BỘ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG HÀ NỘI LUẬN VĂN THẠC SĨ NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU NANOCOMPOZIT TỪ TÍNH TỪ CHẤT THẢI NÔNG NGHIỆP VÀ THỬ NGHIỆM KHẢ NĂNG XỬ LÝ PHẨM MÀU DB71 TRONG MÔI TRƯỜNG NƯỚC CHUYÊN NGÀNH: KHOA HỌC MƠI TRƯỜNG ĐỒN MẠNH CƯỜNG Hà Nội, Năm 2018 BỘ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG HÀ NỘI LUẬN VĂN THẠC SĨ NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU NANOCOMPOZIT TỪ TÍNH TỪ CHẤT THẢI NÔNG NGHIỆP VÀ THỬ NGHIỆM KHẢ NĂNG XỬ LÝ PHẨM MÀU DB71 TRONG MƠI TRƯỜNG NƯỚC ĐỒN MẠNH CƯỜNG CHUYÊN NGÀNH: KHOA HỌC MÔI TRƯỜNG MÃ SỐ: 6044030 NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS Trần Đình Trinh TS Mai Văn Tiến Hà Nội, Năm 2018 CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI KHOA HỐ - TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN ĐHQGHN Cán hướng dẫn chính: TS Trần Đình Trinh Cán hướng dẫn phụ : TS Mai Văn Tiến Cán chấm phản biện 1: PGS.TS Nguyễn Huy Tùng Cán chấm phản biện 2: PGS.TS Đào Ngọc Nhiệm Luận văn thạc sĩ bảo vệ tại: HỘI ĐỒNG CHẤM LUẬN VĂN THẠC SĨ TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG HÀ NỘI Ngày 24 tháng 05 năm 2018 LỜI CAM ĐOAN Tơi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng Các số liệu, kết luận văn hoàn toàn trung thực chưa cơng bố cơng trình nghiên cứu khác Mọi giúp đỡ cho việc thực luận văn cảm ơn thơng tin trích dẫn luận văn ghi rõ nguồn gốc rõ ràng phép công bố Hà Nội, ngày tháng năm 2018 Tác giả Đoàn Mạnh Cường i LỜI CẢM ƠN Luận văn hoàn thành theo chương trình đào tạo Cao học khố 2016-2018 Trường Đại học Tài nguyên Môi trường Hà Nội Tơi xin chân thành cảm ơn TS.Trần Đình Trinh hướng dẫn suốt thời gian qua, truyền đạt cho kinh nghiệm quý báu, bảo tận tình động viên giúp tơi hồn thành báo cáo luận văn Tôi xin trân trọng cảm ơn TS.Mai Văn Tiến có nhận xét, góp ý, bảo để tơi hồn thành luận văn Tôi xin cảm ơn anh chị em Phòng thí nghiệm hố Mơi trường, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQGHN Tôi xin gửi lời tri ân sâu sắc đến quý thầy cô khoa Môi trường, Trường Đại học Tài nguyên Môi trường Hà Nội tận tình giảng dạy truyền đạt kiến thức quý giá suốt thời gian học cao học trường Cảm ơn anh chị, bạn bè người bạn đồng hành quãng thời gian học cao học, người sát cánh, giúp đỡ, động viên nguồn động lực để vươn lên Do thời gian kiến thức hạn chế nên luận văn khơng tránh khỏi thiếu sót tơi mong nhận ý kiến đóng góp q thầy – để luận văn hồn thiện Tơi xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, ngày tháng năm 2018 Tác giả Đoàn Mạnh Cường ii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ii MỤC LỤC iii DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT vi DANH MỤC BẢNG vii DANH MỤC HÌNH ẢNH viii MỞ ĐẦU CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan ô nhiễm .3 VỀ nước CÁC thải VẤN từ ĐỀ NGHIÊN ngành dệt CỨU nhuộm 1.1.1 Thực trạng ô nhiễm nước thải từ ngành dệt nhuộm 1.1.2 Các chất ô nhiễm phát từ ngành dệt nhuộm 1.2 Các phương pháp xử lý nước thải dệt nhuộm 10 1.3 Tổng quan vật liệu nanocompozit 14 1.3.1 Khái niệm ứng dụng vật liệu nanocompozit .14 1.3.2 Vật liệu nanocompozit từ tính sở than