- BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Trần Lệ Minh NGHIÊN CỨU XỬ LÝ KIM LOẠI NẶNG TRONG NƯỚC BẰNG VẬT LIỆU NGUỒN GỐC THỰC VẬT LUẬN ÁN TIẾN SĨ CÔNG NGHỆ MÔI TRƯỜNG Hà Nội – 2012 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Trần Lệ Minh NGHIÊN CỨU XỬ LÝ KIM LOẠI NẶNG TRONG NƯỚC BẰNG VẬT LIỆU NGUỒN GỐC THỰC VẬT Chuyên ngành: Công nghệ môi trường nước và nước thải Mã số LUẬN ÁN TIẾN SĨ CÔNG NGHỆ MÔI TRƯỜNG NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. - Huỳnh Trung Hải đã giúp đỡ định hướng nghiên cứu và hướng dẫn hoàn thành luận án. - Mikiya Tanaka đã tạo điều kiện và hướng dẫn, giúp đỡ trong suốt quá trình thực hiện nghiên cứu tại nhóm thu hồi kim loại – Viện công nghệ quản lý môi trường, AIST - Nhật Bản. - Xin chân thành cảm ơn AIST – Nhật bản đã cho phép, tạo điều kiện và hỗ trợ kinh phí thực hiện nghiên cứu. - Xin chân thành cảm ơn các thày, cô giáo, các bạn đồng nghiệp trong Viện Khoa học và công nghệ môi trường đã động viên, đóng góp ý kiến và giúp đỡ hoàn thành luận án. - Hà Nội, ngày 20 tháng 11 năm 2011 Trần Lệ Minh iii MỤC LỤC Trang LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ii MỤC LỤC iii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT vi DANH MỤC CÁC BẢNG viii DANH MỤC CÁC HÌNH VÀ ĐỒ THỊ ix MỞ ĐẦU 1 Chương 1 - TỔNG QUAN TÀI LIỆU 4 1.1 Ô nhiễm kim loại nặng trong nước, ảnh hưởng của chúng đến con người và môi trường 4 1.1.1 Nguồn gây ô nhiễm kim loại nặng trong nước 4 1.1.2 Tác động của một số kim loại trong nước thải đến con người và môi trường 7 1.2 Một số phương pháp xử lý kim loại nặng trong nước thải 11 1.2.1 Phương pháp kết tủa 12 1.2.2 Phương pháp trao đổi ion 13 1.2.3 Phương pháp hấp phụ 14 1.2.4 Phương pháp sinh học 15 1.2.5 Một số phương pháp khác 16 1.3 Xử lý kim loại nặng bằng vật liệu hấp phụ nguồn gốc thực vật 16 1.3.1 Cơ sở của phương pháp 17 1.3.2 Một số yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hấp phụ ion kim loại nặng trong dung dịch bằng sinh khối của thực vật Ảnh hưởng của thời gian tiếp xúc Ảnh hưởng của pH Ảnh hưởng của tốc độ khuấy trộn Ảnh hưởng của nhiệt độ Ảnh hưởng của một số yếu tố khác 20 1.3.3 Một số phương trình đẳng nhiệt mô tả phản ứng hấp phụ sinh học Phương trình đẳng nhiệt Langmuir Phương trình đẳng nhiệt Freundlich Phương trình đẳng nhiệt BET Phương trình đẳng nhiệt Redlich-Peterson 23 1.3.4 Một số phương trình động học mô tả phản ứng hấp phụ Mô hình động học bậc Mô hình động học bậc Một số cơ chế hấp phụ kim loại nặng bằng sinh khối của thực vật 25 1.3.6 Tình hình nghiên cứu sử dụng sinh khối khô của thực vật để loại bỏ kim loại nặng trong dung dịch 27 iv Chương 2 - PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ QUY TRÌNH THỰC NGHIỆM 33 2.1 Hóa chất, thiết bị và vật liệu hấp phụ 33 2.1.1 Hóa chất và thiết bị 33 2.1.2 Vật liệu hấp phụ 33 2.2 Phương pháp nghiên cứu 35 2.2.1 Thực nghiệm hấp phụ gián đoạn 35 2.2.2 Thực nghiệm hấp phụ liên tục trên cột 36 2.3 Phương pháp đo và phân tích 37 2.4 Quy trình thực nghiệm 37 2.4.1 Xác định ảnh hưởng của thời gian tiếp xúc tới hiệu suất xử lý 37 2.4.2 Xác định ảnh hưởng của pH đến hiệu suất xử lý 38 2.4.3 Xác định ảnh hưởng của một số ion 38 2.4.4 Xác định ảnh hưởng của nồng độ kim loại ban đầu 38 2.4.5 Xác định ảnh hưởng của kích thước vật liệu 38 2.4.6 Xác định ảnh hưởng của nhiệt độ 38 2.4.7 Xác định đẳng nhiệt hấp phụ 38 2.4.8 Xác định khả năng giải hấp phụ, tái sử dụng vật liệu 39 2.5 Xử lý thống kê và biểu diễn các số liệu thực nghiệm 40 Chương 3 - KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN VỀ KHẢ NĂNG XỬ LÝ MỘT SỐ ION KIM LOẠI TRONG DUNG DỊCH BẰNG SINH KHỐI KHÔ CỦA CÂY DƯƠNG XỈ VÀ CỎ LÁC 41 3.1 Xác định thành phần và cấu trúc của vật liệu 41 3.2 Nghiên cứu một số yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất xử lý ion kim loại trong dung dịch 42 3.2.1 Ảnh hưởng của thời gian tiếp xúc tới hiệu quả xử lý 42 3.2.2 Ảnh hưởng của pH đến hiệu suất xử lý 44 3.2.3 Ảnh hưởng của nồng độ ion kim loại ban đầu 49 3.2.4 Ảnh hưởng của nhiệt độ và xác định các thông số nhiệt động học của quá trình 51 3.2.5 Ảnh hưởng của kích thước vật liệu 53 3.2.6 Ảnh hưởng của tỉ lệ rắn – lỏng 54 3.2.7 Đẳng nhiệt hấp phụ 56 3.2.8 Ảnh hưởng của một số ion 60 3.3 Nghiên cứu quá trình giải hấp phụ 61 3.4 Nghiên cứu quá trình tách ion kim loại nặng từ dung dịch trên cột hấp phụ 65 3.4.1 Ảnh hưởng của nồng độ ion kim loại trong dòng chảy 67 3.4.2 Ảnh hưởng của lưu lượng dòng vào 68 3.4.3 Nghiên cứu quá trình giải hấp phụ trên cột 70 3.4.4 Nghiên cứu khả năng tái sử dụng vật liệu 72 3.4.5 Nghiên cứu xử lý Pb(II) trong nước thải bằng vật liệu P1M 73 v 3.5 Động học của quá trình hấp phụ ion kim loại nặng trong dung dịch bởi F1M và P1M 74 KẾT LUẬN 80 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN 82 TÀI LIỆU THAM KHẢO 83 PHỤ LỤC 93 Phụ lục 1 – Một số hình ảnh khi tiến hành thực nghiệm 93 Phụ lục 2 – Đặc tính của vật liệu P1M và F1M 96 PL2a. - Xác định diện tích bề mặt vật liệu theo phương pháp BET 97 PL2c. - Phân tích thành phần nguyên tố C, N, H, O trong vật liệu 105 Phụ lục 3 – Một số số liệu thực nghiệm 113 Phụ lục 4 – Giá trị giới hạn cho phép của một số thông số và nồng độ kim loại 116 Phụ lục 5 – Đặc trưng của chì, đồng, kẽm, cadimi, niken và crom 117 vi DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Danh mục các ký hiệu C nồng độ ion kim