TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI
KHOA MÔI TRƯỜNG

BÁO CÁO NGHIÊN CỨU KHOA HỌC

Tên đề tài: ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG HẤP PHỤ CỦA TRO BAY VỚI
THAN HOẠT TÍNH THƯƠNG PHẨM PHỔ BIẾN TRONG XỬ LÝ
NƯỚC THẢI DỆT NHUỘM
Giáo viên hướng dẫn: Th.S Trần Minh Dũng
Sinh viên thực hiện: Nguyễn Thị Huyền Ngọc
Nguyễn Thị Hồng Nhung
Lê Phương Thảo
Đỗ Văn Tiến
Lớp: K53, K52

Hà Nội, 2015


2
\

MỤC LỤC


3
\

MỤC LỤC HÌNH
Hình 1.1: Than hoạt tính dạng bột
Hình 1.2: Than hoạt tính dạng viên nén 4mm
Hình 1.3 Sơ đồ quy trình công nghệ sản xuất của ngành dệt nhuộm

Bảng 3.6 Kết quả thí nghiệm hấp phụ với PAC

MỤC LỤC ĐỒ THỊ
Đồ thị 3.1 Hiệu suất xử lý thí nghiệm lần 1
Đồ thị 3.2 Hiệu suất xử lý thí nghiệm lần 2
Đồ thị 3.3 Hiệu suất xử lý của quá trình lọc xuôi
Đồ thị 3.4 Hiệu suất xử lý của PAC
Đồ thị 3.3 Hiệu suất xử lý của quá trình lọc xuôi


5
\

MỞ ĐẦU
1.Tính cấp thiết của đề tài
Ở Việt Nam, các nhà máy nhiệt điện than ước tính hàng năm thải ra
khoảng 1,3 triệu tấn tro bay, đó là chưa kể đến lượng tro bay khá lớn thải ra từ
hàng loạt các lò cao ở các khu công nghiệp gang thép sử dụng nhiên liệu là
than. Lượng chất thải rắn này mới được tái sử dụng rất ít, chủ yếu thải ra môi
trường. Do vậy việc nghiên cứu phát triển các hướng sử dụng khác nhau của
tro bay đang được các nhà khoa học hết sức quan tâm, đặc biệt là hướng sử
dụng làm vật liệu hấp phụ trong xử lý nước thải.
Trên thế giới, nhiều công trình đã nghiên cứu biến tính tro bay, chủ yếu
là chuyển hóa thành zeolit bằng nhiều cách khác nhau. Còn ở nước ta các
nghiên cứu về tái sử dụng tro bay làm vật liệu hấp phụ còn rất ít. Do đó tôi
chọn đề tài “Đánh giá khả năng hấp phụ của tro bay với than hoạt tính thương
phẩm phổ biến trong xử lý nước thải dệt nhuộm” để nâng cao hiệu quả sử
dụng phế thải ngành nhiệt điện, bảo vệ môi trường và tạo vật liệu mới cho quá
trình hấp phụ trong xử lý nước thải.
2.Mục tiêu nghiên cứu

khói. Tro bay là phụ phẩm của các nhà máy nhiệt điện đốt nhiên liệu khoáng
(than đá). Công nghệ đốt than ở các nhà máy nhiệt điện phổ biến nhất là đốt
bằng lò đốt kiểu tầng sôi, tập trung hầu hết ở miền Bắc. Phần hạt tro mịn bay
theo dòng khí thải bị lắng lại trong thiết bị lọc bụi tĩnh điện gọi là “tro bay”,
phần hạt lớn rơi xuống đáy lò gọi là “tro đáy”.
Tro bay thường được phân ra làm 2 loại tùy theo nguồn than đốt:
- Loại C có hàm lượng CaO ≥ 5% và thường bằng 15-35%. Đó là sản phẩm đốt
than ligrit hoặc than chứa bitum, chứa ít than chưa cháy, thường < 2%[6].
-