sinh học .18 1.3.3 Ứng dụng vật liệu compozit từ tính sở than sinh học 21 CHƯƠNG 2: ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 23 2.1 Thiết kế nghiên 23 2.2 Đối tượng phạm 23 2.3 Hoá chất, dụng cụ 23 vi cứu nghiên thiết cứu bị 2.3.1 Thiết bị sử dụng 23 2.3.2 Hoá chất 24 2.4 Phương pháp nghiên cứu 24 2.4.1 Phương pháp thu thập tài liệu thứ cấp 24 2.4.2 Phương pháp nghiên 25 cứu chế tạo than sinh học 2.4.2.1 Chế tạo vật liệu compozit sở than sinh học oxit sắt từ .25 2.4.3 Các phương pháp phân tích xác định đặc trưng cấu trúc tính chất vật liệu tổng hợp 28 2.4.4 Phương pháp xác định đặc tính vật liệu 33 2.4.5 Nghiên cứu xử lý phẩm màu DB71 môi trường nước 34 2.4.6 Phương pháp định lượng phẩm màu Direct Blue 71 dung dịch 36 CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 39 3.1 Đặc tính vật liệu nghiên cứu ban đầu 39 3.2 Ảnh hưởng thay đổi nhiệt độ đặc trưng khối lượng than sinh học tạo thành 42 3.3 Đặc trưng cấu trúc vật liệu compozit tổng hợp .43 3.3.1 Phổ XRD vật liệu .43 3.3.2 Phổ IR vật liệu 44 3.3.3 Phổ SEM, EDX vật liệu .46 3.3.4 Xác định diện tích bề mặt vật liệu 50 3.3.5 Xác định pH điểm đẳng điện vật liệu tổng hợp .51 3.4 Kết đánh giá khả hấp phụ DB71 vật liệu nanocompozit 52 3.4.1 Ảnh hưởng thời gian 52 3.4.2 Ảnh hưởng pH 53 3.4.3 Ảnh hưởng lượng vật liệu .54 3.4.4 Ảnh hưởng nồng độ đầu củas DB71 55 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 59 TÀI LIỆU THAM KHẢO 61 PHỤ LỤC TÓM TẮT LUẬN VĂN Họ tên học viên: Đoàn Mạnh Cường Lớp : CH2AMT Khoá: 2A (2016-2018) Cán hướng dẫn : TS Trần Đình Trinh Cán hướng dẫn : TS Mai Văn Tiến Tên đề tài: Nghiên cứu chế tạo vật liệu nanocompozit từ tính từ chất thải nông nghiệp thử nghiệm khả xử lý phẩm màu DB71 mơi trường nước Tóm tắt Hiện vấn đề rác thải người quan tâm, nguồn rác thải phát sinh từ hoạt động công nghiệp, nông nghiệp, y tế, dịch vụ, nguồn rác thải phải kể đến hoạt động nông nghiệp Với khối lượng lớn phế phụ phẩm nơng nghiệp khơng có biện pháp xử lý tác nhân gây nhiễm mơi trường, góp phần gây nên hiệu ứng khí nhà kính, đồng thời lãng phí nguồn tài nguyên Phẩm màu sử dụng rộng rãi nhiều ngành công nghiệp giấy, cao su, chất dẻo đặc biệt công nghiệp dệt nhuộm Trong q trình nhuộm, phẩm màu khơng bám dính hết vào sợi vải, nên sau công đoạn nhuộm, nước thải thường tồn dư lượng định Tuy nhiên, phẩm màu nói chung DB71 nói riêng khó bị phân hủy sinh học Q trình xử lý loại chất thải phương pháp hấp phụ thường cho hiệu xử lý cao thân thiện, tốn Vật liệu nanocompozit tổng hợp có chứa tinh thể hạt oxit sắt có kích thước nano (khoảng 20-30 nm) Diện tích bề mặt vật liệu nanocompozit đạt khoảng 200 m2/g Nghiên cứu trình xử lý DB71 nước cho thấy vật liệu compozit xử lý tốt chất nhiễm (trên 95% sau 4h) Quá trình xử lý DB71 chủ yếu hấp phụ vật lý tuân theo mơ hình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir, với tải trọng hấp phụ cực đại đạt khoảng 10 mg/g Nghiên cứu tận dụng phế phẩm nông nghiệp để xử lý phẩm màu DB71 mơi trường nước khơng có ý nghĩa mặt khoa học, tính ứng dụng thực tiễn mà có ý nghĩa lớn góp phần giảm thiểu ô nhiễm môi trường DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT S T 1 1 Vi