BỘ CÔNG THƯƠNG HỘI HÓA HỌC VIỆT NAM VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ MÔI TRƯỜNG &&& BÁO CÁO NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CÁC HỢP CHẤT LIGNIN ĐỂ XỬ LÝ KIM LOẠI NẶNG TRONG NƯỚC VÀ NƯỚC THẢI NGƯỜI CHỦ TRÌ: PGS.TS HUỲNH TRUNG HẢI VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ MÔI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI 8385 Hà nội 2010 BỘ CÔNG THƯƠNG HỘI HÓA HỌC VIỆT NAM VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ MÔI TRƯỜNG &&& BÁO CÁO NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CÁC HỢP CHẤT LIGNIN ĐỂ XỬ LÝ KIM LOẠI NẶNG TRONG NƯỚC VÀ NƯỚC THẢI Thực hiện theo Hợp đồng…. số ngày tháng năm giữa Bộ Công Thương và Hội hóa học Việt Nam Chủ trì đề tài: PSG.TS Huỳnh Trung Hải – Viện KH&CNMT - ĐHBKHN Người tham gia: Ths Nguyễn Hoàng Long-ViệnKH&CNMT-ĐHBKHN Ths Võ Thị Lệ Hà - Viện KH&CNMT – ĐHBKHN Ths Lê Anh Tuấn – Trường ĐH Hàng Hải Hà nội 2010 MỤC LỤC Nội dung Trang Mở đầu PHẦN 1: TỔNG QUAN LÝ THUYẾT CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ HIỆN TRẠNG Ô NHIỄM KIM LOẠI NẶNG TRONG NƯỚC THẢI VÀ NƯỚC MẶT Ở VIỆT NAM I.1. Hiện trạng ô nhiễm kim loại nặng trong nước mặt và nước thải Việt Nam I.1.1. Hiện trạng ô nhiễm kim loại nặng trong nước thải ở Việt Nam I.1.2. Hiện trạng ô nhiễm kim loạ i nặng trong nước mặt ở Việt Nam CHƯƠNG II: CÁC PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ KIM LOẠI NẶNG TRONG NƯỚC VÀ NƯỚC THẢI II.1. Các nghiên cứu về xử lý kim loại nặng trên thế giới và Việt Nam II.1.1. Các nghiên cứu trên thế giới I.1.2. Các nghiên cứu ở Việt Nam II.2. Các phương pháp xử lý kim loại nặng II.2.1. Phương pháp kết tủa hóa học II.2.2 Phương pháp trao đổi ion II.2.3.Phương pháp điện hóa II.2.4. Phương pháp sinh họ c II.2.5. Phương pháp hấp phụ CHƯƠNG III: SỬ DỤNG LIGNIN VÀ CÁC HỢP CHẤT CỦA LIGNIN ĐỂ XỬ LÝ KIM LOẠI NẶNG III.1. Sử dụng lignin để xử lý kim loại nặng III.1.1. Giới thiệu về lignin III.1.2. Ứng dụng lignin để xử lý kim loại nặng III.2. Sử dụng lignosulfonat để xử lý kim loại nặng III.2.1. Giới thiệu về lignosulfonat III.2.2. Ứng dụng lignosulfonat để xử lý kim loại nặ ng III. 3. Ưu điểm của việc sử dụng lignin và lignosulfonat để xử lý kim loại nặng PHẦN 2: THỰC NGHIỆM CHƯƠNG I: PHƯƠNG PHÁP VÀ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU I.1. Thu hồi lignin từ dịch đen của ngành sản xuất giấy I.1.1. Đối tượng nghiên cứu I.1.2.Thu hồi lignin từ dịch đen I.1.3. Quy trình thực nghiệm thu hồi lignin từ dịch đen I.2. Hoàn thiện quy trình chuyển hóa lignin thành lignosulfonat để xử lý kim loại nặng I.2.1. Mục đích I.2.2. Qui trình thực nghiệm I.3. Nghiên cứu xử lý kim loại (Pb(II), Zn(II)) bằng lignin và lignonsufonat I.3.1. Nguyên lý của phương pháp xử lý I.3.2. Hóa chất, dụng cụ, thiết bị thí nghiệm I.3.3. Quy trình thực nghiệm CHƯƠNG II: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN II.1. Thu hồi Lignin từ dịch đen II.1.1. Xác định các thông số cơ bản của dịch đen II.1.2. Hiệu suất quá trình thu hồi lignin II.1.3. Phân tích chất lượng sản phẩm II.2. Hoàn thiện quy trình chuyển hóa lignin thành lignosulfonat để xử lý kim loại nặng II.2.1. Ảnh hưởng của nồng độ axit tới hiệu suất phản ứng và chất lượng sản phẩm II.2.2. Ảnh hưởng của tỷ lệ khối lượng lignin/H 2 SO 4 tới hiệu suất phản ứng II.2.3. Ảnh hưởng của thời gian tới hiệu suất phản ứng II.2.4. Nhận xét II.3. Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ kim loại nặng bằng lignin. II.3.1. Thí nghiệm dạng batch II.3.1.1. Khảo sát ảnh hưởng của pH II.3.1.2.Khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng chất hấp phụ II.3.1.3. Khả o sát ảnh hưởng của nồng độ kim loại đầu vào II.3.1.4. Khảo sát ảnh hưởng của thời gian tiếp xúc II.3.1.5. Khảo sát đường cân bằng hấp phụ đẳng nhiệt II.3.1.6. Khảo sát ảnh hưởng của cường độ ion II.3.1.7. Khảo sát khả năng hấp phụ bởi hỗn hợp kim loại II.3.1.8. Đề xuất công nghệ xử lý kim loại bằng lignin II.3.2. Thí nghiệm dạng cột II.3.2.1. Nghiên cứu khả năng hấp phụ kim loại nặng (Pb, Zn) bằng vật liệu tạo hạt từ lignin II.3.2.2. Nghiên cứu khả năng nhả hấp phụ kim loại nặng (Pb (II), Zn(II) ) II.4. Kết quả nghiên cứu thực nghiệm xử lý chì và kẽm trong nước bằng cách sử dụng canxi-lignosuphonat. KẾT LUẬN TÀI LIỆU THAM KHẢO PHỤ LỤC Đề tài: Nghiên cứu ứng dụng các hợp chất từ lignin để xử lý kim nặng trong nước và nước thải Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường Page 1 MỞ ĐẦU Ô nhiễm môi trường do kim loại đang là vấn đề phổ biến của nhiều nước trên thế giới, trong đó có Việt Nam. Ở nước ta, hoạt động công nghiệp là nguyên nhân chủ yếu gây nên ô nhiễm kim loại nặng trong môi trường nước. Nước thải của các ngành công nghiệp khai khoáng, mạ điện, cơ khí, ắc quy, chứa các kim loại nặng như Pb(II), Zn(II), Cu(II), Ni(II)…có nồng độc cao từ vài mg/L đến vài trăm mg/L. Nh ững dòng thải này không được xử lý đạt tiêu chuẩn xả thải sẽ gây hại cho môi trường tiếp nhận bởi các kim loại nặng không có khả năng phân hủy sinh học và có xu hướng tích tụ trong tế bào thực vật, động vật và con người gây tác động xấu tới sinh vật và sức khỏe con người. Vì vậy, việc nghiên cứu xử lý hiệu quả và triệt để kim loại này là hết sức cần thiết. Một số phương pháp đã được tiến hành nghiên cứu để xử lý kim loại nặng như kết tủa, keo tụ, trao đổi ion, lọc bằng màng, sinh học…. Mỗi phương pháp đều những ưu việt, giới hạn ứng dụng nhất định nhưng có nhược điểm là tạo bùn thải và giá thành cao. Do đó, việc ứng dụng vật liệu tự nhiên có sẵn hoặc tận dụng nh ững chất thải công nghiệp, nông nghiệp để xử lý kim loại nặng trong nước sẽ mang lại hiệu quả kinh tế và môi trường. Hàng năm các nhà máy giấy của nước ta sản xuất ra hàng trăm nghìn tấn giấy và bột giấy. Trong quá trình sản xuất phát sinh ra một lượng lớn chất thải hữu cơ trong đó lignin chiếm một lượng đáng kể. Do vậy xử lý nguồn phế thải nhà máy giấy là m ột vấn đề cấp thiết để bảo vệ môi trường. Về lâu dài phải hướng về việc nghiên cứu khả năng tận dụng lignin và các dẫn xuất của lignin để sản xuất ra các sản phẩm khác phục vụ nền kinh tế quốc dân. Vì vậy, việc tận dụng các chế phẩm này trong xử lý kim loại nặng trong nước không những giải quyết được vấn đề môi trườ ng của ngành công nghiệp giấy và bột giấy, mà còn góp phần giảm thiểu ô nhiễm của một số ngành khác phát sinh chất ô nhiễm kim loại nặng. Về lợi ích kinh tế, việc tận dụng phế thải từ một ngành công nghiệp sẽ tiết kiệm chi phí xử lý môi trường của ngành, đồng thời góp