Kết quả nghiên cứu cho thấy, dung lượng hấp phụ có xu hướng giảm khi tăng nồng độ ion kim loại ban đầu, từ 100% xuống còn 34.1% khi nồng độ kim loại chì tăng từ 5 ppm đến 500 ppm và dung lượng hấp phụ chì tăng khi tăng hàm lượng xỉ tro từ 0,5 g/L đến 3 g/L. Nồng độ chì sau hấp phụ là 0,083 ± 0,01 mg/L, đạt QCVN 40:2011/BTNMT.

I. MỞ ĐẦU

Hiện nay tại Việt Nam, sự ô nhiễm kim loại nặng trong nước đang là một vấn đề lưu tâm. Việc nước thải sinh hoạt, nước thải công nghiệp, nông nghiệp... không được xử lý dẫn đến việc tích tụ một lượng lớn kim loại nặng trong nước. Điều này gây ảnh hưởng trực tiếp tới sức khỏe con người cũng như môi trường sống tự nhiên. Đặc biệt, nước thải sinh ra từ quá trình sản xuất pin ắc quy với nồng độ chì cao.

Pin và ắc quy chứa rất nhiều chất độc hại, đặc biệt là chì. Đây là kim loại nặng, đặc biệt độc hại đối với não, thận, hệ thống sinh sản và tim mạch của con người. Hợp chất chì có thể hấp thụ qua đường ăn uống và thở. Nhiễm độc chì sẽ gây hại đến các chức năng của trí óc, thận, gây vô sinh, sẩy thai và tăng huyết áp. Các kim loại nặng trong pin rất độc hại đối với con người, có khả năng gây ung thư và các vấn đề về sức khỏe khác.

Những năm gần đây, tro xỉ (fly ash) - phế phẩm của các nhà máy nhiệt điện đốt than trở thành mối quan tâm lớn đối với các nhà sản xuất, nhà quản lí và của cả cộng đồng. Cả nước có 20 nhà máy nhiệt điện than, phát thải ra hơn 20 triệu tấn tro, xỉ mỗi năm. Số liệu của Bộ Xây dựng cho thấy, năm 2016, chỉ tính riêng lượng tro xỉ tích lũy của các nhà máy nhiệt điện là 23 triệu tấn, dự kiến đến năm 2020 là 109 triệu tấn và đến năm 2030 là 422 triệu tấn. Việc tận dụng tro xỉ nhiệt điện để loại bỏ chì cũng được xem là một giải pháp vừa tái sử dụng phế phẩm vừa xử lý được kim loại nặng trong nước thải.

II. VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

2.1. Vật liệu nghiên cứu

Xỉ tro của Nhà máy nhiệt điện Duyên Hải 3.

Nước thải giả lập từ phòng thí nghiệm Bộ môn Quản lý Tài nguyên và Môi trường - Trường ĐH Nguyễn Tất Thành.

Mẫu nước thải tại công ty sản xuất pin ắc quy tại Việt Nam.

2.2. Phương pháp phân tích

2.2.1. Phương pháp phổ hấp thu nguyên tử AAS [1]

Nghiên cứu này sử dụng phương pháp AAS để phân tích nồng độ ion Pb2+ lúc đầu và còn lại trong dung dịch, được tiến hành trên thiết bị Perkin Elmer AA800, Trung tâm phân tích và đo đạc môi trường Phương Nam (Số 14, Đường số 4, KDC Bình Hưng, Bình Chánh, TP.HCM).

2.3. Xây dựng đường đẳng nhiệt hấp phụ

Nghiên cứu này sẽ xác định cơ chế hấp phụ ion kim loại nặng lên xỉ tro phù hợp với thuyết Langmuir hay Freundlich.

2.3.1. Mô hình đường đẳng nhiệt Langmuir [2], [3], [4]

Lý thuyết Langmuir dựa trên giả thuyết của quá trình hấp phụ đơn lớp với sự tương tác giữa các phân tử chất hấp phụ. Đường đẳng nhiệt hấp phụ của Langmuir tuyến tính được trình bày trong công thức dưới đây:

Trong đó:

-  qe (mg/g): lượng chất hấp phụ bị hấp phụ ở trạng thái cân bằng

-  qm (mg/g): dung dịch hấp phụ tối đa trên đơn lớp của VLHP

-  Ce (mg/l): nồng độ chất hấp phụ ở trạng thái cân bằng

-  KL(l/mg): hằng số Langmuir

2.3.2. Mô hình đường đẳng nhiệt Freundlich [2], [3], [4]

Đường đẳng nhiệt Freundlich là mô hình cơ bản được biết đến nhiều nhất cho hấp phụ đa lớp. Đường đẳng nhiệt hấp phụ của Freundlich tuyến tích được trình bày trong công thưc dưới đây:

Trong đó:

- qe (mg/g): lượng chất hấp phụ bị hấp phụ ở trạng thái cân bằng

- Ce (mg/l): nồng độ chất hấp phụ ở trạng thái cân bằng

- KF [(mg/g).(l/mg)n]: hằng số Freundlich

- 1/n: cường độ hấp phụ.