ết DB Di re C hấ T V ỏ L õi Đ ộ K Đ ộ Đ ộ C ac V ật VV Tỏ LL Nõi vi VT-Fe LN-Fe ΔpH -1 -2 -3 -4 -5 -6 pH ban đầu Hình 3.13 Đồ thị xác định pH điểm đẳng điện Vật liệu LN-Fe có giá trị pH điểm đẳng điện 2,0 Giá trị pH = cho ta biết điều kiện thí nghiệm cụ thể bề mặt vật liệu LN-Fe mang điện tích âm hay dương, tiến hành thí nghiệm khảo sát vật liệu môi trường pH< bề mặt vật liệu mang diện tích dương, ngược lại mơi trường pH>2 bề mặt vật liệu mang điện tích âm 3.4 Kết đánh giá khả hấp phụ DB71 vật liệu nanocompozit 3.4.1 Ảnh hưởng thời gian Chúng tiến hành khảo sát lại bước sóng hấp phụ cực đại dung dịch DB71 (50ppm, λmax =555nm) sau thay đổi thời gian ta thấy thời gian từ 4h trở hiệu suất trình hấp phụ gần không thay đổi Như thời gian tối ưu cho trình hấp phụ 4h Thời gian chọn để tiến hành cho thí nghiệm 53 Hình 3.14 Ảnh hưởng thời gian đến hiệu xử lý DB71 vật liệu 3.4.2 Ảnh hưởng pH Kết khảo sát ảnh hưởng pH (nằm khoảng 2-12) đến hiệu suất xử lý DB71 thu hình 3.15 Hình 3.15 Ảnh hưởng pH đến hiệu xử lý DB71 vật liệu Từ hình 3.15 ta thấy Lõi ngơ cho hiệu xử lý tốt vỏ trấu Khi pH thay đổi hiệu suất xử lý thay đổi, hiệu xử lý hai vật liệu biến tính vỏ trấu – oxit sắt từ lõi ngô – oxit sắt từ cho kết hấp phụ tốt pH khoảng 2-4 Khi pH tăng lên giá trị lớn hiệu xử lý phẩm màu DB71 loại vật liệu giảm đáng kể Điều giải thích do: Khi pH dung dịch cao thấp điểm đẳng điện pzc bề mặt vật liệu tích điện âm dương Điều ảnh hưởng đến phân tử chất hấp phụ, đặc biệt phân tử có nhóm tích điện Nếu điểm đẳng điện pzc vật liệu môi trường nước có giá trị khoảng 2,2 Khi pH ≥ pHpzc mặt vật liệu mang điện tích âm Tại pH≥4, bề mặt vật liệu tích điện âm, DB71 phẩm nhuộm anion nên khó bị hấp thụ bề mặt vật liệu làm giảm khả xử lý DB71 dung dịch Khi pH tăng khả xử lý giảm giải thích hấp phụ cạnh tranh ion OH- phân tử DB71: pH tăng nồng độ OH- tự lớn, khả cạnh tranh với phân tử DB71 để hấp phụ lên bề mặt vật cao Kết là, hấp phụ phân tử DB71 bề mặt bị giảm Tại pH= 4, theo lý thuyết khả hấp phụ phân tử DB71 lên bề mặt vật liệu compozit chế tạo giảm so với pH = 2, nhiên kết thực nhiệm lại cho thấy khơng có khác biệt đáng kể khả hấp phụ giá trị pH Điều giải thích hiệu hấp phụ khu vực pH cao dẫn đến nồng độ lại DB71 dung dịch thấp (khoảng mg/L) so với nồng độ đầu 50mg/L Điều dẫn đến thực tế sai số phép phân tích làm cho kết tính hiệu suất xử lý vật liệu giá trị pH gần 3.4.3 Ảnh hưởng lượng vật liệu Kết khảo sát ảnh hưởng hàm lượng vật liệu đến hiệu suất xử lý phẩm màu DB71 trình bày hình 3.16 Hình 3.16 Ảnh hưởng lượng chất hấp phụ đến hiệu xử lý DB71 vật liệu Qua kết khảo sát, ta thấy khối lượng vật liệu từ 0,5 g/l tới 2,0 g/l hiệu suất xử lý DB71 tăng từ 19,7% lên 81,7% Điều giải thích sau: Khi lượng chất xúc tác tổng diện tích bề mặt tiếp xúc với thuốc nhuộm ít, trung tâm hoạt động phân hủy màu ít, kết hiệu suất phân hủy màu thấp Trong điều kiện khảo sát, với lượng chất xúc tác 2,0g/l khả xử lý tốt 3.4.4 Ảnh hưởng nồng độ đầu DB71 Kết khảo sát ảnh hưởng nồng độ đầu đến hiệu suất xử lý phẩm màu DB71 trình bày hình 3.17 đến 3.20 Hình 3.17 Đường cong phụ thuộc tải trọng hấp phụ vào nồng độ lại DB71 Hình 3.18 Đường đẳng nhiệt