Đang tải... (xem toàn văn)
trình bày về nghiên cứu, tổng hợp, đặc trưng của vật liệu lai tạo Chitosan/oxit sắt và hấp thụ ion Niken trong xử lý nước thải
Đồ án tốt nghiệp Khoa CNSH&MT Trờng đại học Phơng Đông Khoa Công Nghệ Sinh Hoc - MôI trờng ----------------------------------- Đồ án tốt nghiệp Chuyên Ngnh: Công nghệ MôI Trờng đề Tài: Nghiên cứu tổng hợp, đặc trng của vật liệu lai tạo Chitosan/oxit sắt và ứng dụng hấp phụ ion Niken (II) trong xử lý nớc thải chứa kim loại nặng Giáo viên hớng dẫn : th.S Trần Vĩnh Hoàng Sinh viên thực hiện : trần Thị Phơng Thúy MSSV : 505303058 Hà Nội 2009 Trần Thị Phơng Thuý MSSV : 505303058 1 Đồ án tốt nghiệp Khoa CNSH&MT Lời cảm ơn Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới các thầy, các cô giáo trong khoa Công nghệ Sinh học và Môi trờng đ tạo điều kiện cho tôi học tập trong suốt 4 năm học qua và trong quá trình làm đồ án tốt nghiệp. Đồng thời tôi cũng xin gửi lời cảm ơn đến các thầy, cô trong bộ môn Hoá vô cơ Trờng đại học Bách Khoa Hà Nội. Đăc biệt tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới thạc sĩ Trần Vĩnh Hoàng đ trực tiếp hớng dẫn tôi và các thầy T.s Trần Đại Lâm, thầy Bùi Đình Long đ tận tình chỉ bảo và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình làm đồ án tốt nghiệp. Mặc dù đ cố gắng rất nhiều nhng do thời gian có hạn và bản thân vẫn còn nhiều hạn chế nhất định trong kinh nghiệm và thực tế nên đồ án tốt nghiệp không tránh khỏi nhiều thiếu sót. Do đó tôi rất mong nhận đợc các ý kiến đóng góp của hội đồng chấm đồ án, các thầy cô giáo và các bạn để đồ án tốt nghiệp của tôi đợc hoàn chỉnh hơn. Hà Nội, ngày 15 tháng 05 năm 2009 SVTH Trần Thị Phơng Thuý Trần Thị Phơng Thuý MSSV : 505303058 2 Đồ án tốt nghiệp Khoa CNSH&MT Mục lục Lời mở đầu . 1 Chơng I Tổng quan về tài liệu . 9 I.1 Hiện trạng nớc thải ở Việt Nam và các phơng pháp xử lý 9 I.1.1 Hiện trạng nớc thải ở Việt Nam 9 I.1.2 Nguyên nhân của tình trạng ô nhiễm 11 I.1.3 Các phơng pháp xử lý nớc thải 11 I.1.3.1 Xử lý bằng phơng pháp sinh học. . 11 I.1.3.2 Xử lý bằng phơng pháp hoá lý . 12 I.1.3.3 Xử lý bằng phơng pháp hoá học . 13 I.2 Các vật liệu mới . 14 I.2.1 Triển vọng phát triển phát triển của các vật liệu mới 14 I.2.2 ứng dụng của các vật liệu mới trong xử lý môi trờng . 14 I.2.2.1 Oxit sắt nanô 14 I.2.2.2 Chitosan 15 I.2.2.3 MnO 2 nanô 15 I.3 Lý thuyết chung về hấp phụ . 16 I.3.1 Khái niệm chung về hấp phụ . 16 I.3.2 Đẳng nhiệt quá trình hấp phụ . 17 I.3.2.1 Phơng trình đẳng nhiệt Langmuir 17 I.3.2.2 Phơng trình đẳng nhiệt hấp phụ Freundlich . 19 I.4 Động học và nhiệt động học của quá trình hấp phụ 19 I.4.1 Động học của quá trình hấp phụ . 19 I.4.2 Nhiệt động học của quá trình hấp phụ 20 I.5.1 Vật liệu Chitosan 21 I.5.1.1 Nguồn gốc Chitosan 21 I.5.1.2 Cấu trúc và tính chất của Chitosan . 21 I.5.2 Oxit Sắt . 