy và truyền đạt những kiến
thức quý báu cho em trong gần bốn năm đại học.
Em xin chân thành cảm ơn thầy Đinh Văn Tạc, người đã theo sát, hướng dẫn
và giúp đỡ em từ ngày nhận đề tài đến ngày em hồn thành khóa luận này. Em xin
chân thành cảm ơn tất cả các thầy cơ giáo ở phịng thí nghiệm đã tạo mọi điều kiện
thuận lợi cho em trong suốt thời gian thực hiện đề tài này.
Em xin được bày tỏ lịng biết ơn đến thầy cơ đã đọc, góp ý và phản biện cho
bài khóa luận của em. Để em có thể hồn thiện hơn bài khóa luận của mình.
Đà Nẵng, tháng 4 năm 2016
Sinh viên
Trần Thị Nguyệt Nga
Khóa luận tốt nghiệp
SVTH: Trần Thị Nguyệt Nga
MỤC LỤC
MỞ ĐẦU .................................................................................................................... 1
1.Tính cấp thiết của đề tài ........................................................................................ 1
2.Mục tiêu nghiên cứu ................................................................................................ 1
3.Đối tƣợng nghiên cứu............................................................................................. 2
4.Phƣơng pháp nghiên cứu....................................................................................... 2
CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN ..................................................................................... 3
1.1.Giới thiệu về kim loại nặng ................................................................................... 3
1.1.1.Khái quát chung ................................................................................................. 3
1.1.2.Các nguồn gây ô nhiễm môi trường nước.......................................................... 3
1.1.3.Tình trạng ô nhiễm kim loại nặng ...................................................................... 4
1.2.Chì ....................................................................................................................... 6
1.2.1.Giới thiệu về chì ................................................................................................. 6
1.2.2.Tính chất và dạng tồn tại của chì ...................................................................... 6
1.2.3.Ứng dụng của chì .............................................................................................. 6
1.2.4.Ảnh hưởng của chì ............................................................................................. 7
1.2.5.Các phương pháp xử lý kim loại nặng trong nước ........................................... 9
1.3.Quy định xả nước thải công nghiệp vào các nguồn tiếp nhận ........................... 14
1.4.Tình hình nghiên cứu về vật liệu hấp phụ bã chè ............................................... 14
1.5.Giới thiệu vê cây chè ........................................................................................... 16
1.5.1.Tình hình sản xuất và tiêu thụ chè ở Việt Nam ................................................ 16
1.5.2.Những thành phần hóa học của chè................................................................... 18
1.5.3.Tác dụng của chè đối với cơ thể con người ..................................................... 18
1.5.4.Thành phần của bã chè .................................................................................... 19
1.6.Giới thiệu về phương pháp hấp phụ .................................................................... 22
1.6.1.Khái niệm ......................................................................................................... 22
1.6.2.Cân bằng hấp phụ ............................................................................................ 22
1.6.3.Dung lượng hấp phụ ......................................................................................... 23
1.6.4.Hiệu suất hấp phụ ............................................................................................ 23
Khóa luận tốt nghiệp
SVTH: Trần Thị Nguyệt Nga
1.6.5.Các mơ hình cơ bản của quá trình hấp phụ ..................................................... 23
1.6.6.Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hấp phụ .................................................. 27
1.7.Một số phương pháp nghiên cứu sản phẩm ........................................................ 28
1.7.1.Phương pháp hiên vi điện tử quét (SEM)......................................................... 28
1.7.2.Phương pháp hấp thụ nguyên tử AAS .............................................................. 29
CHƢƠNG 2. THỰC NGHIỆM ............................................................................. 32
2.1.Thiết bị, dụng cụ, hóa chất .................................................................................. 32
2.1.1.Thiết bị, dụng cụ ............................................................................................... 32
2.1.2.Hóa chất ........................................................................................................... 32
2.2.Chuẩn bị dung dịch hiệu chuẩn ........................................................................... 32
2.3.Chế tạo vật liệu bã chè biến tính KOH ............................................................... 33
2.4.Khảo sát đặc điềm bề mặt của vật liệu hấp phụ .................................................. 33
2.5.So sánh hiệu hấp phụ Pb2+của bã chè chưa biến tính và VLHP .......................... 33
2.6.Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng tới quá trình hấp phụ ion Pb2+ của VLHP......... 33
2.6.1.Khảo sát ảnh hưởng của thời gian ................................................................... 33
2.6.2.Khảo sát ảnh hưởng của pH ............................................................................ 34
