Nghiên cứu điều chế than tre ứng dụng xử lý một số kim loại nặng trong nước thải nhà máy mạ Nguyễn Kim Hiển Trường Đại học Khoa học Tự nhiên Luận văn ThS. ngành: Khoa học môi trường; Mã số: 60 85 02 Người hướng dẫn: PGS.TS. Lê Huy Du Năm bảo vệ: 2012 Abstract. Nghiên cứu điều chế than hoạt tính từ tre. Đánh giá các tính chất đặc trưng của than tre hoạt tính điều chế được. Nghiên cứu khả năng ứng dụng than tre hoạt tính trong việc xử lý một số kim loại nặng có trong nước thải mạ. Keywords. Khoa học môi trường; Điều chế than tre; Kim loại nặng; Nước thải; Ô nhiễm nước Content MỞ ĐẦU Ngày nay, vấn đề ô nhiễm môi trường nói chung, ô nhiễm môi trường nước nói riêng và các hậu quả kéo theo của nó đang ngày càng bức xúc và nhận được nhiều sự quan tâm của nhân loại. Ô nhiễm môi trường nước ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng cuộc sống và sự phát triển bền vững của mỗi quốc gia. Trong đó, vấn đề bức bối nhất hiện của ô nhiễm môi trường nước chính là vấn đề ô nhiễm bởi kim loại nặng. Các kim loại nặng xâm nhập vào môi trường nước do các quá trình rửa trôi, do nước thải của các quá trình sản xuất công nông nghiệp. Đặc biệt, nguồn nước thải của các ngành công nghiệp mạ thải ra môi trường một lượng lớn các kim loại nặng, nếu không được xử lý triệt để sẽ gây ra ô nhiễm môi trường nghiêm trọng. Có nhiều phương pháp khác nhau để xử lý nước thải của ngành công nghiệp mạ. Trong đó phương pháp hấp phụ là phương pháp có hiệu quả cao và đang được nghiên cứu để ứng dụng rộng rãi. Than hoạt tính là một trong những vật liệu hấp phụ được sử dụng phổ biến trong nhiều ngành công nghiệp khác nhau như: khai thác chế biến dầu mỏ, công nghiệp dệt, công nghiệp thực phẩm. Ngày nay, việc ứng dụng than hoạt tính vào mục đích xử lý môi trường ngày càng tăng. Tre là nguồn nguyên liệu rẻ và dồi dào ở Việt Nam. Việc khai thác tre để điều chế than vừa có chi phí sản xuất thấp vừa ít ảnh hưởng đến môi trường. Than tre có có khả năng hấp phụ tốt vì có diện tích bề mặt cao, phân bố lỗ trung và lỗ lớn nhiều. Như vậy, than tre hoàn toàn có thể ứng dụng trong lĩnh vực xử lý môi trường. Tuy nhiên, ở nước ta hiện nay, việc nghiên cứu điều chế than hoạt tính từ tre, ứng dụng xử lý các kim loại nặng trong nước vẫn chưa được quan tâm nhiều. Chính vì vậy luận văn này đề cập đến việc “Nghiên cứu điều chế than tre ứng dụng xử lý một số kim loại nặng trong nước thải mạ”. Mục đích của luận văn là: - Nghiên cứu điều chế than hoạt tính từ tre. - Đánh giá các tính chất đặc trưng của than tre hoạt tính điều chế được - Nghiên cứu khả năng ứng dụng than tre hoạt tính trong việc xử lý một số kim loại nặng có trong nước thải mạ. CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN 1.1. Than hoạt tính cấu trúc và tính chất 1.1.1. Giới thiệu chung 1.1.2. Tổng quan về than tre 1.1.3. Điều chế than hoạt tính 1.1.4. Cấu trúc than hoạt tính 1.1.5. Những quy luật hấp phụ vật lý trên than hoạt tính 1.1.6. Động học hấp phụ 1.1.7. Sự hấp phụ trong dung dịch 1.2. Khái quát về nước thải mạ 1.2.1. Công nghệ mạ 1.2.2. Thành phần và tính chất nước thải mạ 1.2.2. ảnh hưởng của nước thải mạ đến môi trường và sức khoẻ con người. 1.2.3. Khái quát về các phương pháp xử lý nước thải mạ Các nguyên liệu chứa các bon được chế biến một cách đặc biệt nhằm loại bỏ các chất có nhựa và tạo ra các lỗ xốp trong chúng được gọi là than hoạt tính. Than hoạt tính có thành phần chủ yếu là các bon (8590%), phần còn lại (515%) là các chất vô cơ [4, 5]. Than hoạt tính được điều chế từ các vật liệu khi đốt cháy cho ta các bon. Do vậy nguồn nguyên liệu khá phong phú. Ví dụ các nguyên liệu có nguồn gốc động vật như các loại xương, thịt, da. Nguyên liệu có nguồn gốc thực vật như các loại cây, các loại quả, sọ dừa, gỗ, mạt cưa, có nguồn gốc từ than mỏ như than antraxit, than bùn, than nâu, than bán cốc, hoặc từ các hợp chất