23 Trần Thị Phơng Thuý MSSV : 505303058 3 Đồ án tốt nghiệp Khoa CNSH&MT I.5.2.1 Cấu trúc tinh thể của Fe 3 O 4 . 23 I.5.2.2 Tính chất vật lý . 26 I.5.2.3. Một số phơng pháp hoa học tổng hợp oxit sắt 26 chơng ii: Thực nghiệm và các phơng pháp nghiên cứu 32 II.1 Hoá chất và dụng cụ 32 II.2 Quy trình chế tạo vật liệu . 32 II.3 Xây dựng đờng chuẩn của Ni 2+ 34 II.4 Các phơng pháp nghiên cứu 35 II.4.1 Hiển vi điện tử quét (SEM) . 35 II.4.2 Phổ phân tán năng lợng tia X (EDX) của vật liệu . 35 II.4.3 Phân tích nhiệt 36 II.4.4 Nhiễu xạ tia X (XRD) 37 II.4.5 Phổ hấp thụ hồng ngoại 38 Chơng III: Kết quả và thảo luận . 34 III.1 Đặc trng của vật liệu oxit sắt/ chitosan . 40 III.1.1 Sản phẩm Chitosan/ oxit sắt 40 III.1.2 Hiển vi điện tử quét (SEM) 41 III.1.3 Phổ phân tán năng lợng tia X (EDX) của vật liệu 42 III.1.4 Phơng pháp phân tích nhiệt . 43 III.1.5 Phổ hấp phụ hồng ngoại . 44 III.1.6 Nhiễu xạ tia X (XRD) 46 III.2 Nghiên cứu khả năng hấp phụ Ni 2+ của vật liệu Chitosan/oxit sắt 47 III.2.1 Xác định các điều kiện ảnh hởng đến khả năng hấp phụ của Ni 2+ 47 II.2.1.1 Xác định thời gian cân bằng . 47 III.2.1.2 Xác định ảnh hởng của pH 47 III.2.1.3. Nhiệt động học của quá trình hấp phụ . 49 III.2.1.5. Động học của quá trình hấp phụ 50 Trần Thị Phơng Thuý MSSV : 505303058 4 Đồ án tốt nghiệp Khoa CNSH&MT Danh Mục Bảng Bng I.1 : Sn phm ca phn ng thu phân 22 Bảng III.1: Các thông số của phơng trình hấp phụ Langmuir . 43 Bảng III.2: Các thông số của phơng trình hấp phụ Freudlich 43 Bảng III.3: Các thông số của quá trình nhiệt động học 44 Bảng III.4: Hiệu suất hấp phụ của vật liệu . 44 Bảng III.5: Thông số của phơng trình động học bậc nhất 45 Bảng III.6: Thông số của phơng trình động học bậc 2 46 Trần Thị Phơng Thuý MSSV : 505303058 5 Đồ án tốt nghiệp Khoa CNSH&MT Danh Mục Hình Hình I.1 : Công thức lý thuyết của Chitosan 16 Hình I.2 : Cấu trúc Spinel của Fe 3 O 4 19 Hình II.1 : Mô hình nhiễu xạ tia X 31 Hình III.1 : Hạt Chitosan/oxit sắt trớc khi sấy 34 Hình III.2 : Hạt Chitosan/oxit sắt sau khi sấy . 34 Hình III.3 : ảnh SEM của mẫu Chitosan/oxit sắt trớc khi hấp phụ Ni 2+ 35 Hình III.4 : ảnh SEM của mẫu Chitosan/oxit sắt sau khi hấp phụ Ni 2+ . 35 Hình III.5 : Mẫu đo EDX của mẫu Chitosan/ oxit sắt trớc khi hấp phụ Ni 2+ 36 Hình III.6 : Mẫu đo EDX của mẫu Chitosan/oxit sắt sau khi hấp phụ Ni 2+ . 36 Hình III.7 : Phổ phân tích nhiệt TGA và DTA của vật liệu Chitosan/ oxit sắt 37 Hình III.8 : Phổ đo IR của mẫu Chitosan/ oxit sắt trớc khi hấp phụ 38 Hình III.9 : Phổ đo IR của mẫu Chitosan/ oxit sắt sau khi hấp phụ 39 Hình III.10: Phổ XRD của mẫu Chitosan/ oxit sắt trớc khi hấp phụ Ni 2+ 40 Hình III.11: Thời gian cân bằng hấp phụ của Ni 2+ . 41 Hình III.12: Đồ thị đẳng nhiệt Langmuir đối với sự hấp phụ Ni 2+ của vật liệu lai tạo chitosan/ oxit sắt 42 Hình III.13: Đồ thị đẳng nhiệt Freudlich đối với sự hấp phụ Ni 2+ . 