Nghiên cứu khả năng xử lý Al, Cr trong nước thải làng nghề tái chế nhôm bằng phương pháp keo tụ

Download

NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG XỬ LÝ AL, CR TRONG NƯỚC THẢI

LÀNG NGHỀ TÁI CHẾ NHÔM BẰNG PHƯƠNG PHÁP KEO TỤ

Đỗ Tiến Anh¹

Nguyễn Minh Ngọc, Trần Tị Tu Lan

Hoàng Tị Bích Hoàn, Lê Tị Linh

(2)

TÓM TẮT

Tái chế, tái sử dụng các nguồn rác thải là một trong những giải pháp quan trọng để tiết kiệm tài nguyên

thiên nhiên, BVMT do đó các làng nghề tái chế phát triển mạnh mẽ nhất là làng nghề tái chế kim loại, tái

chế nhựa được xuất hiện rất nhiều ở các vùng nông thôn. Hiện trạng môi trường tại các làng nghề bị ô

nhiễm không khí, nước gây ảnh hưởng đến môi trường sống của dân. Nội dung nghiên cứu của đề tài mã

KC08.20/16-20 là nghiên cứu thu hồi và xử lý khí thải, chất thải rắn, nước thải bằng các công nghệ tiên tiến.

Trong bài báo này chúng tôi đưa kết quả nghiên cứu xử lý nước thải làng nghề tái chế nhôm tại làng Bình Yên,

huyện Nam Trực, tỉnh Nam Định bằng phương pháp keo tụ. Đối tượng nước thải này ô nhiễm kim loại nặng

rất cao đặc trưng là tổng Cr: 53-80 mg/l, Al: 548-900 mg/l, pH: 11,25-12,52. Nghiên cứu tối ưu quá trình để

thu hồi Al, xử lý Cr bằng các chất keo tụ FeCl₂, PAC đồng thời thu hồi bông keo làm chất xúc tác quang. Khả

năng thu hồi Al đạt được hiệu suất 98,97% khi điều chỉnh pH= 6,57. Hiệu quả xử lý Cr bằng FeCl₂cao hơn rất

nhiều so với PAC. Hiệu suất xử lý Cr bằng chất keo tụ FeCl₂và PAC lần lượt đạt 81% khi cho FeCl₂250 mg/l,

pH= 6,41 và 13,5 % khi cho PAC 2000 mg/l. Tuy nhiên, nếu không thu hồi Al, khả năng xử lý đồng thời Al và

Cr bằng chất keo tụ FeCl₂250 mg/l đạt hiệu quả xử lý rất cao đối với cả Al và Cr. Không điều chỉnh pH hiệu

quả xử lý Cr đạt 99% trong khi xử lý Al đạt 90%.

Từ khóa: Làng nghề tái chế; xử lý Cr; xử lý Al; keo tụ và hấp phụ.

Nhận bài: 8/10/2020; Sửa chưa: 22/12/2020; uyêt tăng: 2 /12/2020.

1. Mở đầu

Phần lớn các cơ sở tái chế nhỏ và rất nhỏ trong làng

nghề, công nghệ tái chế thường lạc hậu và thủ công,

hiệu suất tái chế thấp, độ chính xác của sản phẩm không

đảm bảo, sản phẩm tái chế thường có chất lượng và độ

an toàn thấp, các thiết bị tái chế chủ yếu nhập từ Trung

Quốc và chế tạo gia công thêm một số tính năng cho

phù hợp với yêu cầu của chủ doanh nghiệp. Hoạt động

tái chế thủ công ở các làng nghề diễn ra một cách tự

phát và được duy trì trong suốt nhiều năm qua với hiện

nay đang có lãi do không phải tuân thủ các tiêu chuẩn

môi trường như đối với các cơ sở sản xuất công nghiệp.

Phần lớn các cơ sản xuất làng nghề không muốn đầu tư

cho dự án môi trường và cũng không muốn chi phí vận

hành hệ thống xử lý môi trường, cho dù chúng đem lại

ích lợi trực tiếp cho người dân.

eo báo cáo của Bộ Nông nghiệp và Phát triển

nông thôn, tính đến năm 2019 số làng nghề và làng

có nghề ở nước ta là 5.096 làng nghề, trong đó số làng

nghề truyền thống được công nhận theo tiêu chí làng

nghề hiện nay của Chính phủ là 2.009 làng nghề. Trong

số đó có đến hơn 100 làng nghề tái chế các loại trên địa

bàn cả nước, trong đó chủ yếu là các làng nghề tái chế

kim loại (chiếm trên 80%)[1]. Tỷ trọng các cơ sở có

quy mô nhỏ chiếm tới trên 90% tỷ số các cơ sở tham gia

ngành tái chế. Với quy mô nhỏ trình độ quản lý, trình

độ công nghệ lạc hậu, thiết bị tự chế hoặc nhập khẩu từ

Trung Quốc tạo ra hiệu suất thấp, chất lượng sản phẩm

tái chế và an toàn của sản phẩm không cao, thường gây

các vấn đề ô nhiễm môi trường nghiêm trọng như đã

thấy trong rất nhiều nghiên cứu và báo cáo được thực

hiện tại các làng nghề tái chế ở Việt Nam.

eo Nguyễn ị Kim ái và Lương ị Mai

Hương [2], công nghệ sản xuất tại các làng nghề mang

¹Tổng cục Khí tượng thủy văn, Bộ Tài nguyên và Môi trường

²Viên Công nghê môi trường, Viên Hàn lâm Khoa học và Công nghê Viêt Nam

8 Chuyên đề IV, tháng 12 năm 2020

KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU KHOA HỌC

VÀ ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ

tính thủ công nên mức tiêu hao nguyên nhiên liệu cao, được loại bỏ bằng phương pháp lắng hoặc lọc.

