GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ 8
MỤC ĐÍCH ĐỀ TÀI
Nghiên cứu điều chế thành công vật liệu Ceramic và Creamic sắt
Kết quả xử lý các chỉ tiêu pH, As(V), Cu, Pb, Zn, Cd của vật liệu hấp phụ
PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Phương pháp khảo cứu tài liệu bao gồm việc sử dụng các nguồn tài liệu như sách, nghiên cứu khoa học, tạp chí và bài báo khoa học trong và ngoài nước Quá trình này tập trung vào việc chọn lọc và tổng hợp thông tin về kim loại nặng, vật liệu Polyme – Sắt, cũng như tình hình nghiên cứu liên quan đến xử lý kim loại nặng qua phương pháp hấp phụ Mục tiêu là xác định hướng nghiên cứu phù hợp cho các vấn đề liên quan.
Phương pháp thực nghiệm được thực hiện thông qua các thí nghiệm khảo sát theo trình tự logic, đảm bảo thời gian thực hiện đầy đủ và kết quả mang tính đại diện, khách quan, đồng thời giảm thiểu sai số Quá trình này áp dụng cả hai kỹ thuật hấp phụ: gián đoạn theo mẻ và qua cột vật liệu cố định, nhằm cung cấp cái nhìn tổng quan và khả năng ứng dụng thực tế.
Phương pháp toán học: Xử lý các số liệu thực nghiệm, tính toán các thông số cho quá trình hấp phụ
Phương pháp đồ thị sử dụng số liệu toán học và dữ liệu thực nghiệm để cung cấp cái nhìn trực quan và toàn diện về kết quả đạt được Phương pháp này giúp dễ dàng phân tích và đánh giá các thông tin, từ đó xác định hướng nghiên cứu hợp lý nhất.
NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
2.3.1 NGUYÊN VẬT LIỆU THÍ NGHIỆM
2.3.1.1 Đất sét Đất sét hay sét là một thuật ngữ được dùng để miêu tả một nhóm các khoáng vật phyllosilicat nhôm ngậm nước thông thường có đường kính hạt nhỏ hơn 2μm (micromét)
Đất sét là loại khoáng chất phyllosilicat chứa ôxít và hiđrôxít của silic và nhôm, với cấu trúc và thành phần thay đổi tùy theo loại Được hình thành chủ yếu từ quá trình phong hóa hóa học của đá silicat dưới tác động của axít cacbonic, đất sét cũng có thể xuất hiện do hoạt động thủy nhiệt Với kích thước nhỏ, khả năng hút nước và độ dẻo cao, đất sét được phân loại thành các nhóm chính như kaolinit, montmorillonit-smectit, illit và chlorit Đất sét mềm dẻo khi ẩm và trở nên rắn chắc khi khô hoặc nung ở nhiệt độ cao, làm cho nó trở thành nguyên liệu lý tưởng cho đồ gốm sứ bền vững Từ thời tiền sử, con người đã sử dụng đất sét để tạo ra các đồ vật như bình đựng nước và hiện nay, đất sét được ứng dụng rộng rãi trong sản xuất gạch, ngói, đồ tạo tác nghệ thuật, bát đĩa và cả nhạc cụ Ngoài ra, đất sét còn được sử dụng trong nhiều ngành công nghiệp như sản xuất giấy, xi măng và gốm sứ.
SVTH: Trương Tấn Phát Trang 10
Nguồn đất sét cho nghiên cứu này được khai thác từ lò gạch tại khu phố Tân Hòa, phường Đông Hòa, thị xã Dĩ An, Bình Dương Đây là loại đất sét tự nhiên có màu đỏ da cam.