42 Hình III.14: Đồ thị nhiệt động học của quá trình hấp phụ . 43 Hình III.15: Đồ thị động học hấp phụ bậc nhất của vật liệu 45 Hình III.16: Đồ thị động học bậc hai của vật liệu 46 Trần Thị Phơng Thuý MSSV : 505303058 6 Đồ án tốt nghiệp Khoa CNSH&MT Lời mở đầu Trong những năm gần đây, cùng với sự phát triển của nền công nghiệp nớc ta, tình hình ô nhiễm môi trờng cũng đang gia tăng đến mức báo động. Do đặc thù của nền công nghiệp mới phát triển, cha có sự quy hoạch tổng thể và nhiều nguyên nhân khác nhau nh: Điều kiện kinh tế của nhiều xí nghiệp còn khó khăn hoặc do chi phí xử lý ảnh hởng đến lợi nhuận nên hầu nh các chất thải công nghiệp của nhiều nhà máy cha đợc xử lý mà xả thẳng ra môi trờng; các quy định về quản lý và bảo vệ môi trờng nớc còn thiếu. Dẫn đến tình trạng môi trờng nớc ở nhiều đô thị, khu công nghiệp và làng nghề ngày càng bị ô nhiễm bởi nớc thải, khí thải và chất thải rắn. Tại các thành phố lớn, hàng trăm cơ sở sản xuất công nghiệp đang gây ô nhiễm môi trờng nớc do không có công trình và thiết bị xử lý chất thải. Hàm lợng nớc thải của các nghành này có chứa xyanua vợt đến 84 lần, H 2 S vợt 4,2 lần, hàm lợng NH 3 vợt 84 lần tiêu chuẩn cho phép nên đã gây ô nhiễm nặng nề các nguồn nớc mặt trong vùng dân c. Hàm lợng ion kim loại trong nớc thải vợt quá tiêu chuẩn cho phép gây ảnh nghiêm trọng tới sức khoẻ của con ngời Nhiễm độc Asen trong thời gian dài làm tăng nguy có gây ng th bàng quang, thận, gan và phổi. Asen còn gây ra các chứng bệnh về tim. Zn còn có khả năng gây ung th đột biến, gây ngộ độc hệ thần kinh, sự nhạy cảm, sự sinh sản, gây độc đến hệ miễn nhiễm. Sự thiếu hụt Zn trong cơ thể gây ra các triệu chứng nh bệnh liệt dơng, teo tinh hoàn, mù màu, viêm da, bệnh về gan và một số triệu trứng khác. Việc phát hiện ra các vật liệu đang mở ra một cuộc cách mạng công nghiệp mới là chế tạo ra nhng vật liệu có độ cứng, độ dẻo mà các vật liệu cũ không có đợc. Hiện nay trên thế giới và Việt Nam đã có rất nhiều công trình nghiên cứu về khả năng ứng dụng của vật liệu mới để xử lý môi trờng. Mới đây một nhà khoa học Nhật Bản có sáng kiến sử dụng hạt nanô từ tính lọc nớc bằng cách cho một loài vi khuẩn chuyên ăn các chất bẩn lơ lửng trong nớc bẩn đã đợc hoà tan Trần Thị Phơng Thuý MSSV : 505303058 7 Đồ án tốt nghiệp Khoa CNSH&MT thêm các hạt nanô từ tính và các nhà khoa học nớc ta đã sử dụng kết hợp nanô từ tính Fe 3 O 4 với Al 2 (SO 4 ) 3 để lọc nớc, Al 2 (SO 4 ) 3 khi tan trong nớc sẽ thuỷ phân tạo thành Al(OH) 3 kết tủa dạng keo. Để góp phân tìm hiểu thêm về vấn đề này. Chúng tôi đã chọn đề tài: Nghiên cứu tổng hợp, đặc trng của vật liệu lai tạo Chitosan/oxit sắt và ứng dụng hấp phụ ion Niken (II) trong xử lử lý nớc thải chứa kim loại nặng . Mục đích của đề