Đang tải... (xem toàn văn)
Tình hình ô nhiễm thuốc nhuộm từ nước thải dệt nhuộm, Thuốc nhuộm Methylene blue, Bã mía, Phương pháp hấp phụ, Phương pháp quy hoạch thực nghiệm, Nghiên cứu mô hĩnh hóa các thông số hấp phụ thuốc nhuộm Methylene Blue trên cột bằng phần mềm COMSOL Multiphysics
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP Hồ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA NGUYỄN PHÙNG CẨM SƯƠNG NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG HẤP PHỤ METHYLENE BLUE BẰNG THAN SINH HỌC TỪ BÃ MÍA DẠNG CỘT (Removal Of Methylene Blue By Biochar From Sugarcane Bagasse In Fixed Bed Column) Chuyên ngành: KỸ THUẬT HÓA HỌC Mã số: 60520301 LUẬN VĂN THẠC SĨ TP HỒ CHÍ MINH, tháng 08 năm 2018 CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA -ĐHQG -HCM Cán hướng dẫn khoa học : TS NGUYỄN TUẤN ANH Cán chấm nhận xét : PGS.TS HUỲNH KỲ PHƯONG HẠ Cán chấm nhận xét : TS LÝ CẨM HÙNG Luận văn thạc sĩ bảo vệ Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp HCM ngày 07 tháng 08 năm 2018 Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: PGS.TS NGÔ MẠNH THẮNG PGS.TS HUỲNH KỲ PHƯONG HẠ PGS.TS LÊ MINH VIỄN TS LÝ CẨM HÙNG TS ĐOÀN VĂN THUẦN Xác nhận Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau luận văn sửa chữa (nếu có) CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT HĨA HỌC ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự - Hạnh phúc NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: NGUYỄN PHÙNG CẨM SƯƠNG MSHV: 1670676 Ngày, tháng, năm sinh: 10/09/1993 Nơi sinh: Long An Chuyên ngành: Kỹ thuật hóa học Mã số : 60520301 I TÊN ĐỀ TÀI: Tên tiếng Việt: Nghiên Cứu Khả Năng Hấp Phụ Methylene Blue Bằng Than Sinh Học Từ Bã Mía Dạng Cột Tên tiếng Anh: Removal Of Methylene Blue By Biochar From Sugarcane Bagasse In Fixed Bed Column II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: 2.1 Tổng quan Tình hình nhiễm thuốc nhuộm từ nước thải dệt nhuộm, Thuốc nhuộm Methylene blue, Bã mía, Phương pháp hấp phụ, Phương pháp quy hoạch thực nghiệm, Nghiên cứu mơ hĩnh hóa thơng số hấp phụ thuốc nhuộm Methylene Blue cột phần mềm COMSOL Multiphysics 2.2 Thực nghiệm - Chế tạo: Vật liệu hấp phụ than từ bã mía - Nghiên cứu hấp phụ phương pháp bể : khảo sát nhiệt độ nung chế tạo vật liệu, xây dựng đường đẳng nhiệt Langmuir - Nghiên cứu hấp phụ phương pháp cột : quy hoạch thực nghiệm (RSM) kết hợp mô hĩnh Central composite design (CCD), giải hệ số phương trình PDE phần mềm Comsol Multiphysics III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 15/01/2018 IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 17/06/2018 V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS NGUYỄN TUẤN ANH Tp HCM, ngày 17 tháng 08 năm 2018 CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM BỘ MƠN ĐÀO TẠO TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT HĨA HỌC LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành luận văn “NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG HẤP PHỤ METHYLENE BLUE BẰNG THAN SINH HỌC TỪ BÃ MÍA DẠNG CỘT” Lời với lòng biết on sâu sắc xin gửi lời cảm ơn đến TS Nguyễn Tuấn Anh nhiệt tĩnh hướng dẫn, hết lòng