Khóa luận Nghiên cứu chế tạo than hoạt tính từ lõi ngô bằng phƣơng pháp oxy hóa và biến tính để ứng dụng làm chất hấp phụ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC DÂN LẬP HẢI PHÒNG ------------------------------ ISO 9001 : 2008 KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP NGÀNH: KỸ THUẬT MÔI TRƢỜNG Sinh viên : Nguyễn Thị Huyền Anh Giảng viên hƣớng dẫn : TS. Nguyễn Văn Dƣỡng HẢI PHÒNG – 2013 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC DÂN LẬP HẢI PHÒNG --------------------------- NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO THAN HOẠT TÍNH TỪ LÕI NGÔ BẰNG PHƢƠNG PHÁP OXY HÓA VÀ BIẾN TÍNH ĐỂ ỨNG DỤNG LÀM CHẤT HẤP PHỤ KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY NGÀNH: KỸ THUẬT MÔI TRƢỜNG Sinh viên : Nguyễn Thị Huyền Anh Giảng viên hƣớng dẫn : TS. Nguyễn Văn Dƣỡng BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC DÂN LẬP HẢI PHÒNG ----------------------------- NHIỆM VỤ ĐỀ TÀI TỐT NGHIỆP Sinh viên: Nguyễn Thị Huyền Anh Mã SV: 1353010026 Lớp: MT1301 Ngành: Kỹ thuật môi trƣờng Tên đề tài: “Nghiên cứu chế tạo than hoạt tính từ lõi ngô bằng phƣơng pháp oxy hóa và biến tính để ứng dụng làm chất hấp phụ” NHIỆM VỤ ĐỀ TÀI 1. Nội dung và các yêu cầu cần giải quyết trong nhiệm vụ đề tài tốt nghiệp (về lý luận, thực tiễn, các số liệu cần tính toán và các bản vẽ). ................................................................................................................................. ................................................................................................................................. ................................................................................................................................. ................................................................................................................................. ................................................................................................................................. ................................................................................................................................. 2. Các số liệu cần thiết để thiết kế, tính toán. ................................................................................................................................. ................................................................................................................................. ................................................................................................................................. ................................................................................................................................. ................................................................................................................................. 3. Địa điểm thực tập tốt nghiệp. ................................................................................................................................. ................................................................................................................................. ................................................................................................................................. ................................................................................................................................. CÁN BỘ HƢỚNG DẪN ĐỀ TÀI TỐT NGHIỆP Ngƣời hƣớng dẫn thứ nhất: Họ và tên: ............................................................................................................... Học hàm, học vị: .................................................................................................... Cơ quan công tác: ................................................................................................... Nội dung hƣớng dẫn: .............................................................................................. ................................................................................................................................. Ngƣời hƣớng dẫn thứ hai: Họ và tên:.................................................................................................. Học hàm, học vị:......................................................................................... Cơ quan công tác:....................................................................................... Nội dung hƣớng dẫn:................................................................................ Đề tài tốt nghiệp đƣợc giao ngày tháng năm 2013 Yêu cầu phải hoàn thành xong trƣớc ngày tháng năm 2013 Đã nhận nhiệm vụ ĐTTN Đã giao nhiệm vụ ĐTTN Sinh viên Người hướng dẫn Nguyễn Thị Huyền Anh TS. Nguyễn Văn Dƣỡng Hải Phòng, ngày tháng năm 2013 HIỆU TRƢỞNG GS.TS.NGƢT Trần Hữu Nghị PHẦN NHẬN XÉT TÓM TẮT CỦA CÁN BỘ HƢỚNG DẪN 1. Tinh thần thái độ của sinh viên trong quá trình làm đề tài tốt nghiệp: ................................................................................................................................. ................................................................................................................................. ................................................................................................................................. ................................................................................................................................. ................................................................................................................................. ................................................................................................................................. 2. Đánh giá chất lƣợng của khóa luận (so với nội dung yêu cầu đã đề ra trong nhiệm vụ Đ.T. T.N trên các mặt lý luận, thực tiễn, tính toán số liệu): ................................................................................................................................. ................................................................................................................................. ................................................................................................................................. ................................................................................................................................. 3. Cho điểm của cán bộ hƣớng dẫn (ghi cả số và chữ): ................................................................................................................................. ................................................................................................................................. ................................................................................................................................. Hải Phòng, ngày.... tháng .... năm 2013 Cán bộ hƣớng dẫn (họ tên và chữ ký) TS. Nguyễn Văn Dưỡng LỜI CẢM ƠN Với lòng biết ơn sâu sắc em xin chân thành cảm ơn TS. Nguyễn Văn Dưỡng đã giao đề tài và tận tình hướng dẫn em trong suốt quá trình em thực hiện đề tài khóa luận này. Em cũng gửi lời cảm ơn tới tất cả các thầy cô trong khoa Kỹ thuật môi trường và toàn thể các thầy cô đã dạy em trong suốt khóa học tại trường ĐHDL Hải Phòng. Và em cũng xin được gửi lời cảm ơn tới bạn bè và gia đình đã động viên và tạo điều kiện giúp đỡ em trong việc hoàn thành khóa luận này. Do hạn chế về thời gian cũng như trình độ hiểu biết nên đề tài nghiên cứu này không tránh khỏi thiếu sót. Em rất mong nhận được sự chỉ bảo, đóng góp của các thầy, các cô để bản báo cáo được hoàn thiện hơn. Em xin chân thành cảm ơn! Hải Phòng, 6 tháng 7 năm 2013 Sinh viên Nguyễn Thị Huyền Anh DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT ĐTTN : Đề tài tốt nghiệp VLHP: Vật liệu hấp phụ Mn : Kí hiệu Mangan kim loại STT : Số thứ tự TCVN : Tiêu chuẩn Việt Nam QCVN : Quy chuẩn Việt Nam TCCP: Tiêu chuẩn cho phép MỤC LỤC LỜI MỞ ĐẦU ....................................................................................................... 1 CHƢƠNG I: TỔNG QUAN ................................................................................. 3 1.1. Ảnh hƣởng của sự ô nhiễm kim loại tới sức khỏe con ngƣời ........................ 3 1.2. Mangan và ảnh hƣởng của nó tới sức khỏe con ngƣời .................................. 3 1.2.1. Vai trò của Mangan ..................................................................................... 3 1.2.2. Độc tính của Mangan .................................................................................. 4 1.3. Quá trình hấp phụ ........................................................................................... 6 1.3.1. Hiện tƣợng hấp phụ ..................................................................................... 6 1.3.1.1. Hấp phụ vật lý .......................................................................................... 6 1.3.1.2. Hấp phụ hóa học ....................................................................................... 6 1.3.2. Hấp phụ trong môi trƣờng nƣớc .................................................................. 7 1.3.3. Động học hấp phụ ....................................................................................... 7 1.3.4. Cân bằng hấp phụ - Các phƣơng trình đẳng nhiệt hấp phụ......................... 8 1.4. Tổng quan về than hoạt tính ......................................................................... 12 1.4.1. Thành phần hóa học của than ................................................................... 12 1.4.2. Phƣơng pháp chế tạo than hoạt tính .......................................................... 13 1.4.3. Ứng dụng than hoạt tính ........................................................................... 14 1.4.4. Giới thiệu về nguyên liệu lõi ngô ............................................................. 15 1.5. Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về nƣớc thải công nghiệp (QCVN24:2009) .. 