hữu cơ polime, licnhin, dầu mỏ [4, 5, 6]. Than hoạt tính được phát hiện và nghiên cứu vào thời gian cuối thế kỷ XVIII. Trong thế kỷ XIX than hoạt tính được sử dụng để lọc sạch khí và tẩy màu. Trong đại chiến thế giới lần thứ nhất, lần đầu tiên than hoạt tính đã được sử dụng làm vật liệu lọc độc trong mặt nạ phòng độc [4, 5, 15]. Hiện nay than hoạt tính đã được sử dụng rộng rãi hầu khắp mọi lĩnh vực khoa học, quân sự và đời sống. Tuỳ theo mục đích sử dụng, hiện có một số loại than hoạt như sau: than lọc khí hơi, than tẩy mầu, than lọc nước, than trao đổi ion ở dạng hạt đập, hạt ép hoặc dạng bột. Ở Việt Nam đã sử dụng than hoạt tính từ thời Pháp thuộc. Thời đó ở Việt Nam có 3 nhà máy đường, các nhà máy này đều sử dụng than hoạt tính để làm trắng đường. Lúc đó Việt Nam chưa sản xuất được than hoạt tính, tất cả đều sử dụng than của Trung Quốc. Từ năm 1980 Việt Nam mới bắt đầu nghiên cứu chế tạo than hoạt tính. Công trình đầu tiên là của trường đại học Bách Khoa sản xuất than từ bã mía ở Việt Trì và ở Vạn Điểm. Cả hai công trình này đều chỉ hoạt động được một thời gian rồi hư hỏng. Sau này đại học Bách Khoa cũng nghiên cứu chế tạo lò sản xuất than Gáo dừa ở Bến Tre nhưng cũng không thành công. Năm 1985, xí nghiệp than hoạt tính của nhà máy phân đạm Bắc Giang ra đời với hệ thống lò quay theo công nghệ của Đức. Xí nghiêp này sản xuất than tảy màu từ than gỗ. Cho đến nay gần như nghỉ không sản xuất vì nó không thân thiện với môi trường. Năm 1990, một xí nghiệp than hoạt tính được xây dựng ở Trà Vinh với công nghệ lò Yên ngựa của Trung Quốc. Nguyên liệu là than Gáo dừa và hiện nay vẫn còn hoạt động. Năm 2005, một xí nghiệp than hoạt tính được xây dựng ở Bến Tre với công nghệ lò quay của Hàn Quốc. Xí nghiệp này cũng dùng nguyên liệu là than Gáo dừa và hiện nay vẫn đang hoạt động. Hiện nay, Việt Nam hàng năm tiêu thụ khoảng 30000 tấn than hoạt tính, số than này nhập từ nước ngoài là chủ yếu. Như vậy, ở Việt Nam việc nghiên cứu chế tạo và sản xuất than hoạt tính vẫn còn chưa được quan tâm, và nguyên liệu được dùng chủ yếu là than Gáo dừa [7]. 1.1.2. Tổng quan về than tre. Việt Nam có nguồn nguyên liệu tre luồng rất dồi dào, đặc biệt là ở Thanh Hóa một tỉnh trồng tre nhiều nhất Việt Nam. Theo số liệu của Sở Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn Thanh Hóa thì hiện nay Thanh Hóa có diện tích trồng tre luồng khoảng 70000ha. Diện tích này tập trung ở 11 huyện miền núi với khoảng 1 triệu dân. Hàng năm khai thác được khoảng 20 triệu cây. Đến hết năm 2007 ở Thanh Hóa đã có 49 cơ sở sản xuất chế biến hàng mỹ nghệ, giải quyết công ăn việc làm cho hàng vạn lao động [6]. Mặc dù tre vẫn là nguồn tài nguyên thiên nhiên chưa được sử dụng nhiều, nhưng nếu được nghiên cứu chế tạo làm than hoạt tính thì phạm vi ứng dụng sẽ tăng lên một cách rõ rệt và rất ý nghĩa trong lĩnh vực xử lý môi trường.Theo kinh nghiệm dân gian, than được chế tạo từ tre có khả năng kháng khuẩn và khử mùi, bột than tre có thể dùng để nuôi gia súc và cải tạo đất đai. 1.1.3. Điều chế than hoạt tính Như đã biết nguồn nguyên liệu để điều chế than hoạt tính rất đa dạng và phong phú. Công nghệ để điều chế than hoạt tính từ các nguồn nguyên liệu khác nhau cơ bản phải qua các công đoạn sau. 1.1.3.1. Than hoá Mục đích của than hoá là dùng nhiệt để phân huỷ nguyên liệu đưa nó về dạng các bon, đồng thời làm bay hơi nước và một số hợp chất hữu cơ nhẹ tạo lỗ xốp ban đầu cho than. Chính lỗ xốp này là đối tượng cho quá trình hoạt hoá than. Đây là quá trình cháy để tạo các bon. Vì vậy trong lò cần có một lượng không khí nhất định. Để tránh hiện tượng tro hoá người ta than hoá trong môi trường khí trơ, trong lò yếm khí hoặc chân không. Nhiệt độ than hoá 350500 0 C trong khoảng thời gian 35120 phút tuỳ vào nguyên liệu ban đầu. Nhiệt độ than hoá quá cao làm cho than bị trơ khó hoạt hoá. Thời gian kéo dài lượng mất mát sẽ lớn, hiệu quả than hoá thấp [4, 5, 15]. 