loại trong dung dịch, mg/L Ce nồng độ ion kim loại trong dung dịch ở trạng thái cân bằng, mg/L Cf nồng độ ion kim loại trong dung dịch sau khi hấp phụ, mg/L Co nồng độ ion kim loại trong dung dịch ban đầu, mg/L Cr nồng độ ion kim loại trong dung dịch sau khi giải hấp phụ, mg/L Cs nồng độ bão hòa của ion kim loại trong dung dịch, mg/L Ct nồng độ ion kim loại trong dung dịch tại thời điểm t, mg/L d đường kính của lỗ sàng phân loại, mm E hiệu suất xử lý. - H chiều cao của vật liệu hấp phụ trên cột k1 hằng số động học bậc 1 k2 hằng số động học bậc 2 KF hằng số đẳng nhiệt Freundlich mc khối lượng chất hấp phụ trong cột, g q hàm lượng ion kim loại bị hấp phụ trên vật liệu, mg/g Qb dung lượng thoát của cột, mg/g Qcol dung lượng của cột, mg/g qe hàm lượng ion kim loại bị hấp phụ trên vật liệu ở trạng thái cân bằng, mg/g Qm khả năng hấp phụ tối đa của vật liệu, mg/g qt dung lượng hấp phụ tại thời điểm t, mg/g R2 hệ số tương quan tt thời gian thoát, giờ v tốc độ thể tích, mL/h V thể tích dung dịch chứa ion kim loại chạy qua cột, mL Vc thể tích tầng chất hấp phụ trong cột , mL vn lưu lượng dòng giải hấp phụ, mL/h vii Vr thể tích dung dịch giải hấp phụ, mL Vt thể tích thoát, mL vv tốc độ vận hành, giờ-1 X khối lượng của vật liệu hấp phụ trên một đơn vị thể tích dung dịch, g/L η hiệu suất giải hấp phụ. - ηc hiệu suất giải hấp phụ trên cột. - Danh mục các chữ viết tắt BTNMT Bộ tài nguyên và môi trường FTIR Fourier Transform Infrared Spectroscopy g gam GD&ĐT giáo dục và đào tạo HUST Trường đại học Bách khoa Hà Nội INEST Viện khoa học và công nghệ môi trường L lít mg miligam mL mililít NXB nhà xuất bản pHbandau pH ban đầu pHcanbang pH cân bằng QCVN qui chuẩn Việt Nam TNHH trách nhiệm hữu hạn viii DANH MỤC CÁC BẢNG Trang Bảng 1.1 Một số nguồn phát sinh nước thải chứa kim loại nặng 4 Bảng 1.2 Thành phần nước thải của một số ngành công nghiệp 5 Bảng 1.3 Thành phần và tính chất nước thải của một số cơ sở sản xuất 6 Bảng 1.4 Hàm lượng kim loại nặng trong một số mẫu đất và mẫu bùn (mg/kg) 7 Bảng 1.5 Hàm lượng kim loại nặng trong một số mẫu rau (mg/kg) 8 Bảng 1.6 Nồng độ kim loại nặng trong nước mặt ở Hà Nội (μg/L) 8 Bảng 1.7 Nồng độ kim loại trong dòng ra đối với quá trình kết tủa một số kim loại trong nước 12 Bảng 1.8 Các dạng đường thẳng Langmuir 22 Bảng 3.1 Ảnh hưởng của pH cân bằng đến hiệu suất xử lý kim loại 46 Bảng 3.2 Giá trị pH50 đối với F1M và P1M 46 Bảng 3.3 Ảnh hưởng của tỉ lệ rắn – lỏng đến hiệu suất hấp phụ Zn(II) bởi P1M và Cr(VI) bởi F1M đối với dung dịch có nồng độ 100 mg/L 51 Bảng 3.4 Các thông số nhiệt động học đối với hấp phụ Cr(VI) bởi F1M và P1M 52 Bảng 3.5 Hiệu suất xử lý Pb(II) bởi F1M và P1M đối với