Thông tin kết quả nhiệm vụ KH&CN

Nghiên cứu chế tạo vật liệu hấp phụ từ vỏ trấu bằng công nghệ biến tính trong môi trường siêu âm để xử lý kim loại nặng trong nước (16/09/2024)

Ô nhiễm môi trường nhất là ô nhiễm do kim loại nặng gây ra ngày càng trở thành vấn đề nhức nhối với giai đoạn công nghiệp hóa đất nước hiện nay. Điển hình với những tỉnh thành có nền công nghiệp nặng, đặc biệt là công nghiệp đóng mới, sửa chữa tàu biển phát triển như Hải Phòng, lượng kim loại nặng thải ra môi trường gấp nhiều lần mức cho phép. Tính độc hại của các kim loại nặng được thể hiện qua:  Một số kim loại nặng có thể bị chuyển từ độc tố thấp sang dạng độc cao hơn trong một vài điều kiện môi trường, ví dụ : thủy ngân; Sự tích tụ và khuếch đại sinh học của các kim loại này qua chuỗi thức ăn có thể làm tổn hại các hoạt động sinh lý bình thường và sau cùng gây nguy hiểm cho sức khỏe con người; Tính độc của các nguyên tố này có thể ở một nồng độ rất thấp khoảng 0.1-10 mg/l. Kim loại nặng được chia làm 3 loại: nhóm các kim loại độc (Hg, Cr, Pb, Zn, Ni, Cd, As, Co, Sn,...), nhóm những kim loại quý (Pd, Pt, Au, Ag, Ru,...) và nhóm các kim loại phóng xạ (U, Th, Ra, Am,...).

Cơ chế biến tính vỏ trấu thành vật liệu hấp phụ chì

Hấp phụ là một trong những phương pháp nhằm xử lý kim loại nặng trong nước. Tuy nhiên, phương pháp này gặp nhiều vấn đề với giá thành cao, hiệu suất hấp phụ và thời gian sử dụng của vật liệu thấp.

Vỏ trấu là nguồn phụ phẩm nông nghiệp lớn của nước ta nói chung và Hải Phòng nói riêng. Lượng vỏ trấu thải ra môi trường hầu hết được xử lý bằng phương pháp đốt, gây ô nhiễm không khí. Do đó, Công ty cổ phần công nghệ môi trường T.Đ.A triển khai đề tài “Nghiên cứu chế tạo vật liệu hấp phụ từ vỏ trấu bằng công nghệ biến tính trong môi trường siêu âm để xử lý kim loại nặng trong nước” do TS Võ Hoàng Tùng làm chủ nhiệm. Đề tài triển khai nhằm tận thu nguồn phế phụ phẩm nông nghiệp thành sản phẩm có ích, giải quyết được bài toán ô nhiễm kim loại nặng do các ngành công nghiệp nặng gây ra.

Nhóm nghiên cứu đánh giá tối ưu các thông số công nghệ trong quá trình biến tính vỏ trấu bằng axit sulfuric trong môi trường siêu âm kết quả thu được như sau: Tải trọng hấp phụ cực đại đồng cao nhất là 25,07 mg/g đối với mẫu vỏ trấu được biến tính ở điều kiện tần số siêu âm 45 kHz, nồng độ axit 3M, thời gian biến tính 4h; Tải trọng hấp phụ cực đại kẽm cao nhất là 4,64 mg/g đối với mẫu vỏ trấu được biến tính ở điều kiện tần số siêu âm 45 kHz, nồng độ axit 3M, thời gian biến tính 3h; Tải trọng hấp phụ cực đại chì cao nhất là 308,7 mg/g đối với mẫu vỏ trấu được biến tính ở điều kiện tần số siêu âm 80 kHz, nồng độ axit 3M, thời gian biến tính 3h; Tải trọng hấp phụ cực đại của các mẫu vật liệu biến tính ở tần số 100 kHz thấp hơn so với ở tần số 45 và 80 kHz.

Đồng thời, nhóm nghiên cứu cũng đưa ra nhận xét về sự biến đổi các đặc trưng hóa lý của vật liệu trong quá trình biến tính, đó là: Các đặc trưng hóa lý của vật liệu như diện tích bề mặt riêng, hình thái cấu trúc vật liệu cũng đã được nghiên cứu. Các kết quả chỉ ra với tần số siêu âm lớn 100 kHz, năng lượng sóng siêu âm rất lớn làm phá vỡ cấu trúc vật liệu. Vì vậy, vật liệu chỉ phù hợp biến tính ở tần số siêu âm thấp hơn. Vật liệu biến tính được thử nghiệm với mẫu nước nhiễm 3 kim loại Cu, Pb và Zn nồng độ 100 ppm, mô phỏng các mẫu nước thải nhiễm kim loại ở các cơ sở đóng mới, sửa chữa và phá dỡ tàu biển. Vật liệu cũng được thử nghiệm với mẫu nước thải nhiễm3 kim loại kể trên tại Công ty TNHH MTV Đóng tàu Phà Rừng được lấy trước khi cho qua cột hấp phụ bằng than hoạt tính. Kết quả cho thấy vật liệu có khả năng xử lý tốt nước thải nhiễm kim loại.

