Báo cáo tóm tắt Đề tài Nghiên cứu áp dụng phương pháp tách từ tính sử dụng hạt γ-PGM trong xử lý nước thải nhiễm kim loại nặng
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
BÁO CÁO TÓM TẮT
ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ
CẤP ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
NGHIÊN CỨU ÁP DỤNG PHƯƠNG PHÁP TÁCH TỪ TÍNH SỬ DỤNG HẠT
γ-PGM TRONG XỬ LÝ NƯỚC THẢI NHIỄM KIM LOẠI NẶNG
MÃ SỐ: B2016-ĐN02-16
Chủ nhiệm đề tài: TS. Lê Thị Xuân Thùy
Đà Nẵng, 2018
MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Bên cạnh sự tăng trưởng kinh tế, phát triển xã hội, ô nhiễm môi trường và phát triển bền
vững trở thành mối quan tâm và thách thức rất lớn đối với mỗi quốc gia nói chung, mỗi
thành phố nói riêng. Bởi lẽ, các chất thải công nghiệp không chỉ ngày càng gia tăng về khối
lượng, mà còn đa dạng về chủng loại và chứa đựng một lượng lớn các độc hại cho môi
trường và sinh vật.
Đối với một số ngành sản xuất công nghiệp đặc thù như khai thác khoáng sản, tinh chế
quặng, sản xuất kim loại, xi mạ, dệt nhuộm, luyện kim... thành phần nước thải chứa kim loại
nặng với nồng độ rất cao. Kim loại nặng có thể được xem như là một chất độc thầm lặng bởi
tính chất không phân hủy sinh học, khả năng tồn tại và bền vững bên trong cơ thể sống với
thời gian rất dài mà không gây nhiễm độc biểu hiện ra bên ngoài. Sau thời gian tích lũy lâu
dài, chúng trở thành tác nhân gây ra các căn bệnh hiểm nghèo quái ác. Ở một số quốc gia phát
triển, ô nhiễm nguồn nước bởi kim loại nặng và các ảnh hưởng đi kèm của nó đến hệ sinh thái
cũng như sức khỏe, tính mạng con người đã và vẫn đang là nỗi ám ảnh rất lớn, điển hình như
thảm họa Minamata tại Nhật Bản.
Ở Việt Nam nói chung và thành phố Đà Nẵng nói riêng, quá trình tăng trưởng và phát triển
các ngành công nghiệp đã và đang mang lại những lợi ích to lớn, đóng góp đáng kể vào nguồn
ngân sách quốc gia và địa phương. Thế nhưng, những hậu quả mà sự phát triển đó gây ra cũng
không hề nhỏ, đặc biệt đối với môi trường sống. Tình trạng ô nhiễm môi trường vẫn đang là
vấn đề nhức nhối trong xã hội, mà chủ yếu là ô nhiễm nguồn nước. Mỗi ngành công nghiệp
xả thải vào nguồn nước những chất độc hại đặc thù tương ứng với quá trình sản xuất của nó,
và kim loại nặng trong ngành xi mạ là một điển hình. Ảnh hưởng của kim loại nặng là không
nhỏ đến môi trường, sinh vật và con người bởi tính chất độc hại, khó phân hủy và khả năng
tích lũy bền vững. Do đó, việc xử lý kim loại nặng trong nước thải là vấn đề cấp thiết và cần
được quan tâm đúng mức. Hơn nữa, các phương pháp xử lý kim loại nặng hiện nay mặc dù
được nghiên cứu và ứng dụng trong một thời gian dài, nhưng vẫn còn nhiều nhược điểm như
sử dụng nhiều hóa chất và tiêu hao năng lượng lớn, xây dựng nhiều hạng mục công trình, chưa
xử lý được bùn thải. Vì vậy,
việc nghiên cứu tìm ra phương pháp mới là một giải pháp hữu
ích để khắc phục những hạn chế trong vấn đề xử lý.
1
Những năm gần đây, phương pháp từ tính đang được nhiều nhà khoa học quan tâm, vì nó
đáp ứng được nhu cầu loại bỏ các chất gây ô nhiễm trong môi trường nước một cách đơn giản,
nhanh chóng và tiết kiệm năng lượng, bằng cách sử dụng nam châm hoặc điện từ trường mà
không phải dùng bất kì một hệ thống bơm hay lọc phức tạp nào. Hạt hấp phụ từ tính poly
gamma glutamic acid coated magnetite particle (γ-PGM) sử dụng trong đề tài là hạt có lõi
mang từ tính Fe3O4 được phủ lên lớp poly gamma glutamic axit (γ-PGA) - một loại polyme
có khả năng tự phân huỷ và được chiết xuất từ thực phẩm, hiện đang được thương mại hoá
trên thị trường Nhật Bản bởi công ty Nippon PolyGlu và được xem là vật liệu an toàn với con
người, thân thiện với môi trường. Đặc biệt, việc ứng dụng γ-PGM trong phương pháp tách từ
tính ở Việt Nam vẫn chưa được nhiều người biết đến. Do đó, đề tài “Nghiên cứu áp dụng
phương pháp tách từ tính sử dụng hạt γ-PGM trong xử lý nước thải nhiễm kim loại nặng”
mà nhóm chúng tôi đề xuất sẽ là một hướng đi hoàn toàn mới, một kết quả ứng dụng mới, một
sự lựa chọn mới trong việc giải quyết vấn đề môi trường nhức nhối hiện nay.