Việt Nam có nền văn minh lúa nước lâu đời, nơi cây lúa không chỉ là nguồn thực phẩm chính mà còn mang lại nhiều giá trị cho đời sống người dân Sau khi thu hoạch, các phần còn lại của cây lúa được tận dụng hiệu quả; rơm được dùng để lợp nhà, làm thức ăn cho gia súc, chất đốt, hoặc ủ thành phân, trong khi trấu được sử dụng làm chất đốt, trộn với đất sét để xây dựng, và cung cấp nhiệt cho sản xuất với chi phí thấp.
Trấu, lớp vỏ ngoài cùng của hạt lúa, được tách ra trong quá trình xay xát và chứa khoảng 75% chất hữu cơ dễ bay hơi, cháy trong quá trình đốt, trong khi 25% còn lại chuyển thành tro Thành phần chính của vỏ trấu bao gồm cellulose, lignin và hemi-cellulose, với cellulose chiếm khoảng 35-40% và lignin chiếm khoảng 25-30% Ngoài ra, vỏ trấu còn chứa hợp chất nitơ và các thành phần vô cơ khác.
Trấu là nguồn nguyên liệu dồi dào và giá rẻ, với sản lượng lúa toàn quốc năm 2007 đạt 37 triệu tấn, bao gồm 17,7 triệu tấn lúa đông xuân, 10,6 triệu tấn lúa hè thu và 8,7 triệu tấn lúa mùa Sau quá trình xay xát, lượng vỏ trấu thu được tương đương 7,4 triệu tấn, trong đó khu vực đồng bằng sông Cửu Long có thể thu gom từ 1,4 đến 1,6 triệu tấn trấu vào năm 2006.
Trấu chứa các chất hữu cơ với mạch polycarbohydrat dài, khiến hầu hết sinh vật không thể sử dụng trực tiếp, nhưng lại dễ cháy và có thể làm chất đốt hiệu quả Sau khi đốt, tro trấu chứa hơn 80% silic oxít, thành phần quan trọng trong nhiều lĩnh vực Trấu thường được sử dụng trong sản xuất tiểu thủ công nghiệp và chăn nuôi, đặc biệt là làm chất đốt cho việc nấu thức ăn cho cá và lợn, nấu rượu, cũng như trong sản xuất gạch tại khu vực đồng bằng sông Cửu Long.
SVTH: Trương Tấn Phát Trang 11
Trấu là một nguồn nguyên liệu phong phú và có chi phí thấp, được ứng dụng đa dạng trong đời sống người Việt Nam Việc nghiên cứu và ứng dụng trấu trong sản xuất không chỉ mang lại hiệu quả kinh tế cao mà còn giúp tiết kiệm chi phí Hiện nay, ở nhiều tỉnh, đặc biệt là đồng bằng sông Cửu Long, trấu vẫn dồi dào, do đó cần tăng cường nghiên cứu để mở rộng khả năng sử dụng nguyên liệu này, vừa tiết kiệm chi phí sản xuất vừa bảo vệ môi trường Trấu được sử dụng trong nghiên cứu này được thu thập tại Xã Thạnh Phú, huyện Vĩnh Cửu, tỉnh Đồng Nai, với hàm lượng chất rắn bay hơi là 85% và khối lượng riêng là 370kg/m³, đã được phân tích tại phòng thí nghiệm môi trường, trường ĐH SPKT TPHCM.