Từ những đánh giá,  nghiên cứu trên nhóm nghiên cứu đã thử nghiệm vật liệu trên mẫu nước chứa nhiều kim loại với 3 mẫu: Mẫu 1: 45 kHz, 4h, 3M; Mẫu 2: 80 kHz, 3h, 3M; Mẫu 3: 80 kHz, 4h, 2M. Kết quả thu được như sau: Kết quả hấp phụ ở Mẫu số 1 cho thấy sau khoảng 30 phút lắc, nồng độ cả 3 kim loại giảm mạnh trong mẫu nước sau khi hấp phụ, và giảm xuống mức thấp nhất là 0,5 ppm cho mỗi kim loại sau 50 phút. Như vậy, mẫu số 1 có thể sử dụng để xử lý mẫu nước nhiễm 3 kim loại trên đạt tiêu chuẩn cột A với Cu và Zn, cột B với Pb theo QCVN40:2011/BTNMT; Kết quả thử nghiệm của mẫu 2 tương tự như mẫu 1, sau 50 phút hấp phụ, nồng độ mỗi kim loại còn thấp nhất là 0,5 ppm; Kết quả thử nghiệm mẫu 3 tương tự như mẫu 1 và mẫu 2. Tuy nhiên, thời gian để mẫu 3 hấp phụ mà hàm lượng mỗi kim loại trong nước còn 0,5 ppm kéo dài đến 100 phút. Như vậy, xét về hiệu quả xử lý, mẫu 3 không tốt bằng mẫu 1 và 2. Qua so sánh hiệu quả hấp phụ của 3 mẫu có tải trọng hấp phụ cực đại đối với mỗi kim loại cao nhất với mẫu nước pha 3 kim loại nồng độ 100ppm, mẫu 1 (45 kHz, 4h, 3M) và mẫu 2 (80 kHz, 3h, 3M) có hiệu quả tương đương và cao hơn so với mẫu 3. Với tần số siêu âm thấp, lượng điện năng tiêu thụ thấp hơn và độ ồn khi chạy máy cũng thấp hơn. Do đó, xét về khía cạnh kinh tế, mẫu số 1 có tiềm năng hơn cả. Do đó, nhóm nghiên cứu lựa chọn mẫu số 1 với các điều kiện biến tính là tần số siêu âm 45 kHz, thời gian biến tính 4h và nồng độ axit sử dụng là 3M là mẫu vật liệu tối ưu. Điều kiện biến tính này cũng chính là các thông số công nghệ biến tính vỏ trấu trong môi trường siêu âm sản xuất vật liệu hấp phụ kim loại nặng trong nước. Lựa chọn mẫu số 1 làm mẫu vật liệu thử nghiệm với mẫu nước thải đã qua tiền xử lý ở Công ty TNHH MTV Đóng tàu Phà Rừng.

Kết quả hấp phụ của mẫu vật liệu biến tính ở điều kiện 45 kHz, 3M và 4h biến tính với mẫu nước thải đã qua tiền xử lý, trước khi đi vào cột hấp phụ bằng than hoạt tính của Công ty TNHH MTV Đóng tàu Phà Rừng. Kết quả cho thấy sau khoảng thời gian 30 phút, các ion kim loại Cu, Pb và Zn gần như bị hấp phụ triệt để.Hàm lượng Cu trong nước giảm từ 4,65 ppm xuống 0,12 ppm sau 30 phút và 0,05 ppm sau 70 phút. Hàm lượng Pb cũng giảm từ 10,56 ppm xuống 0,15 ppm sau 30 phút và 0,05 ppm sau 70 phút. Hàm lượng Zn cũng tương tự, giảm từ 12,97 ppm xuống 0,17 ppm sau 30 phút và 0,05 ppm sau 70 phút. Như vậy, mẫu vật liệu số 1 cho thấy khả năng hấp phụ 3 kim loại Cu, Zn và Pb trong mẫu nước thải rất tốt và có khả năng ứng dụng thay thế than hoạt tính. 

Qua thời gian nghiên cứu, nhóm nghiên cứu  đã xây dựng thành công quy trình công nghệ với các thông số công nghệ để biến tính vỏ trấu thành vật liệu hấp phụ xử lý kim loại nặng bằng công nghệ siêu âm theo các bước sau: Vỏ trấu được thu mua, sấy khô ở nhiệt độ 500C trong 24 giờ, sau đó được nghiền nhỏ bằng máy nghiền công suất 7,5 kW, đạt kích thước qua sàng 400 mesh; Axit sulfuric 3M được pha theo quy trình sau: Cho 250 lít nước vào bình thủy tinh dung tích 400 lít, đặt phễu rót axit vào vị trí đặt phễu trên bình thủy tinh. Rót từ từ 48,9 lít axit sulfuric đặc 98% qua phễu cho đến hết. Sau 10 phút, tráng phễu từ từ bằng 1,1 lít nước; Lấy 15 kg vỏ trấu đã nghiền đưa vào bể thủy tinh dung tích 400 lít chứa 300 lít axit sulfuric 3M; Đặt bể thủy tinh vào bể siêu âm có 1 tần số 45 kHz. Bật máy siêu âm, đặt thời gian siêu âm là 4h; Sau quá trình biến tính, vật liệu được lọc bằng sàng 250 mesh, đem rửa sạch bằng nước đến khi dán giấy quỳ lên vật liệu không đổi màu thì đem sấy khô. Axit dư cho chảy qua giấy lọc thu hồi vật liệu lọt qua sàng 250 mesh và xác định nồng độ, pha chế thêm axit đặc đạt nồng độ 3M rồi quay lại quá trình biến tính; Nước rửa nhiễm axit được thu về bể trung hòa. Ở đây, nước nhiễm axit được trung hòa bằng NaOH 0,1M cho đến khi pH = 7 thì xả thải; Vật liệu sau khi trung hòa và sấy khô được hút chân không và đóng gói.