tài là: - Nghiên cứu tổng hợp vật liệu Chitosan/oxit sắt. - Nghiên cứu đặc trng vật liệu lai tạo Chitosan/oxit sắt. - Bớc đầu nghiên cứu khả năng hấp phụ Ni 2+ của vật liệu Chitosan/ oxit sắt. Trần Thị Phơng Thuý MSSV : 505303058 8 Đồ án tốt nghiệp Khoa CNSH&MT Chơng I Tổng quan về ti liệu I.1 Hiện trạng nớc thải ở Việt Nam và các phơng pháp xử lý I.1.1 Hiện trạng nớc thải ở Việt Nam Tốc độ công nghiệp hoá và đô thị hoá khá nhanh và sự gia tăng dân số gây áp lực ngày càng nặng nề đối với tài nguyên nớc trong vùng lãnh thổ. Môi trờng nớc ở nhiều đô thị, khu công nghiệp và làng nghề ngày càng bị ô nhiễm bởi nớc thải, khí thải và chất thải rắn. Tại các thành phố lớn, hàng trăm cơ sở sản xuất công nghiệp đang gây ô nhiễm môi trờng nớc do không có công trình và thiết bị xử lý chất thải. Ô nhiễm nớc do sản xuất công nghiệp là rất nặng. Hàm lợng nớc thải của các nghành này có chứa xyanua vợt đến 84 lần, H 2 S vợt 4,2 lần, hàm lợng NH 3 vợt 84 lần tiêu chuẩn cho phép nên đã gây ô nhiễm nặng nề các nguồn nớc mặt trong vùng dân c [13] Mức độ ô nhiễm nớc ở các khu công nghiệp, khu chế xuất, cụm công nghiệp tập chung là rất lớn. Tại cụm công nghiệp Tham Lơng, thành phố Hồ Chí Minh, nguồn nớc bị nhiễm bẩn bởi nớc thải công nghiệp với tổng lợng nớc thải ớc tính 500.000 m 3 / ngày từ các nhà máy giấy, bột giặt, nhuộm, dệt. ở thành phố Thái Nguyên, nớc thải công nghiệp thải ra từ các cơ sở sản xuất giấy, luyện gang thép, luyện kim màu, khai thác than. Về mùa cạn tổng lợng nớc thải khu vực thành phố Thái Nguyên chiếm khoảng 15% lu lợng sông Cầu, nớc thải từ sản xuất giấy có độ pH từ 8,4 9 và hàm lợng NH 4 là 4mg/l, hàm lợng chất hữu cơ cao, nớc thải có mầu nâu, mùi khó chịu Tình trạng ô nhiễm ở các đô thị thấy rõ nhất là ở thành phố Hồ Chí Minh và thành phố Hà Nội. ở các thành phố này, nớc thải sinh hoạt không có hệ thống xử lý tập trung mà trực tiếp xả ra nguồn tiếp nhận (sông, hồ, kênh, mơng). Mặt khác, còn rất nhiều cơ sở sản xuất không xử lý nớc thải, phần lớn các bệnh viện và các cơ sở y tế lớn cha có hệ thống thu gom hết đợc là những nguồn quan trọng gây ra ô nhiễm nớc. Hiện nay , mức độ ô nhiễm trong các kênh, sông, hồ Trần Thị Phơng Thuý MSSV : 505303058 9 Đồ án tốt nghiệp Khoa CNSH&MT ở các thành phố lớn là rất nặng. ở thành phố Hà Nội tổng lợng nớc thải của thành phố lên tới 300.000 400.000 m 3 /ngày. Hiện nay mới chỉ có 5/31 bệnh viện có hệ thống xử lý nớc thải, chiếm 25% lợng nớc thải bệnh viện, 36/400 cơ sỏ sản xuất có xử lý nớc thải. lợng rác thải sinh hoạt cha đợc thu gom khoảng 1.200 m 3 /ngày đang xả vào các khu đất ven các hồ, kênh, mơng trong nội thành, chỉ số BOD, oxy hoà tan, các chất NH 4 , NO 2 , NO 3 [14] ở các sông, hồ, mơng nội thành đều vợt quá quy định cho phép. ở thành phố Hồ Chí Minh thì lợng rác thải lên tới gần 4.000 