một số kích thước vật liệu 53 Bảng 3.6 Hằng số đẳng nhiệt Langmuir và Freundlich khi sử dụng vật liệu F1M 58 Bảng 3.7 Hằng số đẳng nhiệt Langmuir và Freundlich khi sử dụng vật liệu P1M 59 Bảng 3.8 Khả năng hấp phụ kim loại nặng trong nước của F1M và P1M so với một số vật liệu khác 59 Bảng 3.9 Hằng số đẳng nhiệt Langmuir của Pb(II) và Cu(II) trong môi trường NO3- 0,5 N khi sử dụng vật liệu P1M 61 Bảng 3.10 Các thông số của quá trình hấp phụ Pb(II), Zn(II), Cd(II) 66 Bảng 3.11 Các thông số trên cột hấp phụ Pb(II) khi thay đổi tốc độ thể tích 69 Bảng 3.12 So sánh hiệu suất giải hấp phụ Pb(II), Zn(II), Cd(II) đối với thực nghiệm trên cột và theo mẻ 71 Bảng 3.13 Đặc tính nước thải đãi xỉ làng nghề Đông Mai 74 Bảng 3.14 Hằng số tốc độ hấp phụ bậc 1 và bậc 2 đối với Me(II) trên P1M 76 ix Bảng 3.15 Hằng số tốc độ hấp phụ bậc 1 và bậc 2 đối với Me(II) trên F1M 77 Bảng 3.16 Hằng số tốc độ hấp phụ bậc 1 và bậc 2 đối với Cr(VI) trên F1M và P1M 78 DANH MỤC CÁC HÌNH, ĐỒ THỊ Trang Hình 2.1 Cyclosorus gongyloder (Schkur) Link 34 Hình 2.2 Cyperus procerus Rottb. - 34 Hình 2.3 Sơ đồ khối qui trình thực nghiệm theo mẻ 35 Hình 2.4 Sơ đồ qui trình thực nghiệm trên cột hấp phụ 36 Hình 3.1 Ảnh SEM của vật liệu (a) F1M và (b) P1M 41 Hình 3.2 Phổ hồng ngoại của F1M và P1M 42 Hình 3.3 Ảnh hưởng của thời gian tiếp xúc đến hiệu suất xử lý Pb(II), Cu(II), Cd(II), Zn(II) và Ni(II). - (a) F1M (b) P1M 43 Hình 3.4 Ảnh hưởng của thời gian tiếp xúc đến hiệu suất xử lý Cr(VI) bởi F1M và P1M 44 Hình 3.5 Ảnh hưởng của pH ban đầu và pH cân bằng đến hiệu suất xử lý Pb(II), Cu(II), Cd(II), Zn(II) và Ni(II) bởi F1M (Co=50mg/L) 45 Hình 3.6 Ảnh hưởng của pH ban đầu và pH cân bằng đến hiệu suất xử lý Pb(II), Cu(II), Cd(II), Zn(II) và Ni(II) bởi P1M (Co=50mg/L) 45 Hình 3.7 Ảnh hưởng của pH ban đầu và pH cân bằng đến hiệu suất xử lý Cr(VI) bởi F1M và P1M 47 Hình 3.8 Biểu đồ các dạng tồn tại của Cr(VI) 48 Hình 3.9 Ảnh hưởng của nồng độ ion kim loại ban đầu đến hiệu suất hấp phụ Pb(II), Zn(II), Cd(II), Ni(II) và Cr(VI) bởi (a) P1M và (b) F1M khi tỉ lệ rắn-lỏng là 5 g/L 49 Hình 3.10 Ảnh hưởng của nồng độ ion kim loại ban đầu đến hiệu suất hấp phụ Pb(II), Zn(II) bởi P1M và Cr(VI) bởi F1M (a) khi tỉ lệ rắn/lỏng là 2,5 g/L và (b) khi tỉ lệ rắn-lỏng là 10 g/L 50 Hình 3.11 So sánh khả năng hấp phụ của Pb(II), Zn(II) bởi P1M và Cr(VI) bởi F1M khi tỉ lệ rắn-lỏng là 5 g/L 50 Hình 3.12 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến hiệu suất xử lý Pb(II), Cd(II) Zn(II), Ni(II) và Cr(VI) bởi (a) F1M và (b) P1M 51 x Hình 3.13 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến dung lượng hấp phụ Cr(VI) bởi F1M và P1M (Co= 50 mg/L) 52 Hình 3.14 Đồ thị biểu