Phương pháp phân tích các chỉ tiêu
Các chỉ tiêu cần được phân tích như là: pH, Asen (As), sắt (Fe), Đồng (Cu), Chì (Pb), Kẽm (Zn), Cadimi (Cd)
Bảng 1 Phương pháp phân tích các chỉ tiêu
STT Tên chỉ tiêu Phương pháp phân tích
2 Asen TCVN 6182: 1996 (ISO 6595: 1982) Phương pháp quang phổ dùng bạc dietydithiocacbanat
3 Sắt (Fe 2+ , Fe 3+ ) TCVN 6177-1996 (ISO 6332-1988) Phương pháp trắc phổ dùng thuốc thử 1.10-phenanthroline
TCVN 6193-1996 (ISO 8288-1986) hoặc SMEWW 3500-Cu Phương pháp cực phổ sử dụng đường chuẩn
TCVN 6193-1996 (ISO 8286-1986) hoặc SMEWW 3500-Pb A Phương pháp cực phổ sử dụng đường chuẩn
6 Kẽm TCVN 6193-1996 (ISO 8288-1989) Phương pháp cực phổ sử dụng đường chuẩn
SVTH: Trương Tấn Phát Trang 12
TCVN 6197-1996 (ISO 5961-1994) hoặc SMEWW 3500-Cd Phương pháp cực phổ sử dụng đường chuẩn
2.3.2 DỤNG CỤ, THIẾT BỊ VÀ HÓA CHẤT THÍ NGHIỆM
Cốc thủy tinh các loại: 100ml, 250ml, 500ml ( Đức)
Bình định mức 50ml ( Đức)
Ống đong 10ml, 50ml của hãng Schott (Đức)
Pipet 1 ml, 2 ml, 5 ml, 10 ml của hãng Schott (Đức)
Erlen 100 ml của hãng schott (Đức)
Giấy lọc Qualitative No103, hiệu UNI – Sci
Bình tia, đũa thủy tinh, bóp cao su
Bảng 2 – Các thiết bị sử dụng
STT Tên thiết bị Hãng sản xuất
1 Máy đo Ph Inolab Inolab – WTW
2 Tủ sấy Ecocell – Medcenter Einrichtungen GmbH MMM group
4 Máy lắc IKA (K) KS 260 basic
5 Tủ hút Airstream Esco ductless Fume Cabinet
6 Máy UV – VIS Biochrom Libra S32
7 Tủ lạnh GR – 242MVF LG
8 Cân phân tích 4 số Sartorius BL 210S
9 Cân kỹ thuật 2 số Adventure TM Pro OHAUS
SVTH: Trương Tấn Phát Trang 13
10 Máy cô quay chân không Laborata 4000 – efficient – heidolpH
11 Máy khuấy từ gia nhiệt T.ARE VELP scientifica
12 Máy cất nước Water still Aquatron |A4000D|
15 Máy cực phổ Model 797 VA Computrace của hãng Metrohm –
Bảng 3 – Các hóa chất sử dụng
T Tên Công thức hóa học Khối lượng mol
4 Na - EDTA (Disodium ethylendiamin tetraaxetate) C10H14O8N2Na2.2H2O 372
SVTH: Trương Tấn Phát Trang 14
21 Iron (III) nitrate Fe(NO3)3
Trước khi tiến hành thí nghiệm, cần phải rửa sạch tất cả các dụng cụ thuỷ tinh như erlen, cốc và pipet Sau đó, những dụng cụ này cần được tráng lại bằng nước cất và sấy khô trước khi sử dụng.
Khi thực hiện thí nghiệm với hóa chất độc hại, việc trang bị đầy đủ dụng cụ bảo hộ là rất quan trọng Người thực hiện cần mặc áo blouse, sử dụng găng tay cao su và đeo khẩu trang để đảm bảo an toàn cho sức khỏe.
2.3.3.1 Chuẩn bị nguyên vật liệu
Đất sét sau khi thu hoạch sẽ có dạng ẩm ướt, được cán thành lát mỏng và sấy khô ở nhiệt độ 110 độ C Sau khi sấy khô, đất sét được xay nhuyễn thành bột và rây lại để đảm bảo độ đồng nhất trước khi sử dụng.
Khối lượng riêng đo được là 760 kg/m 3 , cách đo như sau:
Cho đất sét vào ống đong 10ml đúng mức, xốc nhẹ cho có độ nén tự nhiên
Cân xác định khối lượng của khối vật liệu có thể tích 10 ml bằng cách sử dụng cân ống đong Đầu tiên, cân ống đong trước khi cho vật liệu vào, sau đó cân lại sau khi đã thêm vật liệu Cuối cùng, trừ đi độ chênh lệch khối lượng để xác định khối lượng chính xác của vật liệu.