phần giảm thiểu chi phí để xử lý chất thải của ngành khác. Vì vậy, Nghiên cứu ứng dụ ng các hợp chất từ lignin để xử lý kim nặng trong nước và nước thải là một hướng tiếp cận mới có giá trị về mặt kinh tế - xã hội. Đây cũng là một cách tiếp cận thân thiện với môi trường Đề tài: Nghiên cứu ứng dụng các hợp chất từ lignin để xử lý kim nặng trong nước và nước thải Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường Page 2 mang là ứng dụng chất thải của ngành công nghiệp giấy nhằm xử lý ô nhiễm môi trường, vừa giải quyết vấn đề cấp bách bảo về môi trường của ngành. Đề tài: Nghiên cứu ứng dụng các hợp chất từ lignin để xử lý kim nặng trong nước và nước thải Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường Page 3 TÓM TẮT NHIỆM VỤ Nghiên cứu ứng dụng các hợp chất từ lignin để xử lý kim nặng trong nước và nước thải là nghiên cứu khoa học và là một cách tiếp cận mới ứng dụng trong xử lý môi trường. Việc tận dụng phế phẩm của ngành công nghiệp sản xuất giấy và bột giấy để xử lý kim loại nặng trong nước và nước thải có ý nghĩa khoa học và thực tiễ n cao, đáp ứng được nhu cầu thực tiễn của xã hội. Phương pháp thực hiện: Đề tài được triển khai nghiên cứu trên cơ sở áp dụng một hoặc phối hợp các phương pháp nghiên cứu sau đây: Phương pháp kế thừa; Phương pháp phân tích; Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm. Kết quả của đề tài: Báo cáo khoa học về khả năng ứng dụng các hợp chất từ lignin để xử lý kim loại nặng trong nước và nước thải bao gồm các nội dung chính như sau: • Nghiên cứu quá trình thu hồi lignin từ dịch đen • Nghiên cứu hoàn thiện quá trình tổng hợp lignin thành lignosulfonat • Nghiên cứu khả năng ứng dụng lignin và lignosulfonat để xử lý kim loại chọn lọc dưới dạng mẻ và cột Đề tài: Nghiên cứu ứng dụng các hợp chất từ lignin để xử lý kim nặng trong nước và nước thải Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường Page 4 PHẦN 1: TỔNG QUAN LÝ THUYẾT CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ HIỆN TRẠNG Ô NHIỄM KIM LOẠI NẶNG TRONG NƯỚC THẢI VÀ NƯỚC MẶT Ở VIỆT NAM I.1. Hiện trạng ô nhiễm kim loại nặng trong nước mặt và nước thải Việt Nam Cùng với sự gia tăng các hoạt động công nghiệp là việc sản sinh các chất thải nguy hại, tác động tiêu cực trực tiếp đến sức khỏe con người và hệ sinh thái. Các hoạt động khai thác mỏ, công nghi ệp thuộc da, công nghiệp điện tử, mạ điện, chế tạo cơ khí hay công nghệ dệt nhuộm… đã tạo ra các nguồn ô nhiễm chính chứa các kim loại nặng độc hại như Cu, Pb, Ni, Cd, As, Hg, Zn v.v…Các kim loại này có liên quan trực tiếp đến các biến đổi gen, ung thư cũng như ảnh hưởng nghiêm trọng đến môi trường. I.1.1. Hiện trạng ô nhiễm kim loại nặng trong nước thải ở Việt Nam Ô nhi ễm môi trường bởi các kim loại nặng là một vấn đề lớn trong nhiều ngành sản xuất công nghiệp ở Việt Nam. Nước thải của các ngành công nghiệp như khai khoáng, mạ điện, cơ khí, pin ắc quy chứa ion kim loại nặng như Cu(II), Pb(II), Cd(II), Zn(II) với nồng độ cao từ vài mg/L đến vài trăm mg/L. Bên cạnh đó, nước thải từ các hoạt động tái chế kim loại ở các làng nghề cũng chứ a kim loại. Tuy nhiên, với thực trạng hiện nay, các dòng thải này đều không được xử lý hoặc xử lý không hiệu quả đã gây nguy hại cho môi trường