đều lớn và mức thải ra môi trường cũng cao. Các chất

thải, đặc biệt là chất thải rắn và nước thải cũng đã bắt

đầu được quan tâm thu gom tại các làng nghề thông

qua một số các chương trình quốc gia như Chương

trình Mục tiêu quốc gia xây dựng nông thôn mới. Tuy

nhiên, việc thu gom này mới chỉ tập trung vào chất

thải rắn và nước thải sinh hoạt, chưa tập trung vào các

chất thải từ sản xuất của các làng nghề.

Cơ chế keo tụ, tạo bông [4]

Mục đích của quá trình keo tụ - tạo bông là giảm thế

zeta, tức là giảm chiều cao của hàng rào năng lượng đến

giá trị giới hạn, sao cho các hạt rắn không đẩy lẫn nhau

bằng cách cho thêm vào các ion có điện tích dương để

phá vỡ sự ổn định của trạng thái keo của các hạt nhờ

trung hòa điện tích. Khả năng dính kết tạo bông keo

tụ tăng lên khi điện tích của hạt giảm xuống và keo tụ

tốt nhất khi điện tích của hạt bằng không. Chính vì vậy

lực tác dụng lẫn nhau giữa các hạt mang điện tích khác

nhau giữ vai trò chủ yếu trong keo tụ. Lực hút phân tử

tăng nhanh khi giảm khoảng cách giữa các hạt bằng

cách tạo nên những chuyển động khác nhau được tạo

ra do quá trình khuấy trộn. Ta có thể làm mất tính ổn

định của các hạt keo bằng các biện pháp:

Nước thải làng nghề tái chế nhôm có đặc trưng là

Al và Cr cao hơn rất nhiều lần so với tiêu chuẩn xả

thải. Tuy nhiên, tại các làng nghề hiện nay vẫn thải trực

tiếp ra môi trường tự nhiên mà không áp dụng phương

pháp xử lý nào. Để giải quyết vấn đề này, cần thu gom

và có phương án xử lý khả thi về mặt kinh tế cũng như

tiêu chuẩn xả thải. Công nghệ xử lý nguồn nước chứa

kim loại nặng nói chung (trong đó có nước thải từ tái

chế kim loại) vẫn được áp dụng theo phương pháp xử

lý hóa lý truyền thống [3]. Ngoài ra, nhiều phương

pháp khác cũng đã được nghiên cứu và áp dụng cho xử

lý như: hấp phụ, lọc màng, quang xúc tác, công nghệ

nano… [4]. Các phương pháp hấp phụ, trao đổi ion

tương đối hiệu quả trong xử lý nước thải chứa kim loại,

tuy nhiên việc áp dụng vào thực tế đặc biệt là đối với

các làng nghề sản xuất nhỏ lẻ rất khó khăn trong khâu

vận hành và tốn kém. Đối với nước thải làng nghề tái

chế nhôm thì Cr(VI) khó xử lý hơn và cũng là chất rất

độc hại nếu thải ra môi trường. Quá trình keo tụ đã

được các nghiên cứu chứng minh tương đối hiệu quả

xử lý Cr và đặc biệt vận hành đơn giản với chi phí thấp

[5,6]. Mục đích của nghiên cứu này là đánh giá khả

năng thu hồi Al cũng như xử lý Cr bằng hai loại chất

keo tụ là PAC và FeCl . Ngoài ra, các điều kiện keo tụ

tối ưu như pH, hàm lư²ợng chất keo tụ, thời gian khuấy

nhanh cũng được khảo sát để tìm ra điều kiện vận hành

tối ưu nhất cho quá trình keo tụ.

- Nén lớp điện tích kép được hình thành giữa pha

rắn và lỏng bằng cách giảm điện thế bề mặt bằng hấp

phụ và trung hòa điện tích.

- Hình thành các cầu nối giữa các hạt keo.

- Bắt giữ các hạt keo vào bông cặn.

Trung hoa điin ích

• Hấp thụ các ion hay phân tử mang điện tích trái

dấu với điện tích của hạt keo. Liều lượng chất keo tụ tối

ưu cho vào sao cho điện thế zeta bằng 0 mV.

• Giảm thế năng bề mặt tức là giảm điện thế zeta khi

đó sự đẩy tĩnh điện của các hạt keo giảm xuống và có

khả năng kết nối lại nhờ lực tương tác tĩnh điện, khi đó

hệ keo mất đi tính ổn định.

• Tăng hàm lượng chất keo tụ, nếu lượng chất keo tụ

cho vào quá nhiều sẽ gây hiện tượng keo tụ quét bông.

Quá trình này làm tăng hiệu quả keo tụ lên, hệ keo

cũng bị mất ổn định.

Tạo cầu nối

Trong nguồn nước, một phần các hạt thường tồn

tại ở dạng các hạt keo mịn phân tán, kích thước các

hạt thường dao động từ 0,1-10 micromet. Các hạt này

không nổi cũng không lắng, do đó tương đối khó tách

loại. Vì kích thước hạt nhỏ, tỷ số diện tích bề mặt và thể

tích của chúng rất lớn nên hiện tượng hóa học bề mặt

trở nên rất quan trọng.

Những hạt rắn lơ lửng mang điện tích âm trong

nước (keo sét, protein…) sẽ hút các ion dương tạo ra

hai lớp điện tích dương bên trong và bên ngoài. Lớp ion

dương bên ngoài liên kết lỏng lẻo nên có thể dể dàng bị

trượt ra. Như vậy điện tích âm của hạt bị giảm xuống.

ế điện động hay thế zeta bị giảm xuống [6].

Để tăng cường quá trình keo tụ tạo bông người ta

cho thêm vào các hợp chất polymer trợ keo tụ. Các

polymer này tạo sự dính kết giữa các hạt keo lại với

nhau nếu polyme này và các hạt keo trái dấu nhau.

Cơ chế tạo cầu nối xảy ra ở 5 phản ứng:

Phản ứng 1: Hấp phụ ban đầu ở liều lượng polyme

tối ưu. Phân tử polyme dính vào hạt keo.