2. Mục tiêu nghiên cứu
2.1. Mục tiêu tổng quát
Đánh giá được hiện trạng chất lượng nguồn nước thải nhiễm kim loại nặng tại một công ty
cụ thể trong thành phố Đà Nẵng và vùng lân cận, đề xuất phương pháp tách từ tính để xử lý
kim loại nặng trong nước thải sản xuất của nhà máy
2.2. Mục tiêu cụ thể
- Khảo sát, đánh giá khả năng xử lý kim loại nặng trong nước thải công nghiệp của vật liệu
từ tính γ-PGM
- Đề xuất khả năng áp dụng vật liệu từ tính này trong công nghệ xử lý nước thải nhiễm kim
loại nặng, đưa ra các thông số kỹ thuật tối ưu để xử lý kim loại nặng cho nước thải sản xuất
đối với từng công ty (pH, lượng hóa chất cần thiết, thời gian phản ứng, tốc độ khuấy)
- Thiết kế và vận hành mô hình tách từ tính
3. Cách tiếp cận
- Kế thừa các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước liên quan đến lĩnh vực đề tài
- Tiếp cận thông qua các thí nghiệm khảo sát thực nghiệm, quan sát và ghi chép đánh giá
- Tiếp cận phân tích và tổng hợp
2
4. Đối tượng nghiên cứu
- Nước thải sản xuất nhiễm kim loại nặng của Chi nhánh Công ty TNHH Lixil Việt Nam
tại Quảng Nam
- Mô hình tách từ tính sử dụng hạt γ-PGM
5. Phương pháp nghiên cứu
- Phương pháp lấy mẫu hiện trường
- Phương pháp thực nghiệm
- Phương pháp phân tích hóa học
- Phương pháp kế thừa, tổng hợp và xử lý số liệu
6. Nội dung nghiên cứu
- Nội dung 1: Khảo sát hiện trạng và đánh giá chất lượng nước thải sản xuất nhiễm kim loại
nặng của một công ty trong địa bàn thành phố Đà Nẵng và vùng lân cận
- Nội dung 2: Nghiên cứu các thông số kỹ thuật ảnh hưởng đến khả năng xử lý kim loại nặng
như độ pH, hàm lượng hoá chất cần thiết, thời gian phản ứng
- Nội dung 3: Đánh giá hiệu quả tái sử dụng vật liệu hấp phụ từ tính γ-PGM
- Nội dung 4: Thiết kế và đề xuất mô hình xử lý nước thải nhiễm kim loại nặng cho một
công ty trong địa bàn thành phố Đà Nẵng và vùng lân cận
7. Ý nghĩa của đề tài
- Giải quyết được vấn đề ô nhiễm kim loại nặng tại các khu công nghiệp.
- Tăng cường năng lực nghiên cứu khoa học trong lĩnh vực bảo vệ môi trường và chăm sóc
sức khỏe cộng đồng, nâng cao nhận thức cho cộng đồng về bảo vệ môi trường.
8. Cấu trúc luận văn
Luận văn có bố cục như sau:
Mở đầu
Chương 1: Tổng quan
Chương 2: Đối tượng, phương pháp và nội dung nghiên cứu
Chương 3: Kết quả và thảo luận
Kết luận và kiến nghị
3
CHƯƠNG 1 – TỔNG QUAN
1.1. KIM LOẠI NẶNG
1.1.1. Sơ lược về kim loại nặng
1.1.2. Kim loại nặng trong môi trường nước
1.1.3. Liên kết cơ kim
1.1.4. Tác dụng sinh hóa của kim loại nặng đối với con người
1.2. CÁC PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ KIM LOẠI NẶNG TRONG NƯỚC
1.2.1. Phương pháp kết tủa
1.2.2. Phương pháp đông tụ - keo tụ
1.2.3. Phương pháp trao đổi ion
1.2.4. Phương pháp tuyển nổi
1.2.5. Quá trình tách bằng màng
1.2.6. Phương pháp điện hóa
1.2.7. Phương pháp hấp phụ
1.2.8. Phương pháp tách từ tính
1.3. ĐẶC ĐIỂM CỦA MỘT SỐ KIM LOẠI NẶNG ĐIỂN HÌNH TRONG NƯỚC THẢI
XI MẠ
1.3.1. Niken (Ni)
1.3.2. Đồng (Cu)
1.3.3. Kẽm (Zn)
1.3.4. Chì (Pb)
1.3.5. Cadimi (Cd)
1.3.6. Crom (Cr)
1.4. VẬT LIỆU TỪ TÍNH γ-PGM
1.4.1. Gamma poly glutamic axit (γ-PGA)
Gamma poly glutamic axit (γ-PGA) là một polymer tự nhiên do phản ứng trùng ngưng các
đơn vị L-glutamic axit, D-glutamic axit hoặc cả hai. γ-PGA cũng được tạo ra từ vi khuẩn, đặc
biệt là loại vi khuẩn Bacillus. γ-PGA khác với protein, bởi vì glutamate được polymer hóa
bên trong tế bào theo liên kết γ-amide và được tổng hợp trong ribosme. Do đó, những chất
khó chuyển hóa của protein như chloramphenicol không ảnh hưởng đến quá trình tổng hợp
4
γ-PGA. Do liên kết γ có trong thành phần của bã glutamate, γ-PGA bền vững với enzyme
proteaza có khả năng phân hủy protein và peptit. γ-PGA có thể tồn tại trong môi trường axit
tự do không tan hoặc các muối tan của chúng với các cation khác nhau như Na+, Mg2+, K+,
+
NH4 hay Ca2+.
Với thuộc tính có thể phân hủy, có thể ăn được và không độc hại với con người, γ-PGA là
một chất rất quan trọng được khai thác ứng dụng rộng rãi như trong bảng dưới đây.
Năm 2013, các nhà khoa học đã tìm ra khả năng của hạt từ tính oxit sắt phủ γ-PGA để tách
các kim loại nặng như Cr3+, Cu2+, Pb2+ và Ni2+. Hạt từ tính phủ γ-PGA cho thấy khả năng tách
các kim loại nổi bật và hiệu suất cao hơn so với hạt từ tính hoặc γ-PGA đơn chất, khắc phục
được nhược điểm của mỗi loại vật liệu này. Điều này chứng tỏ γ-PGA có khả năng ứng dụng
để xử lý nước thải.
