Hấp phụ Niken bằng Xương San Hô

Phần này tập trung vào việc đánh giá khả năng hấp phụ Niken (Ni²⁺) của xương san hô. Các thí nghiệm được thiết kế để xác định hiệu suất hấp phụ của vật liệu này. Cụ thể, nghiên cứu sử dụng 6 bình tam giác, mỗi bình chứa 2g xương san hô và 30ml dung dịch Ni²⁺ có nồng độ 470.47mg/l. Quá trình hấp phụ được tiến hành trong các khoảng thời gian khác nhau (30 phút, 60 phút, 120 phút, 180 phút, 240 phút, 300 phút) để xác định thời điểm đạt cân bằng hấp phụ. Kết quả cho thấy, thời gian tiếp xúc ảnh hưởng đến hiệu suất hấp phụ, với hiệu suất ổn định đạt khoảng 85% sau 120 phút. Khối lượng vật liệu hấp phụ cũng được khảo sát, cho thấy hiệu suất hấp phụ tăng lên khi khối lượng xương san hô tăng, đạt hiệu suất tối đa khoảng 87.16% khi sử dụng 2g vật liệu. Thí nghiệm cũng khảo sát ảnh hưởng của nồng độ ban đầu của dung dịch Ni²⁺ đến khả năng hấp phụ, cho thấy mối quan hệ tuyến tính giữa nồng độ ban đầu và tải trọng hấp phụ cho đến khi đạt điểm bão hòa. Những kết quả này cho thấy tiềm năng của xương san hô như một vật liệu hấp phụ hiệu quả cho Niken.

Phần này tập trung vào việc đánh giá ảnh hưởng của các yếu tố vận hành đến hiệu quả hấp phụ Niken của xương san hô. Một thí nghiệm sử dụng cột hấp phụ (buret 25ml, đường kính 1cm) chứa 10g xương san hô được tiến hành để đánh giá ảnh hưởng của tốc độ dòng chảy. Nước thải có chứa Ni²⁺ với nồng độ 94.4 mg/l được sử dụng. Kết quả cho thấy tốc độ dòng chảy ảnh hưởng đáng kể đến hiệu suất hấp phụ. Tốc độ dòng chảy nhỏ hơn sẽ dẫn đến thời gian tiếp xúc lâu hơn, do đó hiệu suất hấp phụ tăng lên. Ngược lại, tốc độ dòng chảy lớn hơn sẽ làm giảm hiệu suất hấp phụ. Để tối ưu hóa quá trình và tiết kiệm chi phí, tốc độ dòng chảy 0.8 ml/phút được lựa chọn. Thêm vào đó, việc sử dụng nhiều cột hấp phụ nối tiếp nhau cũng được nghiên cứu. Thí nghiệm sử dụng 2 cột hấp phụ nối tiếp, mỗi cột chứa 10g xương san hô và tốc độ dòng chảy 0.8 ml/phút, cho thấy hiệu quả xử lý nước thải được cải thiện đáng kể so với chỉ sử dụng một cột. Hiệu suất hấp phụ Niken cao nhất đạt được là 76.1% khi sử dụng một cột và được cải thiện khi dùng nhiều cột nối tiếp. Điều này cho thấy thiết kế hệ thống nhiều cột hấp phụ nối tiếp là một phương pháp hiệu quả để nâng cao hiệu quả loại bỏ Niken từ nước thải.

Sau khi xác định được các điều kiện vận hành tối ưu, phần này tập trung vào việc xác định tải trọng hấp phụ cực đại của xương san hô đối với Ni²⁺. Kết quả cho thấy tải trọng hấp phụ cực đại đạt được là 5.2 mg/g, với tốc độ dòng chảy là 0.8 ml/phút. Cuối cùng, khả năng ứng dụng thực tế của vật liệu hấp phụ được đánh giá bằng việc xử lý mẫu nước thải thực tế lấy từ miệng cống thải của một nhà máy thép tại cụm công nghiệp Nam Cầu Kiền, xã Kiền Bái, huyện Thủy Nguyên, thành phố Hải Phòng. Nồng độ Ni²⁺ ban đầu trong mẫu nước thải này là 94.4 mg/l. Kết quả cho thấy, khi dẫn nước thải qua hai cột hấp phụ nối tiếp, nồng độ Ni²⁺ giảm xuống mức cho phép theo quy chuẩn QCVN 40:2011/BTNMT về chất lượng nước thải công nghiệp. Điều này chứng minh được khả năng ứng dụng thực tiễn của xương san hô trong việc xử lý nước thải chứa Niken, góp phần bảo vệ môi trường.