Nguyên tắc của quá trình keo tụ tạo bông:

- Làm mất tính ổn định của các hệ keo thiên nhiên.

- Tạo ra hệ keo mới có khả năng kết hợp tạo thành

những bông cặn lớn, lắng nhanh, có hoạt tính bề mặt

Chuyên đề IV, tháng 12 năm 2020 9

Phản ứng 2: Hình thành bông cặn. Đuôi polyme đã nước dưới dạng chuỗi. Kiểu liên kết này rất thuận lợi

hấp phụ có thể duỗi ra và gắn kết với vị trí trống trên bề cho quá trình hình thành và lắng các bông cặn.

mặt hạt keo khác → hình thành bông cặn.

Các tác nhân keo tụ như PAC, các muối sắt, muối

Phản ứng 3: Hấp phụ lần hai của polyme. Nếu đoạn nhôm... được sử dụng như các tác nhân keo tụ giúp

cuối duỗi ra và không tiếp xúc với vị trí trống trên hạt tạo bông, kết tủa các ion kim loại trong nước thải.

khác và gấp lại → tiếp xúc với mặt khác của chính hạt Khi bổ sung các tác nhân keo tụ vào trong nước thải,

đó → ổn định lại.

chúng phân li tạo thành các cation Al³⁺, Fe³⁺, chúng

tham gia vào các phản ứng hình thành các hạt keo

hoặc các hydroxit. Sau khi bổ sung các chất trợ keo

(các polyme mạch dài, cao phân tử), các hạt keo sẽ bị

hấp thụ bởi polyme, kết dính với nhau tạo thành bông

và lắng xuống.

Đối với phèn nhôm, khi pH thấp hơn 6,5 khả năng

hình thành Al(OH)₃kết tủa hầu như không xảy ra. Nếu

hệ cũng chứa những cấu tử mang điện tích dương thì

chúng sẽ không tương tác với nhau. Do đó, quá trình

keo tụ không xảy ra. Trong môi trường kiềm (pH>8),

quá trình tạo thành Al(OH) xảy ra. Nếu các cấu tử

trong hệ mang điện tích âm ⁴t^-hì cũng sẽ không xảy ra

quá trình keo tụ. Do đó, hiệu quả xử lý sẽ thấp.

Đối với các muối sắt, trong môi trường axit sắt tồn

tại chủ yếu ở dạng monomer mang điện tích dương

như Fe³⁺, Fe(OH)²⁺. Nếu hệ là huyền phù tích điện

dương thì quá trình keo tụ không diễn ra. Trong môi

trường kiềm, dạng tồn tại chủ yếu của sắt là Fe(OH)^4-.

Vì vậy, nếu hệ huyền phù tích điện âm thì quá trình keo

tụ cũng không diễn ra.

Phản ứng 4: khi liều lượng polyme dư. Nếu polyme

thêm vào dư nhiều, bề mặt hạt bão hòa các đoạn polyme

→ không có vị trí trống để hình thành cầu nối → hạt keo

ổn định trở lại.

Phản ứng 5: Vỡ bông cặn, vỡ vụn bông cặn khi xáo

trộn nhiều.

Trong toàn bộ quá trình (5 phản ứng trên), cơ chế

chính là: hấp phụ và tạo cầu nối và cơ chế phụ là: trung

hòa điện tích.

Hóa chất keo tụ [8]

Để thực hiện quá trình keo tụ, người ta cho vào

nước các chất phản ứng thích hợp như: phèn nhôm

Al (SO₄)₃, phèn sắt FeSO₄hoặc FeCl₃. Các loại phèn

nà²y được đưa vào nước dưới dạng dung dịch hòa tan.

Dùng phèn nhôm:

Khi cho phèn nhôm vào nước, chúng phân li tạo ion

Al³⁺bị thủy phân tạo thành Al(OH)₃.

Ngoài Al(OH)₃là nhân tố quyết định đến hiệu quả

keo tụ tạo thành còn giải phóng ra các ion H⁺. Các ion

H⁺này sẽ được khử bằng độ kiềm tự nhiên của nước

2. Đối tượng và phương pháp nghiên cứu

–

(được đánh giá bằng HCO₃).

Nước thải

Trường hợp độ kiềm tự nhiên của nước thấp, không

đủ trung hòa ion H⁺thì cần phải kiềm hóa nước. Chất

dùng để kiềm hóa thông dụng là vôi (CaO), sođa

(Na₂CO₃), hoặc xút (NaOH).

Nước thải sử dụng trong nghiên cứu này là nước

thải từ làng nghề tái chế nhôm tại làng Bình Yên, xã

Nam anh, huyện Nam Trực, tỉnh Nam Định có đặc

trưng như ở Bảng 1. Nước thải có đặc trưng là pH cao,

Al và Cr(VI) rất cao.

Al³⁺+ 3H₂O → Al(OH)₃+ 3H⁺

Dùng phèn sắt:

Phèn sắt chia làm hai loại là phèn sắt II và phèn sắt

III. Phèn Fe(II) khi cho vào nước phân li thành ion Fe²⁺

và bị thủy phân thành Fe(OH)₂. Phèn Fe(III) khi cho

vào nước phân li thành ion Fe³⁺và bị thủy phân thành

Fe(OH)₃.