diễn lnKc và 1/T đối với hấp phụ Cr(VI) bằng F1M và P1M 53 Hình 3.15 Ảnh hưởng của tỉ lệ rắn - lỏng đến hiệu suất xử lý kim loại bởi F1M 54 Hình 3.16 Lượng ion kim loại hấp phụ trên F1M và tỉ lệ rắn/lỏng 54 Hình 3.17 Ảnh hưởng của tỉ lệ rắn - lỏng đến hiệu suất xử lý kim loại bởi P1M 55 Hình 3.18 So sánh lượng ion kim loại hấp phụ trên P1M khi thay đổi tỉ lệ rắn -lỏng 55 Hình 3.19 Đẳng nhiệt hấp phụ đối với cân bằng hấp phụ trên F1M 56 Hình 3.20 Đẳng nhiệt hấp phụ đối với cân bằng hấp phụ trên P1M 57 Hình 3.21 Đẳng nhiệt Langmuir khi sử dụng vật liệu là F1M 57 Hình 3.22 Đẳng nhiệt Freundlich khi sử dụng vật liệu là F1M 57 Hình 3.23 Đẳng nhiệt Langmuir khi sử dụng vật liệu là P1M 58 Hình 3.24 Đẳng nhiệt Freundlich khi sử dụng vật liệu là P1M 58 Hình 3.25 Ảnh hưởng của anion tới hiệu suất xử lý Pb(II), Zn(II) và Cr(VI) 60 Hình 3.26 Đẳng nhiệt Langmuir đối với Pb(II) và Cu (II) trong môi trường NO3- 0,5N 61 Hình 3.27 Khả năng giải hấp phụ chì và tái sử dụng F1M 62 Hình 3.28 Khả năng giải hấp phụ chì và tái sử dụng P1M 62 Hình 3.29 Khả năng giải hấp phụ kẽm và tái sử dụng P1M 63 Hình 3.30 Khả năng giải hấp phụ kẽm và tái sử dụng F1M 63 Hình 3.31 Khả năng giải hấp phụ cadimi và tái sử dụng F1M 64 Hình 3.32 Hiệu suất giải hấp phụ Cr(VI) trong F1M 64 Hình 3.33 Đường cong thoát đối với hấp phụ Zn và Pb bởi P1M (1 g) 65 Hình 3.34 Đường cong thoát đối với hấp phụ Cd(II) và Pb(II) bởi F1M (2 g) 66 Hình 3.35 Ảnh hưởng của nồng độ trong dòng chảy đến khả năng hấp phụ Pb(II) bởi P1M (cột 1 g, H= 7,7 cm, v = 22 mL/h) 67 Hình 3.36 Ảnh hưởng của nồng độ trong dòng chảy đến khả năng hấp phụ Pb(II) bởi F1M (cột 2 g, H= 9,8 cm, v = 22 mL/h) 68 Hình 3.37 Ảnh hưởng tốc độ dòng chảy đến khả năng hấp phụ Pb(II) bởi F1M (cột 2 g, H = 9,8 cm, Pb=50 mg/L) 68 xi Hình 3.38 Ảnh hưởng của tốc độ thể tích đến quá trình hấp phụ Pb(II) bởi P1M (cột 4g-Pb50mg/L, H=7,7 cm) 69 Hình 3.39 Giải hấp phụ (a) Cd(II) trên F1M và (b) Zn(II) trên P1M 70 Hình 3.40 Giải hấp phụ Pb(II) trên P1M và F1M 71 Hình 3.41 Ảnh hưởng của lưu lượng dòng đến quá trình hấp phụ Pb(II) bởi P1M (cột 4g-Pb50 mg/L) 71 Hình 3.42 (a) Hấp phụ và (b) giải hấp phụ Pb(II) khi tái sử dụng P1M (Co=25 mg/L, H= 7,7 cm, vv mL/h, vn=46,3÷72,1 mL/h) 72 Hình 3.43 (a) Hấp phụ và (b) giải hấp phụ Pb(II) khi tái sử dụng P1M (Co=50 mg/L, H=7,7 cm, vv mL/h, vn=39,1÷53,0 mL/h) 72 Hình 3.44 (a) Hấp phụ và (b) giải hấp phụ Pb(II) khi tái sử dụng F1M (Co=25 mg/L, H=9,8cm, vv mL/h, vn=47,9÷70,8 mL/h) 73 Hình 3.45 (a) Hấp phụ và (b) giải hấp phụ Pb(II) trong nước đãi xỉ 74 Hình 3.46 Giả động học bậc 1 đối với hấp phụ Me(II) trên P1M (Co= 50 mg/L, nhiệt độ: 25oC, tốc độ lắc: 140 vòng/phút, tỉ lệ rắn - lỏng: 5 g/L) 75 Hình 3.47 Giả động học bậc 2 đối với hấp phụ Me(II) trên P1M (Co= 50 mg/L, nhiệt độ: 25oC, tốc độ lắc: 140 vòng/phút, tỉ lệ rắn - lỏng: 5 g/L) 75 Hình 3.48 Giả động học bậc 1 đối với hấp phụ Me(II) trên F1M (Co= 50 mg/L, nhiệt độ: 25oC, tốc độ lắc: 140 vòng/phút, tỉ lệ rắn - lỏng: 5 g/L) 76 Hình 3.49 Giả động học bậc 2 đối với hấp phụ Me(II) trên F1M (Co= 50 mg/L, nhiệt độ: 25oC, tốc độ lắc: 140 vòng/phút, tỉ lệ rắn - lỏng: 5 g/L) 76 Hình 3.50 Giả động học bậc 1 đối với hấp phụ Cr(VI) trên F1M và P1M (Co= 50 mg/L, nhiệt độ: 25oC, tốc độ lắc: 140 vòng/phút, tỉ lệ rắn - lỏng: 5 g/L) 77 Hình 3.51 Giả động học bậc 2 đối với hấp phụ Cr(VI) trên F1M và P1M (Co= 50 mg/L, nhiệt độ: 25oC, tốc độ lắc: 140 vòng/phút, tỉ lệ rắn - lỏng: 5 g/L) 77 Hình PL2.1 Phổ hồng ngoại của vật liệu F1M trước và sau khi hấp phụ Pb, Zn, Cr 93 Hình PL2.2 Phổ hồng ngoại của vật liệu P1M trước và sau khi hấp phụ Pb, Zn, Cr 93 1 MỞ ĐẦU 1 Tính cấp thiết của đề tài Ion kim loại nặng và những hợp chất của chúng được biết đến như các chất độc tiềm ẩn tồn tại lâu dài trong thiên nhiên và có khả năng tích tụ trong cơ thể sinh vật [138]. - Sự có mặt của các ion kim loại nặng độc hại trong nước thải công nghiệp được đặc biệt quan tâm trong những năm gần đây. - Kim loại nặng tồn tại trong nước thải của nhiều ngành công nghiệp, đặc biệt là nước thải của công nghiệp mạ, công nghiệp điện tử và công nghiệp khai khoáng, luyện kim, cơ khí. - Khi ở nồng độ cao, các ion kim loại nặng trong nước gây những tác động xấu tới các hoạt động và quá trình duy trì các nguồn nước trong thiên nhiên [26]. - Một số ion kim loại nặng độc hại như đồng, chì, cadimi, crom. - Những kim loại này không có khả năng phân hủy sinh học và có xu hướng tích tụ trong cơ thể sống. - Những tác động do độc cấp tính thường biểu hiện rất nhanh khi tiếp xúc với các kim loại ở một liều lượng nhất định. - Một số kim loại nặng trở nên rất độc khi chúng kết hợp với một hoặc nhiều kim loại khác trong điều kiện môi trường đặc biệt. - Chì là một trong những kim loại nặng độc nhất được biết đến từ lâu. - Một trong những nguyên nhân quan trọng gây ra biến đổi về gen của các sinh vật là sự kết hợp của một số kim loại nặng trong nước với các hợp chất hữu cơ. - Khi đã xâm nhập vào cơ thể, chúng sẽ gây một số biến đổi gen và sản sinh ra các tế bào bất bình thường. - Mặc dù sự có mặt của một số kim loại nặng ở một mức độ nào đó là cần thiết cho sự phát triển và tồn tại của sinh vật sống nhưng chúng sẽ gây ra những phản ứng tiêu cực khi hàm lượng vượt quá giới hạn cho phép. - Chính vì vậy, việc áp dụng các phương pháp xử lý nhằm giảm thiểu hoặc loại bỏ kim loại nặng ra khỏi môi