tấn/ngày, chỉ có 24/142 cơ sở y tế là có xử lý nớc thải, khoảng 3.000 cơ sở sản xuất gây ô nhiễm thuộc diện phải di dời. Không chỉ ở Hà Nội, Thành phố Hồ Chí Minh mà ở các đô thị khác nh Hải Phòng, Huế, Đà Nẵng, Nam Định, Hải Dơng nớc thải sinh hoạt cũng không đợc xử lý, độ ô nhiễm nguồn nớc nơi tiếp nhận nớc thải đều vợt quá tiêu chuẩn cho phép (TCCP), các thông số chất lơ lửng (SS), BOD, COD, ôxy hoà tan (DO) đều vợt từ 5 -10 lần, thậm chí 20 lần TCCP. Về tình trạng ô nhiễm nớc ở nông thôn và khu vực sản xuất nông nghiệp. Hiện nay, ở Việt Nam có gần 76% dân số đang sinh sống ở nông thôn, là nơi cơ sở hạ tầng còn lạc hậu, phần lớn các chất thải của con ngời và gia súc không đợc xử lý nên thấm xuống đất hoặc bị rửa trôi, làm cho tình trạng ô nhiễm nguồn nớc về mặt hữu cơ và vi sinh vật ngày càng cao. Theo báo cáo của bộ nông nghiệp và phát triển nông thôn, số vi khuẩn Feca coliform trung bình biến đổi từ 1.500 3.500 MNP/100ml ở các vùng ven sông Tiền và sông Hậu tăng lên tới 3800-12.500MNP/100ML ở các kênh tới tiêu. Trong sản xuất nông nghiệp, do lạm dụng các loại thuốc bảo vệ thực vật, các nguồn nớc ở sông, hồ, kênh, mơng bị ô nhiễm, ảnh hởng lớn đến môi trờng nớc và sức khoẻ của nhân dân. Theo thông kê của bộ thuỷ sản, tổng diện tích mực nớc sử dụng cho nuôi trồng thuỷ sản đến năm 2001 của cả nớc là 751.999 ha. Do nuôi trồng thuỷ sản ồ ạt, thiếu quy hoạch, không tuân theo quy trình kỹ thuật nên gây nhiều tác động Trần Thị Phơng Thuý MSSV : 505303058 10 [...]... đây các phơng pháp xử lý hóa học đã đợc quan tâm nhiều hơn do khả năng xử lý của chúng là khá cao, đặc biệt là xử lý các chất hữu cơ khó phân huỷ ở trong nớc thải Một công nghệ mới có hiệu quả xử lý khá cao với giá thành xử lý hợp lý đợc đề cập gần đây là công nghệ Fenton xử lý nớc thải Quá trình Fenton đã đợc phát hiện và nhắc đến khá lâu (vào năm 1894 do J.H Fenton đợc công bố trong tạp chí Hội hoá... hấp phụ sau đây: - Hấp thụ là quá trình trong đó những phân tử của chất bẩn hoà tan chẳng hạn nhng tập trung ở bề mặt mà còn bị hút sau vào các lớp bên trong của chất rắn (hoặc chất lỏng) Tốc độ hấp thụ thờng nhỏ hơn rất nhiều so với tốc độ hấp phụ Khi xử lý nớc thải chứa các chất bẩn dạng khí hoà tan thì ngời ta dùng các phơng pháp hấp thụ- tháp hấp thụ hoặc tháp lọc khí - Hấp phụ lý học là quá trình... về hấp phụ Hiện nay phơng pháp hấp phụ đợc sử dụng rộng rãi để xử lý nớc thải công nghiệp vì phơng pháp này rất vạn năng Phơng pháp này cho phép xử lý nớc thải chứa một hoặc nhiều chất bẩn khác nhau, kể cả khi nồng độ chất bẩn trong nớc rất thấp, trong khi đó dùng các phơng pháp khác để xử lý thì không đợc hoặc cho hiệu suất rất thấp Nh vậy phơng pháp hấp phụ còn có thể dùng để xử lý triệt để nớc thải. .. đợc dùng để xử lý sơ bộ trớc xử lý sinh học hay sau công đoạn này nh là một phơng pháp xử lý nớc thải lần cuối để thải vào nguồn nớc.