Hình ảnh vật liệu biến tính sau khi siêu âm ở tần số 45KHz

Về cơ bản, vỏ trấu biến tính là một loại vật liệu hấp phụ, có đầy đủ các tính năng của vật liệu hấp phụ phổ biến như than hoạt tính. Do đó, quy trình sử dụng vỏ trấu biến tính cũng tương tự như than hoạt tính và nhựa trao đổi ion. Công nghệ xử lý kim loại nặng trong nước sử dụng vỏ trấu biến tính cũng sử dụng công nghệ hấp phụ sau giai đoạn tiền xử lý nước thải. ước tính giá sản xuất cho 1kg vật liệu khoảng 14.500đ. Giá thành như vậy hoàn toàn có sức cạnh tranh với than hoạt tính hiện bán trên thị trường nhờ ưu điểm về tải trọng hấp phụ cực đại với kim loại nặng lớn hơn nhiều so với than hoạt tính. Vật liệu chế tạo là vỏ trấu được biến tính hóa học bề mặt, tạo các nhóm chức có khả năng hấp phụ hóa học kim loại nặng. Độ bền hấp phụ lớn và quá trình giải hấp phụ khó khăn hơn nhiều so với than hoạt tính. Do đó, chúng tôi không đề xuất các biện pháp giải hấp phụ đối với vật liệu này. Thay thế vào đó, chúng tôi đề xuất các biện pháp xử lý vật liệu sau khi hấp phụ (trình bày trong mục 6). Với các đề xuất tận thu vật liệu sau khi hấp phụ để làm nguyên liệu cho các ngành công nghiệp khác, chi phí xử lý cho các vật liệu đã qua sử dụng gần như không mất, thậm chí còn tạo nguồn thu cho các doanh nghiệp sử dụng loại vật liệu này.

Vật liệu hấp phụ sau khi sử dụng, chứa trong nó một lượng lớn kim loại nặng. Vì vậy, nhóm nghiên cứu coi như một loại chất thải nguy hại, và chi phí xử lý sẽ rất tốn kém. Việc xử lý các loại vật liệu hấp phụ đã qua sử dụng hiện nay thông thường bằng phương pháp đốt, hóa rắn bằng vôi hoặc xi măng sau đó chôn lấp. Tuy nhiên, việc sử dụng vôi hoặc xi măng để hóa rắn đòi hỏi chi phí lớn. Do đó, nhóm nghiên cứu đề xuất phương pháp trộn vật liệu hấp phụ đã qua sử dụng vào nguyên liệu để sản xuất gạch, gốm và các vật liệu xây dựng khác. Trộn vật liệu hấp phụ đã qua sử dụng chứa kim loại nặng trong nguyên liệu thô sản xuất gốm có thể làm giảm việc sử dụng phụ gia ổn định màu và cấu trúc của đồ gốm, tiết kiệm chi phí nguyên liệu và giảm giá thành sản xuất. Trong khuôn khổ nội dung đề tài, chúng tôi chưa tập trung nghiên cứu về các phương pháp tái sinh vật liệu. Tuy nhiên, với giá trị cao của các kim loại bị hấp phụ trong vật liệu, nhóm nghiên cứu có một số đề xuất nhằm thu hồi lượng kim loại bị hấp phụ như sau: Đốt vật liệu sau hấp phụ và thực hiện quá trình phân kim để thu hồi kim loại; Nung yếm khí vật liệu, sử dụng sản phẩm sau nung để chế tạo một số xúc tác cho các phản ứng hóa học khác.

Đề tài đã xây dựng thành công quy trình công nghệ với các thông số công nghệ để biến tính vỏ trấu thành vật liệu hấp phụ xử lý kim loại nặng bằng công nghệ siêu âm. Các chỉ tiêu chất lượng cơ bản của vật liệu. Kết quả của đề tài nhằm tận dụng nguồn phế phụ phẩm nông nghiệp thành sản phẩm có ích, giải quyết được bài toán ô nhiễm kim loại nặng do các ngành công nghiệp nặng gây ra. 

Có thể tìm đọc toàn văn Báo cáo kết quả nghiên cứu dự án tại Trung tâm Thông tin và Thống kê Khoa học và Công nghệ./.