trường là cần thiết và ngày càng được quan tâm để bảo vệ môi trường sống và sức khỏe cộng đồng. - Các phương pháp hóa lý và hóa học để xử lý kim loại nặng trong nước đã được biết đến như phương pháp kết tủa hóa học, điện hóa, trao đổi ion, hấp thụ sinh học, hấp phụ cộng kết hóa học. - Mỗi phương pháp đều có ưu nhược điểm nhất định và phạm vi ứng dụng khác nhau. - Vì vậy, việc nghiên cứu và tìm kiếm các phương pháp xử lý hiệu quả và kinh tế hơn là việc làm cấp thiết của các nhà khoa học. - Trong những năm gần đây, nghiên cứu tách các kim loại trong nước bằng các vật liệu tự nhiên là một trong những hướng nghiên cứu mới, thân thiện với môi trường vì ít phải bổ sung hoá chất vào dòng thải nên không gây ảnh hưởng thứ cấp tới môi trường mà còn có thể thu hồi kim loại. - Một số vật liệu giá thành thấp đã được các nhà nghiên cứu ở nhiều nước nghiên cứu để xử lý kim loại nặng trong nước. - Các kết quả nghiên cứu đã chứng minh rằng những vật 2 liệu có sẵn ở địa phương có thể sử dụng để thay thế vật liệu hấp phụ đắt tiền. - Do đó, những nghiên cứu tìm tòi về lĩnh vực này vẫn luôn được quan tâm và việc phát hiện khả năng loại bỏ kim loại của những loài thực vật bản địa ít giá trị kinh tế sẽ mang lại lợi ích môi trường và cả lợi ích kinh tế [126]. - 2 Mục đích, mục tiêu nghiên cứu của luận án Nghiên cứu tìm kiếm một số loài thực vật ở Việt Nam và sử dụng sinh khối khô của chúng như vật liệu sinh học giá thành thấp, thân thiện với môi trường để xử lý Pb(II), Cu(II), Cd(II), Zn(II), Ni(II) và Cr(VI) trong môi trường nước, phát triển công nghệ xử lý kim loại nặng trong nước theo hướng ít bổ sung hóa chất vào dòng thải và không tạo bùn thải. - Mục tiêu: nghiên cứu sử dụng sinh khối khô của cỏ lác và cây dương xỉ làm vật liệu xử lý Pb(II), Cu(II), Cd(II), Zn(II), Ni(II) và Cr(VI) trong nước. - 3 Đối tượng, phương pháp và phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu. - Vật liệu: sinh khối cây cỏ lác được thu gom ở tỉnh Hà Tĩnh và cây dương xỉ được thu gom ở tỉnh Thái Bình. - Các ion kim loại nặng: chì, đồng, cadimi, kẽm, niken và crom là những kim loại có độc tính cao, thường có mặt trong nhiều loại nước thải công nghiệp nên được lựa chọn nghiên cứu nhằm đánh giá khả năng sử dụng sinh khối cây cỏ lác và cây dương xỉ để tách chúng ra khỏi nước. - Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm, phương pháp phân tích, phương pháp thống kê và đồ họa được sử dụng. - Phạm vi nghiên cứu: trong phòng thí nghiệm. - Thực nghiệm được tiến hành tại phòng thí nghiệm nghiên cứu và phát triển công nghệ môi trường – INEST/HUST và nhóm thu hồi kim loại – Viện công nghệ quản lý môi trường, AIST, Nhật Bản. - 4 Nội dung nghiên