1.4.2. Hạt sắt từ Fe3O4
Hạt từ tính được ứng dụng trong các lĩnh vực như:
- Tách từ gradient cao.
- Chất lỏng sắt.
- Chụp cắt lớp cộng hưởng từ tính.
- Dẫn truyền thuốc từ tính.
- Ứng dụng cơ điện.
1.4.3. Vật liệu từ tính Fe3O4 phủ gamma poly glutamic axit (γ-PGA)
Ưu điểm của các hạt sắt từ chính là khả năng khuếch tán mạnh, tách nhanh và hiệu quả
trong thời gian ngắn bằng cách sử dụng nam châm, nhưng các hạt sắt từ có xu hướng tập hợp
lại với nhau trong dung dịch do tính lưỡng cực, kị nước và lực Van der Waals, làm hạn chế
ứng dụng của chúng trong các lĩnh vực khác. Không những thế, hạt từ tính Fe3O4 cũng dễ bị
ăn mòn hoặc hòa tan trong môi trường có pH thấp như nước thải chứa kim loại nặng. Để khắc
phục vấn đề này, các hạt oxit sắt thường được phủ một loạt các nhóm chức vật liệu như chất
hoạt động bề mặt hay các polymer.
Do đó, vật liệu γ-PGM được đã được các nhà khoa học nghiên cứu, tổng hợp và ứng dụng
trong lĩnh vực nghiên cứu khả năng loại bỏ kim loại nặng trong nước thải. Việc phủ lớp γ-
PGA lên hạt từ tính không chỉ khắc phục được các nhược điểm của hạt sắt từ, phát huy khả
năng hấp phụ kim loại nặng của γ-PGA mà còn đạt được hiệu suất xử lý cao, nhanh chóng và
có khả năng tái sử dụng vật liệu hấp phụ được nhiều lần.
5
1.5. TỔNG QUAN VỀ ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU
1.5.1 Nhà máy sản xuất sen vòi và thiết bị phòng tắm – Chi nhánh Công ty TNHH Lixil
Việt Nam tại Quảng Nam
a) Vị trí địa lý
b) Hoạt động sản xuất
d) Quy trình xử lý nước thải sản xuất
Nước rửa axit
Nước thải niken
Nước thải crom
Nước thải cyanua
Bồn trung hòa
Bể oxyhóa cyanua 1
Bể oxyhóa cyanua 2
Bể oxy hóa
Bể thu gom
Bể phản ứng
Bể phản ứng
Bể lắng
Bể xử lý
Bể điều chỉnh
Bể trung gian
Bể lọc áp lực
Bể trung hòa
Bể giám sát
Thải ra nguồn tiếp
nhận
Hình 1. Sơ đồ công nghệ xử lý nước thải sản xuất của Nhà máy sản xuất sen vòi và thiết bị
phòng tắm - Chi nhánh Công ty TNHH Lixil Việt Nam tại Quảng Nam
Nước thải từ nguồn nước rửa axit, nước rửa niken được thu gom và dẫn về bồn trung hòa.
Sau đó nước được dẫn về bể thu gom.
Nước thải crom thu gom và dẫn về bể oxyhóa. Tại đây dung dịch NaHSO4 được bơm vào
để thực hiện phản ứng chuyển từ Cr6+ sang Cr3+ ít độc hơn.
6
Nước thải cyanua được dẫn về bể oxy hóa cyanua 1. Tại đây đưa NaClO vào và để thực
hiện phản ứng phân giải CN- thành CNO- . Nước sau khi qua bể oxy hóa cyanua 2 được dẫn
về bể thu gom.
Từ bể thu gom dẫn nước về bể phản ứng. Tại bể phản ứng muối CaCl2 và muối FeCl3 được
bơm vào, được trộn lẫn. Tiếp theo ở bể phản ứng thứ hai thì bơm NaOH và điều chỉnh pH
thích hợp để xử lý kim loại.
Nước được dẫn vào bể lắng để lắng các thành phần M(OH)n . Phần nước trong sau khi đã
lắng kết tủa (ở bể lắng) sẽ được điều chỉnh trung hòa pH thích hợp bằng axit trong bể điều
chỉnh pH với dung dịch kiềm. Phần bùn cặn dẫn đến bể tách bùn.
Tiếp theo dẫn dung dịch từ bể điều chỉnh pH sang bể trung gian, tiếp theo dẫn nước sang
bể lọc áp lực để loại bỏ triệt để những thành phần cặn lơ lửng có trong nước. Sau khi khử cặn
thì nước được trung hòa. Trong bồn xử lý nước cuối cùng thì giám sát chất lượng nước như:
độ kiềm, ... dùng UV hấp thu độ ánh sáng và kiểm soát nồng độ các chất trong nước trước khi
thải ra nguồn tiếp nhận là hệ thống xử lý nước thải KCN Điện Nam – Điện Ngọc, đạt TCVN
5945:2005 – cột B.
Còn phần bùn cặn phát sinh trong quá trình kết tủa ở bể lắng thì dùng máy tách nước theo
dạng ép lọc. Ép bùn dơ và dùng tấm lọc tách nước và cặn. Phần nước được dẫn đến bồn điều
chỉnh pH, phần cặn được thu hồi và kết hợp với Công ty Môi trường Đô thị Đà Nẵng xử lý
chất thải nguy hại theo đúng qui định.
1.5.2 Nhà máy Cơ khí – Mạ thuộc Công ty TNHH MTV Cơ khí – Mạ Đà Nẵng [42]
a) Vị trí địa lý
b) Hoạt động sản xuất
d) Quy trình xử lý nước thải
7
Nước thải đầu vào
Sục khí
Bể điều hòa
Bể keo tụ trợ lắng
Bể ổn định bông
Bể lắng
NaOH
Polymer
Sân phơi bùn
Bùn khô
Bơm bùn
Bể nước sạch
Trạm XLNT tập trung của KCN
Công ty MT Đô thị thu gom
Hình 2. Sơ đồ quy trình công nghệ hệ thống xử lý nước thải tập trung của Công ty TNHH
MTV Cơ khí – Mạ Đà Nẵng
Hiện nay, Công ty TNHH MTV Cơ khí – Mạ đang sử dụng phương pháp trung hòa, keo tụ
và lắng để xử lý các kim loại nặng. Để khử crom trong nước thải sản xuất, nhà máy sẽ khử
Cr6+ ngay tại bể trợ dung trước khi thải vào hệ thống xử lý nước thải chung.
Sau khi khử crom, nước thải được thải về hệ thống xử lý nước thải chung để xử lý cùng
với các kim loại nặng khác bằng cách điều chỉnh pH và cho kết tủa các kim loại này dưới
dạng hydroxit không tan hoặc tạo muối khó tan. Tại bể phản ứng, nước thải được cung cấp
dung dịch NaOH hoặc Ca(OH)2 và không khí để khuấy trộn tạo điều kiện tốt nhất cho quá
trình phản ứng. Nước thải sau khi được trung hòa pH bằng xút sẽ chảy vào bể keo tụ. Tại
đây polymer polyacrylamit được bổ sung để tăng hiệu quả lắng các hydroxit kim loại. Sau
đó, nước thải chảy qua bể lắng để lắng lượng bùn và các bông keo tụ, và được đấu nối vào
hệ thống xử lý tập trung của Khu công nghiệp Hòa Khánh. Lượng bùn được thu gom và
phơi ở sân phơi bùn. Nồng độ các kim loại nặng sau xử lý của Công ty đạt QCVN
40:2011/BTNMT – cột B.
8
CHƯƠNG 2 – ĐỐI TƯỢNG, PHẠM VI, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN
CỨU
2.1. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU
2.1.1. Đối tượng nghiên cứu
- Ion kim loại nặng trong nước thải sản xuất của Nhà máy sản xuất sen vòi và thiết bị phòng
tắm - Chi nhánh Công ty TNHH Lixil Việt Nam tại Quảng Nam.
- Vật liệu hấp phụ γ-poly glutamic acid coated magnetic nanoparticles (γ-PGM) do Công
ty TNHH Nippon Poly-Glu - Nhật Bản sản xuất.
2.1.2. Phạm vi nghiên cứu
- Nước thải sản xuất nhiễm kim loại nặng của Nhà máy sản xuất sen vòi và thiết bị phòng
tắm - Chi nhánh Công ty TNHH Lixil Việt Nam tại Quảng Nam.
2.2. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
2.2.1. Khảo sát hiện trạng và đánh giá chất lượng nước thải sản xuất nhiễm kim loại nặng của
một công ty trong địa bàn thành phố Đà Nẵng và vùng lân cận
2.2.2. Nghiên cứu các thông số kỹ thuật ảnh hưởng đến khả năng xử lý kim loại nặng như độ pH,
hàm lượng hoá chất cần thiết, thời gian phản ứng và tốc độ khuấy
2.2.3. Đánh giá hiệu quả tái sử dụng vật liệu từ tính γ-PGM
2.2.4. Thiết kế và đề xuất mô hình xử lý nước thải nhiễm kim loại nặng cho một công ty trong
địa bàn thành phố Đà Nẵng và vùng lân cận
2.3. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
2.4. MÔ HÌNH TÁCH TỪ TÍNH
2.4.1. Cơ sở lý thuyết
Mô hình tách từ tính được thực hiện dựa trên 2 quá trình chính là quá trình hấp phụ, dính
bám và quá trình tách. Các quá trình cụ thể như sau:
a. Quá trình hấp phụ, dính bám
- Dựa trên cơ sở lý thuyết của quá trình hấp phụ cũng như các đặc điểm, tính chất, cấu
trúc của hạt γ-PGM, các ion kim loại nặng trong nước thải sẽ di chuyển đến tiếp xúc với γ-
PGM nhờ sự khuếch tán đối lưu. Các nhóm chức -COOH của hạt γ-PGM có khả năng trao
đổi ion H+ với các ion kim loại trong nước thải và hình thành phức chất.
- Bên cạnh đó, quá trình dính bám các hạt keo hydroxit cũng như ion kim loại lên mạng
lưới ba chiều của γ-PGM cũng đồng thời diễn ra.
9
b. Quá trình tách hạt γ-PGM ra khỏi nước thải
Với cấu tạo lõi là các hạt Fe3O4 có độ từ tính cao, các hạt γ-PGM được tách ra khỏi nước
thải một cách nhanh chóng và dễ dàng bằng nam châm điện hay nam châm vĩnh cửu. Sau khi
tách γ-PGM ra khỏi nước thải, có thể tiến hành giải hấp - tái hấp phụ hoặc thu hồi cô đặc ion
kim loại.