Loại F có hàm lượng CaO < 5%, thu được từ việc đốt than antraxit hoặc than
chứa bitum, có hàm lượng than chưa cháy nhiều hơn, khoảng 2-10%[6].
1.1.2 Đặc tính của tro bay
Vật liệu tro bay rắn lại khi bay lơ lửng trong khói thải và được thu lại
nhờ hệ thống lọc bụi tĩnh điện. Vì các hạt tro bay cứng lại khi bay lơ lửng
trong khí thải nên nói chung chúng có dạng hình cầu kính cỡ từ 0.5µm đến
100µm. Thành phần của tro bay cấu tạo chủ yếu từ oxit Silic (SiO 2), oxit
nhôm (Al2O3) và oxit sắt (Fe2O3). Tro bay là nguyên liệu quan trọng để chế tạo
bê tông đầm lăn và các loại gạch nhẹ có giá trị cao, các phụ gia đặc hiệu[3].
a. Tính chất vật lý[1]


8
\
-

Tro bay là phân tử khối cầu thủy tinh, nhẹ
Màu sắc: màu ghi hoặc ghi sáng
Mật độ 1,9 ~ 2,3 (chiếm khoảng 65% trọng lượng riêng của xi măng)
Kích thước phân tử: 1,0 ~ 120µm (bình quân kích thước đầu vào: 20 ~ 30 µm)


Tro bay được ứng dụng làm chất kích thích tăng trưởng cho cây trồng.
Bên cạnh đó việc kết hợp tro bay nhẹ với nước bùn thải có giá trị làm phân
bón… Chuyển hóa tro bay thành sản phẩm chứa zeolit có thể dùng để cải tạo
đất, chống chua, khô cằn và bạc màu, nâng cao hiệu quả sử dụng phân bón,
thuốc trừ sâu, tăng năng suất và chất lượng sản phẩm, bảo quản một số nông
sản sau khi thu hoạch, làm chất vi lượng trong thức ăn gia súc để tăng sức đề
kháng và chống bệnh tật, tẩy uế chuồng trại[1].
Tro bay ngoài các ứng dụng kể trên còn được nghiên cứu rộng rãi trong
lĩnh vực xử lí các chất ô nhiễm môi trường. Các chất ô nhiễm có thể là hữu cơ
như dẫn xuất phenol, chất màu, hay hợp chất vô cơ: ion kim loại nặng. Ở nước
ta các nghiên cứu về tái sử dụng tro bay làm vật liệu hấp phụ vẫn còn ít. Đáng
kể nhất là công bố của Nguyễn Thị Thu và cộng sự đã nghiên cứu chuyển hóa
tro bay Phả Lại thành dạng zeolit định hướng xử lý chất thải ô nhiễm[1].
1.2. Tổng quan về than hoạt tính thương phẩm
1.2.1.Than tre hoạt tính dạng bột
Than tre hoạt tính dạng bột mịn là vật liệu làm từ than tre được hoạt
tính hóa bằng hơi nước, nhiệt độ trong điều kiện thiểu khí. Ban đầu dùng tre
để đốt thành than tre thông rồi trong các lò hầm chuyên dụng, sau đó được cho
vào máy nghiền để xay nhỏ than thành dạng bột mịn hoặc các kích thước
mong muốn. Than tre sau khi xay mịn sẽ được nạp vào các lò quay lớn, nhiệt
độ lò ở mức 800 đến 900 độ C để thực hiện quá trình hoạt hóa. Trong nhiệt độ
lớn, thành phần Carbon trong than tre thông thường phản ứng với một số chất
hóa học khác có trong lò quay và hơi nước tạo ra rất nhiều lỗ rỗng bên trong
than tre, từ đó hình thành lên sản phẩm than hoạt tính. Than Hoạt Tính từ tre
này có thành phần chủ yếu là carbon, cấu trúc dạng tổ ong đặc trưng. Với cấu


10
\

Giá trị

Chỉ số iod

900-1000 mg/g

Benzene

20-35%

Methylene Blue:

>180 mg/g


11
\

Độ hấp phụ CCl4

>60%

Độ PH

7.5-8

Độ tro

< 3%


Thông số kĩ thuật:
Chỉ số

Giá trị

Chỉ số iod

800-890 mg/g

Benzene

20-35%

Methylene Blue:

130-80mg/l

Độ hấp phụ CCl4

45-55%

Độ PH

7.5-8

Độ tro

< 3%

Độ ẩm


Nước làm mát và xử lí bụi trong thiết bị dệt nhuộm: 7,8%

•

Nước cho các quá trình chính trong xí nghiệp dệt nhuộm:
72,3%

•

Nước vệ sinh: 7,6%

•

Nước cho việc PCCC và các vấn đề khác: 0,6%

Qua đó cho thấy lượng nước phát sinh từ các nhà máy dệt nhuộm là rất lớn và
ứng với mỗi công đoạn khác nhau trong quá trình dệt nhuộm sẽ có lưu lượng
nước thải và nồng độ các chất ô nhiễm khác nhau.
Bảng 1.3: Các nguồn ô nhiễm nước thải của ngành công nghiệp dệt nhuộm
Công
đoạn

Chất ô nhiễm trong nước
thải

Hồ sợi, rũ Tinh
bột,
glucose,
hồ



14
\


15
\

CHƯƠNG 2. HẤP PHỤ VÀ NHỮNG VẤN ĐỀ LIÊN QUAN
2.1 Hấp phụ
2.1.1 Khái niệm hấp phụ
Hấp phụlà quá trình xảy ra khi một chất khí hay chất lỏng bị hút trên bề
mặt một chất rắn xốp. Chất khí hay chất lỏng đó được gọi là chất bị hấp phụ,
chất rắn xốp dùng để hút khí hay lỏng đó gọi là chất hấp phụ và những chất
không bị hấp phụ gọi là chất trơ. Quá trình ngược lại của hấp phụ gọi là quá
trình giải hấp phụ hay nhả hấp phụ. Trong quá trình hấp phụ có tỏa ra một
nhiệt lượng, gọi là nhiệt hấp phụ, lượng nhiệt tỏa ra phụ thuộc vào cường độ
của lực liên kết phân tử và tương đương với entanpy (nhiệt) ngưng tụ của hơi,
khí. Lượng nhiệt đó nằm trong khoảng từ 2 – 20 kJ/g.mol. Bề mặt càng lớn
tức độ xốp của chất hấp phụ càng cao thì nhiệt hấp phụ toả ra càng lớn.
Tùy theo bản chất của lực tương tác mà người ta phân ra thành: hấp phụ
vật lý và hấp phụ hóa học[2]. Hai quá trình này rất khó phân biệt, có khi tiến
hành song song, có khi chỉ có 1 giai đoạn hấp phụ tùy thuộc tính chất của bề
mặt chất hấp phụ và chất bị hấp phụ, tuỳ thuộc vào điều kiện quá trình (nhiệt
độ, áp suất...)
Trong hấp phụ vật lý các phân tử hơi hoặc khí bị hút vào bề mặt của
chất hấp phụ nhờ có lực liên kết giữa các phân tử (lực Vander Waals).Và
không có sự trao đổi e- giữa hai chất này.
Hấp phụ hóa học là kết quả của các phản ứng hóa học giữa chất bị hấp

Tính đặc
thù

Hấp phụ vật lý
Tương tác vật lý không có sự
trao đổi electron

Hấp phụ hóa học
Liên kết hóa học có sự trao
đổi electron

Vài Kcal/mol

Vài chục Kcal/mol

Không quan trọng

Quan trọng

Nhiệt độ thấp

Ưu đãi ở nhiệt độ cao

Nhiều lớp

Một lớp

Ít phụ thuộc vào bản chất của bề
mặt, phụ thuộc vào những điều
kiện về nhiệt độ và áp suất

-

hạt hấp phụ. Bước này bị khống chế bởi dòng đối lưu và trộn hỗn loạn.
Giai đoạn 2: Các chất tập trung ở lớp nước mỏng này khuếch tán đến các khe
rỗng trên bề mặt hạt rắn (khuếch tán ngoài). Bước này khống chế bởi khuếch

-

tán phân tử và dòng đối lưu.
Giai đoạn 3: Chuyển chất bị hấp phụ từ bề mặt ngoài của hạt hấp phụ đến bề
mặt trong của nó. Bước này có thể xảy ra theo 2 cách: khuếch tán lỗ và khuếch

-

tán bề mặt (khuếch tán trong).
Giai đoạn 4: Liên kết hóa học, vật lý của chất bị hấp phụ với bề mặt trong của
chất hấp phụ. Bước này không bị khống chế bởi tương tác phân tử.
Trong đó, giai đoạn 3 là giai đoạn diễn ra chậm nhất, nhưng lại là yếu tố
quyết định tốc độ quá trình hấp phụ.
2.1.3 Biểu diễn sự hấp phụ
Sự hấp phụ được đánh giá qua các đại lượng biểu diễn lượng hấp
phụ[7]:
a. Độ hấp phụ x là lượng chất bị hấp phụ (tính theo mol, mmol) trong một đơn
vị diện tích bề mặt vật hấp phụ (tính theo cm 2) , đó chính là hàm lượng bề mặt
của chất bị hấp phụ.
Ta có:(mol/cm2 hoặc mmol/cm2)
b. Khi bề mặt vật hấp phụ không đo được, lượng chất bị hấp phụ được quy về
1 đơn vị khối lượng vật hấp phụ (tính theo gam) và ký hiệu x’.