2.6.3.Khảo sát ảnh hưởng của khối lượng VLHP ........................................................ 34
2.6.4.Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ .................................................................... 34
2.6.5.Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ đầu ............................................................. 34
CHƢƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ......................................................... 35
3.1.Xây dựng đường chuẩn Pb2+ ............................................................................... 35
3.2.Kết quả khảo sát đặc điểm bề mặt....................................................................... 36
3.3.So sánh hiệu suất hấp phụ của bã chè chưa biến tính và VLHP ......................... 37
3.4.Kết quả khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hấp phụ ion Pb2+ của VLHP
..................................................................................................................... 37
3.4.1.Khảo sát ảnh hưởng của thời gian ................................................................... 37
3.4.2.Khảo sát ảnh hưởng của pH ............................................................................ 38
3.4.3.Khảo sát ảnh hưởng của khối lượng VLHP ..................................................... 40
3.4.4.Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ .................................................................... 41
3.4.5.Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ ban đầu ...................................................... 42
Khóa luận tốt nghiệp
SVTH: Trần Thị Nguyệt Nga
3.4.6.Khảo sát dung lượng hấp phụ ion Pb2+ theo mơ hình hấp phụ đẳng nhiệt
Langmuir ................................................................................................................... 43
3.4.7.Khảo sát dung lượng hấp phụ ion Pb2+ theo mơ hình hấp phụ đẳng nhiệt
Frendlich ................................................................................................................... 44
KẾT LUẬN .............................................................................................................. 46
TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................... 47
Khóa luận tốt nghiệp
SVTH: Trần Thị Nguyệt Nga
DANH MỤC HÌNH
HÌNH
NỘI DUNG HÌNH
TRANG
Hình 1.1
Hình ảnh ơ nhiễm mơi trường nước
5
Hình 1.2
Triệu chứng ở người do nhiễm độc chì
7
Hình 1.3
Hình ảnh về cây chè
16
Hình 1.4
Cấu trúc của cellulose
20
Hình 1.5
Một cấu trúc giả thuyết của lignin
21
Hình 1.6
Máy quang phổ hấp thụ nguyên tử AAS
30
Hình 1.7
Sơ đồ hệ thống máy hấp thu nguyên tử AAS
31
Hình 3.1
Đồ thị đường chuẩn của Pb2+
35
Hình 3.2
Hình thái học bề mặt của bã chè chưa biến tính
36
Hình 3.3
Hình thái học bề mặt của VLHP
36
Hình 3.4
Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của thời gian đến dung lượng
38
hấp phụ của VLHP
Hình 3.5
Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của pH đến dung lượng hấp
39
phụ của VLHP
Hình 3.6
Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của hiệu suất hấp phụ vào
40
khối lượng VLHP
Hình 3.7
Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc hiệu suất hấp phụ vào nhiệt
41
độ
Hình 3.8
Đường đẳng nhiệt Langmuir của VLHP đối với Pb2+
43
Hình 3.9
Sự phụ thuộc của Ccb / q vào Ccb của Pb2+
43
Hình 3.10
Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của lgq vào lqCcb
44
Khóa luận tốt nghiệp
SVTH: Trần Thị Nguyệt Nga
DANH MỤC BẢNG
BẢNG
Bảng 1.1
NỘI DUNG BẢNG
Giá trị C của các thông số ô nhiễm trong nước thải công
TRANG
14
nghiệp
Bảng 3.1
Số liệu xây dựng đường chuẩn Pb2+
35
Bảng 3.2
Diện tích bề mặt riêng của bã chè chưa biến tính và VLHP
37
Bảng 3.3
Sự phụ thuộc của hiệu suất hấp phụ Pb2+ vào VLHP
37
Bảng 3.4
Ảnh hưởng của thời gian đến dung lượng, hiệu suất hấp phụ
39
của VLHP
Bảng 3.5
Ảnh hưởng của pH đến dung lượng, hiệu suất hấp phụ
40
Pb2+của VLHP
Bảng 3.6
Ảnh hưởng của khối lượng VLHP đến dung lượng
41
Bảng 3.7
Ảnh hưởng của nhiệt độ đến dung lượng, hiệu suất hấp phụ
42
Bảng 3.8
Ảnh hưởng của nồng độ đầu của ion Pb 2+ đến dung lượng,
44
hiệu suất hấp phụ
Bảng 3.9
Dung lượng hấp phụ cực đại qmax và hằng số Langmuir b
44
Khóa luận tốt nghiệp
SVTH: Trần Thị Nguyệt Nga
DANH MỤC VIẾT TẮT
VLHP
Vật liệu hấp phụ
TCCP
Tiêu chuẩn cho phép
UNEP
(United nations environment programme): Chương trình mơi
trường Liên Hiệp Quốc
WHO
Tổ chức y tế thế giới
BTNMT
Bộ Tài nguyên môi trường
TCVN
Tiêu chuẩn Việt Nam
ECCG
(Epigallo catechin gallate): chất chống oxy hóa có trong bột trà
PVC
(Polyvinyl chloride ): là một nhựa không mùi và rắn
IQ
(lntelligent Quotient): chỉ số thông minh
Khóa luận tốt nghiệp
SVTH: Trần Thị Nguyệt Nga
MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Cùng với sự phát triển mạnh mẽ của các khu công nghiệp nặng là sự tăng
nhanh hàm lượng kim loại nặng trong các nguồn nước thải làm ảnh hưởng nghiêm
trọng tới sức khỏe con người và hệ sinh thái. Vấn đề loại bỏ các kim loại nặng từ
nước thải và nước thải công nghiệp nặng trở thành vấn đề rất quan trọng. Có nhiều
phương pháp được áp dụng nhằm tách các ion kim loại nặng ra khỏi mơi trường
nước như: phương pháp hóa lý (phương pháp hấp phụ, phương pháp trao đổi
ion,…), phương pháp sinh học, phương pháp hóa học…Trong đó phương pháp hấp
phụ - sử dụng VLHP chế tạo từ các nguồn tự nhiên như vỏ trấu, bã mía, lõi ngơ, bã
đậu, bã chè,.... có nhiều ưu việt so với các phương pháp khác là có thể tách loại
được đồng thời nhiều kim loại trong dung dịch, có khả năng tái sử dụng VLHP và
thu hồi kim loại. Mặt khác, phương pháp này sử dụng nguyên liệu rẻ tiền, dễ kiếm,
đặc biệt nước ta là một nước nơng nghiệp có nguồn phế thải nơng nghiệp dồi dào rất
thuận lợi cho việc phát triển phương pháp này.