Langmuir để xác định tải hấp phụ cực đại VT-Fe Kết thu cho thấy, với nồng độ ban đầu DB71 thay đổi từ 10 ppm đến 100 ppm, trình hấp phụ DB71 vật liệu compozit VT-Fe tuân theo phương trình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir, với hệ số hồi qui tương đối cao R2=0,97 (hình 3.18) Tải hấp phụ cực đại qmax tính theo mơ hình Langmuir khoảng 10 mg/g vật liệu Điều cho thấy 1g vật liệu có khả hấp phụ 10mg chất ô nhiễm DB71 môi trường nước Một cách tương tự, trình hấp phụ DB71 dung dịch vật liệu compozit LN-Fe tuân theo phương trình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir, với hệ số hồi qui R2= 0.98 (Hình 3.20) Tải trọng hấp phụ cực đại tính theo mơ hình Langmuir đạt khoảng 9,8 mg/g Điều cho thấy 1g vật liệu có khả hấp phụ 9,8 mg chất nhiễm DB71 mơi trường nước Hình 3.19 Đường cong phụ thuộc tải trọng hấp phụ vào nồng độ lại DB71 Hình 3.20 Đường đẳng nhiệt Langmuir để xác định tải hấp phụ cực đại LN-Fe KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận Trong trình thực luận văn với đề tài:“Nghiên cứu chế tạo vật liệu nanocompozit từ tính từ chất thải nông nghiệp thử nghiệm khả xử lý phẩm màu DB71 môi trường nước”, rút số kết luấn sau: Đã chế tạo thành cơng vật liệu nanocompozit từ tính từ lõi ngơ vỏ trấu xử lý nhiệt Vật liệu nano chứa oxit sắt có kích thước < 30nm với diện tích bề mặt riêng lớn gần 196 m2/g vỏ trấu biến tính 106 m2/g lõi ngơ biến tính Đã chứng minh đặc trưng, tính chất, cấu trúc, thành phần, liên kết có mặt oxit sắt vật liệu nanocompozit phương pháp hoá lý đại XRD, FT- IR, SEM – EDX, BET Điểm đẳng điện vật liệu nanocompozit xác định pHz = vật liệu nanocompozit chế tạo có đường kính mao quản trung bình Đã sử dụng vật liệu nanocompozit chế tạo khảo sát yếu tố ảnh hưởng tới trình xử lý phẩm màu DB71 pH (từ đến 12), thời gian (từ đến giờ), nồng độ DB71 (từ mg/l đến 15 mg/l), hàm lượng nanocompozit (0,5 g/l đến g/l) Tải trọng hấp phụ DB71 cực đại vật liệu nanocompozit 10 mg/g Kết nghiên cứu đề tài góp phần quan trọng trình học tập nghiên cứu chế tạo vật liệu hấp phụ từ phế phẩm nông nghiệp nhằm cải tạo môi trường, đồng thời tận dụng nguồn phế liệu để hạ thấp chi phí sản xuất Kiến nghị Vật liệu nanocompozit từ tính từ phế phụ phẩm nơng nghiệp tái chế với lõi ngô vỏ trấu, hướng nghiên cứu vật liệu xanh, thân thiên môi trường, giúp hạn chế ô nhiễm môi trường từ phế phụ phẩm Việc nghiên cứu tận dụng phế phụ phẩm để sản xuất vật liệu compozit khơng có ý nghĩa mặt khoa học môi trường mà có tính ứng dụng thực tiễn cao Tuy vậy, để sử dụng thực tế hướng đề tài phải tiếp tục nghiên cứu đánh giá việc tối ưu hóa chức vật liệu việc xử lý nước thải, xa việc kết hợp với vật liệu nanocompozit khác để nâng cao khả xử lý nước thải diện rộng, không riêng phẩm nhuộm DP71 mà hướng tới xử lý phẩm nhuộm công nghiệp khác TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt: Nguyễn Thị Hạnh, Phạm Thị Hà Nhung, Dương Thị Thu Huyền, Nguyễn Văn Nội (2016), Các Khoa học Trái đất Mơi trường Tạp chí Khoa học ĐHQGHN: Tập 32, Số 1S 140-146 Nguyễn Thị Hạnh, P.T.H.N., Dương Thị Thu Huyền, Nguyễn Văn Nội (2016), Sự phân hủy phẩm màu Direct Blue 71 chất xúc tác quang FeNSTiO2 