Vật lý và hóa học
Vật lý và hóa học
Vật lý và hóa học


19
\

ShlyginHóa học
Frumkin-Temkin
BrunauerVật lý, nhiều lớp
Emmett-Teller
Bảng 2.2: Một số đường đẳng nhiệt hấp phụ thông dụng[11]
Trong đó: v là thể tích chất bị hấp phụ
vm là thể tích hấp phụ cực đại
p là áp suất chất bị hấp phụ ở pha khí
p0 là áp suất hơi bão hòa của chất bị hấp phụ ở trạng thái lỏng tinh khiết ở
cùng nhiệt độ
a, b, k, n là các hằng số
Đẳng nhiệt hấp phụ rất hữu ích cho việc lựa chọn chất hấp phụ thích hợp
nhất.Đẳng nhiệt hấp phụ cũng đóng vai trò quan trọng trong việc dự đoán hiệu
quả của hệ hấp phụ.
2.1.4 Đặc điểm của hấp phụ
a. Năng lượng hoạt hóa hấp phụ:
Hấp phụ hóa học diễn ra chậm và có năng lượng hoạt hóa khá lớn gần
bằng năng lượng hoạt hóa của phản ứng hóa học, phụ thuộc bởi khoảng cách
giữa các nguyên tử trong chất bị hấp phụ và các trung tâm trên bề mặt chất
rắn.
Hấp phụ vật lý diễn ra rất nhanh và có năng lượng hoạt hóa gần bằng 0.
b. Tính thuận nghịch của hấp phụ:

-

Quá trình hấp phụ diễn ra theo chiều hướng làm san bằng sự phân cực giữa
các pha, quy tắc này gọi là quy tắc cân bằng hóa độ phân cực, còn gọi là quy
tắc Rebinder.
Ví dụ chất C có thể bị hấp phụ lên bề mặt phân cách pha của A và B
nếu sự có mặt của C tại đó có thể loại trừ bớt sự khác biệt về độ phân cực của


21
\

hai pha kia; nói cách khác, sự hấp phụ sẽ xảy ra nếu độ phân cực của chất C
được đặc trưng bằng hằng số điện môi ε nằm giữa giá trị phân cực của A và B.
Điều kiện có sự hấp phụ C là: εA > εC > εB hay εA < εC < εB
Xu hướng làm giảm sức căng bề mặt bắt buộc các chất hoạt động bề
mặt có trong dung dịch phân bố có định hướng trên bề mặt: nhóm phân cực
hướng vào pha phân cực và ngược lại.

Hình 2.2 Ví dụ về sự định hướng của chất hoạt động bề mặt
trên bề mặt phân cách pha
-

Sự tăng khối lượng phân tử chất bị hấp phụ làm cho khả năng bị hấp phụ tăng
lên rõ rệt. Chính vì thế các chất alkaloid và chất màu bị hấp phụ rất mạnh, các
hợp chất thơm bị hấp phụ mạnh hơn các chất mạch thẳng. Tuy nhiên đối với
chất hấp phụ có lỗ xốp nhỏ, do hiệu ứng cản trở không gian, sẽ hấp phụ chậm
chất có mạch cacbon dài.
Ngoài ra, còn phải xét đến tương quan về tính hòa tan tốt hay kém với
dung môi vì những chất tan tốt trong môi trường phân tán của nó có thể là chất

lượng keo trong đất rất khác nhau tuỳ theo loại đất, từ 1 – 2% (đất cát) đến 40 –
50% khối lượng đất (đất sét nặng). Ngay cả khi có hàm lượng rất nhỏ trong đất,
keo đất vẫnquyết định nhiều tính chất cơ bản của đất về mặt lý học, hoá học,
đặc biệt là đặc tính hấp phụ của đất. Keo đất có những đặc tính cơ bản sau:
Keo đất có tỷ diện lớn: Tỷ diện là tổng số diện tích bề mặt của một đơn
vị khối lượng (g) hoặc một đơn vị thể tích (cm3). Keo đất có kích thước càng