Chè là thức uống phổ biến của nhiều quốc gia trên thế giới như: Trung Quốc,
Ấn Độ, Indonexia, Ai Cập, Braxin,...Ở Việt Nam, chè được trồng trong khoảng 30
tỉnh, trung du 14 tỉnh trong đó vùng trung du và miền núi phía Bắc chiếm khoảng
trên 60%, Tây Nguyên khoảng 14%, còn lại là các vùng khác. Hiện nay cả nước có
khoảng 130 nghìn hécta chè các loại, năng suất bình quân đạt hơn 77 tạ/ha, sản lượng
chè của cả nước đạt gần 824 nghìn tấn búp tươi. Việt Nam hiện đứng thứ 5 trên thế giới
về sản lượng và xuất khẩu chè.
Trong quá trình sử dụng, một lượng lớn bã chè thường bị bỏ đi vào môi trường
không qua xử lý, đó khơng chỉ là một sự lãng phí về tài ngun, mà cịn gây ra vấn
đề vệ sinh mơi trường trong q trình phân hủy.
Vì vậy, chúng tơi quyết định lựa chọn đề tài: “Nghiên cứu sự hấp phụ Pb2+
trong môi trƣờng nƣớc bằng vật liệụ hấp phụ bã chè biến tính KOH”.
2. Mục tiêu nghiên cứu
-
Nghiên cứu biến tính bã chè để tạo ra vật liệu hấp phụ chì trong nước.
1
Khóa luận tốt nghiệp
-
SVTH: Trần Thị Nguyệt Nga
Khảo sát tìm ra các điều kiện tối ưu cho sự hấp phụ của VLHP ( thời gian,
nhiệt độ, pH, khối lượng).
3. Đối tƣợng nghiên cứu
a) Đối tƣợng nghiên cứu
- Bã chè.
- Dung dịch Pb2+.
b) Phạm vi nghiên cứu
- Khảo sát một số đặc điểm bề mặt của VLHP phương pháp hiển vi điện tử
quét (SEM).
- Khảo sát khả năng hấp phụ, các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hấp phụ của
VLHP và chọn điều kiện tối ưu cho quá trình hấp phụ Pb2+.
- Khảo sát dung lượng hấp phụ ion Pb2+ theo mơ hình hấp phụ đẳng nhiệt
Langmuir, Frendlich.
4. Phƣơng pháp nghiên cứu
-
Thu thập tài liệu và nghiên cứu các tài liệu liên quan đến đề tài.
-
Phương pháp phân tích trong PTN.
-
Phương pháp so sánh, tổng hợp.
2
Khóa luận tốt nghiệp
SVTH: Trần Thị Nguyệt Nga
CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN
1.1. Giới thiệu về kim loại nặng
1.1.1. Khái quát chung
Kim loại nặng là những kim loại có khối lượng riêng lớn hơn 5g/cm3. Một vài
kim loại nặng có thể cần thiết cho cơ thể sống bao gồm động vật, thực vật, các vi
sinh vật, khi chúng chỉ ở một hàm lượng nhất định nào đó. Tuy nhiên, khi ở một
lượng lớn hơn giới hạn cho phép nó sẽ trở nên độc hại. Những ngun tố như Pb,
Cd, Hg, Cr…khơng có lợi cho cơ thể sống. Những kim loại nặng này đi vào cơ thể
sống ngay ở cả dạng vết cũng có thể gây độc hại. Trong tự nhiên, kim loại nặng tồn
tại ở 3 mơi trường: khơng khí, nước, đất. Trong mơi trường nước thì kim loại nặng
tồn tại dưới dạng ion hoặc phức chất. So với hai môi trường trên thì nước là mơi
trường có khả năng phân tán loại đi xa và rộng nhất. Nguồn nước có chứa kim loại
nặng nếu đưa đi tưới cây sẽ khiến cây trồng bị nhiễm kim loại nặng, và đất trồng
cây cũng bị nhiễm kim loại nặng. Do đó, kim loại nặng trong mơi trường nước có
thể đi vào cơ thể người thông qua con đường ăn uống. Các kim loại nặng đi vào cơ
thể qua đường hơ hấp, tiêu hóa và qua dạ dày. Khi đó chúng sẽ tác động đến q
trình sinh hóa và nhiều trường hợp dẫn đến những hậu quả nghiêm trọng. Về mặt
sinh học các kim loại nặng có ái lực lớn với các nhóm –SH, -SCH3 của enzym trong
cơ thể. Vì thế các enzym bị mất hoạt tính, cản trở q trình tổng hợp protein của cơ
thể.Trong các kim loại nặng thì Cd, Pb, Cr, Hg, là những kim loại nặng được cơ
quan Bảo vệ Môi trường của Mỹ (US- EPA) xếp vào nhóm tám kim loại nặng phổ
biến nhất có độc tính cao [6], [13].
1.1.2. Các nguồn gây ơ nhiễm mơi trường nước
Có rất nhiều nguồn nước thải các kim loại nặng độc hại cho mơi trường, đó là
các nguồn thải có nguồn gốc tự nhiên và nguồn gốc nhân tạo. Trong đó các hoạt
động của con người là nguồn thải chủ yếu, đặc biệt là nguồn sản xuất công nghiệp.