2.4.2. Nguyên lý hoạt động
Nước thải sau khi điều chỉnh pH được cho vào bình phản ứng cùng với lượng γ-PGM cần
thiết cho quá trình hấp phụ. Cánh khuấy sẽ quay để tăng khả năng tiếp xúc của γ-PGM với
nước thải, đồng thời ngăn không cho hạt γ-PGM lắng đọng. Sau thời gian khuấy trộn nhất
định, nước thải cùng với các hạt γ-PGM được xả xuống bể lắng và được dẫn qua máng có các
thanh nam châm đặt bên dưới. Các hạt γ-PGM sẽ được nam châm hút và giữ lại trong lòng
máng, còn nước thải sau khi xử lý chảy vào thùng chứa. Nước thải từ thùng chứa sẽ được
bơm tuần hoàn, chảy qua máng có nam châm một lần nữa để thu hồi triệt để hạt γ-PGM nếu
cần thiết. Hệ thống xử lý sẽ dừng lại khi nồng độ kim loại nặng ở thùng chứa đạt mức cho
phép theo yêu cầu của QCVN 40:2011/BTNMT - cột B.
10
CHƯƠNG 3 – KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
3.1. ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG NƯỚC THẢI SẢN XUẤT NHIỄM KIM LOẠI NẶNG
CỦA MỘT CÔNG TY TRONG ĐỊA BÀN THÀNH PHỐ ĐÀ NẴNG VÀ VÙNG LÂN
CẬN
3.1.1. Kết quả phân tích nước thải nhà máy sản xuất sen vòi và thiết bị phòng tắm – Chi
nhánh Công ty TNHH Lixil Việt Nam tại Quảng Nam
Bảng 1. Kết quả nồng độ kim loại nặng trong nước thải sản xuất của Nhà máy sản xuất sen
vòi và thiết bị phòng tắm – Chi nhánh Công ty TNHH Lixil Việt Nam tại Quảng Nam
STT Thông số
ĐVT
Đợt 1 Đợt 2 Đợt 3
QCVN
40:2011/ BTNMT (cột B)
1
2
3
4
5
6
7
pH
Ni
1
5
1,5
5,5 - 9
mg/L
mg/L
mg/L
mg/L
mg/L
mg/L
215,77 143,73 60,25
0,5
2
Cu
Zn
Cr
64,75
21,22
38,43
0,95
17,76
10,80
18,11
-
13,49
11,16
3
-
-
-
-
Pb
Cd
0,5
0,1
0,04
-
Từ kết quả phân tích các chỉ tiêu kim loại nặng cũng như độ pH của nước thải, có thể nhận
thấy rằng, giá trị pH và nồng độ các kim loại nặng trong mỗi đợt lấy nước thải là khác nhau.
Điều này có thể giải thích là do ảnh hưởng của quá trình sản xuất. Số lượng sản phẩm sản
xuất ra sẽ tăng lên hoặc giảm xuống tùy thuộc vào thị trường và nhu cầu của người tiêu dùng,
từ đó sẽ tác động đến lưu lượng và đặc điểm nước thải sản xuất của nhà máy trong mỗi thời
điểm kinh doanh.
Nhìn chung, nước thải sản xuất của Nhà máy sản xuất sen vòi và thiết bị phòng tắm - Chi
nhánh Công ty TNHH Lixil Việt Nam tại Quảng Nam chứa hàm lượng kim loại nặng rất cao,
chủ yếu là các kim loại Ni, Cu, Zn và Cr, còn Pb và Cd thì hàm lượng không đáng kể. Trong
đợt mẫu thứ 2, nồng độ Ni vượt gấp 287 lần, nồng độ Cu vượt gấp 9 lần, nồng độ Zn vượt
gấp 4 lần so với cột B của QCVN 40:2011/BTNMT. Đối với Cr, trong quy chuẩn này không
có giá trị để so sánh, nhưng nếu so sánh với Cr6+ thì hàm lượng Cr vượt đến 181 lần. Vì vậy,
các kim loại này cần phải được xử lý trước khi xả vào hệ thống thoát nước chung của khu
11
công nghiệp. pH của nước thải sản xuất cũng rất thấp, giá trị pH dao động từ 1 - 1,5. Do đó,
để có thể tách các kim loại này ra khỏi nước thải, cần phải điều chỉnh tăng pH đến giá trị phù
hợp. Tổng lưu lượng nước thải sản xuất của Nhà máy là 118,6 m3/ngđ [5].
3.1.2. Kết quả phân tích mẫu nước thải của Nhà máy Cơ khí – Mạ thuộc Công ty TNHH
MTV Cơ khí – Mạ Đà Nẵng
Bảng 2. Nồng độ kim loại nặng trong nước thải nhà máy Cơ khí – Mạ Đà Nẵng
QCVN
STT
Thông số
ĐVT
Đợt 1
Đợt 2
40:2011/ BTNMT - cột B
1
2
3
4
5
6
7
pH
Cd
-
1,22
0,348
362
1,15
0,395
362
5,5 - 9
mg/L
mg/L
mg/L
mg/L
mg/L
mg/L
0,1
-
Crtổng
Pb
2,120
0,987
8773
4188
2,750
-
0,5
2
Cu
Zn
1938
10925
3
Fetổng
0,5
Có thể nhận thấy, pH nước thải sản xuất của Công ty Cơ khí – Mạ Đà Nẵng rất thấp, chỉ
dao động dưới 1,5. Nồng độ các kim loại nặng Cd và Pb trong nước thải sản xuất của nhà máy
Cơ khí – Mạ Đà Nẵng trong hai lần lấy mẫu không có sự chênh lệch nhiều. Nồng độ trung
bình kim loại Cd vượt gấp 3 lần và nồng độ Pb trung bình vượt gấp 5 lần so với QCVN
40:2011 – cột B, trong khi nồng độ kim loại Cu không vượt quy chuẩn. Hai kim loại có nồng
độ cao nhất là Fe và Zn, trung bình hai đợt lấy mẫu nồng độ mỗi kim loại lần lượt là 7557
mg/L và 5356 mg/L, vượt 15113 lần và 1784 lần so với QCVN 40:2011 – cột B. Có hiện
tượng này là do hoạt động sản xuất đặc thù của Công ty là mạ kẽm. Quá trình tẩy gỉ, rửa axit
các phế liệu làm phát sinh ra một lượng lớn Fe và Zn. Kim loại Cr cũng có nồng độ cao đến
362 mg/L được thải ra từ bể thụ động. Tổng lưu lượng nước thải sản xuất của nhà máy là 5,8
m3/ngđ.