giúp đỡ tơi suốt q trình nghiên cứu hoàn thành luận văn Trân trọng cảm ơn Quý Thầy Cô Trường Đại học Bách Khoa TP.HCM đặc biệt Quý Thầy Cô Khoa Kỹ Thuật Hóa Học giúp đỡ tạo điều kiện thuận lợi cho suốt thời gian thực luận văn Và đặc biệt xin cảm ơn gia đĩnh, người thân bạn bè bên cạnh, ủng hộ, cổ vũ, động viên suốt thời gian qua Một lần nữa, xin gửi đến tất Quý Thầy Cô, bạn bè, gia đĩnh lời biết ơn sâu sắc kính chúc người dồi sức khỏe, may mắn, gặt hái nhiều thành công tương lai Xin chân thành cảm ơn! Tp HCm, ngày 17 tháng 08 năm 2018 Tác giả Nguyễn Phùng cẩm Sương TÓM TẮT Luận văn giải đuợc mục tiêu: Vật liệu than từ bã mía đuợc điều chế phuơng pháp nung yếm khí nhiệt độ 500°c Đặc tính cấu trúc vật liệu đuợc phân tích phuơng pháp: Diện tích bề mặt riêng (BET), quang phổ hấp thu UV-Vis Ngoài ra, khả hấp phụ thuốc nhuộm Methylene Blue (MB) nuớc đuợc đánh giá thông qua hiệu suất hấp phụ Methylene Blue Kết phân tích cho thấy vật liệu than từ bã mía chất hấp phụ tốt tuân theo phuong trĩnh hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir, đuờng kính lỗ xốp trung bình khoảng 1,46 nm, diện tích bề mặt riêng lớn 346,743 m2/g, hấp thụ vùng ánh sáng tự nhiên buớc sóng Ằ.= 664 nm, có dung luợng hấp phụ cực đại 47,17 mg/g Phuong pháp tối uu đáp ứng bề mặt đuợc áp dụng để tối uu hóa khả loại bỏ Methylene Blue nuớc than từ bã mía khoảng thời gian khảo sát 5,5 Dựa thiết kế trung tâm (CCD), mô hĩnh bậc hai biểu diễn mối quan hệ đầu vào: nồng độ thuốc nhuộm ban đầu (20-60 mg/L), chiều cao cột ( - cm), tốc độ dòng chảy (2 - mL/phút) Kết phân tích rằng, mơ hĩnh đuợc sử dụng để dự đốn hiệu suất trĩnh hấp phụ cột hấp phụ Mơ hĩnh hóa đóng vai trò quan trọng quy trình mở rộng từ thí nghiệm thực nghiệm thơng qua thí điểm đến quy mơ cơng nghiệp Nghiên cứu đuờng cong đột phá thực nghiệm (BTC) trình hấp phụ thuốc nhuộm cột hấp phụ có dạng chữ s điển hình cột hấp phụ có tuơng thích thực nghiệm mơ hình 11 ABSTRACT In this thesis has solved the following objectives: Sugar Bagasse was thermally activated at 500 °c in absence air Biochar was characterized by: Brunauer-Emmett-Teller (BET), UV-Vis Spectrometer In addition, Methylene Blue (MB) adsorption capacity of biochar was assessed by adsorption efficiency Langmuir isotherms have been applied to describe the equilibrium between liquid- solid phases Results showed that the biochar made from sugar bagasse was a good adsorbent, average particle diameter was 1,46 nm, big specific surface area (346,743 m2/g), absorbed in natural light at wavelength Ả, = 664 nm, with a highest adsorption capacity is 47,17 mg /g The optimum adsorption conditions of column adsorption were obtained by using response surface methodology (RSM) Experiments were designed by central composite design (CCD) and a quadratic model was used to predict the concentration of the effluent after 5.5 hours The operating parameters were varied as the inlet concentration from 20 mg/L to 60 mg/L, the bed height from to cm, the flow rate from mL/min to mL/min Analysis of variance was incorporated to judge the adequacy of the models The predictions of the model were in good agreement