Ta có: khối lượng riêng = khối lượng (mg) / thể tích (ml)
SVTH: Trương Tấn Phát Trang 15
Vỏ trấu sau khi lấy về đem nghiền nhỏ, ray lấy các cỡ hạt khác nhau để sử dụng:
Khối lượng riêng đo được là 370 kg/m 3
2.3.3.2 Điều chế vật liệu Ceramic hoạt hóa
Hoạt hóa bề mặt cho Ceramic
Quy trình hoạt hóa bề mặt Ceramic được tiến hành cụ thể như sau:
Trộn trấu và đất sét với tỉ lệ khác nhau theo bảng sau:
Bảng 4 – Các tỷ lệ trộn trấu và đất sét
Mẫu Tỉ lệ trấu : sét
Hạt Ceramic Khối Ceramic Hỗn hợp đất sét + trấu + nước
SVTH: Trương Tấn Phát Trang 16
Thêm nước cất vào hỗn hợp và trộn đều cho đến khi đạt được dạng huyền phù hoàn toàn Nung hỗn hợp trong lò ở nhiệt độ 800 o C trong 6 giờ, sau đó để nguội ở nhiệt độ phòng để thu được khối Ceramic Tiếp theo, nghiền khối Ceramic và phân loại theo kích thước hạt khác nhau: C15 (< 0,15 mm), C20 (0,15 ÷ 0,2 mm) và C45 (0,2 ÷ 0,45 mm).
Bảng 5 – Ký hiệu mẫu Ceramic sau khi nung
Kích thước Ceramic sau nung, mm
SVTH: Trương Tấn Phát Trang 17
SVTH: Trương Tấn Phát Trang 18
0,2 ÷ 0,45 C45D0,3 Đem mẫu Ceramic đi rửa cho sạch hết cặn bẩn và huyền phù, sau đó đem sấy khô ở 105 o C, ta được mẫu vật liệu lọc Ceramic
Khảo sát tỷ lệ trấu tối ưu
So sánh tiết diện bề mặt và độ xốp của các mẫu Ceramic với tỷ lệ trấu khác nhau cho thấy rằng, để chọn được mẫu Ceramic tối ưu, cần xác định tỷ lệ trấu phù hợp, giúp đạt được tiết diện bề mặt và độ xốp tốt nhất.
Sau khi có được tỷ lệ trấu thích hợp, ta bắt đầu tiến hành điều chế Ceramic – Sắt bằng phương pháp cô quay chân không
2.3.3.3 Điều chế vật liệu Ceramic-sắt
Quy trình điều chế được tiến hành cụ thể như sau:
20g Ceramic + 70ml dung dịch Fe(NO3)3 9H2O và bắt đầu cô quay chân không
Bảng 6 – Các thông số cô quay chân không
Số vòng cô quay vòng/phút 120
Ceramic – Sắt khô Ceramic – Sắt ẩm
Ceramic dung dịch Fe(NO3)3 9H2O
SVTH: Trương Tấn Phát Trang 19
Sau khi cô quay, đem vật liệu đi sấy khô ở 105 o C rồi nung ở 600 o C trong 2h sau đó lấy ra để nguội ở nhiệt độ phòng
Rửa sạch bằng nước cất
Tiếp tục sấy khô ở 105 o C Cuối cùng ta được vật liệu Ceramic – Sắt
Khảo sát hiệu quả của Ceramic và Ceramic – Sắt
Khảo sát hiệu quả của Ceramic và Ceramic – Sắt trong việc xử lý Asen
Khảo sát hiệu quả của Ceramic – Sắt khi rửa và không rửa sau khi cô quay
Sau khi cô quay, mẫu được rửa sạch bằng nước cất và sấy khô ở 105 oC Điều này giúp so sánh hiệu quả xử lý Asen giữa mẫu đã rửa và mẫu không rửa sau khi cô quay.