16 1.5.1. Phạm vi áp dụng ........................................................................................ 16 1.5.2. Giá trị giới hạn ......................................................................................... 17 CHƢƠNG 2: THỰC NGHIỆM .......................................................................... 20 2.1. Mục tiêu và nội dung nghiên cứu của khóa luận ......................................... 20 2.1.1. Mục tiêu nghiên cứu .................................................................................. 20 2.1.2. Nội dung nghiên cứu ................................................................................. 20 2.2. Dụng cụ và hóa chất ..................................................................................... 20 2.2.1. Thiết bị ...................................................................................................... 20 2.2.2. Hóa chất ..................................................................................................... 21 2.3. Chuẩn bị vật liệu hấp phụ ............................................................................. 21 2.4. Phƣơng pháp xác định Mangan. ................................................................... 22 2.4.1. Nguyên tắc xác định Mn2+ ........................................................................ 22 2.4.2. Dựng đƣờng chuẩn xác định Mn2+ ............................................................ 23 2.5. Khảo sát các yếu tố ảnh hƣởng đến khả năng hấp phụ ................................ 25 2.5.1. Ảnh hƣởng của pH .................................................................................... 25 2.5.2. Ảnh hƣởng của thời gian ........................................................................... 25 2.5.3. Ảnh hƣởng của khối lƣợng........................................................................ 26 2.5.4. Xác định tải trọng hấp phụ ........................................................................ 26 2.6. Khảo sát khả năng giải hấp và tái sinh vật liệu hấp phụ .............................. 26 2.6.1. Khảo sát khả năng giải hấp của vật liệu hấp phụ ...................................... 26 2.6.2. Khảo sát khả năng tái sinh của vật liệu hấp phụ ....................................... 26 3.1. Khảo sát ảnh hƣởng của pH tới khả năng hấp phụ mangan của vật liệu. .... 27 3.2. Kết quả khảo sát ảnh hƣởng của thời gian tới khả năng hấp phụ mangan của vật liệu. ................................................................................................................ 28 3.3. Kết quả khảo sát ảnh hƣởng của khối lƣợng vật liệu hấp phụ than hoạt tính đến khả năng hấp phụ mangan. ........................................................................... 29 3.4. Kết quả khảo sát ảnh hƣởng của nồng độ Mn2+ đến khả năng hấp phụ của VLHP ................................................................................................................... 31 3.5. Kết quả khảo sát khả năng giải hấp và tái sinh VLHP với mangan............. 33 CHƢƠNG IV: KẾT LUẬN. ............................................................................... 35 TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................................. 36 DANH MỤC HÌNH Hình 1. 1. Đƣờng đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir ................................................ 11 Hình 1. 2. Đồ thị sự phụ thuộc của Ccb/ q vào Ccb .............................................. 11 Hình 1.3. Than hoạt tính...................................................................................... 13 Hình 2.1. Lõi ngô trƣớc khi oxy hóa...22 Hình 2.2. Lõi ngô đang đƣợc than hóa ................................................................ 22 Hình 2.3. Màu tím đặc trƣng của ion MnO4 - ....................................................... 23 Hình 2.4: Phƣơng trình đƣờng chuẩn Mn ........................................................... 25 Hình 3.1. Ảnh hƣởng của pH đến khả năng hấp phụ Mn2+ của vật liệu ............ 27 Hình 3.2: Ảnh hƣởng của thời gian đến khả năng hấp phụ Mn2+ của vật liệu .. 29 Hình 3.3 : Ảnh hƣởng của khối lƣợng vật liệu đến khả năng hấp phụ Mn2+ ...... 30 Hình 3.4. Ảnh hƣởng của nồng độ mangan đến khả năng hấp phụ của vật liệu 32 Hình 3.5. Đƣờng biểu diễn sự phụ thuộc của Cf/q vào Cf .................................. 32 DANH MỤC BẢNG Bảng 1. 1. Một số đƣờng đẳng nhiệt hấp phụ thông dụng .................................... 9 Bảng 1.2. Giá trị giới hạn các thông số và nồng độ các chất ô nhiễm trong nƣớc thải công nghiệp .................................................................................................. 17 Bảng 2.1. Kết quả xác định đƣờng chuẩn Mangan ............................................. 24 Bảng 3.1. Ảnh hƣởng của pH tới khả năng hấp phụ Mn2+ của vật liệu .............. 27 Bảng 3.2. Kết quả khảo sát ảnh hƣởng của thời gian đến sự hấp phụ mangan .. 