2.4. Phương pháp xử lý số liệu

Thống kê và xử lý số liệu bằng phần mềm Excel.

III. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN

3.1. Ảnh hưởng của các điều kiện hấp phụ lên khả năng hấp phụ ion chì của xỉ tro

3.1.1. Ảnh hưởng của thời gian hấp phụ

Ảnh hưởng của thời gian lên quá trình hấp phụ ion kim loại nặng (Pb2+) được thực hiện bằng cách hòa trộn 3g/l xỉ tro với nồng độ ion kim loại nặng Pb2+ là 100ppm ở những khoảng thời gian khác nhau từ 15 đến 90 phút trong môi trường trung tính. Hình 3.3 cho thấy ảnh hưởng của thời gian tiếp xúc lên tỷ lệ phần trăm hiệu quả xử lý ion kim loại nặng Pb2+ sử dụng xỉ tro. Có thể thấy, quá trình hấp phụ ion Pb2+ tăng khi tăng thời gian tiếp xúc và đạt trạng thái cân bằng sau khi lắc 30 phút. Ion Pb2+ ban đầu được hấp phụ rất nhanh, khoảng 82.4% sau 15 phút. Tiếp đó, quá trình hấp phụ chậm lại trước khi đạt đến mức bão hòa 99,9% ở 30 phút. Tốc độ hấp phụ ion Pb2+ ban đầu cao có thể do sự khuếch tán dễ dàng của ion Pb2+ lên bề mặt chất hấp phụ lớn và có khả năng bị giữ lại tại các tâm hấp phụ của vật liệu hấp phụ. Sau 15 - 30 phút đầu, các ion Pb2+ bị giữ lại đáng kể trong những lỗ xốp hay trên bề mặt bên ngoài trở thành rào cản cho quá trình tiếp xúc giữa tâm hấp phụ và các ion Pb2+ khác, dẫn đến tốc độ hấp phụ chậm hơn. Dựa trên kết quả này, các thí nghiệm hấp phụ tiếp theo được thực hiện trong thời gian là 30 phút.

3.1.2. Ảnh hưởng của nồng độ kim loại chì ban đầu

Ảnh hưởng của nồng độ ion kim loại chì ban đầu (từ 5 mg/L đến 500 mg/L) lên hiệu quả hấp phụ của xỉ tro. Có thể thấy với liều lượng xỉ tro cố định (3 g/L), dung lượng hấp phụ có xu hướng giảm khi tăng nồng độ ion kim loại ban đầu, từ 100% xuống còn 34.1% khi nồng độ kim loại chì tăng từ 5 ppm đến 500 ppm. Điều này cho thấy rằng, tại nồng độ Pb2+ ban đầu thấp, tâm hấp phụ có sẵn nhiều nên dễ dàng bắt giữ các ion Pb2+. Khi nồng độ chì trong dung dịch tăng lên cao hơn so với khả năng hấp phụ của xỉ tro thì hiệu quả cũng giảm theo.

3.1.3. Ảnh hưởng của hàm lượng xỉ tro

Có thể thấy hiệu quả xử lý tăng đáng kể khi tăng hàm lượng xỉ tro. Với nồng độ chì ban đầu là 100 mg/L, khi tăng liều lượng xỉ tro từ 0,5 g/L đến 4 g/L, hiệu quả xử lý Pb2+ tăng từ 57% lên 99,9%. Dung lượng hấp phụ tăng khi tăng hàm lượng xỉ tro từ 0,5 g/L đến 3 g/L; khi sử dụng 3 g/L xỉ tro, nồng độ chì sau hấp phụ là 0,083 ± 0,01 mg/L, đạt QCVN 40:2011/ [5]. Khi tăng lượng xỉ tro lên đến 4 g/L thì hiệu quả xử lý chỉ tăng nhẹ. Điều này có thể được giải thích rằng xỉ tro cung cấp các tâm hấp phụ để bắt giữ ion Pb2+; nhưng nếu với nồng độ kim loại ban đầu cố định, việc gia tăng hàm lượng xỉ tro sẽ làm thừa các tâm hấp phụ nên khi tăng liều lượng thì hiệu quả xử lý chỉ tăng nhẹ.

Hình 3.4 Nồng độ chì tại các hàm lượng xỉ tro khác nhau

3.1.4. Ảnh hưởng của giá trị pH ban đầu

Ảnh hưởng của pH lên quá trình hấp phụ Pb2+ trên xỉ tro được khảo sát ở điều kiện nhiệt độ phòng, nồng độ kim loại nặng Pb2+ ban đầu là 100 ppm, hàm lượng xỉ tro là 3 g/L và thời gian hấp phụ là 30 phút. Giá trị pH được điều chỉnh từ 2 đến 10 bằng dung dịch NaOH 1M và HNO3 1M. Sau quá trình hấp phụ, ở tất cả các dãy pH thí nghiệm, pH dung dịch tăng lên đáng kể, ví dụ với pH ban đầu là 6.28 ± 0.15, pH sau hấp phụ là 9.94 ± 0.05… Đồng thời hiệu quả xử lý cũng tăng lên khi pH tăng. Điều này là do thành phần của xỉ tro gồm Ca, Mg, Fe, Na, K là những kim loại kiềm, đóng góp vào việc tăng pH dung dịch.