Bảng 1. Tành phần của nước thải làng nghề tái chế Al sử

dụng trong nghiên cứu

Tông số

Khoảng dao động

11,25 – 12,52

30,3 – 50,3

10,3 – 20,4

53 – 80,3

Phản ứng thủy phân:

Cr(VI) (mg/l)

Cr(III) (mg/l)

Cr_tổng(mg/l)

Al (mg/l)

Sắt (mg/l)

Zn (mg/l)

Pb (mg/l)

Fe²⁺+ 2H₂O → Fe(OH)₂+ 2H⁺

Fe³⁺+ 3H₂O → Fe(OH)₃+ 3H⁺

Hiệu quả keo tụ phụ thuộc vào nhiệt độ của nước,

hàm lượng và tính chất của cặn. Ngoài ra người ta có thể

dùng các chất trợ đông tụ tổng hợp như podyacrynat,

polyacryamil. Trong một vài trường hợp dioxit silic

hoạt tính, plyacrynat, polyacryamil được dùng làm chất

keo tụ thay phèn. Khác với keo tụ bằng chất điện li hoặc

bằng hệ keo ngược dấu, cơ chế phản ứng ở đây chủ yếu

là các tương tác hoá học. Do kích thước lớn và dài nên

các hợp chất cao phân tử keo tụ các hạt cặn bẩn trong

548 – 900

0,74 – 1,1

1,2 – 1,8

0,111 – 0,5

Chất keo tụ, trợ keo: Các dung dịch keo tụ gốc được

pha với nồng độ 50 g/l từ các chất keo tụ PAC (giải

nghiên cứu từ 250 mg/l; 500 mg/l; 750 mg/l; 1000 mg/l;

10 Chuyên đề IV, tháng 12 năm 2020

KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU KHOA HỌC

VÀ ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ

1250 mg/l; 1500 mg/l; 1750 mg/l), FeCl₂(giải nghiên hóa hoàn toàn và phân hủy hết pesunfat dư vì nếu dư

cứu từ 250 mg/l; 500 mg/l; 750 mg/l; 1000 mg/l; 1250 pesunfat sẽ ngăn cản quá trình xác định sau này). Để

mg/l) tinh khiết phân tích. Dung dịch dùng hàng ngày nguội rồi chuyển tất cả vào bình định mức 50 ml và tiếp

được pha loãng hoặc lấy trực tiếp từ dung dịch gốc. tục tiến hành như quy trình xác định Cr(VI).

Chất trợ keo loại anion được pha với nồng độ 1 g/l (mỗi

thí nghiệm được bổ sung 1ml chất trợ keo).

3. Kết quả nghiên cứu và thảo luận

3.1. u hồi Al, Cr

í nghiệm nghiên cứu thu hồi Al và Cr

a. u hồi Al

í nghiệm được tiến hành hành trên thiết bị Jartest

JLT6 (VELP, Ý) như sau: Lấy 400 ml mẫu nước thải vào

cốc thuỷ tinh có thể tích 1000 ml sau đó điều chỉnh pH

trong các giải nghiên cứu từ 4 - 9, khuấy nhanh (150

vòng/phút) trong vòng 3 phút sau đó để lắng 30 phút,

tách phần nước trong ở trên bằng cách lọc qua giấy lọc

với bộ hút chân không, thu được kết tủa trắng đó chính

là Al(OH) . Nước sau lọc được điều chỉnh pH trong

giải từ 2 - ³8 sau đó bổ sung nồng độ Na₂SO nồng độ

100 mg/l, sau đó nâng pH lên từ 7 - 8. Sau đ³ó tách kết

tủa và lấy phần sau lọc để phân tích Cr tổng.

Nước thải của làng nghề tái chế Al có hàm lượng

Al rất cao (theo kết quả khảo sát hàm lượng Al dao

động trong khoảng từ 548 - 900 mg/l), do đó chúng tôi

thử nghiệm thu hồi Al trước khi xử lý Cr(VI). Dựa vào

trạng thái tồn tại cũng như khả năng kết tủa của Al nên

trong nghiên cứu này chúng tôi khảo sát các điều kiện

pH trong khoảng 4 - 9 sau đó cho vào khuấy nhanh 3

phút thu hồi kết tủa Al trắng ở phía dưới đáy bình. Kết

quả được thể hiện trên Hình 1.

í nghiệm nghiên cứu chất keo tụ để loại bỏ đồng

thời Al và Cr

í nghiệm được tiến hành trên thiết bị Jartest JLT6

(VELP, Ý) như sau: Lấy 200 ml mẫu nước thải vào cốc

thủy tinh có thể tích 1000 ml, bổ sung chất keo tụ với

các nồng độ khác nhau và chỉnh pH (đối với chất keo

tụ là PAC thì giải pH được khảo sát từ 4 - 9, đồi với

chất keo tụ là FeCl₂thì pH được nghiên cứu trong giải

2 - 11) từ của mẫu nước đến giá trị xác định trước (nếu

cần thiết), khuấy nhanh (150 vòng/phút) trong vòng 1

- 5 phút, sau đó khuấy nhẹ (50 vòng/phút) trong vòng 5

phút. Để lắng tự nhiên 30 phút rồi lấy mẫu nước trong

ở trên, xác định các chỉ số pH, Cr(VI), Cr (III), Cr tổng,

Al.

▲Hình 1. Ảnh hưởng pH đến hiêu suất xử lý Al

Kết quả nghiên cứu cho thấy, thu hồi Al tối ưu ở pH

từ 6-7, Al thu hồi đạt 99 - 95%. u hồi nhôm khi pH ở

trung tính, pH=9 thì hiệu quả thu hồi Al thấp đạt 39%.

Khả năng thu hồi Al tương đối cao nên đây cũng là một

hướng giúp giảm thất thoát nhôm ra môi trường.

Phương pháp phân tích

a. Xác định hàm lượng Cr(VI) theo tiêu chuẩn

TCVN 6658 : 2000

Lấy 25 ml mẫu (mẫu được lấy phần trong ở trên cốc

phản ứng) vào cốc 50 ml. êm vào đó 0,5 ml dung

dịch đệm photphat rồi điều chỉnh pH trong khoảng

7,5 ÷ 8 bằng dung dịch H SO₄hoặc NaOH. Sau đó

thêm vào 0,1ml dung dịch n²hôm sunfat, lắc đều và lọc.

Dịch lọc thu được cho vào bình định mức 50 ml rồi

thêm 1 ml dung dịch H PO₄(7:3) và 1 ml dung dịch

điphenylcacbazit. êm ³nước cất tới vạch mức và lắc

đều. Để yên khoảng 10 phút, đo mật độ quang ở 541nm

và áp vào đường chuẩn để xác định hàm lượng Cr(VI)

trong mẫu phân tích.