Một số ngành công nghiệp phát thải chính như sau [6]:
1.1.2.1. Cơng nghệ mạ điện, khai thác khoáng sản và luyện kim
Nước thải mạ điện có chứa một lượng lớn các kim loại nặng chủ yếu là Cr,
Ni, Pb, Cu,…Nồng độ các kim loại trong nước thải dao động đáng kể và tùy thuộc
3
Khóa luận tốt nghiệp
SVTH: Trần Thị Nguyệt Nga
vào điều kiện công nghệ. Trong các nhà máy này, hàm lượng các kim loại nặng
hiếm khi thấp hơn 10mg/l và có khi đạt tới 1000mg/l. Phần lớn nước thải từ các
nhà máy này đổ trực tiếp vào cống thoát nước chung mà không qua xử lý đã gây ô
nhiễm cục bộ trầm trọng nguồn nước.
Các kim loại nặng được phát thải vào mơi trường trong suốt q trình từ khai
thác đến sản xuất. Hiện nay trong cả nước có gần 100.000 cơ sở khai thác, chế biến
và sản xuất các sản phẩm khống sản. Trong đó, có khoảng 200 điểm khai thác có
đăng kí hợp pháp, cịn lại hàng nghìn điểm khai thác tự do tại nhiều vùng trên cả
nước. Đây là nguồn ô nhiễm kim loại nặng đối với nước trên diện rộng và rất nghiêm
trọng.
1.1.2.2. Cơng nghệ sản xuất hóa chất vơ cơ
Cơng nghệ sản xuất các hóa chất vơ cơ như sản xuất bột màu, ắc quy, gốm sứ
thủy tinh, thuộc da, sản xuất xút, clo, K2Cr2O7, CuSO4,…đều sử dụng nhiều kim
loại nặng độc hại như Pb, Cr, Hg,…Theo tính tốn của các nhà nghiên cứu thì một
cơ sở sản xuất clo trung bình sử dụng 50 tấn Hg liên tục cho q trình vận hành
sản xuất. Hg cịn được sử dụng trong công nghiệp điện như sản xuất bóng đèn, pin
khơ, ắcquy…trong các lĩnh vực dân dụng và điều khiển như rơ–le, nhiệt kế…
1.1.2.3. Quá trình sản xuất sơn, mực, thuốc nhuộm
Q trình phân tích nước thải của nhà máy sản xuất sơn, mực, thuốc nhuộm
người ta phát hiện thấy nồng độ của một số kim loại rất cao như Al ≈ 100mg/l, Zn
≈ 10mg/l, có khi nồng độ lên tới 40mg/l đối với Co, 62mg/l đối với Pb và 900 mg/l
với Zn.
1.1.3. Tình trạng ơ nhiễm kim loại nặng
Hiện nay ở Việt Nam, mặc dù các cấp, các ngành đã có nhiều cố gắng trong
việc thực hiện chính sách và pháp luật về bảo vệ mơi trường, nhưng tình trạng ơ
nhiễm nước là vấn đề rất đáng lo ngại. Tốc độ cơng nghiệp hố và đơ thị hoá khá
nhanh và sự gia tăng dân số gây áp lực ngày càng nặng nề đối với tài nguyên nước
trong vùng lãnh thổ. Môi trường nước ở nhiều đô thị, khu công nghiệp và làng
nghề càng ngày càng bị ô nhiễm bởi nước thải, khí thải và chất thải rắn. Hằng năm,
các cơ sở sản xuất công nghiệp đang gây ô nhiễm môi trường nước do không có
4
Khóa luận tốt nghiệp
SVTH: Trần Thị Nguyệt Nga
cơng trình và thiết bị xử lí chất thải.
Q trình sản xuất nơng nghiệp đóng góp một lượng đáng kể vào sự gia tăng
hàm lượng kim loại nặng trong nước. Các loại hóa chất bảo vệ thực vật đặc biệt là
phân photpho có chứa các kim loại nặng như As, Pb, Hg. Thông qua hoạt động
phun, bón thuốc hay sự rửa trơi đất có chứa các chất này mà kim loại nặng có mặt
trong nước.
Theo một số nghiên cứu thì hàm lượng các kim loại nặng trong nước thải của
các làng nghề tái chế kim loại hầu hết đều cao hơn tiêu chuẩn cho phép nhiều lần
và đều thải trực tiếp vào môi trường mà không qua xử lý, hàm lượng các kim loại
nặng như Cu, Pb và Zn trong nước thải rất cao. Đặc biệt là Pb trong nước thải có
nơi cao gấp 100 lần tiêu chuẩn cho phép. Đây là những nguy cơ gây ô nhiễm đất và
các nguồn nước mặt trong khu vực [3] [13].
Tại TP. Đà Nẵng theo đánh giá hiện trạng môi trường năm 2005 cho thấy tại
vùng cửa sơng, ven biển đang có tình trạng ơ nhiễm một số kim loại nặng. Tại khu
vực cửa sông Cu Đê, cửa sông Phú Lộc hàm lượng Hg trong nước vượt TCCP 0,08
– 0,56 lần, hàm lượng Pb vượt 0,06 – 0,27 lần TCCP, tại khu vực cửa Mũi Vịnh
hàm lượng As, Fe, Zn vượt tiêu chuẩn từ 2,17 – 11,4 lần TCCP. Sở Tài nguyên và
Môi trường Thành phố Đà Nẵng công bố kết quả kiểm tra nguồn nước tại vịnh
Mân Quang và Âu thuyền Thọ Quang bị ô nhiễm với hàm lượng kim loại nặng
vượt từ 1 đến 33 lần [4].