3.2. Xây dựng đường đẳng nhiệt hấp phụ

Trong khoảng nồng độ khảo sát, kết quả thực nghiệm và tính toán cho thấy cơ chế hấp phụ của ion kim loại nặng Pb2+ lên xỉ tro phù hợp với thuyết hấp phụ của Freundlich với hệ số tương quan cao R2 = 0.9725, bên cạnh đó phương trình đường đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir, giá trị hệ số tương quan R2 là 0.7305 không tương thích và thấp hơn so với phương trình Freundlich. Kết quả này cho thấy các dữ liệu thực nghiệm cho quá trình hấp phụ ion Pb2+ trên xỉ tro phù hợp với mô hình đẳng nhiệt hấp phụ Freundlich (R2 = 0.9725) chỉ ra sự hình thành hấp phụ đa lớp, trên bề mặt không đồng nhất.

3.3. Xử lý nước thải nhiễm chì từ công ty sản xuất pin - ắc quy

Dựa vào những kết quả khả quan trong việc loại bỏ chì bằng xỉ tro trong nước thải giả lập ở trên, thí nghiệm sau được thực hiện nhằm ứng dụng xỉ tro vào việc xử lý chì trong nước thải thật. Nước thải được thí nghiệm là nước thải đầu vào của một nhà máy sản xuất pin ắc quy tại Việt Nam. Nước thải có pH là 6.7 ± 0.2, nồng độ chì ban đầu là 4.71 ± 0.25 mg/L.

Thí nghiệm được thực hiện với liều lượng xỉ tro cho vào dao động từ 0.5 đến 3.5 g/L, pH = 6.7 ± 0.2, nồng độ chì 4.71 ± 0.25 mg/L, thời gian lắc là 30 phút. Kết quả từ hình 3.4 cho thấy nồng độ chì sau hấp phụ giảm khi tăng hàm lượng xỉ tro từ 0.5 g/L đến 3.5 g/L. Khi áp dụng liều lượng xỉ tro từ 0.5 g/L đến 2.5 g/L, hiệu quả xử lý tăng từ 78% đến 91%; đặc biệt khi sử dụng 3 g/L xỉ tro, chì trong nước thải được loại bỏ hoàn toàn, hiệu quả xử lý là 100%, đạt yêu cầu đầu ra theo QCVN 40:2011/. Có thể thấy việc loại bỏ chì trong nước thải sản xuất pin - ắc quy bằng xỉ tro là khả thi và có khả năng ứng dụng vì hiệu quả cao và tận dụng được phế phụ phẩm từ nhà máy nhiệt điện.

IV. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

Kết luận

Trong khoảng nồng độ khảo sát, đường cân bằng đẳng nhiệt tuân theo thuyết hấp phụ của Freundlich.

Khi sử dụng 3 g/L xỉ tro, chì trong nước thải được loại bỏ hoàn toàn, hiệu quả xử lý là 100%, đạt yêu cầu đầu ra theo QCVN 40:2011/. Có thể thấy việc loại bỏ chì trong nước thải sản xuất pin - ắc quy bằng xỉ tro là khả thi và có khả năng ứng dụng vì hiệu quả cao và tận dụng được phế phụ phẩm từ nhà máy nhiệt điện.

Kiến nghị

Cần biến tính xỉ tro để tăng diện tích bề mặt riêng của xỉ tro, nhằm tăng hiệu quả của quá trình hấp phụ. Hướng nghiên cứu tiếp theo: Tiếp tục tiến hành khảo sát hấp phụ trên các ion kim loại nặng khác như Cu2+, Zn2+,.. Để từ đó sử dụng xỉ tro xử lý nước thải kim loại nặng trong công nghiệp.

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Trần Văn Nhân, Nguyễn Thạc Sửu, Nguyễn Văn Tuế (1997). Giáo trình Hóa Lý, tập 2, NXB Giáo dục

[2] Deng X, Lu L, Li H, Lou F. The adsorption properties of Pb(II) and Cd(II) on functionalized graphene prepared by electrolysis method. J Hazard Mater.

[3] Gollavelli G, Chang C-C, Ling Y-C (2013). Facile Synthesis of Smart Magnetic Graphene for Safe Drinking Water: Heavy Metal Removal and Disinfection Control. ACS Sustainable Chem Eng;1:462-72

[4] A. A. Ramezanianpour (2014). Cement Replacement Materials, Springer Geochemistry/Mineralogy, Springer-Verlag Berlin Heidelberg

[5] Bộ TN&MT. “QCVN 40:2011/BTNMT - Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về nước thải Công nghiệp”, Thông tư số 47/2011/TT-BTNMT ngày 28 tháng 12 năm 2011 của Bộ trưởng Bộ Tài nguyên và Môi trường.

LÊ THỊ HỒNG DIỆP, NGUYỄN THỊ HIỆP,

NGUYỄN THỊ HỒNG NHUNG, ĐỖ THỊ THAO, TRẦN THÀNH

Trường Đại học Nguyễn Tất Thành