1.1.3.2. Hoạt hoá Vì sao phải hoạt hóa? Ta biết rằng quá trình hấp phụ xảy ra trên một chất hấp phụ được quyết định bởi diện tích bề mặt riêng và tổng lỗ xốp mà trong đó vai trò của lỗ bé là chủ yếu. Như vậy phải làm thế nào đó để diện tích bề mặt riêng và độ xốp tăng lên. Hoạt hoá là quá trình bào mòn mạng lưới tinh thể các bon dưới tác dụng nhiệt và tác nhân hoạt hoá, tạo độ xốp cho than một hệ thống lỗ có kích thước khác nhau, ngoài ra còn tạo các tâm hoạt động trên bề mặt. Than ở dạng mới than hóa thì bề mặt riêng vào khoảng vài trăm m 2 /g, thể tích lỗ khoảng 0,3cm 3 /g và chủ yếu là lỗ to. Nhưng sau khi hoạt hóa, diện tích bề mặt riêng có thể lên tới 1000 đến trên 2000 m 2 /g, tổng thể tích lỗ đạt 1,2cm 3 /g, và chủ yếu lại là lỗ nhỏ. 1.1.4. Cấu trúc của than hoạt tính 1.1.4.1. Cấu trúc tinh thể Theo các kết quả nghiên cứu Rơngen thì than hoạt tính gồm các vi tinh thể các bon. Các vi tinh thể này tạo thành lớp, trong các lớp nguyên tử các bon sắp xếp thành hình 6 cạnh. Tuy nhiên so với cấu trúc mạng lưới tinh thể graphit thì trong than hoạt tính các lớp vi tinh thể sắp xếp lộn xộn không có trật tự 1.1.4.2. Cấu trúc xốp Than hoạt tính được đặc trưng bởi cấu trúc đa phân tán, với nhiều phương thức phân bố thể tích lỗ theo kích thước. Đặc tính cấu trúc xốp của than hoạt tính là chứa các loại lỗ với những kích thước khác nhau [7, 10]. Theo Dubinhin và các cộng sự thì than hoạt tính là chất hấp phụ xốp có bề mặt bên trong khá phát triển (600900m 2 /g). do vậy than hoạt tính có khả năng hấp phụ rất cao. Dựa vào kích thước và vai trò của quá trình hấp phụ, mà các lỗ trong than hoạt tính được phân loại như sau [4, 5]. Lỗ nhỏ với bán kính r <67 A 0 Lỗ bán nhỏ 67< r <1516 A 0 Lỗ trung 1516< r < 10002000 A 0 Lỗ lớn r > 100020000 A 0 1.1.4.3. Cấu trúc bề mặt Trên bề mặt than hoạt tính luôn có một lượng oxy liên kết hoá học với nguyên tử các bon, ngay cả khi gia công tinh khiết nhất thì than hoạt tính cũng chứa 12% oxy. Phức chất của oxy với các bon trên than hoạt tính gọi là các hợp chất bề mặt. Tuỳ theo điều kiện và phương pháp điều chế than hoạt tính mà lượng oxy tham gia hợp chất bề mặt có thể thay đổi [4]. Theo Dubinin và Serpinski, khi hàm lượng oxy 23% thì phần được phủ bởi đơn lớp oxy chiếm 4% diện tích bề mặt than hoạt tính. Một số tác giả khác cho rằng hàm lượng oxy lớn (khoảng 12%) thì phần diện tích được phủ bởi đơn lớp oxy sẽ đạt 1920% [4, 5]. 1.1.5. Những quy luật hấp phụ vật lý trên than hoạt tính Đặc trưng cho sự hấp phụ vật lý của than hoạt tính là cơ chế lấp đầy lỗ bé. Cơ chế này được mô tả bằng thuyết Polany - Dubinin. Ngoài ra sự hấp phụ còn xảy ra theo cơ chế ngưng tụ mao quản và hấp phụ bề mặt. 1.1.5.1. Thuyết Polany-Dubinin Thuyết này cho rằng trên bề mặt chất hấp phụ bao giờ cũng chứa một trường lực gọi là trường hấp phụ. Độ lớn của trường được biểu thị bằng thế hấp phụ . Thế hấp phụ này tỷ lệ nghịch với lập phương khoảng cách từ bề mặt. Trên bề mặt chất hấp phụ chứa nhiều mặt đẳng thể. Thuyết này áp dụng tốt cho những chất hấp phụ có nhiệt độ sôi cao [4, 5, 7]. Theo Dubinin, trạng thái hơi hấp phụ trong lỗ bé giống trạng thái lỏng, vì rằng trong không gian của lỗ bé có hiện tượng chồng trường, hơi chất hấp phụ bị nén. 1.1.5.2. Thuyết hấp phụ BET Brunauer - Emmett - Teller đã đưa ra đưa ra học thuyết của dựa vào các giả thuyết sau [7]. - Bề mặt chất hấp phụ đồng nhất về mặt năng lượng và sự hấp phụ xẩy ra đơn lớp. - Phân tử chất bị hấp phụ và chất hấp phụ chỉ tương tác với nhau ở lớp thứ nhất, còn ở các lớp sau được hình thành nhờ lực phân tử của chất bị hấp phụ giữa các lớp với nhau. - Sự hấp phụ bao giờ cũng tiến tới trạng thái cân bằng hấp phụ. 1.5.3. Hấp phụ ở áp suất cao - Phương trình Kelvin Khi áp suất tương đối khá lớn, sự hấp phụ xảy ra theo cơ chế ngưng tụ mao quản trong các lỗ trung, lớp hấp phụ trên thành lỗ dầy lên, chạm vào nhau và khép kín lại thành mặt khum lõm của chất lỏng bị hấp phụ. .5.4. Thuyết hấp phụ Langmuir Theo Langmuir trên bề mặt chất hấp phụ có những tâm hấp phụ gọi là những điểm cơ bản. Các điểm cơ bản này có khả năng hấp phụ chỉ một phân tử chất bị hấp phụ hình thành một lớp đơn phân tử. Số điểm cơ bản càng nhiều thì hoạt độ của chất hấp phụ càng cao. 1.1.6. Động học hấp phụ Quá trình động học hấp phụ xảy ra theo một loạt các giai đoạn kế tiếp nhau: khuyếch tán của các chất bị hấp phụ tới bề mặt ngoài; khuyếch tán qua màng chất lỏng bao xung quanh chất rắn; khuyếch tán bên trong hạt hấp phụ và giai đoạn hấp phụ thực sự [7,10]. Trong các giai đoạn đó, bước nào có tốc độ chậm nhất sẽ quyết định hay khống chế toàn bộ quá trình động học hấp phụ, với hệ hấp phụ trong môi trường nước, quá trình khuyếch tán vào bên trong hạt hấp phụ thường là chậm và đóng vai trò quyết định. Khuyếch tán là hiện tượng san bằng nồng độ của một chất trong một pha, các phân tử (ion) chuyển động từ nơi có nồng độ cao xuống vùng có nồng độ thấp cho nên có thể nói động lực của quá trình khuyếch tán là sự chênh lệch nồng độ theo vị trí không gian. Các quá trình khuyếch tán ổn định được mô tả qua định luật Fick 1: khi khuyếch tán qua một tiết diện A sự chênh lệch nồng độ của chất khuyếch tán là dc trên một khoảng cách dx. Trong một thời gian dt, lượng chất (mol) khuyếch tán qua A là dn, lượng chất khuyếch tán trong một thời gian dn/dt tỷ lệ thuận với diện tích và sự chênh lệch nồng độ nên có thể viết: dx dc D.A. - dt dn  (1.18) - D gọi là hệ số khuyếch tán (cm 2 /s) Định luật Fick1 được áp dụng tính toán cho các trường hợp khuyếch tán ổn định như: khuyếch tán qua màng, khuyếch tán bề mặt, khuyếch tán mao quản trong hệ hấp phụ. 1.1.7. Sự hấp phụ trong dung dịch Khi cho các vật thể rắn vào dung dịch sẽ hình thành các bề mặt phân chia pha giữa vật thể rắn và dung dịch - gọi là bề mặt dung dịch. Khi chất lỏng bị nén, quá trình hấp phụ của một cấu tử sẽ kèm theo quá trình nhả hấp phụ của một cấu tử khác của dung dịch. Vì thế bề mặt dung dịch được làm giàu lên và sự hấp phụ đó sẽ dễ dàng hơn trong các điều kiện cụ thể [7,10]. Cơ sở của động lực học hấp phụ trong dung dịch: Quá trình chuyển khối khi sự hấp phụ không phụ thuộc vào các điều kiện tiếp xúc của chất hấp phụ và chất bị hấp phụ, được thực hiện bằng phương pháp khuyếch tán phân tử từ môi trường ngoài (khí, hơi, hay dung môi) lên bề mặt các hạt của chất hấp phụ (gọi là khuyếch tán ngoài) và khuyếch tán các phân tử từ bề mặt ngoài của các hạt này vào tâm của nó theo kênh của các lỗ xuyên qua hạt có tiết diện khác nhau (gọi là khuyếch tán trong) [7,10]. Tốc độ tổng cộng của quá trình này được xác định bởi một trong hai dạng khuyếch tán trên. Nghiên cứu những quy luật động lực học hấp phụ trong dung dịch được bắt từ việc xác định giai đoạn chậm nhất của quá trình chuyển khối với những điều kiện cho trước. Sự chuyển khối môi trường bao quanh hạt chất hấp phụ dẫn đến sự chuyển dịch chất trong dung dịch lên bề mặt hạt dưới tác động của sự phân bố nồng độ không đều, mà nồng độ này xuất hiện khi một lượng chất nào đó bị các hạt hâp phụ từ ranh giới của chất lỏng. Sự chuyển khối bên trong cáchạt xốp trên chất hấp phụ gây nên sự phân bố nồng độ không đồng nhất. Trong các lỗ lớn sự chuyển khối được thực hiện bằng cách khuyếch tán phân tử vào chất lỏng bên trong lỗ và khuyếch tán các phân tử bị hấp phụ trong các lỗ trung, lỗ nhỏ. Tốc độ hấp phụ trong dung dịch được tính theo sự giảm nồng độ theo thời gian. 1.2. Khái quát về nƣớc thải mạ 1.2.1. Công nghệ mạ Hiện tại, chúng ta đang tập trung phát triển các ngành công nghiệp phụ trợ, trong đó kỳ vọng đặc biệt vào ngành gia công kim loại. Do vậy, nhu cầu gia công mạ kim loại ngày càng lớn và cũng từ đó việc xử lý nước thải trong gia công mạ - một yếu tố có nhiều khả năng phá hủy môi trường, là hết sức cần thiết và cần được giải quyết triệt để. .2.2. Thành phần và tính chất nước thải mạ Nước thải từ xưởng xi mạ có thành phần đa dạng về nồng độ và pH. Đặc trưng chung của nước thải ngành mạ là chứa hàm lượng cao các muối vô cơ và kim loại nặng. Tuỳ theo kim loại của lớp mạ mà nguồn ô ề nhiễm có thể là Cu, Zn, Cr, Ni,… và cũng tuỳ thuộc vào loại muối kim loại được sử dụng mà nước thải có chứa các độc tố như xianua, sunfat, amoni, crômat,… Các chất hữu cơ ít có trong nước thải xi mạ, phần chủ yếu là chất tạo bông, chất hoạt động bề mặt … nên BOD, COD thường thấp và không thuộc đối tượng xử lý. Đối tượng xử lý chính là các ion vô cơ mà đặc biệt là các muối kim loại nặng như Cr, Ni, Cu, Fe,… 1.2.3. Ảnh hưởng của nước thải mạ đến môi trường và sức khoẻ con người. Ảnh hưởng đến môi trường: - Là độc chất đối với cá và thực vật nước - Tiêu diệt các sinh vật phù du, gây bệnh cho cá và biến đổi các tính chất lí hoá của nước, tạo ra sự tích tụ sinh học đáng lo ngại theo chiều dài chuỗi thức ăn. Nhiều công trình nghiên cứu cho thấy, với nồng độ đủ lớn, sinh vật có thể bị chết hoặc thoái hóa, với nồng độ nhỏ có thể gây ngộ độc mãn tính hoặc tích tụ sinh học, ảnh hưởng đến sự sống của sinh vật về lâu về dài. - Ảnh hưởng đến đường ống dẫn nước, gây ăn mòn, xâm thực hệ thống cống rãnh. - Ảnh hưởng đến chất lượng cây trồng, vật nuôi canh tác nông nghiệp, làm thoái hoá đất do sự chảy tràn và thấm của nước thải. - Ảnh hưởng đến hệ thống xử lý nước thải, cần tách riêng nếu không sẽ ảnh hưởng đến hoạt động của vi sinh vật khi thực hiện xử lý sinh học. Chƣơng 2. Đối tƣợng và phƣơng pháp nghiên cứu 2.1. Đối tượng nghiên cứu 2.2. Phương pháp nghiên cứu 2.2.1. Phương pháp điều chế than hoạt tính từ tre 2.2.2. Phương pháp kế hoạch hoá thực nghiệm 2.2.3. Phương pháp thống kê toán học 2.2.4. Phương pháp xác định các chỉ tiêu, tính chất đặc trưng của than hoạt tính 2.2.5. Phương pháp xác định khả năng hấp phụ một số kim loại trong nước thải mạ của than hoạt tính 2.1. Đối tƣợng nghiên cứu Với mục đích điều chế vật liệu hấp phụ từ tre, nguồn tài nguyên rẻ, dồi dào phong phú sẵn có trong nước, ứng dụng để xử lý môi trường nước. Dựa trên cơ sở tổng kết các tài liệu tham khảo trong ngoài nước về phương pháp điều chế, khả năng ứng dụng cùng với những điều kiện thực tế ở nước ta, đối tượng nghiên cứu được đặt ra là: - Điều chế than hoạt tính từ tre. - Khảo sát, đánh giá các tính chất đặc trưng của than hoạt tính được điều chế từ tre. - Khảo sát khả năng hấp phụ một số kim loại nặng( Cu, Ni, Zn) trong nước thải mạ của than hoạt tính điều chế được. 2. Phƣơng pháp nghiên cứu 2.2.1 Phương pháp điều chế than hoạt tính từ tre 2.2.1.1. Phương pháp than hoá Tre được chọn là tre già cứng, được cưa ngắn ra thành từng đoạn 10cm, được chẻ mảnh ra 2cm, sau đó cho vào lò than hoá. Quá trình than hoá được tiến hành trong lò nung yếm khí của trung tâm công nghệ xử lý môi trường Bộ Tư Lệnh Hóa học. Đây là loại lò quay theo công nghệ của Trung Quốc (lò quay SRJK-5-9S). Lò được cấp nhiệt bằng điện qua 2 thớt trên và dưới, có thể kéo và nâng thớt trên lên cao bằng hệ thống xích tời để đưa vào và lấy ra ống lò. Lò có thể than hóa và hoạt hóa. 2.2.1.2. Phương pháp hoạt hoá Tiến hành trong lò quay công nghệ Trung Quốc (lò SRJK - 5- 9S) của trung tâm công nghệ xử lý môi trường Bộ Tư Lệnh Hóa học. 2.2.2. Phương pháp kế hoạch hoá thực nghiệm Phương pháp kế hoạch hóa thực nghiệm là phương pháp nghiên cứu trong quy hoạch thực nghiệm sử dụng trong nghiên cứu thực nghiệm hiện đại, Quy hoạch thực nghiệm là tập hợp các tác động nhằm đưa ra chiến thuật làm thực nghiệm từ giai đoạn đầu đến kết thúc quá trình nghiên cứu đối tượng, trong điều kiện đã hoặc chưa hiểu biết đầy đủ về cơ chế của đối tượng. 