Ô nhiễm kim loại nặng trong nước ảnh hưởng trực tiếp tới sức khỏe con người
cũng như môi trường sống tự nhiên. Trách nhiệm không chỉ thuộc về các doanh
nghiệp mà còn do sự lỏng lẻo trong khâu quản lý của chính quyền địa phương.
Hình 1.1: Hình ảnh ô nhiễm môi trường nước
5
Khóa luận tốt nghiệp
SVTH: Trần Thị Nguyệt Nga
1.2. Chì
1.2.1. Giới thiệu về chì
Chì có kí hiệu hóa học là Pb, khối lượng nguyên tử 207,3 khối lượng riêng d
= 11,35 g/cm3, là kim loại thuộc nhóm IV số thứ tự 82 trong bảng tuần hồn hóa
học. Chì có 2 trạng thái oxy hóa bền là Pb(II) va Pb (IV) và có 4 đồng vị bền là
204
Pb, 206Pb, 207Pb, 208Pb. Trong tự nhiên Pb tồn tại dưới dạng quặng PbS, PbCO3,
PbSO4 [20].
1.2.2. Tính chất và dạng tồn tại của chì
Chì là kim loại nặng, màu xám xanh, tnc = 327,5oC, ts= 1744oC. Chì có tính
mềm, dễ cán mỏng, dễ cắt và có tính dẫn điện kém so với các kim loại khác. Chì
có tính chống ăn mịn cao, Chì dạng bột cháy cho ngọn lửa màu trắng xanh. Giống
như nhiều kim loại, bột chì rất mịn có khả năng tự cháy trong khơng khí. Chì có
cấu trúc tinh thể lập phương [20].
Chì tương đối bền có độc tính cao, có ái lực mạnh nên có thể thế chỗ kim loại
khác trong cấu trúc của enzym. Phần lớn các muối vô cơ của chì (PbS, PbCO3,
PbSO4, Pb(OH)2) là chất ít tan nên hàm lượng chì trong nước ngầm tương đối ít.
Chúng có thể tạo nên các phức hydro, cacbonat, sunfat và và cacboxyl trong thủy
quyển. Nước ngọt chứa chủ yếu ở dạng phức cacbonat, nước biển chứa hợp chất
chì chủ yếu ở dạng các phức clorua, nước của đất, chì lại ở dạng phức của các axit
humic hoặc fulvic. Thêm vào đó, chì có khả năng tích lũy lâu dài trong cơ thể
thơng qua dây chuyền thực phẩm, tích lũy sinh học trong cơ thể động vật biển
thơng qua q trình metyl hóa như (CH3)3PbCl, (CH3)4Pb…[13].
1.2.3. Ứng dụng của chì [2], [20]
- Chì là thành phần chính tạo nên ắc quy, hoặc đưa vào mơi trường nước từ
nguồn khơng khí bị ơ nhiễm do sử dụng xăng pha chì trong các động cơ của
phương tiện giao thơng để chống kích nổ trong động cơ. Thời gian lưu trung bình
của hợp chất chì trong khơng khí là 14 ngày. Chì được pha vào xăng dưới dạng
tetraethyl và tetrametyl Pb để làm tác nhân chống kích nổ. Khi xe chạy, khoảng
25-75% lượng Pb thốt vào khí quyển tùy thuộc chế độ lái xe. Đáng chú ý là do
nguồn phát thải ở thấp lượng Pb này phần lớn rơi xuống đất và gây ô nhiễm đất,
6
Khóa luận tốt nghiệp
SVTH: Trần Thị Nguyệt Nga
cây cỏ và nguồn nước. Phần lơ lửng trong khơng khí cũng được hấp phụ vào nước
mưa, lắng rơi và cuối cùng cũng gây ơ nhiễm nguồn nước. Do q trình tích tụ và
lắng đọng, các hợp chất này được giữ lại ở trên bề mặt trái đất hoặc đi vào đại
dương.
-
Chì được sử dụng như chất nhuộm trắng trong sơn.
-
Chì sử dụng như thành phần màu trong tráng men đặc biệt là tạo màu đỏ và
vàng.
-
Chì dùng làm các tấm ngăn để chống phóng xạ hạt nhân.
-
Chì thường được sử dụng trong nhựa PVC.
1.2.4. Ảnh hƣởng của chì
1.2.4.1. Ảnh hưởng của chì đối với con người
Hình 1.2: Triệu chứng ở người do nhiễm độc chì
Nguồn gốc bị nhiễm các kim loại nặng đặc biệt là Pb có ảnh hưởng rất lớn
đến sức khỏe của chúng ta. Pb ảnh hưởng đến hệ sinh sản, có thể gây vơ sinh, gây
sẩy thai. Đặc biệt đối với phụ nữ đang mang thai và trẻ em là nhưng đối tượng mẫn
cảm với nguy hại của chì nhất.