Sau khi điều chỉnh pH, hàm lượng Cr tổng hầu như

không thay đổi. Tiến hành keo tụ Cr bằng các tác nhân

keo tụ khác nhau. Ngoài ra, các điều kiện keo tụ tối

ưu (pH, lượng chất keo tụ, thời gian khuấy nhanh) đã

được khảo sát.

b. u hồi Cr sau quá trình tách Al

Sau quá trình thu hồi nhôm, tiếp tục tiến hành thu

hồi Cr với các điều kiện pH khác nhau từ 2-8. Giá trị

pH có thể ảnh hưởng lớn đến dạng Cr(VI) hay Cr(III)

và sản phẩm thủy phân của chất đông tụ. Như được

trình bày trong Hình 2, khi nồng độ ban đầu của kim

loại nặng không đổi nhận thấy lượng kim loại nặng đầu

ra thay đổi rõ rệt, chỉ ra pH có ảnh hưởng đáng kể đến

việc loại bỏ kim loại trong nước thải. Đối với Cr(VI),

khi khử Cr(VI) thành Cr(III) ở điều kiện axit, điều này

đã cung cấp đủ Cr (III) cho phản ứng tạo kết tủa ở phản

ứng sau.

b. Xác định tổng hàm lượng crom tổng theo tiêu

chuẩn TCVN 4574:1988

Lấy 25 ml mẫu nước cần phân tích cho vào cốc cỡ 50

ml. Trung hòa bằng dung dịch H₂SO₄hoặc NaOH. Sau

đó thêm 0,5 ml dung dịch H₂SO 1N, 5 ml dung dịch

kali pesunfat. Đun sôi dung dịch⁴25 ÷ 30 phút (để oxy

Chuyên đề IV, tháng 12 năm 2020 11

▲Hình 2. Ảnh hưởng pH đến hiêu suất xử lý Cr

▲Hình 3. Ảnh hưởng của pH đến hiêu suất xử lý Cr bằng PAC

Tuy nhiên, khi pH quá thấp thì Cr(OH) và các hạt

keo hydroxit sắt gần như không hình thành,³do đó hiệu

quả đông tụ kém và hiệu quả thu Cr tổng là thấp và

không được như mong muốn. Khi pH của nước thô

cao hơn 8, nó có xu hướng tạo ra các chất keo hydroxit

sắt, dẫn đến ảnh hưởng xấu đến phản ứng khử Cr(VI)

trong điều kiện kiềm, do đó không đủ Cr(III) để tạo

Cr(OH)₃.

+ Ảnh hưởng của pH đến hiệu quả keo tụ bằng FeCl₂

Cố định hàm lượng chất keo tụ FeCl₂là 750 mg/l,

thay đổi pH trong dải từ 5-11. Kết quả nghiên cứu ảnh

hưởng của pH đến hiệu quả xử lý Cr được thể hiện

trên Hình 4. Từ kết quả thực nghiệm cho ta thấy pH

có ảnh hưởng rất lớn đến hiệu quả xử lý Cr. Ở pH axit

hoặc trung tính hiệu quả xử lý Cr thấp hơn so với môi

trường kiềm. Nhận thấy pH tối ưu trong xử lý Cr bằng

Kết luận: Khi pH từ 2-6 thì hiệu quả loại bỏ Cr(VI) FeCl₂là trong khoảng 9-10. Do trong nước thải nghiên

có thể đạt từ 98-94.5% nhưng hiệu suất thu hồi Cr tổng cứu chứa chủ yếu Cr(VI) ở dạng Crommat CrO₄, khi

lại tối ưu ở điều kiện pH từ 6-7. Cho thấy điều kiện loại trong môi trường kiềm với H⁺rất nhỏ mà OH^-rất cao

bỏ Cr tổng tối ưu trong khoảng pH từ 6-7 là hiệu quả sẽ có phản ứng :

CrO₄+ 4H₂O + 3e^-= Cr[OH]₃↓ + 5OH^-

nhất. Kết quả cũng đúng với lý thuyết về quá trình khử

Cr(VI) về Cr(III) và quá trình tạo keo Cr(OH)₃.

Và khi thêm muối Fe(II) vào dung dịch thì trong

3.2. Xử lý đồng thời Cr và Al bằng phương pháp môi trường kiềm, sắt sẽ tồn tại chủ yếu ở 2 dạng kết tủa

keo tụ

hydroxyt và bán phản ứng oxi hóa khử có thể xảy ra là:

Fe(OH)₃↓ + e^-= Fe(OH)₂↓

a. Ảnh hưởng của pH đến hiêu quả xử lý Cr

Mặc dù giá trị pH rõ ràng là một thông số quan

trọng trong quá trình keo tụ, nhưng nhiều khi nó đã bị

bỏ qua trong các nghiên cứu. Nhiều nghiên cứu chỉ xác

định hàm lượng tối ưu của chất keo tụ ở độ pH nhất

định mà bỏ qua ảnh hưởng của pH. Tuy nhiên, nếu

không xác định được giá trị pH tối ưu thì sẽ chưa thể

hiện rõ được hiệu quả thực sự của quá trình keo tụ có

đạt hay không. Do đó, việc xác định được khoảng pH

tối ưu trong quá trình keo tụ là rất cần thiết bởi vì giá trị

pH ảnh hưởng đến điện tích bề mặt giữa loại chất keo

tụ và tạp chất được loại bỏ.

▲Hình 4. Ảnh hưởng của pH đến hiêu suất xử lý Cr bằng FeCl₂

+ Ảnh hưởng của pH đến hiệu quả keo tụ bằng PAC

Bên cạnh phản ứng oxi hóa khử vừa nêu trên thì

thực tế khi thêm Fe(II) vào hệ dung dịch nước thải có

môi trường kiềm còn gần như đồng thời tạo ra các kết

tủa hydroxyt Fe(OH)₃, Al(OH)₃và Cr(OH)₃rất ít tan.