ánh sáng khả kiến Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Trái Đất Môi trường, 32(140-146) Bộ tư lệnh hóa học(2003), Trung tâm cơng nghệ xử lý mơi trường Hồng Văn Huệ, Trần Đức Hạ (2002), Thoát nước tập II- Xử lý nước thải, NXB Khoa học Kỹ thuật Trần Đức Minh Hải, Vận hành cơng trình xử lý nước thải GS TSKH Nguyễn Đình Đức, Vật liệu compozit - Tiềm ứng dụng Đại học Quốc gia Hà Nội, Nhóm nghiên cứu Quốc tế Vật liệu tiên tiến Cơ học kỹ thuật Mai Thị Lan Anh, S.J., Nguyễn Văn Hiền, Trần Mạnh Hùng, Nguyễn Công Vinh, Ngô Thị Hoan, Phạm Thị Anh, Đánh giá chất lượng than sinh học sản xuất từ số loại vật liệu hữu phổ biến miền Bắc Việt Nam Tạp chí Khoa học Cơng Nghệ 96(08): p 231 – 236 Tiếng Anh: PHAM Thuy Duong (2017), Synthesis and characterization of bio-char from agricultural by-product and using bio-char in recovery of nutrient fromwastewater, Master Thesis, University of Toulon, France M Bhaska, A Gnanamani, R.J Ganeshjeevan, R Chandrasekar, S Sadulla, G Radhakrishnan(2003),“Analyses of carcinogenic aromatic amines released from harmful azo colorants by Streptomyces sp SS07”, J Chromatogr A, 1081, 117 10 Dorel Paraschiv, C.T.a.R.P (2015), The textile Inddustry and Sustainable Development: A Holt-Winters Forecasting Investigation for the Eastern European Area Sustainability,7: p 1280-1291 11 Paredes JI, Villar-Rodil S, Martinez-Alonso A, Tascon JMD (2008), “Graphene oxide dispersions in organic solvents”, Langmuir, 24, pp 1056010564 12 Johannes Lehmann, Stephen Joseph (2009), Biochar for environmental management 13 Kamigaito, O (1991) "What can be improved by nanometer composites?" J Jpn Soc Powder Powder Metall 38 (3): 315–21 in Kelly, A, Concise encyclopedia of composites materials, Elsevier Science Ltd, 1994 14 Mingxin Guo, Sophie Minori Uchimiya, and Zhongqi He (2016) Agricultural and Environmental Applications of Biochar: Advances and Barriers 15 Trinh, Mai Van, et al.,(2011) Produce biochar from rice straw and rice husk to improve soil fertility, crop yields and reduce greenhousegas emissions, Journal of Vietnam Agricultural, Vol (24), pp 66-69 16 Lewis Dunnigan, Peter J.Ashman, Xiangping Zhang, Chi Wai Kwong(2016) Production of biochar from rice husk: Parrticulate emissions from the combustion of raw pyrolysisvoltiles Journal of Cleaner Production PHỤ LỤC Thí nghiệm hấp phụ nghiên cứu ảnh hưởng nồng độ ban đầu vật liệu hấp phụ Lắc mẫu 4h Phổ IR vật liệu VT-Fe chụp Khoa hoá - ĐHKHTN- ĐHQGHN Phổ IR vật liệu LN-Fe chụp Khoa hoá - ĐHKHTN- ĐHQGHN ... VÀ MÔI TRƯỜNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG HÀ NỘI LUẬN VĂN THẠC SĨ NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU NANOCOMPOZIT TỪ TÍNH TỪ CHẤT THẢI NÔNG NGHIỆP VÀ THỬ NGHIỆM KHẢ NĂNG XỬ LÝ PHẨM MÀU DB71. .. tài: Nghiên cứu chế tạo vật liệu nanocompozit từ tính từ chất thải nông nghiệp thử nghiệm khả xử lý phẩm màu DB71 mơi trường nước Tóm tắt Hiện vấn đề rác thải người quan tâm, nguồn rác thải phát... xử lý ô nhiễm môi trường nước đồng thời góp phần nhằm giảm phát thải khí nhà kính, tơi chọn đề tài Nghiên cứu chế tạo vật liệu nanocompozit từ tính từ chất thải nông nghiệp thử nghiệm khả xử lý