cứu - Lựa chọn nguyên liệu và chế tạo vật liệu. - Phân tích cấu trúc của vật liệu. - Khảo sát sơ bộ đối với một số vật liệu tự nhiên. - Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng (pH, thời gian tiếp xúc, tỉ lệ rắn - lỏng, nhiệt độ phản ứng, ảnh hưởng của một số ion trong dung dịch, nồng độ ion kim loại trong dung dịch, kích thước vật liệu. - đến hiệu suất xử lý những kim loại đã lựa chọn. - 3 - Xây dựng đường hấp phụ đẳng nhiệt, xác định dung lượng hấp phụ cực đại, động học của quá trình. - Nghiên cứu khả năng giải hấp phụ thu hồi kim loại. - Nghiên cứu khả năng tái sử dụng vật liệu. - Nghiên cứu ứng dụng hấp phụ và giải hấp phụ trên cột hấp phụ. - 5 Những đóng góp mới của luận án - Đã sàng lọc và tìm kiếm 2 loài thực vật ở Việt Nam là cây cỏ lác và cây dương xỉ có khả năng làm vật liệu xử lý kim loại nặng trong nước. - Xây dựng quy trình chế tạo vật liệu và phân tích cấu trúc (phổ hồng ngoại, diện tích bề mặt, thành phần nguyên tố, hình ảnh SEM) của 2 loại vật liệu hấp phụ. - Đã làm sáng tỏ ảnh hưởng của các yếu tố môi trường như pH, thời gian tiếp xúc, tỉ lệ rắn – lỏng, nhiệt độ, nồng độ ion kim loại trong dung dịch. - đến hiệu quả xử lý Pb(II), Cd(II), Cu(II), Zn(II), Ni(II) và Cr(VI) khi sử dụng sinh khối khô của cây cỏ lác và cây dương xỉ làm vật liệu hấp phụ trong một số điều kiện khác nhau. - Xác định dung lượng hấp phụ của vật liệu. - Đưa ra cơ chế và kết quả nghiên cứu về động học hấp phụ Pb(II), Cd(II), Cu(II), Zn(II), Ni(II) và Cr(VI) bởi 2 vật liệu đã chế tạo từ 2 loài thực vật đã lựa chọn, góp phần ứng dụng trong kỹ thuật xử lý nước thải. - Xác định khả năng xử lý một số kim loại nặng với dòng liên tục cũng như khả năng giải hấp phụ và tái sử dụng vật liệu. - 6 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn - Tiếp cận hướng nghiên cứu mới, sử dụng vật liệu tự nhiên giá thành thấp, thân thiện với môi trường, ít phải bổ sung hoá chất vào dòng thải và không gây ảnh hưởng thứ cấp tới môi trường mà còn có thể thu hồi kim loại. - Đóng góp 2 loại vật liệu mới vào danh sách những vật liệu sinh học có khả năng loại bỏ kim loại nặng trong nước. - Góp phần nâng cao hiểu biết về vấn đề loại bỏ kim loại nặng bằng vật liệu sinh học, đặc biệt là sinh khối khô của thực vật bản địa. - Các kết quả nghiên cứu về khả năng loại bỏ Pb(II), Cd(II), Cu(II), Zn(II), Ni(II) và Cr(VI) bởi 2 loại vật liệu góp phần ứng dụng trong xử lý nước và nước thải. - Các kết quả về hấp phụ và giải hấp phụ Pb(II) trong nước đối với dòng liên tục có ý nghĩa không chỉ đối với việc xử lý nước thải chứa chì mà còn có ý nghĩa thu hồi kim loại này.
Xem thử không khả dụng, vui lòng xem tại trang nguồn hoặc xem
Tóm tắt