Từ các kết quả khảo sát ở trên, có thể thấy, Công ty TNHH MTV Cơ khí – Mạ Đà Nẵng,
Nhà máy sản xuất sen vòi và thiết bị phòng tắm - Chi nhánh Công ty TNHH Lixil Việt Nam
tại Quảng Nam là hai nhà máy có nước thải sản xuất nhiễm kim loại nặng đại diện cho mỗi
khu vực và lĩnh vực sản xuất khác nhau. Điều này có thể được thấy rõ qua các bảng kết quả
phân tích kim loại nặng. Công ty TNHH MTV Cơ khí – Mạ Đà Nẵng với hoạt động sản xuất
12
chính là mạ kẽm, có lưu lượng xả thải ít hơn, chỉ 5,8 m3/ngđ, nồng độ các kim loại nặng như
Pb, Cd và Cu thấp nhưng nồng độ các kim loại Fe, Zn và Cr lại rất cao, tổng trung bình 2 đợt
khảo sát là 13254 mg/L. Trong khi đó, Nhà máy sản xuất sen vòi và thiết bị phòng tắm - Chi
nhánh Công ty TNHH Lixil Việt Nam tại Quảng Nam hoạt động sản xuất các thiết bị phòng
tắm, có lưu lượng nước thải trung bình lên đến 118,6 m3/ngđ, tổng trung bình nồng độ các
kim loại nặng Ni, Cu và Zn trong 3 đợt khảo sát là 186,31 mg/L, các kim loại Pb và Cd nồng
độ không đáng kể. Để đảm bảo tính khả thi của đề tài, nước thải của Nhà máy sản xuất sen
vòi và thiết bị phòng tắm - Chi nhánh Công ty TNHH Lixil Việt Nam tại Quảng Nam được
lựa chọn để làm đối tượng nghiên cứu cho quá trình xử lý kim loại nặng trong nước thải sản
xuất bằng vật liệu từ tính γ-PGM. Còn nước thải của Công ty TNHH MTV Cơ khí – Mạ Đà
Nẵng được tiếp tục nghiên cứu thực hiện sau.
3.2. KẾT QUẢ KHẢO SÁT KHẢ NĂNG XỬ LÝ KIM LOẠI NẶNG CỦA HẠT TỪ
TÍNH γ-PGM
3.2.1. Ảnh hưởng của thời gian
Thí nghiệm khảo sát sự ảnh hưởng của thời gian đến khả năng hấp phụ kim loại nặng được
tiến hành như sau:
- Nồng độ đầu vào các kim loại Ni, Cu, Zn tương ứng lần lượt là 143,73 mg/L, 17,76
mg/L, 10,80 mg/L.
- pH: 5.
- Thể tích mỗi mẫu: 50 mL.
- Lượng γ-PGM: 0,5 g.
- Thời gian hấp phụ thay đổi lần lượt qua các mẫu: 10 phút, 20 phút, 30 phút, 60 phút,
90 phút, 120 phút, 150 phút.
13
Ni
Cu
Zn
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
0
10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150
THỜI GIAN HẤP PHỤ (phút)
Hình 1. Ảnh hưởng của thời gian hấp phụ đến hiệu suất xử lý kim loại nặng
* Nhận xét:
Nồng độ Ni trong nước thải giảm mạnh trong 20 phút đầu tiên, hiệu suất đạt 69,54 %. Khi
tăng thời gian tiếp xúc từ 20 đến 150 phút thì hàm lượng Ni được hấp phụ tăng không đáng
kể, hiệu suất dao động từ 70,43 % đến 72,14 %.
Hiệu suất xử lý Cu đạt đến 97,95 % chỉ sau 10 phút thực hiện quá trình hấp phụ, nồng độ
giảm 48,76 lần so với ban đầu. Càng tăng thời gian hấp phụ, nồng độ Cu càng giảm và đạt
dưới giá trị cho phép của cột B - QCVN 40:2011/BTNMT.
Nồng độ Zn giảm mạnh sau 60 phút thực hiện quá trình hấp phụ, chỉ còn 0,39 mg/L, hiệu
suất 99,37%. Khi tăng thời gian tiếp xúc từ 60 đến 150 phút thì nồng độ Zn giảm không đáng
kể và xem như đạt trạng thái cân bằng từ những phút thứ 60.
Theo thuyết hấp phụ đẳng nhiệt, các phân tử chất bị hấp phụ khi đã hấp phụ trên bề mặt
chất hấp phụ vẫn có thể di chuyển ngược lại. Liên quan đến yếu tố thời gian tiếp xúc giữa
chất hấp phụ và chất bị hấp phụ, thời gian ngắn thì chưa đủ để các trung tâm hoạt động
trên bề mặt chất hấp phụ được “lấp đầy” bởi các ion kim loại. Ngược lại, khi thời gian dài
thì lượng chất bị hấp phụ tích tụ trên bề mặt chất hấp phụ cũng càng nhiều, tốc độ di
chuyển ngược lại vào nước càng lớn, nên hiệu quả hấp phụ gần như không tằng và dần đạt
về trạng thái cân bằng. So sánh hiệu suất hấp phụ ở các khoảng thời gian được khảo sát
trong đề tài này thì hiệu quả hấp phụ tốt nhất là sau 30 phút.
3.2.2. Ảnh hưởng của pH
Sự ảnh hưởng của pH đến khả năng hấp phụ được tiến hành thí nghiệm như sau:
14
- Nồng độ đầu vào các kim loại Ni, Cu, Zn tương ứng lần lượt là 143,73 mg/L, 17,76
mg/L, 10,80 mg/L.