Cố định hàm lượng chất keo tụ PAC 1250 mg/l,

thay đổi pH trong dải từ 5 - 9. Kết quả nghiên cứu ảnh

hưởng của pH đến hiệu quả xử lý Cr được thể hiện

trên Hình 3. Từ kết quả thực nghiệm cho thấy hiệu quả

xử lý Cr bằng PAC là không cao, tuy nhiên pH cũng

có ảnh hưởng đến hiệu quả xử lý. pH tối ưu cho xử

lý Cr là trong môi trường axit rất nhẹ đến trung tính

từ 6 - 7. Kết quả nghiên cứu này tương đối phù hợp

với lý thuyết. Ở môi trường axit không xảy ra sự hình

thành kết tủa Al(OH)₃, còn ở môi trường kiềm xảy ra

CrO₄+ 3Fe²⁺+ 4H₂O = Cr(OH)₃↓ + Fe(OH)₃↓ + 2OH^-

Sắt(II) bị oxi không khí oxi hóa dễ dàng trong môi

trường kiềm:

4Fe²⁺+ O₂+ 8OH^-+ 2H₂O = Fe(OH)₃↓

Nhôm từ dạng Aluminat tan trong môi trường kiềm

mạnh chuyển thành kết tủa dạng hydroxyt do độ kiềm

giảm (phản ứng này xảy ra khi có phản ứng của sắt(II)

ở trên):

quá trình tạo thành aluminat Al(OH) tan, vì vậy hiệu

quả keo tụ của muối nhôm ở môi trườ⁴ng axit hay môi

trường kiềm đều thấp.

AlO^2-+ 3H₂O = 2Al(OH)₃↓

12 Chuyên đề IV, tháng 12 năm 2020

KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU KHOA HỌC

VÀ ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ

Trong 3 hydroxyt này, Fe(OH) và Al(OH) là tụ FeCl tương ứng trong khoảng 250; 500; 750; 1000

những dạng kết tủa rất dễ đông tụ lắ³ng xuống rồi ³kéo và 1250²mg/l. Kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của hàm

theo Cr(OH)₃và đồng thời có thể khi hình thành lắng lượng chất trợ keo đến hiệu quả xử lý Cr được thể hiện

xuống chúng sẽ giữ thêm những chất khác có trong trên Hình 6.

dung dịch và “làm trong” dung dịch.

Kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của pH đến hiệu quả

keo tụ Cr bằng FeCl₂trong nghiên cứu này phù hợp với

lý thuyết và các nghiên cứu tương tự [6,7]. Nước thải

làng nghề tái chế Al có pH rất cao trong khoảng 11,

vì vậy nếu không thu hồi Al, keo tụ bằng FeCl là môi

trường kiềm sẽ thuận lợi hơn, giảm được lượng ²axit cần

thiết để điều chỉnh pH.

b. Ảnh hưởng của hàm lượng chất keo tụ đến hiêu

quả xử lý Cr

▲Hình 6. Ảnh hưởng của hàm lượng FeCl₂đến hiêu quả xử

+ Ảnh hưởng của hàm lượng chất keo tụ PAC đến

lý Cr

hiệu quả xử lý Cr

Kết quả Hình 6 cho thấy, hàm lượng FeCl₂ảnh

Tiến hành thí nghiệm trong điều kiện pH tối ưu đã

hưởng rõ rệt đến hiệu quả xử lý Cr. Với hàm lượng

xác định được ở nghiên cứu trên (đối với PAC pH tối

chất keo tụ là 250 mg/l, hiệu quả xử lý Cr thấp nhất đạt

ưu là 6 - 7), khuấy nhanh trong 5 phút, khuấy chậm

45,15%. Khi tăng hàm lượng chất keo tụ lên 500 mg/l

trong 15 phút, để lắng 30 phút, hàm lượng chất trợ keo

thì hiệu suất đã tăng lên rất cao đạt 92,3%. Hiệu suất xử

thêm vào là 1 mg/l, chỉ thay đổi hàm lượng chất keo

lý Cr đạt cực đại khi hàm lượng chất keo tụ FeCl là 750

mg/l (đạt 96,7%), sau đó tăng hàm lượng chất²keo tụ

tụ PAC tương ứng trong khoảng 250; 500; 750; 1000;

1250; 1500 và 1750 mg/l.

lên nhưng hiệu suất vẫn không tăng thêm nữa.

Kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của hàm lượng chất

Về bản chất quá trình xử lý Cr(VI) bằng FeCl₂thực

keo tụ đến hiệu quả xử lý Cr được thể hiện trên Hình 5.

chất là quá trình khử Cr(VI) xuống Cr(III), sau đó

Kết quả chỉ ra hàm lượng PAC có ảnh hưởng đến hiệu

Cr(III) sẽ lắng hoặc xảy ra quá trình keo tụ với phèn sắt

quả xử lý Cr. Hiệu suất xử lý tăng dần khi tăng hàm

đưa vào. Khi Fe(II) bị oxi hóa thành Fe(III) trong sự có

lượng PAC, hiệu suất xử lý đạt cao nhất khi tăng hàm

mặt của Cr(III) sẽ tạo thành phức dạng crom hidroxit

lượng PAC lên đến 1500 mg/l, hiệu suất xử lý Cr đạt

Cr_xFe_1-x(OH) . Khi đó Fe(III) cũng hoạt động như chất

keo tụ và có³khả năng cải thiện độ lắng. Cơ chế này

13,02%. Nhìn chung từ kết quả thí nghiệm cho thấy,

hiệu suất xử lý Cr bằng keo tụ với PAC là rất thấp.