tiếp nhận bởi các kim loại nặng có xu hướng tích tụ trong tế bào thực vật, động vật và con người gây tác động xấu tới sinh vật và sức khoẻ loài người. Nước thải từ các cơ sở sản xuất công nghiệp Các khảo sát đặc trưng ô nhi ễm của nước thải của một số cơ sở sản xuất đặc trưng như cơ sở mạ điện, sản xuất ắc quy, cơ khí ở các tỉnh phía Bắc đã nhận định rằng: Hầu hết nước thải đều xuất hiện các kim loại nặng như As, Cd, Cu, Hg, Pb, Ni, Zn, Cr với các nồng độ khác nhau, tùy thuộc vào đặc điểm công nghệ củ a từng ngành (Bảng 1.1). Một số ion kim loại nặng như Zn(II), Ni (II) , Cr(VI), Fe(II) trong nước thải Công Ty TNHH Đề tài: Nghiên cứu ứng dụng các hợp chất từ lignin để xử lý kim nặng trong nước và nước thải Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường Page 5 KYB vượt quá QCVN 24-2009 cột B nhiều lần. Đáng chý ý là nước thải phát sinh từ quá trình sản xuất ắc quy của Công ty TNHH Ắc Quy Hải Phòng có hàm lượng kim loại Pb(II) rất cao, vượt quá tiêu chuẩn QCVN 24-2009 cột B hơn 300 lần; hàm lượng kim loại Zn(II) cũng vượt quá QCVN 24-2009 cột B hơn 2 lần. Ngoài ra, nước thải của Công ty Oread Fasteners Việt Nam – Hải Phòng và Công ty KYB Việt Nam có hàm lượng ion Cr(VI) vượt quá QCVN 24-2009 trên 80 lần và 3000 lần, tương ứng. Đây là những kim loại có tính độc cao nên cần đượ c xử lý hiệu quả nhằm đạt quy chuẩn xả thải hiện hành và tái sử dụng cho quá trình sản xuất. Bảng1. 1 Nước thải của một số công ty cơ khí, mạ kim loại ở phía Bắc (2008) [1,2,5,8] Hàm lượng (mg/L) Thông số Công ty ắc quy Hải Phòng CT Oread Fasteners Việt Nam - HP Công ty Longtech Công ty quy chế từ sơn CT KYB Việt Nam Công ty phụ tùng xe máy Việt Nam) QCVN 24- 2009 cột B As 0,058 0.006 0.019 - 0.0012 0.1 Cd <0.0001 0.0014 - 0.0003 0.01 ∑Cr - 81 0.059 0.205 3364 0.025 1 Cu - 0.235 0.052 90.4 0.0087 2 Hg 0,037 0.0004 0.0001 0.0003 5 <0.0001 0.01 Pb 165,76 0.43 0.063 0.093 0.38 0.006 0.5 Ni - 3.82 0.068 23.72 0.003 0.5 Zn 7.9 3168,5 6.4 1.2 5.32 0.14 3 Fe - 2460 - - 225.1 2.18 5 Đề tài: Nghiên cứu ứng dụng các hợp chất từ lignin để xử lý kim nặng trong nước và nước thải Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường Page 6 [...]... để phù hợp với mục tiêu phát triển bền vững, sự nghiệp bảo vệ môi trường và sức khỏe cộng đồng, việc nghiên cứu để xử lý các kim loại điển hình này là rất cần thiết Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường Page 14 Đề tài: Nghiên cứu ứng dụng các hợp chất từ lignin để xử lý kim nặng trong nước và nước thải CHƯƠNG II CÁC PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ KIM LOẠI NẶNG TRONG NƯỚC VÀ NƯỚC THẢI II.1 Các nghiên cứu về xử lý. .. dụng các hợp chất từ lignin để xử lý kim nặng trong nước và nước thải CHƯƠNG III: SỬ DỤNG LIGNIN VÀ CÁC HỢP CHẤT CỦA LIGNIN ĐỂ XỬ LÝ KIM LOẠI NẶNG III.1 Sử dụng lignin để xử lý kim loại nặng Lignin và các dẫn xuất của lignin là sản phẩm phụ của ngành công nghiệp giấy và bột giấy được biết đến rộng rãi như các vật liệu có khả năng xử lý kim loại nặng độc hại do khối lượng phân tử lớn và phức hợp, cấu... và Công nghệ Môi trường Page 25 Đề tài: Nghiên cứu ứng dụng các hợp chất từ lignin để xử lý kim nặng trong nước và nước thải III 3 Ưu điểm của việc sử dụng lignin và lignosulfonat để