Sự thâm nhiễm chì vào cơ thể con người từ rất sớm ở tuần thứ 20 trở đi của
thai kì và tiếp diễn suốt thời kì mang thai. Cịn đối với trẻ em có mức hấp thụ chì
cao gấp 3-4 lần người lớn. Chì gây ảnh hưởng đến hệ thần kinh đặc biệt đối với trẻ
sơ sinh và trẻ đang ở tuổi phát triển hệ thần kinh. Một số nghiên cứu cho
7
Khóa luận tốt nghiệp
SVTH: Trần Thị Nguyệt Nga
thấy nhiễm độc Pb làm giảm chỉ số thông minh (IQ) của trẻ. Một số đánh giá của
các nhà khoa học cho thấy cứ tăng 10mg/l Pb trong máu sẽ gây giảm 1 – 5 điểm IQ
đối với trẻ em bị nhiễm độc Pb. Nhiễm độc Pb làm hệ thần kinh luôn căng thẳng
và rối loạn tậptrung chú ý ở trẻ em từ 7 – 11 tuổi. Pb tích tụ ở xương, cản trở
chuyển hóa canxi bằng cách trực tiếp hay gián tiếp thơng qua kìm hãm sự chuyển
hóa vitamin D. Kết quả chụp X quang ở bé gái 19 tháng tuổi tại Kiên Giang cho
thấy các đầu xương dài có đường viền tăng sáng do việc lắng đọng chì. Các bác sĩ
đã thử định lượng chì trong máu, kết quả cho thấy mức chì rất cao, tới 65mg/l
(bình thường dưới 5mg/l). Nguyên nhân do nhà cháu nằm gần con sông bị
ô nhiễm, do việc xả nước thải của cơ sở sản xuất chì dùng làm lưới đánh cá.
Ở tuổi trung niên, nhiễm độc Pb sẽ làm huyết áp tăng gây nhiều rủi ro về các
bệnh tim mạch. Ngộ độc cấp tính do Pb thường ít gặp. Ngộ độc thường diễn ra do
ăn phải thức ăn có chứa một lượng Pb, tuy ít nhưng liên tục hằng ngày. Chỉ cần
hằng ngày cơ thể hấp thu từ 1 mg Pb trở lên thì sau một vài năm sẽ có triệu chứng:
hơi thở có mùi hôi thối, sưng lợi với viền đen ở lợi, da vàng, đau bụng dữ dội, táo
bón, đau khớp xương, bại liệt chi trên (tay bị biến dạng), mạch yếu, nước tiểu ít .
Độc tính của Pb chủ yếu là do khả năng ức chế một số enzim của quá trình
tổng hợp máu dẫn đến ngăn chặn quá trình tạo hồng cầu. Khi Pb trong máu khoảng
0,3ppm thì quá trình sử dụng oxi để oxi hóa glucoza tạo năng lượng cho quá trình
sống bị ngăn cản làm cơ thể mệt mỏi. Ở nồng độ > 0,8ppm gây thiếu máu do
không tổng hợp được hemoglobin [6], [13].
1.2.4.2. Ảnh hưởng của chì lên thực vật
Cây trên đất có khuynh hướng hấp thụ chì từ đất và giữ lại phần này trong gốc
rễ. Sự hấp thụ chì bởi gốc rễ của cây trồng có thể giảm bằng việc sử dụng canxi và
phốt pho vào đất. Một số lồi thực vật có khả năng tích tụ hàm lượng chì cao
(UNEP, WHO).
Các lỗ chân lơng trong lá cây tạo ra CO2 cần thiết để quang hợp và phát ra
oxy. Ơ nhiễm chì gây ra bề mặt của lá và làm giảm lượng ánh sáng đi tới nó. Điều
này dẫn đến việc cịi cọc sự phát triển hoặc giết chết thực vật bằng cách giảm tốc độ
8
Khóa luận tốt nghiệp
SVTH: Trần Thị Nguyệt Nga
quang hợp, ức chế hơ hấp, khuyến khích sự kéo dài của các tế bào thực vật ảnh
hưởng đến sự phát triển của rễ [11].
1.2.4.3. Ảnh hưởng của chì lên động vật
Chì ảnh hưởng đến hệ thần kinh trung ương của động vật và ức chế khả năng
tổng hợp hồng cầu. Nồng độ chì trong máu trên 40 μg/dl có thể gây ra các triệu
chứng lâm sàng có thể quan sát được ở động vật nuôi. Chăn thả gia súc bị ảnh
hưởng trực tiếp bởi việc tiêu thụ thức ăn gia súc và thức ăn bị ơ nhiễm bởi chì trong
khơng khí và một phần gián tiếp do việc lấy chì qua rễ cây [11].
1.2.5. Các phương pháp xử lý kim loại nặng trong nước [6 ], [19]
1.2.5.1. Phương pháp kết tủa hóa học
Cơ chế của phương pháp
Phương pháp này dựa trên phản ứng hóa học giữa chất đưa vào nước thải với
các kim loại cần tách, ở độ pH thích hợp sẽ tạo thành hợp chất kết tủa và được tách
ra khỏi nước bằng phương pháp lắng.
Phương pháp thường được dùng là kết tủa kim loại dưới dạng hydroxit bằng
cách trung hòa đơn giản các chất thải axit. Độ pH kết tủa cực đại của tất cả các kim
loại không trùng nhau, ta tìm một vùng pH tối ưu, giá trị từ 7 – 10,5 tùy theo giá trị
cực tiểu cần tìm để loại bỏ kim loại mà khơng gây độc hại. Phương trình tạo kết tủa:
Mn+ + Am- = MmAn ↓
Ưu, nhược điểm của phương pháp
-
Ưu điểm
+ Đơn giản, dễ sử dụng;
+ Rẻ tiền, nguyên vật liệu dễ kiếm;
+ Xử lý được cùng lúc nhiều kim loại, hiệu quả xử lý cao;
+ Xử lý được nước thải đối với các nhà máy có quy mơ lớn;
-
Nhược điểm
+ Với nồng độ kim loại cao thì phương pháp này xử lý không triệt để;
+ Tạo ra bùn thải kim loại;
+ Tốn kinh phí như vận chuyển, chơn lấp khi đưa bùn thải đi xử lý;
9
Khóa luận tốt nghiệp
SVTH: Trần Thị Nguyệt Nga
+ Khi sử dụng tác nhân tạo kết tủa là OH- thì khó điều chỉnh pH đối với nước
thải chứa kim loại lưỡng tính Zn.