được làm sáng tỏ trong nghiên cứu xử lý Cr(VI) trên

quy mô pilot [5].

c. Ảnh hưởng của thời gian khuấy nhanh đến hiêu

quả xử lý Cr

Trong các thông số ảnh hưởng đến quá trình keo

tụ thì quá trình khuấy nhanh cũng là một trong những

thông số cần xác định để giảm thời gian cũng như điện

năng tiêu thụ cho quá trình keo tụ. Quá trình khuấy

nhanh nhằm hòa trộn giữa dung dịch keo tụ và nước

thải, làm mất ổn định các phân tử trong đó và quá trình

khuấy chậm thúc đẩy sự va chạm giữa các hạt bất ổn đó

và có sự tương tác giữa các lực hút trái dấu tạo nên các

hạt keo. ông thường quá trình khuấy nhanh thường

▲Hình 5. Ảnh hưởng của hàm lượng PAC đến khả năng xử

tiến hành trong khoảng 10-30 phút [9]. Tuy nhiên,

lý Cr

cũng tùy thuộc vào sự tương tác giữa chất keo tụ và

chất có trong nước thải mà quá trình khuấy nhanh xảy

ra nhanh hay chậm. í nghiệm được tiến hành trong

điều kiện hàm lượng chất keo tụ FeCl là 750 mg/l, pH

trong khoảng 9, thay đổi thời gian kh²uấy nhanh trong

dải 1; 3; 5; 7; 10; 15 phút. Kết quả thí nghiệm được thể

hiện trên Hình 7. Kết quả nghiên cứu cho thấy, thời

gian khuấy nhanh ảnh hưởng đến hiệu quả xử lý Cr.

+ Ảnh hưởng của hàm lượng chất keo tụ FeCl₂đến

hiệu quả xử lý Cr.

Tiến hành thí nghiệm trong điều kiện pH tối ưu đã

xác định được ở nghiên cứu trên (đối với FeCl₂, pH tối

ưu là 9 - 10), khuấy nhanh trong 5 phút, khuấy chậm

trong 15 phút, để lắng 30 phút, hàm lượng chất trợ keo

thêm vào là 1 mg/l, chỉ thay đổi hàm lượng chất keo

Chuyên đề IV, tháng 12 năm 2020 13

Nếu thời gian khuấy ngắn quá (khoảng 1 phút) thì quá

trình khuấy trộn chưa đủ để tao ra sự đồng nhất giữa

dung dịch chất keo tụ mới đưa vào nước thải. ời gian

khuấy nhanh tăng lên thì hiệu suất cũng tăng theo. Khi

thời gian khuấy nhanh từ 5 phút trở lên thì hiệu suất

xử lý đạt ổn định và đạt trên 97%. Khi tăng thời gian

khuấy nhanh từ 5 - 15 phút, hiệu suất xử lý có tăng lên

nhưng không đáng kể (97,1% so với 97,6%). Do vậy để

tiết kiệm điện năng nên chọn thời gian khuấy nhanh là

khoảng 5-7 phút.

Nếu duy trì pH trong khoảng trung tính thì khả

năng xử lý Al rất cao (99,97%), tuy nhiên khả năng

xử lý Cr chưa phải là tối ưu. Nếu pH trong khoảng

10 thì khả năng xử lý Cr lên đến 98%, khả năng xử lý

Al gần 96%. Tuy nhiên, Cr(VI) là dạng độc nhất, gây

ung thư và gây đột biến gen cho sinh vật sống nên cần

phải xử lý trước khi thải vào các hệ thống thải chung.

Tiêu chuẩn thải đối với Cr cột B chỉ là 0,5 mg/l (QCVN

52:2013/BTNMT đối với nước thải công nghiệp sản

xuất thép), cho nên cần ưu tiên xử lý Cr trước khi thải

ra môi trường.

Từ các kết quả nghiên cứu ta thấy, phương án hạ pH

thu hồi Al, sau đó tăng pH lên để xử lý Cr vừa đạt hiệu

quả về mặt hiệu quả xử lý và vừa kinh tế có thể thu hồi

Al. Al được thu hồi có thể tái dùng để sản xuất chất keo

tụ phèn nhôm, sử dụng cho quá trình xử lý nước thải.

4. Kết luận

▲Hình 7. Ảnh hưởng của thời gian khuấy nhanh đến hiêu

Đối với nước thải làng nghề tái chế Al, hàm lượng

Al trong nước thải đầu ra là rất cao, do vậy nên thu hồi

Al trước khi xử lý các thông số ô nhiễm khác. Khả năng

thu hồi Al rất cao đạt 99,97% khi hạ pH xuống khoảng

6 - 7.

Các điều kiện vận hành thích hợp đối với từng loại

chất keo tụ đã được xác định: Môi trường pH của quá

trình keo tụ thích hợp đối với PAC là môi trường trung

tính (pH = 6,0 - 7,0) và đối với FeCl là môi trường

kiềm, pH = 9 - 10. Hàm lượng chất ke²o PAC tối ưu là

1250 mg/l, trong khi đó đối với FeCl hàm lượng thích

hợp thấp hơn rất nhiều 750 mg/l. ²ời gian khuấy

nhanh chỉ cần thực hiện trong khoảng 5 - 7 phút là đạt

suất xử lý Cr

3.3. Keo tụ đồng thời Al và Cr(VI)

Để tạo kết tủa và thu hồi Al có trong nước thải làng

nghề tái chế đầu tiên phải hạ pH xuống khoảng 6 - 7.

Sau đó tiến hành keo tụ để xử lý Cr. Như kết quả đã

trình bày ở trên, hiệu quả keo tụ bằng FeCl₂rất cao so

với PAC (tương ứng với 96,7 % so với 13,02%) cho nên

trong các nghiên cứu tiếp theo chỉ dùng FeCl₂để keo

tụ xử lý Cr. Tuy nhiên, kết quả nghiên cứu cũng chỉ ra

pH tối ưu để thực hiện quá trình keo tụ với FeCl là pH

trong khoảng kiềm (9-10) cho nên nếu thu hồi A²l trước

thì phải hạ pH xuống 6-7 sau đó lại chỉnh pH lên 9-10

để thực hiện quá trình keo tụ. Do vậy, chúng tôi đã tiến

hành nghiên cứu khả năng keo tụ đồng thời Al và Cr. được hiệu quả xử lý Cr cao nhất.