2.2.3. Phương pháp thống kê toán học Các kết quả thí nghiệm được xử lý thống kê theo quy luật phân phối (quy luật phân phối Student) hoặc thống kê tuyến tính theo phương pháp thống kê toán học xử lý các kết quả thực nghiệm. 2.2.4. Phương pháp xác định các chỉ tiêu, tính chất đặc trưng của than hoạt tính 2.2.4.1. Độ bền hạt Độ bền hạt xác định dựa trên nguyên tắc bào mòn hạt than bằng sự va chạm cơ học của than với các bi thép trong trống quay kim loại đặt nằm ngang và quay với tốc độ không đổi. 2.2.4.2. Xác định độ tro của than Độ tro của than thể hiện các hợp phần vô cơ có trong than. Độ tro được xác định bằng cách nung một lượng than xác định ở nhiệt độ 850 0 C cho đến khi than cháy hết, chỉ còn lai tro trắng. 2.2.4.3. Xác định tỷ trọng lít Tỷ trọng lít là trọng lượng của một là trọng lượng một đơn vị thể tích than, tính cả phần không gian nằm giữa hạt than. Tỷ trọng lít (g/cm 3 ) được xác định theo phương pháp cân thông thường. Người ta lấy một ống đong và đặt một tấm gỗ phẳng trên mặt bàn, đổ 10 cm 3 than vào ống đong gõ ống đong lên tấm gỗ trong 30 giây, tiếp tục cho tiếp 10 cm 3 làm tương tự cho đến khi lượng than ngang vạch khắc 100 ml 2.2.4.4. Tỷ trọng biểu kiến Tỷ trọng biểu kiến là trọng lượng của một đơn vị thể tích than không kể đến không gian giữa các hạt. Tỷ trọng biểu kiến phụ thuộc nhiều vào độ xốp của than, vì vậy nó thường được dùng để đặc trưng gián tiếp cho độ xốp của than. Tỷ trọng biểu kiến (g/cm 3 ) được xác định trên thiết bị Geo Pye 1360, version 3.01 của Hãng Micromeritics Instrument Corporation (USA). 2.2.4.5. Tỷ trọng thực Tỷ trọng thực là khối lượng một đơn vị thể tích than không chứa lỗ xốp và thể tích khoảng trống giữa các hạt than. Tỷ trọng thực (g/cm 3 ) được xác định theo phưong pháp nạp He trên thiết bị Accupyc Pycnometer 1330, version 3 của Hãng Micromeritics Instrument Corporation (USA). 2.2.4.7. Xác định khả năng hấp phụ vật lý của than Thường xác định khả năng hấp phụ của than hoạt với C 6 H 6 và tiến hành trên cân hấp phụ động học Mark-Bell theo phương pháp Rubinstein. 2.2.5. Phương pháp xác định khả năng hấp phụ một số kim loại (Cu, Ni, Zn) trong nước thải mạ của than hoạt tính 2.2.5.1. Phương pháp đường chuẩn Cơ sở của phương pháp phân tích định lượng các chất theo phổ hấp thụ nguyên tử là dựa vào mối quan hệ giữa cường độ của vạch phổ hấp thụ nguyên tử của một nguyên tố và nồng độ của nguyên tố phân tích trong mẫu theo biểu thức: D  = k.L.C b Trong đó: - D  là cường độ hấp thụ của một vạch phổ - L là bề dầy của môi trường hấp thụ chứa các nguyên tố phân tích - C b là nồng độ của nguyên tố phân tích 2.2.3.2. Đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir Theo thuyết hấp phụ Langmuir thì trên bề mặt chất hấp phụ có những trung tâm hấp phụ – gọi là những điểm cơ bản. Các điểm cơ bản này có khả năng hấp phụ chỉ một phân tử chất hấp phụ hình thành một lớp đơn phân tử. Số điểm cơ bản càng nhiều thì hoạt độ hấp phụ càng cao. Chƣơng 3. Kết quả nghiên cứu 3.1. Điều chế than hoạt tính 3.1.1. Xác định hàm ẩm của nguyên liệu 3.1.2. Quá trình than hoá 3.1.3. Nghiên cứu tối ưu một số yếu tố hoạt hoá trong quá trình điều chế than hoạt tính từ tre 3.2. Đánh giá các tính chất đặc trưng của than hoạt tính điều chế được 3.2.1. Tỷ trọng than họat tính 3.2.2. Diện tích bề mặt 3.2.3. Phân bố lỗ của than họat tính 3.3. Xác định khả năng hấp phụ một số kim loại nặng trong nước thải mạ(Cu, Ni, Zn) 3.3.1. Xây dựng đường chuẩn 3.3.2. Khảo sát ảnh hưởng của môi trường pH đến khả năng hấp phụ của than 3.3.3. Khảo sát ảnh hưởng của thời gian phản ứng đến khả năng hấp phụ của than 3.3.4. Tính toán dung lượng hấp phụ cực đại 3.3.5. Khảo sát ảnh hưởng của kích thước hạt đến khả năng hấp phụ của than 3.3.6. Khảo sát khả năng hấp phụ của than điều chế được đối với một số kim loại nặng(Cu, Zn, Ni) trong nước thải mạ 3.1. Điều chế than hoạt tính 3.1.1. Xác