- Thể tích mỗi mẫu: 50 mL.
- Lượng γ-PGM: 0,5 g.
- Thời gian hấp phụ: 30 phút.
- Giá trị pH thay đổi lần lượt qua các mẫu: 2, 5, 6, 7, 8, 9, 10.
Ni
Cu
Zn
100
80
60
40
20
0
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
pH
Hình 2. Ảnh hưởng của pH đến hiệu suất xử lý kim loại nặng
* Nhận xét:
Hiệu suất xử lý các kim loại Ni, Cu và Zn thể hiện rất rõ qua các thí nghiệm thay đổi giá
trị pH của mẫu nước thải.
Đối với quá trình hấp phụ Ni, nồng độ ban đầu giảm dần ở các giá trị pH từ 5 đến 7, dẫn
đến hiệu suất tăng từ 69,35 % đến 74,13 %. Khi pH của mẫu nước thải tăng từ 8 đến 10, nồng
độ Ni giảm xuống rõ rệt, chỉ còn 6,04 mg/L, hiệu suất đạt đến 95,8 %. Điều này chứng tỏ Ni
được hấp phụ tốt nhất trong khoảng pH từ 8 - 10. Kết quả của các tài liệu số [19] và số [47]
cũng có cùng xu hướng với kết quả nghiên cứu của đề tài. Đối với Ni, trong môi trường nước
2+
có pH nhỏ hơn 8, Ni tồn tại chủ yếu dưới dạng Ni(H2O)6 . Lúc này, bề mặt vật liệu hấp phụ
tích điện dương và không hấp phụ các ion Ni2+ vào các mặt rỗng của chúng. Khi pH lớn hơn
8, Ni kết tủa thành Ni(OH)2 do sự có mặt của các anion hydroxit. Lúc này, bề mặt của các hạt
γ-PGM sẽ tích điện âm do sự proton hóa các nhóm chức và đạt đến mức tối đa, do đó dễ dàng
hấp phụ Ni bởi lực hút tĩnh điện. Quá trình thủy phân và hấp phụ xảy ra trái ngược nhau trên
mặt tiếp xúc giữa vật liệu hấp phụ và dung dịch. Quá trình hấp phụ Ni diễn ra nhanh chóng ở
giai đoạn đầu tiên và dần dần trở nên ổn định theo thời gian. Kết quả này cũng đã giải thích
15
được nguyên nhân hiệu suất xử lý Ni không cao trong các thí nghiệm khảo sát lượng γ-PGM
và thời gian hấp phụ ở mục 3.2.1 a) và b), bởi các thí nghiệm này đã được thực hiện ở giá trị
pH ban đầu của nước thải, tức là pH bằng 5. Vì vậy nồng độ Ni sau khi hấp phụ vẫn còn khá
cao, hiệu suất cao nhất ở môi trường pH bằng 5 là 74,67%.
Khi giá trị pH bằng 6 thì nồng độ của Cu trong nước thải giảm mạnh, giảm xuống hơn 494
lần so với nồng độ ban đầu, hiệu suất đạt đến 99,8 %. Khi tăng dần pH của mẫu nước thải thì
hiệu suất xử lý cũng không thay đổi đáng kể. Xu hướng này đã xác nhận lại thông qua tài liệu
số [36].
Tương tự, hàm lượng Zn được hấp phụ tăng mạnh ở pH bằng 7 với hiệu suất đến 99,68 %
và chênh lệch không nhiều khi tăng dần giá trị pH đến 10.
Một cách tổng quan, kim loại Ni có khả năng được hấp phụ tốt trong môi trường kiềm pH
từ 8 trở lên. Cu có khả năng được hấp phụ tốt trong môi trường có pH từ 6 trở lên. Zn có khả
năng được hấp phụ tốt trong môi trường có pH từ 7 trở lên. Vì vậy, các thí nghiệm tiếp theo
sẽ chỉ đề cập đến khả năng xử lý các kim loại Ni, Cu và Zn ở môi trường có pH bằng 9, vừa
đảm bảo hiệu suất xử lý, vừa nằm trong ngưỡng pH cho phép của QCVN 40:2011/BTNMT.
3.2.3. Ảnh hưởng của lượng γ-PGM
Các thí nghiệm được tiến hành với các thông số như sau:
- Nồng độ đầu vào các kim loại Ni, Cu, Zn tương ứng lần lượt là 143,73 mg/L, 17,76
mg/L, 10,80 mg/L.
- pH: 9.
- Thể tích mỗi mẫu: 50 mL.
- Thời gian hấp phụ: 30 phút.
- Lượng γ-PGM thay đổi lần lượt qua các mẫu: 0,05 g; 0,1 g; 0,5 g; 1 g; 1,5 g; 2 g; 2,5
g; 3 g.
16
Ni
Cu
Zn
100
80
60
40
20
0
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
LƯỢNG γ-PGM (g)
Hình 3. Ảnh hưởng của lượng γ-PGM đến hiệu suất xử lý Ni, Cu, Zn
* Nhận xét:
Từ bảng kết quả và hình trên, có thể thấy rằng sau 60 phút hấp phụ, với lượng γ-PGM sử
dụng càng nhiều thì hiệu suất xử lý có xu hướng tăng lên. Cụ thể như sau:
Đối với Ni, với lượng γ-PGM bằng 0,05 g thì nồng độ Ni ban đầu đã giảm xuống hơn 3
lần, hiệu suất đạt 69,05%. Tuy nhiên, khi tăng dần lượng γ-PGM từ 0,1 g đến 3 g thì nồng độ
và hiệu suất xử lý tăng không đáng kể và cao nhất đạt 74,67% tương ứng với nồng độ Ni thấp
nhất là 36,41 mg/L.