Bảng 7 – Khảo sát hiệu quả xử lý asen của Ceramic – Sắt khi rửa và không rửa sau khi cô quay
Số vòng cô quay vòng/phút 120
Tỷ lệ trấu Tối ưu
Kích thước hạt Ceramic mm 0,2÷0,45
Lượng Fe 3+ tẩm vào mg 196
Thể tích nước cất cho vào cô quay ml 70
Nồng độ Fe 3+ tẩm vào M 0,05
Chú thích mẫu Rửa Không rửa
Nồng độ asen vào mg/l 1
SVTH: Trương Tấn Phát Trang 20
Khảo sát lượng sắt tẩm tối ưu
Bảng 8 – Khảo sát hiệu quả xử lý asen của Ceramic – Sắt theo hàm lượng sắt tẩm vào khác nhau
Số vòng cô quay vòng/phút 120
Tỷ lệ trấu Tối ưu
Lượng Fe 3+ tẩm vào mg 196 392 784 1176 1568
Thể tích nước cất cho vào cô quay ml 70
Nồng độ Fe 3+ tẩm vào M 0,05 0,1 0,2 0,3 0,4
Nồng độ asen vào mg/l 1
SVTH: Trương Tấn Phát Trang 21
Khảo sát cỡ hạt Ceramic tối ưu
Bảng 9 – Khảo sát hiệu quả xử lý asen của Ceramic – Sắt theo các cỡ hạt khác nhau
Số vòng cô quay vòng/phút 120
Tỷ lệ trấu Tối ưu
Kích thước hạt Ceramic mm 0,15÷0,2 0,2÷0,45 >0,45
Lượng Fe 3+ tẩm vào mg Tối ưu
Thể tích nước cất cho vào cô quay ml 70
Nồng độ Fe 3+ tẩm vào M Tối ưu
Nồng độ asen vào mg/l 1
SVTH: Trương Tấn Phát Trang 22
Khảo sát kích thước trấu tối ưu
Bảng 10 – Khảo sát hiệu quả xử lý asen của Ceramic – Sắt theo các kích thước trấu khác nhau
Số vòng cô quay vòng/phút 120
Tỷ lệ trấu Tối ưu
Kích thước hạt mm Tối ưu
Lượng Fe 3+ tẩm vào mg Tối ưu
Thể tích nước cất cho vào cô quay ml 70
Nồng độ Fe 3+ tẩm vào M Tối ưu
Nồng độ asen vào mg/l 1
SVTH: Trương Tấn Phát Trang 23
KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC
2.4.1 ĐIỀU CHẾ VẬT LIỆU CERAMIC – SẮT
2.4.1.1 Khảo sát hiệu quả của Ceramic và Ceramic-Sắt
Ceramic and ceramic-iron are both made from rice husk and clay, with the key difference being that ceramic-iron is treated with Fe(NO)3 salt The purpose of this iron treatment is to utilize the presence of Fe 3+ ions in the material, which have been shown to effectively absorb arsenic Research conducted by Luis Cumbal, John Greenleaf, David Leun, and Arup K SenGupta from the Department of Civil and Environmental Engineering at Lehigh University indicates that Fe 3+ ions possess a high capacity for arsenic adsorption.
2 loại vật liệu này ta có bảng sau:
Bảng 11: hiệu quả khử Asen của vật liệu ceramic và ceramic – Fe
Mẫu Co (mg/l) Ce (mg/l) Hiệu suất (%)
Nghiên cứu cho thấy, với nồng độ Asen đầu vào 1,01 mg/l, vật liệu ceramic-sắt có hiệu quả xử lý đạt 95,1%, gấp 5 lần so với vật liệu ceramic thông thường chỉ đạt 17,8% Điều này chứng tỏ rằng việc tẩm sắt vào vật liệu ceramic làm tăng đáng kể khả năng xử lý kim loại Khi Asen tiếp xúc với vật liệu ceramic-sắt, các phân tử Asen sẽ bị hấp phụ và giữ lại trên bề mặt, dẫn đến sự giảm nồng độ Asen trong nước.