định hàm ẩm của nguyên liệu Hàm ẩm của tre chính là hàm lượng hơi nước có trong nguyên liệu tre, được xác định bằng cách cắt nhỏ tre thành miếng nhỏ, cân một lượng xác định trên cân kỹ thuật, đem sấy khô ở nhiệt độ 105 0 C đến trọng lượng không đổi, sau đó cân lại và tính kết quả. 3.1.2. Quá trình than hoá Nhiệt độ than hoá 3504000C trong khoảng thời gian 35120 phút tuỳ vào nguyên liệu ban đầu. Nhiệt độ than hoá quá cao làm cho than bị trơ khó hoạt hoá. Thời gian kéo dài lượng mất mát sẽ lớn, hiệu quả than hoá thấp. Hiệu suất quá trình than hoá phụ thuộc vào nhiệt độ, khi nhiệt độ tăng thì hiệu suất giảm do các chất hữu cơ nhẹ trong nguyên liệu phân huỷ, một phần bị oxy hoá tạo thành CO và CO 2 . Quá trình này khi ở nhiệt độ 400 o C không còn khói bay ra khỏi lò, thời gian mất khoảng 90 phút. Nhiệt độ tiến hành khảo sát ở 350, 400, 450, 500 0 C. 3.1.3. Áp dụng phương pháp kế hoạch hóa thực nghiệm nghiên cứu tối ưu một số yếu tố hoạt hoá trong quá trình điều chế than hoạt tính từ tre Cơ chế quá trình hoạt hoá bằng hơi nước than hoạt tính từ tre cũng tương tự các nguyên liệu khác đã trình bày phần tổng quan. Để xác lập các cơ sở khoa học và các điều kiện công nghệ tối ưu của quá trình hoạt hoá, để chế tạo được than hoạt tính từ tre có chất lượng, cần nghiên cứu ảnh hưởng của 3 yếu tố hoạt hoá sau: - Nhiệt độ hoạt hoá (t 0 C) - Thời gian hoạt hoá (giờ) - Lưu lượng dòng hơi nước hoạt hoá (ml/phút – quy về trạng thái lỏng) Sử dụng phương pháp kế hoạch hoá thực nghiệm để khảo sát ảnh hưởng của 3 yếu tố trên đến diện tích bề mặt riêng Y (m 2 /g) của than hoạt tính thu được. Hàm Y phụ thuộc đồng thời vào ba biến số đó là: nhiệt độ hoạt hoá Z 1 (t 0 C), thời gian hoạt hoá Z 2 (giờ), lưu lượng dòng hơi nước hoạt hoá Z 3 (ml/phút). 3.2. Đánh giá các tính chất đặc trƣng của than điều chế đƣợc 3.2.1. Tỷ trọng của than Bởi vì than hoạt tính là loại vật liệu xốp nên tỷ trọng được biểu diễn bằng ba loại đại lượng khác nhau: tỷ trọng lít, tỷ trọng biểu kiến, tỷ trọng thực. Tỷ trọng biểu kiến (g/cm 3 ) được xác định theo phương pháp nạp bột dry vào lỗ xốp than hoạt tính, tính toán đưa ra kết quả trên thiết bị Geo Pye 1360, Micromeritics Instrument Corporation (USA). Số liệu thực nghiệm được xử lý tự động theo phần mềm chuyên dụng 3.2.2. Diện tích bề mặt 3.2.2.1. Khả năng hấp phụ của than với hơi benzen Để xác định các thông số đặc trưng của than điều chế được: diện tích bề mặt, độ hấp phụ cực đại, áp dụng phương pháp hấp phụ và giải hấp phụ đẳng nhiệt benzen trên cân hấp phụ động Mac - Bell. Khả năng hấp phụ của than với C 6 H 6 được xác định bằng phương pháp cân thạch anh xoắn Mark-Bell theo phương pháp Rubinstein. Từ phương pháp này có thể tính được thông số của than: diện tích bề mặt, cấu trúc lỗ nhỏ và khả năng hấp phụ của than đo được. Bảng 3.6. Tính chất đăc trưng của than hoat tính STT Chỉ tiêu Đơn vị đo Giá trị đo 1 Độ thiêu đốt % 29 2 Độ tro % 3,23,8 3 Độ bền mài mòn % 7380 4 Tỷ trọng khối g/cm 3 0,2800 5 Tỷ trọng biểu kiến g/cm 3 0,6759 6 Tỷ trọng thực g/cm 3 1,8850 7 Thể tích lỗ xốp tổng cm 3 /g 0,9488 8 Bề mặt riêng BET theo cân Mark-Bell m 2 /g 1133,7454 . 3. Xác định khả năng hấp phụ một số kim loại trong nƣớc thải mạ(Cu, Ni, Zn) của than 3.3.1. Xây dựng đường chuẩn (a)Đường chuẩn Cu (b) Đường chuẩn Ni [...]