Đối với Cu, khi cho γ-PGM bằng 0,5 g, hiệu suất xử lý đạt đến 98,02%, tương ứng nồng
độ sau hấp phụ là 0,35 mg/L. Càng tăng lượng γ-PGM thì hàm lượng Cu được hấp phụ càng
cao, nhưng không đáng kể và gần như đạt trạng thái cân bằng.
Đối với Zn, nồng độ bắt đầu giảm mạnh chỉ còn 2,14 mg/L với 0,5 g γ-PGM và khi tăng
lên 1 g γ-PGM thì nồng độ chỉ còn 0,31 mg/L. Hiệu suất xử lý Zn tăng cao hơn khi lượng γ-
PGM càng lớn nhưng chênh lệch không đáng kể so với lượng γ-PGM bằng 1 g và gần như
đạt trạng thái cân bằng.
Nhìn chung, lượng γ-PGM trung bình cần dùng đủ để hấp phụ bốn kim loại nặng Ni, Cu,
và Zn trong 50 mL nước thải sản xuất của Nhà máy sen vòi và thiết bị phòng tắm này là 0,5
g.
3.2.4. Ảnh hưởng của tốc độ khuấy trộn đến quá trình hấp phụ kim loại nặng
Thí nghiệm được thực hiện với các thông số như sau:
- Nồng độ đầu vào các kim loại Ni, Cu, Zn tương ứng lần lượt là 143,73 mg/L, 17,76
mg/L, 10,80 mg/L.
- pH: 9
17
- Thể tích mẫu nước thải: 50 mL.
- Lượng γ-PGM: 0,5 g.
- Thời gian hấp phụ: 30 phút.
- Tốc độ khuấy trộn thay đổi lần lượt qua các mẫu: 100 vòng/phút, 200 vòng/phút, 400
vòng/phút, 600 vòng/phút, 800 vòng/phút, 1000 vòng/phút.
Ni
Cu
Zn
100
99
98
97
96
95
0
200
400
600
800
1000
Tốc độ khuấy (vòng/phút)
Hình 4. Ảnh hưởng của tốc độ khuấy trộn đến hiệu suất xử lý
* Nhận xét:
Đối với Ni, khi thay đổi tốc độ khuấy trộn thì nồng độ sau khi hấp phụ có sự chênh lệch.
Với tốc độ khuấy 100 và 200 vòng/phút, nồng độ Ni còn lại thấp nhất so với tốc độ khuấy
400 vòng/phút, 600 vòng/phút và 800 vòng/phút, hiệu suất xử lý đạt cao nhất 99,34%.
Đối với Cu và Zn, hiệu suất xử lý hầu như không thay đổi khi tốc độ khuấy tăng dần từ
400 đến 800 vòng/ phút. Nồng độ Cu và Zn sau quá trình hấp phụ đều đạt dưới mức cho phép
của QCVN 40:2011 - cột B.
Vì vậy, để tiết kiệm năng lượng nhưng vẫn đảm bảo hiệu suất xử lý, có thể chọn tốc độ
khuấy trộn trung bình là 200 vòng/phút.
3.3. KHẢO SÁT KHẢ NĂNG TÁI SỬ DỤNG VẬT LIỆU γ-PGM
3.3.1. Khảo sát thời gian giải hấp vật liệu γ-PGM
Thí nghiệm giải hấp hạt γ-PGM được thực hiện sau mỗi lần tiến hành hấp phụ kim loại
nặng. Các hạt γ-PGM sau khi rửa sạch bằng nước cất được ngâm trong 20 mL dung dịch axit
HCl 0,1 N. Để làm tăng hiệu suất giải hấp, hạt γ-PGM được lắc với tốc độ 60 - 70 vòng/phút.
Quá trình giải hấp được thí nghiệm trong ba mốc thời gian là 1h, 6h và 24h để tìm ra được
18
thời gian giải hấp thích hợp. Các thông số của quá trình giải hấp được đề xuất dựa theo kết
quả từ các tài liệu tham khảo số [18, 36, 47].
3.3.2. Khảo sát số lần tái sử dụng vật liệu γ-PGM
Sau khi giải hấp phụ, các hạt γ-PGM được rửa sạch bằng nước cất, rồi tiếp tục cho vào các
mẫu nước thải mới để thực hiện thí nghiệm tái hấp phụ.
- Nồng độ đầu vào các kim loại Ni, Cu, Zn tương ứng lần lượt là 143,73 mg/L, 17,76
mg/L, 10,80 mg/L.
- Thể tích mẫu nước thải: 50 mL.
- pH: 9.
- Thời gian hấp phụ: 30 phút.
Dung dịch HCl sau quá trình giải hấp được sử dụng để phân tích hàm lượng Fe bị tan rã
trong lõi sắt từ của vật liệu γ-PGM.
Ni
Cu
Zn
100
99
98
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
SỐ LẦN TÁI HẤP PHỤ (lần)
Hình 5. Hiệu suất xử lý kim loại nặng sau 10 lần tái hấp phụ - thời gian giải hấp 1h
Ni
Cu
Zn
100
99
98
1
2
3
4
5
6
SỐ LẦN TÁI HẤP PHỤ (lần)
Hình 6. Hiệu suất xử lý kim loại nặng sau 6 lần tái hấp phụ - thời gian giải hấp 6h
19
Tải về để xem bản đầy đủ
29 trang
14340
Free
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Báo cáo tóm tắt Đề tài Nghiên cứu áp dụng phương pháp tách từ tính sử dụng hạt γ-PGM trong xử lý nước thải nhiễm kim loại nặng", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên
File đính kèm:
- bao_cao_tom_tat_de_tai_nghien_cuu_ap_dung_phuong_phap_tach_t.pdf