with experimental results, and the optimal condition is then estimated from the model A mathemmatical model of fixed bed adsorbent is very useful for this experiment Prediction of breakthrough curve was studied using for a fixed bed column The correlation between the experimental data and the theoretical models was very good in all cases iii LỜI CAM ĐOAN Tác giả xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng tác giả hướng dẫn khoa học TS Nguyễn Tuấn Anh Các nội dung nghiên cứu, kết luận văn trung thực chưa công bố hĩnh thức trước Những số liệu bảng biểu phục vụ cho việc phân tích, nhận xét, đánh giá tác giả thu thập từ nguồn khác có ghi rõ phần tài liệu tham khảo Ngồi ra, luận văn sử dụng số nhận xét, đánh số liệu tác giả khác, quan tổ chức khác có trích dẫn thích nguồn gốc TP Hồ Chỉ Minh, ngày 17 tháng 08 năm 2018 Tác giả NGUYỄN PHÙNG CẨM SƯƠNG MUC LUC •• LỜI CẢM ƠN i ABSTRACT iii LỜI CAM ĐOAN iv MỤC LỤC V DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH viii DANH MỤC BẢNG BIÊU X DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT xi CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.1 Tình hình nhiễm thuốc nhuộm từ nước thải dệt nhuộm 1.2 Thuốc nhuộm Methylene blue 1.3 Các phương pháp xử lý nước thải dệt nhuộm 1.4 Bã mía 1.5 Tình hình nghiên cứu nước giới 1.6 Mục tiêu đề tài CHƯƠNG Cơ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Phương pháp hấp phụ 2.1.1 Khái niệm 2.1.2 Các mô hĩnh trình hấp phụ 11 2.1.3 Hoạt hóa chất hấp phụ 15 2.1.4 Quá trình hấp phụ phương pháp cột hấp phụ 17 2.2 Các phương pháp phân tích 19 2.2.1 Phương pháp quang phổ hấp thu UV - Vis 19 2.2.2 Phương pháp hấp phụ đa phân tử Brunauer-Emmett-Teller (BET) 21 2.3 Phương pháp quy hoạch thực nghiệm 24 V 2.3.1 Thiết kế kiểu Box - Behnken (Box-Behnken designs) 24 2.3.2 Thiết kế tổng hợp trung tâm (Central Composite designs ) 27 2,4 Nghiên cứu mơ hình hóa thơng số hấp phụ thuốc nhuộm Methylene Blue cột phần mềm COMSOL Multiphysics 29 2.4.1 Các dạng phương trình đạo hàm riêng phần mềm COMSOL Mutiphysics 30 2.4.2 Các giả thiết xây dựng mơ hình 30 2.4.3 Mơ hình động lực tuyến tính (Linear driving force - LDF) 31 2.4.4 Xây dựng đánh giá mơ hình 31 CHƯƠNG THỰC NGHIỆM 34 3.1 Nguyên vật liệu, dụng cụ, thiết bị 34 3.1.1 Nguyên liệu hóa chất 34 3.1.2 Dụng cụ 34 3.1.3 Thiết bị 34 3.2 Nội dung thí nghiệm 35 3.2.1 Phương pháp phân tích vật liệu 35 3.2.2 Xây dựng đường chuẩn Methylene Blue 36 3.2.3 Quá trình chế tạo vật liệu hấp phụ 36 3.2.4 Nghiên cứu trình hấp phụ Methylene Blue than thừ bã mía theo phương pháp hâp phụ tĩnh 39 3.2.5 Nghiên cứu trình hấp phụ Methylene Blue than thừ bã mía theo phương pháp hâp phụ động 41 CHƯƠNG KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 49 4.1 Đặc tính vật liệu than từ bã mía 49 4.2 Đường chuẩn Methylene Blue 50 4.3 Ket hấp phụ thuốc nhuộm phương pháp bể 51 VI 4.3.1 Ảnh hưởng nhiệt độ nung than từ bã mía 51 4.3.2 Phương trình đẳng nhiệt hấp phụ Lăngmuir 53 4,4 Kết hấp phụ thuốc nhuộm phương pháp cột hấp phụ 57 4.4.1 Điều kiện tối ưu hóa trình hấp phụ Methylene Blue phương pháp quy hoạch thực nghiệm theo RSM kết họp với mơ hình CCD (Central Composite Designs) 58 4.4.2 Quy trình thực giải hệ số phương trình PDE COMSOL Multyphysics 64 CHƯƠNG KẾT LUẬN & KIẾN NGHỊ 79 5.1 Kết luận 79 5.2 Kiến nghị 79 TÀI LIỆU THAM KHẢO 81 PHỤ LỤC 85 LÝ LỊCH TRÍCH NGANG 91 vii cột 17 (C= 40 mg/L, h = cm, Q= ml/min) lựa chọn để hiệu chỉnh mơ hình cách: giá trị qmax tăng lên 1,05 lần, giá trị KL giảm lần Tương tự, cột lại cố định tất tham số tính tốn hiệu chỉnh cách thay đổi thông số đầu vào: nồng độ thuốc nhuộm (mg/L); chiều cao cột hấp phụ (cm); tốc độ dòng chảy (mL/min) thu kết sau: a) c= 20 mg/L, h = cm, Q= ml/min 65 0/0 ” 0/0 b) c= 60 mg/L, h = cm, Q= ml/min c) c= 20 mg/L, h = cm, Q= ml/min 66 0/0 ” 0/0 d) c= 60 mg/L, h = cm, Q= ml/min e) c= 20 mg/L, h = cm, Q= ml/min 67 0/0 ” 0/0 f) c= 60 mg/L, h = cm, Q= ml/min g) c= 20 mg/L, h = cm, Q= ml/min 68 0/0 ” 0/0 h) c= 60 mg/L, h = cm, Q= ml/min i) c= 20 mg/L, h = cm, Q= ml/min 69 0/0 ” 0/0 j) c= 60 mg/L, h = cm, Q= ml/min k) c= 40 mg/L, h = cm, Q= ml/min 70 0/0 ” 0/0 1) c= 40 mg/L, h = cm, Q= ml/min m) c= 40 mg/L, h = cm, Q= ml/min 71 0/0 ” 0/0 n) c= 40 mg/L, h = cm, Q= ml/min o) c= 40 mg/L, h = cm, Q= ml/min 72 0/0 ” 0/0 p) c= 40 mg/L, h = cm, Q= ml/min q) c= 40 mg/L, h = cm, Q= ml/min 73 0/0 ” 0/0 r) c= 40 mg/L, h = cm, Q= ml/min s) c= 40 mg/L, h = cm, Q= ml/min 74 1,0 t) c= 40 mg/L, h = cm, Q= ml/min Experimental Model Hình 4-12 So sánh kết mô thực nghiệm cột hấp phụ Kết mô so sánh với số liệu C/Co đầu cột theo thời gian thực nghiệm đuợc minh họa hĩnh 4-12 Từ hĩnh vẽ cho thấy, hầu hết mơ hình đua kết mơ có đuờng cong đột phá thực nghiệm (BTC) có dạng hình chữ s gần với đuờng BTC thực nghiệm Từ cho thấy mô hĩnh mô tốt hấp phụ MB cột hấp phụ theo thời gian Đồng thời, kết chứng tỏ hệ số tham số thu đuợc từ trình hiệu chỉnh mơ hình phù hợp với mơ hĩnh thực nghiệm Tuy vậy, số mơ hĩnh có chênh lệch định nồng độ thuốc nhuộm đầu vào, chiều cao cột, tốc độ dòng chảy khoảng thời gian đầu, điều chứng tỏ mơ hĩnh chua thực khớp với số liệu đo đạc hệ Điều đuợc giải thích mơ hình đua phần này, số liệu thu đuợc từ kết hấp phụ tĩnh chua phản ánh rõ đuợc chất trình hấp phụ cột Cụ thể trình hấp 75 phụ tĩnh diện tích tiếp xúc than (chất hấp phụ ) MB ( chất bị hấp phụ) lớn, đồng thời có hỗ trợ liên tục tác nhân khuấy nên khả hấp phụ MB than tốt so với trĩnh hấp phụ động Sự thay đổi nồng độ thuốc nhuộm ban đầu có ảnh huởng đáng kể đến đuờng cong đột phá Nồng độ ban đầu lớn hơn, độ bão hòa nhanh độ dốc đuờng cong đột phá cao Các đặc tính liên quan đến thay đổi truyền khối [49] Ảnh huởng thơng số tính tốn đến q trình mơ đuờng BTC cột hấp phụ tâm (cột 17) đuợc nghiên cứu cách thay đổi hệ số khuếch tán theo phuơng dọc trục Dz vận tốc dòng chảy cột Uo đuợc trình bày hĩnh sau: Time (min) Hình 4-13 Mơ biến thiên hệ số khuếch tán theo phương dọc trục Ket cho thấy, giảm hệ số khuếch tán theo phương dọc trục Dz từ 1,3504.10"4 đến 3,6012.10"4 cố định thơng số lại đường BTC có xu hướng dịch chuyển phía bên phải tức độ dốc đường BTC giảm dần theo thòi gian Điều giảm hệ số khuếch tán theo phương dọc trục phân tử thuốc nhuộm khuếch tán vào VLHP chậm, trình hấp phụ cột diễn chậm hơn, nên tốc độ bão