... nồng độ các kim loại đã giảm đi rất nhiều và đều thoả mãn QCVN 24/2009 BTNMT Như vậy hiệu quả sử dụng than để xử lý các kim loại Cu, Zn, Ni trong nước thải mạ là rất tốt, hiệu suất xử lý cao Kết quả thu được ở trên cho thấy than điều chế được có thể ứng dụng trong thực tế để xử lý một số kim loại nặng trong nước thải mạ KẾT LUẬN 1 Đã điều chế được than hoạt tính đi từ nguyên liệu tre Đã áp dụng phương... đại của than điều chế được đối với một số kim loại trong nước thải mạ Dựa vào lý thuyết Langmuir để tìm ra phương trình mô tả thích hợp cho các quá trình hấp phụ của than đối với các kim loại nghiên cứu, từ đó tính được dung lượng hấp phụ cực đại của than đối với từng kim loại Điều này có ý nghĩa thực tế rất lớn Bảng 3.11 Kết quả thực nghiệm khả năng hấp phụ một số kim loại nặng của than điều chế đượckhi... nước thải xưởng mạ của nhà máy Z117 thuộc cục công nghiệp quốc phòng (Đông Anh - Hà Nội) Kết quả cho thấy than có khả năng xử lý rất tốt và chất lượng nước sau xử lý đều thoả mãn QCVN 24/2009 BTNMT Với các kết quả nghiên cứu thu được, hi vọng than hoạt tính điều chế từ tre sẽ được tiếp tục nghiên cứu toàn diện hơn để có thể ứng dụng trong thực tế xử lý các kim loại nặng trong nước thải nói chung References... kích thước hạt than càng giảm thì càng làm tăng khả năng hấp phụ trong dung dịch của than đối với dung dịch kim loại nghiên cứu 3.3.6 Khảo sát khả năng hấp phụ của than điều chế được đối với một số kim loại nặng( Cu, Zn, Ni) trong nước thải mạ Nước thải mạ được lấy ở xưởng mạ của nhà máy Z117 thuộc cục công nghiệp quốc phòng, địa chỉ tại Đông Anh - Hà Nội Qua phân tích cho thấy, nước thải chứa chủ yếu... Ni, Cu, Zn, Fe Hiện tại nhà máy đã có hệ thống xử lý nước thải, trong đó nước thải của quá trình mạ crom được thu gom để xử lý riêng Do đó, trong luận án chúng tôi chỉ tiến hành phân tích các kim loại Cu, Zn, Ni Để khảo sát khả năng xử lý các kim loại nghiên cứu trong nước thải mạ ta tiến hành như sau: cân chính xác 20g than hoạt tính đã nghiền nhỏ sau 1 giờ cho vào buret 25ml để chế tạo cột hấp phụ Sau... hấp phụ trong dung dịch của than đối với các kim loại nghiên cứu Kết quả cho thấy quá trình nghiền than tạo kích thước không phá vỡ cấu trúc mao quản của than, đồng thời kích thước hạt than nhỏ đi thì sự hấp phụ trong dung dịch của than đối với các kim loại nghiên cứu tăng lên về dung lượng hấp phụ 7 Đã khảo sát khả năng dùng than hoạt tính điều chế được để xử lý các kim loại Cu,Zn,Ni trong nước thải. .. pH đến hiệu suất hấp phụ của than đối với ion kim loại Ni trong nước thải mạ nghiên cứu như sau: Hình 3.8 Ảnh hưởng của pH đến hiệu suất hấp phụ của than đối với Ni Nhận xét: các kết quả thực nghiệm cho thấy khả năng hấp phụ các kim loại trong nước thải mạ nghiên cứu của than tăng khi pH môi trường của dung dịch tăng Khả năng hấp phụ của than đối với các kim loại tốt nhất trong khoảng pH môi trường khoảng... quá trình hấp phụ các kim loại Cu, Zn, Ni trong nước bằng than hoạt tính Trên cơ sở đó tính được các tham số đặc trưng như hằng số Langmuir hay dung lượng hấp phụ cực đại của than đối với từng kim loại nghiên cứu Kết quả cho thấy phương trình đẳng nhiệt Langmuir là phù hợp để xử lý số liệu thực nghiệm cũng như tính toán các thông số công nghệ xử lý các kim loại Cu, Zn, Ni trong nước bằng phương pháp... đổi ion trong kỹ thuật xử lý nước và nước thải, Nhà xuất bản Thống kê, Hà Nội 2 Lê Huy Du (1982), Nghiên cứu cấu trúc xốp của than hoạt tính ép viên hoạt hóa bằng hơi nước Tạp chí hóa học Hà Nội 3 Lê Huy Du, Lâm Vĩnh ánh, Đỗ Đăng Hải (2002), Nghiên cứu hấp phụ dioxin trong nước bằng than hoạt tính oxy hoá và ứng dụng trong cống lọc vùng Z2 Đề tài cấp BQP Hà Nội 4 Lê Huy Du (1984), Nghiên cứu ảnh... hưởng của thời gian phản ứng đến hiệu suất hấp phụ các kim loại nghiên cứu Hình 3.9 Ảnh hưởng của thời gian phản ứng đến hiệu suất hấp phụ của than đối với các kim loại nghiên cứu Nhận xét: Hiệu suất hấp phụ của than đối với các kim loại trong nước tăng theo thời gian, trong khoảng 60 phút đầu tiên tăng rất nhanh sau đó chậm dần và đạt trạng thái cân bằng sau khoảng 180 phút Điều này cho thấy sự phụ . Nghiên cứu điều chế than tre ứng dụng xử lý một số kim loại nặng trong nước thải nhà máy mạ Nguyễn Kim Hiển Trường Đại. trưng của than tre hoạt tính điều chế được. Nghiên cứu khả năng ứng dụng than tre hoạt tính trong việc xử lý một số kim loại nặng có trong nước thải mạ.