SVTH: Trương Tấn Phát Trang 24
2.4.1.2 Khảo sát hiệu quả của Ceramic - Sắt theo 2 phương pháp rửa và không rửa sau khi cô quay
Hình 1 - Hiệu quả khử Asen nồng độ 1mg/l của Ceramic - Sắt theo 2 phương pháp rửa và không rửa sau khi cô quay
Hình 1 cho thấy: khi ta xét 2 nhóm mẫu:
Nhóm 1: nồng độ sắt tẩm vào = 196 mg
Nhóm 2: nồng độ sắt tẩm vào = 784 mg
Nghiên cứu cho thấy rằng ở cùng nồng độ sắt (nhóm 1: 196 mg và nhóm 2: 784 mg) và kích thước hạt tương đương (nhóm 1: C20D0,2 và nhóm 2: C15D0,2), khả năng xử lý Asen bằng phương pháp rửa (nhóm 1: 91,7% và nhóm 2: 93,6%) thấp hơn so với phương pháp không rửa (nhóm 1: 95,1% và nhóm 2: 97,8%) Nguyên nhân của hiện tượng này là do vật liệu ceramic-sắt sau khi chế tạo đã được tẩm một lượng sắt nhất định, cả bên trong lẫn bề mặt, dẫn đến việc lượng sắt bám không được loại bỏ hoàn toàn khi rửa bằng nước.
SVTH: Trương Tấn Phát Trang 25 cho biết rằng vật liệu bên ngoài sẽ hòa tan một phần trong nước, dẫn đến việc giảm lượng sắt tẩm vào vật liệu so với giai đoạn ban đầu khi điều chế, từ đó làm giảm hiệu quả xử lý Asen của vật liệu.
2.4.1.3 Khảo sát lượng sắt tẩm tối ưu
Hình 2 - Hiệu quả xử lý Asen nồng độ 1,02mg/l của Ceramic - Sắt ở các nồng độ sắt tẩm khác nhau
Hầu hết ở các nồng độ sắt tẩm thì khả năng xử lý Asen của ceramic-sắt khá cao (> 70%)
Nghiên cứu cho thấy, ở nồng độ Fe 3+ 0,05M (196 mg) và 0,1M (392 mg), khả năng xử lý Asen của vật liệu ceramic-sắt chỉ đạt 83% và 84%, thấp hơn so với nồng độ 0,2M (784 mg sắt) với hiệu suất cao nhất là 91,6% Điều này cho thấy rằng lượng sắt tẩm vào ceramic ở hai nồng độ thấp không đủ để xử lý triệt để Asen trong nước Mặc dù hiệu suất xử lý Asen ở nồng độ 196 mg và 392 mg tương đương, nhưng khi tăng nồng độ lên 0,2M, hiệu quả xử lý Asen được cải thiện đáng kể.
SVTH: Trương Tấn Phát Trang 26
Khi nồng độ Fe 3+ tăng lên 0,3M (1176 mg) và 0,4M (1568 mg), hiệu suất xử lý Asen giảm xuống còn 73% và 82,1% Điều này cho thấy rằng việc tăng lượng sắt tẩm không làm tăng hiệu suất xử lý Khi lượng sắt đạt đến 784 mg, nó không tiếp tục bám vào vật liệu mà chuyển thành gỉ sắt Sau quá trình cô quay, gỉ sắt này sẽ bị mất đi khi rửa vật liệu sau nung, dẫn đến giảm hiệu quả xử lý Asen.
2.4.1.4 Khảo sát cỡ hạt Ceramic tối ưu
Trong quá trình khảo sát khả năng xử lý Asen với ba kích thước hạt ceramic (