Nếu trong nước thải có nhiều kim loại nặng thì càng thuận tiện cho quá trình
kết tủa vì ở giá trị pH nhất định độ hòa tan của kim loại trong dung dịch có mặt các
kim loại sẽ giảm, cơ sở có thể do một hay đồng thời cả 3 nguyên nhân sau:
-
Tạo thành chất cùng kết tủa;
-
Hấp thụ các hydroxit khó kết tủa vào bề mặt của các bong hydroxit dễ kết
tủa;
Tạo thành hệ nghèo năng lượng trong mạng hydroxit do chúng bị phá hủy
-
mạnh bằng các ion kim loại.
1.2.5.2. Phương pháp trao đổi ion
Cơ chế của phương pháp
Dựa trên nguyên tắc của phương pháp trao đổi ion dùng ionit là nhựa hữu cơ
tổng hợp, các chất cao phân tử có gốc hydrocacbon và các nhóm chức trao đổi ion.
Quá trình trao đổi ion được tiến hành trong cột Cationit và Anionit. Các vật liệu
nhựa này có thể thay thế được mà khơng làm thay đổi tính chất vật lý của các chất
trong dung dịch và cũng khơng làm biến mất hoặc hịa tan. Các ion dương hay âm
cố định trên các gốc này đẩy ion cùng dấu có trong dung dịch thay đổi số lượng tải
tồn bộ có trong chất lỏng trước khi trao đổi. Cơ chế phản ứng như sau:
AmB + mC = mAC + B
Di chuyển ion A từ nhân của dòng chất lỏng tới bề mặt ngoài của lưới biên
màng chất lỏng bao quanh hạt trao đổi ion.
Khuếch tán các ion qua lớp ngoài;
Chuyển ion đã khuếch tán qua biên giới phân pha vào hạt nhựa trao đổi;
Khuếch tán ion A bên trong hạt nhựa trao đổi tới các nhóm chức năng trao đổi
ion;
Phản ứng hóa học trao đổi ion A và B;
Khuếch tán các ion B bên trong hạt trao đổi tới biên giới phân pha;
Chuyển các ion B qua biên giới phân pha ở bề mặt trong của màng chất lỏng;
10
Khóa luận tốt nghiệp
SVTH: Trần Thị Nguyệt Nga
Khuếch tán các ion B qua màng;
Khuếch tán các ion B vào nhân dòng chất lỏng.
Ưu, nhược điểm của phương pháp
- Ưu điểm
+ Khả năng trao đổi ion lớn, hiệu quả xử lý kim loại cao;
+ Đơn giản, dễ sử dụng;
+ Không gian xử lý nhỏ;
+ Có khả năng thu hồi kim loại có giá trị, khơng tạo ra chất thải thứ cấp.
- Nhược điểm
+ Chi phí xử lý cao do đó khơng phù hợp với các nhà máy có quy mơ lớn.
1.2.5.3. Phương pháp điện hóa
Cơ chế của phương pháp
Tách kim loại bằng cách nhúng các điện cực trong nước thải có chứa kim loại
nặng cho dịng điện 1 chiều chạy qua. Ứng dụng sự chênh lệch điện thế giữa hai
điện cực kéo dài vào bình điện phân để tạo một dịng điện định hướng. Các cation
chuyển dịch về phía catot. Anion chuyển về phía anot. Khi điện áp đủ lớn sẽ xảy ra
phản ứng ở điện cực như sau:
Ở Anot: Trên anot xảy ra q trình oxi hóa anion hoặc OH- hoặc chất làm
anot. Quá trình xảy ra như sau: Mr - ne = Mn+
Ớ Catot: Khi cho dòng điện đi qua dung dịch thì cation và H+ sẽ tiến về bề mặt
catot. Khi thế phóng điện của cation lớn hơn của H+ thì cation sẽ thu electron của
catot chuyển thành các ion ít độc hơn hoặc tạo thành kim loại bám vào điện cực.
Phản ứng xảy ra như sau: Mn+ + me = Mn-m (n > m); Mn+
Ưu, nhược điểm của phương pháp
- Ưu điểm
+ Đơn giản, dễ sử dụng;
+ Khơng sử dụng hóa chất.
- Nhược điểm
+ Tiêu hao năng lượng lớn, chi phí xử lý cao;
11
+ ne = Mr
Khóa luận tốt nghiệp
SVTH: Trần Thị Nguyệt Nga
+ Chỉ thích hợp với nước thải có nồng độ kim loại cao;
+ Mặc dù hiệu suất xử lý đạt tới 90% hoặc hơn nhưng nồng độ kim loại trong
nước thải vẫn còn cao.
1.2.5.4. Phương pháp sinh học
Cơ chế của phương pháp
Phương pháp sinh học là phương pháp sử dụng những vi sinh vật đặc trưng chỉ
xuất hiện trong môi trường bị ơ nhiễm kim loại nặng và có khả năng tích lũy kim
loại nặng trong cơ thể. Các vi sinh vật thường sử dụng như tảo, nấm, vi khuẩn, v.v.