([2]) + ở Việt Nam Các phơng pháp xử lý nớc thải thờng đợc sử dụng phổ biến ở nớc ta là các phơng pháp sinh học, hoá lý và phơng pháp hoá học Ngày trớc phơng pháp hóa học rất ít sử dụng bởi giá thành xử lý khá cao cha phù hợp với điều kiện kinh tế hiện nay của nớc ta Tuy... dụng và bảo vệ tài nguyên nớc theo lu vực và các vùng lãnh thổ lớn Cha có các quy định hợp lý trong việc đóng góp tài chính để quản lý và bảo vệ môi trờng nớc, gây nên tình trạng thiếu hụt tài chính, thu không đủ chi cho bảo vệ môi trờng I.1.3 Các phơng pháp xử lý nớc thải I.1.3.1 Xử lý bằng phơng pháp sinh học Thực chất của phơng pháp sinh học để xử lý nớc thải là sử dụng khả năng sống và hoạt động của. .. định Trong vô số ô cơ sở của oxit sắt Fe3O4 các momem từ của các ion Fe2+ và sắt từ Fe3+ có sự sắp xếp khác nhau Hình I.2: Sự phân bố các mômem từ spin của các ion Fe2+ và Fe3+ trong một ô cơ sở của Fe3O4 Mỗi phân tử Fe3O4 có momen từ tổng cộng là 4 ( là magneton bohr nguyên tử, =9,274.10-24 J/T trong hệ SI) Trần Thị Phơng Thuý 25 MSSV: 505303058 Đồ án tốt nghiệp Khoa CNSH&MT I.5.2.2 Tính chất vật lý. .. (từ độ - M) Tỷ số C=M/N đợc gọi là độ cảm từ Tuỳ thuộc vào giá trị, độ cảm từ có thể phân ra làm các loại vật liệu từ khác nhau Vật liệu có C=0(-10-6) đợc gọi là vật liệu nghịch từ Vật liệu có c>0 với giá trị rất lớn có thể là vật liệu sắt từ, ferit từ Ngoài độ cảm từ, một số thông số khác cũng rất quan trọng trong việc xác định tính chất của vật liệu VD: từ độ bão hoà Ms (từ độ đạt cực đại tại từ trờng... hấp phụ (J/mol khí) Ts: Nhiệt độ sôi của chất bị hấp phụơ áp suất khi quyển (oK) q/ T s : Hằng số phụ thuộc vào chất hấp phụ + Nhiệt hấp phụ có thể tính theo công thức sau: Trong đó : 44.103 lg(p2 / p1 ) q= (1/ T1 ) (1/ T2 ) J/kmol (I.11) - 1,2 : áp suất cân bằng của thiết bị hấp phụ trên chất hấp phụ nhiệt độ T1 và T2 tính theo 0K I.5 Vật liệu nghiên cứu I.5.1 Vật liệu Chitosan [9, 12] I.5.1.1 Nguồn... bão hoà và đa mẫu ra khỏi từ trờng), lực kháng từ Hc (từ trờng ngoài cần thiết để một hệ, sau khi đạt trạng thái bão hoà từ, bị khử từ) Nếu kích thớc của hạt giảm đến một giá trị nào đó (thông thờng từ và đến vài chục nano met), Phụ thuộc vào từng vật liệu cụ thể, tính sắt từ và ferit từ biến mất, chuyển động nhiệt sẽ thắng thế và làm cho vật liệu trở thành vạt liệu siêu thuận từ đối với vật liệu siêu... từ đối với vật liệu siêu thuận từ, từ d và lực kháng từ bằng không còn tính từ nữa, đấy là một đặc điểm rất quan trọng khi dùng vật liệu này cho các ứng dụng Trong tự nhiên, Sắt (Fe) là vật liệu có từ độ bão hoà lớn nhất tại nhiệt độ phòng, sắt không độc đối với cơ thể ngời và tính ổn định khi làm việc trong môi trờng không khí nên các vật liệu nh oxit sắt đợc nghiên cứu rất nhiều để làm hạt nano từ