28 Bảng 3.3. Kết quả khảo sát ảnh hƣởng của khối lƣợng vật liệu hấp phụ than hoạt tính đến sự hấp phụ mangan ................................................................................ 30 Bảng 3.4. Ảnh hƣởng của nồng độ Mn2+ khả năng hấp phụ của vật liệu ............ 31 Bảng 3.5. Kết quả hấp phụ Mn2+ bằng VLHP trong 120 phút ........................... 33 Bảng 3.6. Bảng kết quả giải hấp của Mn (II) bằng NaOH.................................. 33 Bảng 3.7. Kết quả tái sinh VLHP ........................................................................ 34 Khóa luận tốt nghiệp Trường Đại Học Dân Lập Hải Phòng SV: Nguyễn Thị Huyền Anh - MT1301 1 LỜI MỞ ĐẦU Môi trƣờng là một nhân tố có ảnh hƣởng quyết định đến sự tồn tại và phát triển của mỗi con ngƣời, mỗi quốc gia trên thế giới. Chính vì vậy bảo vệ môi trƣờng và đảm bảo phát triển bền vững là vấn đề có tính sống còn của mỗi quốc gia trên toàn cầu. Trong những năm gần đây, cùng với sự phát triển của nền công nghiệp nƣớc ta, tình hình ô nhiễm môi trƣờng cũng gia tăng đến mức báo động. Do đặc thù của nền công nghiệp mới phát triển, chƣa có sự quy hoạch tổng thể và nhiều nguyên nhân khác nhau nhƣ: điều kiện kinh tế của nhiều xí nghiệp còn khó khăn hoặc do chí phí xử lý ảnh hƣởng đến lợi nhuận nên hầu nhƣ chất thải công nghiệp của nhiều nhà máy chƣa đƣợc xử lý mà thải thẳng ra môi trƣờng. Mặt khác nƣớc ta là một nƣớc đông dân, có mật độ dân cƣ cao, nhƣng trình độ nhận thức của con ngƣời về môi trƣờng còn chƣa cao. Điều đó dẫn tới sự ô nhiễm trầm trọng của môi trƣờng sống, ảnh hƣởng đến sự phát triển toàn diện của đất nƣớc, sức khoẻ, đời sống của nhân dân cũng nhƣ mỹ quan của khu vực. Ô nhiễm môi trƣờng nói chung và ô nhiễm môi trƣờng nƣớc nói riêng ngày càng trở thành vấn đề đáng lo ngại. Môi trƣờng nƣớc bị ô nhiễm do nhiều nguyên nhân khác nhau trong đó ô nhiễm do các kim loại nặng là nguyên nhân gây ra đáng kể. Độc tính của các kim loại nặng gây hậu quả xấu đến sức khoẻ con ngƣời và môi trƣờng sinh thái. Trừ một số kim loại nặng ở dạng vi lƣợng cần thiết cho sự sống, còn phần lớn khi ở hàm lƣợng cao thì chúng là tác nhân gây độc. Những kim loại này thông qua chuỗi thức ăn đi vào cơ thể con ngƣời, tích luỹ trong các cơ quan của cơ thể và khi quá giới hạn cho phép chúng gây hại cho cơ thể. Các kim loại nặng thƣờng đƣợc phát sinh nhiều tại các cơ sở mạ điện, gia công kim loại, sản xuất pin - acqui, khai thác mỏ, sơn.... Đặc biệt, tại những cơ sở chƣa đầu tƣ hệ thống xử lý thì các kim loại nặng đƣợc xả thải trực tiếp vào nguồn nƣớc. Khóa luận tốt nghiệp Trường Đại Học Dân Lập Hải Phòng SV: Nguyễn Thị Huyền Anh - MT1301 2 Biện pháp tối ƣu để xử lý các kim loại nặng là phƣơng pháp hoá học: đƣa các kim loại nặng về dạng kết tủa hoặc oxy hoá thành dạng không độc, tuy nhiên với một số kim loại nặng mà giới hạn cho phép ở nồng độ rất thấp thì phƣơng pháp trên tỏ ra không hiệu quả mà phƣơng pháp hấp phụ và trao đổi ion tỏ ra có ƣu việt hơn. Từ đó, các vật liệu hấp phụ trao đổi ion đƣợc đầu tƣ nghiên cứu rất nhiều, nổi bật là: than hoạt tính, nhựa trao đổi ion và zeolit.... Ƣu điểm các vật liệu này là khả năng hấp phụ lớn nhƣng chúng vẫn không thể sử dụng rộng rãi cho mọi đối tƣợng nƣớc thải vì giá thành cao. Vì vậy, để tìm ra một loại vật liệu vừa có khả năng hấp phụ vừa sẵn có để sử dụng rộng rãi cho nhiều đối tƣợng nƣớc thải là việc làm cần thiết. Với mục đích góp phần vào việc bảo vệ môi trƣờng trong việc xử lý một số kim loại bằng phƣơng pháp hấp phụ, bản khoá luận này chúng tôi tập trung nghiên cứu đề tài: “Nghiên cứu chế tạo than hoạt tính từ lõi ngô bằng phương pháp oxy hóa và biến tính để ứng dụng làm chất hấp phụ” Khóa luận tốt nghiệp Trường Đại Học Dân Lập Hải Phòng SV: Nguyễn Thị Huyền Anh - MT1301 3 CHƢƠNG I: TỔNG QUAN 1.1. Ảnh hƣởng của sự ô nhiễm kim loại tới sức khỏe con ngƣời Ở hàm lƣợng nhỏ một số kim loại nặng là các nguyên tố vi lƣợng cần thiết cho cơ thể ngƣời và sinh vật phát triển bình thƣờng, nhƣng khi có hàm lƣợng lớn chúng lại thƣờng có độc tính cao. Khi đƣợc thải ra môi trƣờng, một số hợp chất kim loại nặng bị tích tụ và đọng lại trong đất, song có một số hợp chất có thể hòa tan dƣới tác động của nhiều yếu tố khác nhau. Điều này tạo điều kiện để các kim loại nặng có thể phát tán rộng vào nguồn nƣớc ngầm, nƣớc mặt và gây ô nhiễm. Các kim loại nặng có mặt trong nƣớc, đất qua nhiều giai đoạn khác nhau trƣớc sau cũng đi vào chuỗi thức ăn của con ngƣời. Khi nhiễm vào cơ thể, kim loại nặng tích tụ trong các mô, tác động đến các quá trình sinh hóa (các kim loại nặng thƣờng có ái lực lớn với nhóm –SH-SCH₃ của enzim trong cơ thể). Ở ngƣời, kim loại nặng có thể tích tụ vào nội tạng nhƣ: gan, thận, xƣơng khớp gây nhiều căn bệnh nguy hiểm nhƣ: ung thƣ, thiếu máu, ngộ độc.[3] 1.2. Mangan và ảnh hƣởng của nó tới sức khỏe con ngƣời Mangan (Mn) là kim loại đầu tiên đƣợc Gabriel Bertrand xem nhƣ nguyên tố vi lƣợng cơ bản đối với sự sống. Mn có nhiều vai trò quan trọng trong cơ thể nhƣ: tác động đến hô hấp tế bào, phát triển xƣơng, chuyển hóa gluxit, hoạt độn