Ngoài ra cịn có một số lồi thực vật sống trong mơi trường ơ nhiễm kim loại nặng
có khả năng hấp thụ và tách các kim loại nặng độc hại như: Cỏ Vertiver, cải xoong,
cây dương xỉ, cây thơm ổi, v.v. Thực vật có nhiều phản ứng khác nhau đối với sự có
mặt của các ion kim loại trong mơi trường.
Cơ chế hấp thụ kim loại nặng ở vi khuẩn như sau:
Giai đoạn 1: Tích tụ các kim loại nặng và sinh khối, làm giảm nồng độ các
kim loại này ở trong nước.
Giai đoạn 2: Sau quá trình phát triển ở mức tối đa sinh khối, vi sinh vật thường
lắng xuống đáy bùn hoặc kết thành mảng nổi trên bề mặt và cần phải lọc hoặc thu
sinh khối ra khỏi môi trường nước.
Ưu, nhược điểm của phương pháp
- Ưu điểm
+ Thu nhận kim loại nặng ở mức độ cao;
+ Diện tích bề mặt riêng của sinh khối lớn;
+ Giá thành thấp.
- Nhược điểm
+ Diện tích mặt bằng rất lớn;
+ Sinh khối phát sinh ra sẽ chứa tồn kim loại nặng khó xử lý.
1.2.5.5. Phương pháp hấp phụ
Cơ chế của phương pháp
12
Khóa luận tốt nghiệp
SVTH: Trần Thị Nguyệt Nga
Hấp phụ là q trình hút khí bay hơi hoặc chất hịa tan trong chất thải lỏng lên
bề mặt xốp. Vật liệu có khả năng hấp phụ kim loại nặng như: Than hoạt tính, than
bùn, vật liệu vơ cơ như oxit sắt, oxit mangan, tro xỉ, bằng các vật liệu polymer hóa
học hay polymer sinh học.
Cơ chế của quá trình hấp phụ:
Trong hấp phụ thường diễn ra 2 kiểu hấp phụ là hấp phụ vật lý và hấp phụ hóa
học.
+ Hấp phụ vật lý: Là sự tương tác yếu và thuận nghịch nhờ lực hút tĩnh điện
giữa các ion kim loại và các tâm hấp phụ trên bề mặt chất hấp phụ. Các mối liên kết
này yếu do vậy thuận lợi cho quá trình nhả hấp phụ và thu hồi kim loại quý.
+ Hấp phụ hóa học: Là q trình xảy ra các phản ứng tạo liên kết hóa học giữa
ion kim loại nặng và các nhóm chức của tâm hấp phụ, thường là các ion kim loại
nặng phản ứng tạo phức đối với các nhóm chức trong chất hấp phụ. Mỗi liên kết
này thường rất bền và khó bị phá vỡ.
+ Sau khi thực hiện hấp phụ để xử lý chất độc trong nước nói chung và kim
loại nặng nói riêng thì người ta thường tiến hành nhả hấp phụ để hoàn nguyên, tái
sinh.
Ưu, nhược điểm của phương pháp
- Ưu điểm
+ Xử lý hiệu quả kim loại nặng ở nồng độ thấp;
+ Đơn giản, dễ sử dụng;
+ Có thể tận dụng một số vật liệu là chất thải của các ngành khác như Fe2O3;
+ Có thể nhả hấp phụ để tái sinh vật liệu hấp phụ.
- Nhược điểm
+ Chi phí áp dụng cho xử lý kim loại nặng ở nồng độ thấp;
+ Chi phí xử lý cao.
13
Khóa luận tốt nghiệp
SVTH: Trần Thị Nguyệt Nga
1.3. Quy định xả nƣớc thải công nghiệp vào các nguồn tiếp nhận [9]
Bảng 1.1: Giá trị C của các thông số ô nhiễm trong nước thải công nghiệp
(TCVN 24: 2009/BTNMT)
STT
Thông số
Đơn vị
Giá trị C
A
B
1
Asen
mg/l
0,05
0,1
2
Thuỷ ngân
mg/l
0,005
0,01
3
Chì
mg/l
0,1
0,5
4
Cadimi
mg/l
0,005
0,01
5
Crom (VI)
mg/l
0,05
0,1
6
Crom (III)
mg/l
0,2
1
7
Đồng
mg/l
2
2
15
Kẽm
mg/l
3
3
16
Niken
mg/l
0,2
0,5
17
Mangan
mg/l
0,5
1
Trong đó:
- Cột A quy định giá trị C của các thông số ô nhiễm trong nước thải công
nghiệp khi xả vào các nguồn tiếp nhận là các nguồn nước được dùng cho mục đích
cấp nước sinh hoạt;
- Cột B quy định giá trị C của các thông số ô nhiễm trong nước thải công
nghiệp khi xả vào các nguồn tiếp nhận là các nguồn nước khơng dùng cho mục đích
cấp nước sinh hoạt;
1.4. Tình hình nghiên cứu về vật liệu hấp phụ bã chè
Ở Việt Nam và trên thế giới đã có nhiều cơng trình nghiên cứu về khả năng
hấp phụ của bã chè và ứng dụng trong việc xử lý môi trường. Dưới đây là một số
cơng trình nghiên cứu tiêu biểu:
Luận văn thạc sĩ khoa học vật chất của trường Đại học Thái Nguyên:
14