xử lý kim loại nặng Lignin và lignosulfonat là sản phẩm phụ của ngành công nghiệp giấy và là tác nhân gây ô nhiễm môi trường trong nước thải sản xuất giấy Việc nghiên cứu tận dụng lignin và các sản phẩm của lignin để xử. .. lưu ý tới các vấn đề nh : mức độ ô nhiễm của nước thải cần xử lý, tiêu chuẩn cần đạt được cho đầu ra của nước thải, tính chất lý, hóa và nhiệt động học của chất ô nhiễm cần loại bỏ trong dòng thải, tính chất lý, hóa của chất rắn phát sinh sau quá trình xử lý Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường Page 17 Đề tài: Nghiên cứu ứng dụng các hợp chất từ lignin để xử lý kim nặng trong nước và nước thải II.2.1... khí thải, nước thải khi nồng độ chất ô nhiễm trong dòng thải không lớn Trong xử lý nước thải, phương pháp hấp phụ có khả năng xử lý triệt để nước thải chứa đồng thời nhiều kim loại nặng với nồng độ ion trong dung dịch nhỏ Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường Page 19 Đề tài: Nghiên cứu ứng dụng các hợp chất từ lignin để xử lý kim nặng trong nước và nước thải Một ưu điểm lớn của hấp phụ so với các phương... trong đó, các dòng nước thải công nghiệp chứa hàm lượng kim loại nặng đã không được xử lý hay xử lý không hiệu quả, là nguồn thải chính gây ô nhiễm kim loại nặng nề cho các dòng sông Hàm lượng Pb QCVN 08 Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường Page 11 Đề tài: Nghiên cứu ứng dụng các hợp chất từ lignin để xử lý kim nặng trong nước và nước thải Hàm lượng Zn QCVN 08 Hình 1.2.(b) Hàm lượng Pb, Zn trong nước. .. mà đây còn là vấn đề đáng quan tâm tại nhiều cơ sở sản xuất nhỏ ở các làng nghề truyền thống Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường Page 9 Đề tài: Nghiên cứu ứng dụng các hợp chất từ lignin để xử lý kim nặng trong nước và nước thải Kết quả phân tích nước thải tại các làng nghề tái chế kim loại ở tỉnh Thái Bình cho thấy rằng: các mẫu nước thải đều chứa kim loại nặng Đặc biệt là nước thải của làng nghề... này là rất cần thiết Vì vậy, nghiên cứu xử lý để thu hồi các kim loại điển hình như Pb, Zn trong dòng thải là giải quyết được bài toán ô nhiễm thực tế, có ý nghĩa khoa học và thực tiễn cao Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường Page 10 Đề tài: Nghiên cứu ứng dụng các hợp chất từ lignin để xử lý kim nặng trong nước và nước thải I.1.2 Hiện trạng ô nhiễm kim loại nặng trong nước mặt ở Việt Nam Hiện nay... giúp tác được lignin ra khỏi hỗn hợp sau khi hấp thụ các kim loại trong nước thải CH2OMe+ CH2OH CH CH CH CH + OCH3 OH Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường 2 Me2+ = OMe+ Page 23 Đề tài: Nghiên cứu ứng dụng các hợp chất từ lignin để xử lý kim nặng trong nước và nước thải III.2 Sử dụng lignosulfonat để xử lý kim loại nặng III.2.1 Giới thiệu về lignosulfonat Cũng như phân tử lignin, cấu trúc phân tử của lignosulfonat.. .Đề tài: Nghiên cứu ứng dụng các hợp chất từ lignin để xử lý kim nặng trong nước và nước thải Hàm lượng Pb QCVN 2 4:2 009 Cơ sở sản xuất Hàm lượng Zn QCVN 2 4:2 009 Cơ sở sản xuất Hình 1.1 Hàm lượng ion kim loại Pb(II), Zn(II) trong nước thải Sự gia tăng nước thải của các khu công nghiệp trong những năm gần đây là rất lớn với thành phần tương đối đa dạng, chủ yếu là chất lơ lửng, chất hữu cơ và một số kim