23
\

nhỏ thì tỷ diện càng cao, đất sét có tỷ diện lớn nhất rồi đến đất thịt và bé nhất là
đất cát.
Keo đất có năng lượng bề mặt :Phân tử trên bề mặt hạt keo chịu các lực
tác động xung quanh khác nhau vì nó tiếp xúc với thể lỏng hoặc thể khí bên
ngoài. Do các lực này không thể cân bằng lẫn nhau được, từ đó sinh ra năng
lượng tự do, sinh ra năng lượng bề mặt chỗ tiếp xúc giữa các hạt keo với môi
trường xung quanh. Thành phần cơ giới đất càng nặng thì tỷ diện càng lớn và
do đó năng lượng bề mặt càng lớn, khả năng hấp phụ vật chất càng cao.
Keo đất có mang điện :Tuỳ thuộc vào cấu trúc của hạt keo mà keo đất có
thể mang điện âm hoặc điện dương.Trong đất có keo âm, keo dương và keo
lưỡng tính.Phần lớn keo đất mang điện âm.
Keo đất có tác dụng ngưng tụ: Keo đất có thể tồn tại ở hai trạng thái khác
nhau: trạng thái keo tán (sol) và trạng thái keo tụ (gel). Khi những hạt keo phân
bố trong một thể tích nước thì chúng nằm cách xa nhau, đó là trạng thái sol (hay
hydrosol).Quá trình ngưng tụ là quá trình biến sol thành gel.Quá trình này chỉ
xảy ra khi keo bị trung hoà điện hoặc sức hút giữa chúng lớn hơn sức đẩy [4].
b. Silica gel:
Silica gel là hóa chất trơ, không độc, phân cực và được định hình ổn
định (< 400°C hoặc 750°F) từ SiO2 dạng vô định hình. Được hình thành bởi

Nghiên cứu tính chất hấp phụ của tro bay và than hoạt tính thương
phẩm trên tihj trường trong xử lý nước thải ngành công nghiệp dệt nhuộm, từ
đó so sánh khả năng hấp phụ của 2 loại và chọn loại sản phẩm có khả năng sử
dụng cao trên thực tế.
2.2.2 Đối tượng nghiên cứu
Nước thải từ các xí nghiệp dệt nhuộm rất phức tạp, nó bao gồm các chất
hữu cơ, các chất màu và các chất độc hại với môi trường mà hướng giải quyết


25
\

đang gặp rất nhiều khó khăn. Dựa trên những hiểu biết về các công đoạn sản
xuất và thành phần các chất thải trong ngành công nghiệp dệt nhuộm để lấy
mẫu nước thải, đo đạc và phân tích các thông số, xử lý số liệu và thực nghiệm
bằng phương pháp sử dụng tro bay làm vật liệu hấp phụ tìm ra hướng xử lý
hiệu quả cho chất thải ngành này.
2.3 Phương pháp nghiên cứu
2.3.1 Phương pháp tổng hợp, phân tích thông tin, số liệu
Phương pháp này thu thập thông tin, số liệu qua các giáo trình nghiên
cứu, tài liệu tổng hợp, báo cáo khoa học trong nước cũng như nước ngoài về
tro bay, đặc điểm nước thải ngành dệt nhuộm để đưa ra những khái niệm, lý
thuyết làm cơ sở lí luận cho đề tài, hình thành giả thuyết khoa học, phương
hướng nghiên cứu.
2.3.2 Phương pháp thực nghiệm phân tích
Phương pháp này là lấy mẫu nước thải ngành dệt nhuộm và thực hiện phân
tích trong phòng thí nghiệm kỹ thuật môi trường của trường đại học Thủy Lợi.
2.3.3 Phương pháp liệt kê, so sánh – đối chiếu, xử lý số liệu
Từ những số liệu đã đo đạc COD và độ màu trong phòng thí nghiệm,
chúng tôi tiến hành thống kê, xử lý số liệu, lập bảng biểu theo hệ thống để so