í nghiệm được thực hiện ở điều kiện hàm lượng chất

keo tụ 750 mg/l, khuấy nhanh 5 phút, khuấy chậm 15

phút, thay đổi giá trị pH trong khoảng 7 và khoảng 10.

Kết quả thí nghiệm được thể hiện trên Bảng 2.

Dùng chất keo tụ FeCl₂xử lý Cr hiệu quả hơn rất

nhiều so với dùng chất keo tụ PAC (hiệu quả xử lý

tương ứng ở điều kiện vận hành tối ưu nhất là 96,7%

so với 13,02%).

Keo tụ đồng thời Al và Cr bằng chất keo tụ FeCl₂

cũng đạt được hiệu suất rất cao.

Bảng 2. Kết quả keo tụ đồng thời Al và Cr bằng chất keo

tụ FeCl₂

Lời cảm ơn: Công trình này được hoàn thành với sự

hỗ trợ về kinh phí của đề tài cấp nhà nước KC.08.20/16-

20. Các nghiên cứu được thực hiện tại Viện Khoa học

Khí tượng ủy văn và Biến đổi khí hậu, Viện Công

nghệ môi trường, Viện Hàn lâm Khoa học và Công

nghệ Việt Nam, thời gian thực hiện năm 2018 - 2019■

Đối với xử lý Al

Al đầu Al sau Hiệu Cr đầu Cr sau Hiệu

vào xử lý suất vào xử lý suất

(mg/l) (mg/l) (%) (mg/l) (mg/l) (%)

Đối với xử lý Cr

keo tụ

6,97

9,85

901

0,26

39,2

99,97

95,65

1,07

81,15

98,45

TÀI LIỆU THAM KHẢO

phế liêu và đề xuất các giải pháp quản lý. Tạp chí Khoa học

Công nghê Xây dựng, (2011).

3. Wang, Z., Li, H., Ye, Y., Wang, Z. A model analysis on

the pulse-jet cleaning performance of electrostatically

stimulated fabric ﬁltration. Powder Technol, 291, (2016),

pp. 499-505.

1. Bộ NN&PTNT (2014), Báo cáo thống kê làng nghề Viêt

Nam

2. Nguyễn ị Kim ái, Lương ị Mai Hương. Đánh giá

thực trạng quản lý chất thải rắn tại các làng nghề tái chế

14 Chuyên đề IV, tháng 12 năm 2020

KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU KHOA HỌC

VÀ ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ

4. Azimi, A., Azari, A., Rezakazemi, M., Ansarpour, M. 7. Stumm W. and Morggan J. J. Chemical Aspects of

Removal of Heavy Metals from Industrial Wastewaters: A

Review. ChemBioEng Rev, 4, (1), (2017), pp. 1–24.

Coagulation. J. American Wks Ass, 58, (8), (1962), pp.

971-994.

5. Nathaniel P. Homan, Peter G. Green, omas M. Young. 8. Jana Naceradska, Lenka Pivokonska and Martin Pivokonsky.

Evaluating ferrous chloride for removal of chromium from

On the importance of pH value in coagulation. Journal of

Water Supply: Research and Technology, (2019).

9. Bache, D. H. & Gregory, R. Flocs and separation processes

in drinking water treatment: a review. Journal of Water

Supply: Research and Technology–AQUA , 59, (1), (2010),

pp.16–30.

ion-exchange waste brines. Journal Awwa, (2017), pp. 43–

54.

6. Gang Qin, Michael J. Mcguire, Nicole K. Blute, Chad

Seidel, Leighton Fong. Hexavalent chromium removal by

reduction with ferrous sulfate, coagulation and ﬁltration :

A pilot-scale study. Environ. Sci. Technol., 39, (2005), pp.

6321–6327.

APPLICATION OF FLOCCULATION PROCESS FOR ALUMINUM

RECYCLING VILLAGE WASTEWATER TREATMENT- A CASE STUDY

Do Tien Anh

Vietnam Meteorological and Hydrological Administration

Nguyen Minh Ngoc, Tran Ti Tu Lan, Hoang Ti Bich Hoan, Le Ti Linh

Institute of Environmental Technology, Vietnam Academy of Science and Technology

ABSTRACT

Metal recycling villages are quite popular in Vietnam. Wastewater from the recycling activities in these

villages contains heavy metals such as Al³⁺, Cr³⁺, Cr⁶⁺and discharged without treatment to natural reservoirs,

posing great threats to human and environment. Flocculation process is reported in many literatures as one

of the most popular methodologies for heavy metal treatment in wastewater. is study research a case study

of using ﬂocculation methods for wastewater treatment in Binh Yen, an aluminum recycling village in Nam

Dinh province in Vietnam. Also, the precipitation from the ﬂocculation process which contains Al and Cr

would be captured to make photo catalyst used in wastewater treatment. e concentration of Al and Cr in

the wastewater in Binh Yen is 548-900 mg/L and 52-80 mg/L, respectively. e results of the research showed

that the removal eﬃciencies of Al and Cr in wastewater would be achieved at 99% and 90% with FeCl as

ﬂocculation agent which are much higher than using PAC as ﬂocculation agent. It is proved that at condit²ion

of pH = 6.47 for Al and 6.57 for Cr, the precipitation from ﬂocculation process could be used for photo

catalyst production. e aluminum recovery rate for photo catalyst production could be achieved at 98,97%.

Key words: Recycling village, heavy metal treatment, ﬂocculation, adsorption .

Chuyên đề IV, tháng 12 năm 2020 15

8 trang yennguyen 19860 Free

Download

Bạn đang xem tài liệu "Nghiên cứu khả năng xử lý Al, Cr trong nước thải làng nghề tái chế nhôm bằng phương pháp keo tụ", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên

File đính kèm:

nghien_cuu_kha_nang_xu_ly_al_cr_trong_nuoc_thai_lang_nghe_ta.pdf