hòa cột lâu hơn, hiệu xử lý thuốc nhuộm cột tốt 76 Hình 4-14 Mơ biến thiên vận tốc dòng chảy cột Kết cho thấy, tăng vận tốc dòng cột hấp phụ (tức lưu lượng tăng dần) cố định thông số lại thi đường BTC có xu hướng dịch chuyển phía bên trái tức độ dốc đường BTC tăng dần theo thời gian điều giải thích tăng vận tốc dòng qua cột hấp phụ, phân tử thuốc nhuộm qua cột nhiều, trình hấp phụ xảy nhanh nên cột mau bão hòa hơn, hiệu suất xử lý thuốc nhuộm cột giảm theo thời gian Bên cạnh đó, phần mềm Comsol Mutiphysics chứng tỏ dùng để giải toán biên liên quan tới trĩnh hấp phụ cột Trong đó, ứng dụng phần mềm đưa lời giải cho hệ phương trình PDE miền xác định tốn, với điều kiện ban đầu điều kiện biên cho trước Các kết cho mở hướng để ứng dụng giải toán dự đoán hiệu xử lý cột hấp phụ công nghiệp 4A.2.2 Ket luận đảnh giả phương pháp mơ Luận văn trình bày phương pháp mô hệ vật lý với Comsol Multiphysics Cụ thể mơ thành cơng q trình hấp phụ MB cột hấp 77 phụ, từ xác định biên dạng đường BTC cột hấp phụ cho MB chạy liên tục qua cột Neu sử dụng tính tốn lý thuyết thi lâu kết nêu, với ưu việt phương pháp mô phỏng, ta mơ tồn q trình thời gian ngắn 78 CHƯƠNG KẾT LUÂN & KIẾN NGHI •• 5.1 Kết luận Trong q trình thực nghiệm đề tài khóa luận “Nghiên cứu khả hấp phụ Methylene Blue than từ bã mía dạng cột “với mục tiêu xây dựng phát triển mơ hình tốn học mơ q trình hấp phụ thuốc nhuộm Methylene Blue cột, đạt đuợc số kết nhu sau: Điều chế thành công VLHP than từ bã mía có diện tích bề mặt BET 346,743 m2/g, có đuờng kính trung bình lỗ xốp 1,46 nm Với mục tiêu tối ưu hóa q trình hấp phụ thuốc nhuộm Methylene Blue cột hấp phụ, luận văn sử dụng phuơng pháp đáp ứng mặt (RMS) - thiết kế cấu trúc có tâm (CCD) dựa phần mềm Design Expert Kết khoảng thời gian khảo sát 5,5 hiệu suất xử lý MB tối uu mơ hình đạt đuợc 100 % nồng độ thuốc nhuộm đầu vào 20 mg/L, tốc độ dòng chảy ml/min chiều cao cột cm Xác định hàm mục tiêu, toán tối uu phuơng án quy hoạch trực giao cấp phù hợp Các số liệu tính tốn sai lệch so với số liệu thực nghiệm Luận văn mô thành công q trình hấp phụ MB than từ bã mía cột hấp phụ phần mem Comsol Multiphysic Ket mơ q trình hấp phụ MB than từ bã mía cột hấp phụ đuợc so sánh thông qua số liệu nồng độ MB đầu cột theo thời gian có dạng hình chữ s gần với đuờng BTC thực nghiệm Các kết cho mở huớng để ứng dụng giải toán dự đoán hiệu xử lý cột hấp phụ công nghiệp 5.2 Kiến nghị Cho đến thời điểm luận văn làm đuợc hầu hết chức ban đầu đề Tuy nhiên, q trình mơ nhiều thiếu sót Điều 79 ... sinh: 10/09/1993 Nơi sinh: Long An Chuyên ngành: Kỹ thuật hóa học Mã số : 60520301 I TÊN ĐỀ TÀI: Tên tiếng Việt: Nghiên Cứu Khả Năng Hấp Phụ Methylene Blue Bằng Than Sinh Học Từ Bã Mía Dạng Cột. .. dồi mía Nhằm tận dụng nguồn phế phẩm dồi này, tác giả đề xuất đề tài “NGHIÊN cứu KHẢ NĂNG HẤP PHỤ METHYLENE BLUE BẰNG THAN SINH HỌC TỪ BÃ MÍA DẠNG CỘT” CHƯƠNG Cơ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Phương pháp hấp. .. tác chất hấp phụ chất bị hấp phụ mà người ta phân biệt hấp phụ vật lý hấp phụ hóa học Hấp phụ vật lý Hấp phụ vật lý hay hấp phụ “Van Der Waals” xảy tương tác chất hấp phụ chất bị hấp phụ không