Đoạn văn này giới thiệu tổng quan về phương pháp hấp phụ, một kỹ thuật xử lý nước thải hiệu quả, đặc biệt trong việc loại bỏ các chất hữu cơ hòa tan và kim loại nặng, những chất khó phân hủy sinh học và thường tồn tại với nồng độ thấp trong nước thải. Phương pháp này được đánh giá cao nhờ hiệu quả cao và chi phí thấp. Vật liệu hấp phụ (VLHP) có thể có nguồn gốc tự nhiên hoặc tổng hợp. Luận văn đề cập đến việc sử dụng VLHP nguồn gốc tự nhiên, như vỏ trấu, bã mía, xơ dừa, vỏ sò, xỉ than, vì những ưu điểm: giá thành thấp, khả năng loại bỏ nhiều kim loại cùng lúc, tái sử dụng được vật liệu và thu hồi kim loại, quy trình đơn giản và không gây ô nhiễm thứ cấp. Sự khác biệt giữa hấp phụ vật lý và hấp phụ hóa học được giải thích, nhấn mạnh rằng trong thực tế, ranh giới giữa hai loại này không rõ ràng và có thể xảy ra đồng thời. Hấp phụ vật lý là quá trình thuận nghịch, phụ thuộc vào các yếu tố như nhiệt độ, nồng độ, và áp suất. Hấp phụ hóa học dựa trên liên kết hóa học mạnh giữa chất hấp phụ và chất bị hấp phụ. Khái niệm cân bằng hấp phụ cũng được đề cập, khi tốc độ hấp phụ bằng tốc độ giải hấp phụ.

Phần này đi sâu vào động học của quá trình hấp phụ, mô tả ba giai đoạn: chuyển chất từ pha lỏng đến bề mặt ngoài của hạt hấp phụ (ảnh hưởng bởi đối lưu và màng giới hạn), khuếch tán vào các mao quản của hạt (khuếch tán phân tử và khuếch tán Knudsen), và hấp phụ trên bề mặt. Các mô hình đẳng nhiệt hấp phụ được dùng để mô tả quá trình, với trọng tâm là mô hình Langmuir. Mô hình này dựa trên các giả định: bề mặt hấp phụ đồng nhất về năng lượng, sự hấp phụ là chọn lọc, và không có tương tác giữa các phần tử chất hấp phụ. Tuy nhiên, thực tế hấp phụ có thể phức tạp hơn do bề mặt không đồng nhất, tương tác giữa các phần tử, và sự hấp phụ cạnh tranh. Các yếu tố ảnh hưởng đến đẳng nhiệt hấp phụ bao gồm nồng độ chất tan, áp suất (đối với hấp phụ khí), và sự cạnh tranh hấp phụ. Ngoài ra, các yếu tố khác như dung môi (dung môi phân cực như nước giúp hấp phụ tốt hơn), độ xốp của chất hấp phụ (độ xốp cao giúp tăng diện tích bề mặt), nhiệt độ (thường làm giảm hấp phụ, trừ trường hợp chất tan hạn chế), và pH của môi trường (ảnh hưởng đến tính chất bề mặt của chất hấp phụ và chất bị hấp phụ) đều được đề cập đến.

Luận văn trình bày hai phương pháp tái sinh vật liệu hấp phụ: phương pháp nhiệt (thích hợp cho chất bị hấp phụ dễ bay hơi) và phương pháp hóa lý (có thể thực hiện tại chỗ, tiết kiệm thời gian và chi phí, và giúp thu hồi chất bị hấp phụ). Quá trình giải hấp phụ, ngược lại với quá trình hấp phụ, được giải thích là quá trình chất bị hấp phụ tách khỏi bề mặt chất hấp phụ bằng cách sử dụng các yếu tố bất lợi cho quá trình hấp phụ. Đây là một phương pháp quan trọng để tái sử dụng vật liệu hấp phụ, tiết kiệm chi phí. Cuối cùng, luận văn nhấn mạnh ứng dụng rộng rãi của phương pháp hấp phụ trong xử lý nước thải công nghiệp. Ưu điểm chính là khả năng loại bỏ đồng thời nhiều chất bẩn (vô cơ và hữu cơ) ngay cả ở nồng độ thấp, với chi phí xử lý thấp hơn các phương pháp khác. Những thông tin này giúp người đọc hiểu rõ hơn về cơ sở lý thuyết và ứng dụng thực tiễn của phương pháp hấp phụ trong xử lý nước thải.

Phần này mô tả xương san hô là một vật liệu tự nhiên có cấu tạo chủ yếu từ đá vôi (CaCO3), với nhiều lỗ rỗng li ti bên trong. Cấu trúc này tạo điều kiện thuận lợi cho khả năng hấp phụ các chất. San hô là sinh vật biển phổ biến ở Việt Nam, tập trung nhiều ở các vùng biển như Khánh Hòa, vịnh Hạ Long, Côn Đảo, Hoàng Sa và Trường Sa. Việt Nam được xem là một trong những trung tâm đa dạng sinh học biển thế giới và có trữ lượng xương san hô rất lớn. Tuy nhiên, hàng năm có một lượng lớn san hô chết đi do các tác động tự nhiên (sự nóng lên toàn cầu, tăng CO2) và nhân tạo (đánh bắt hải sản, ô nhiễm môi trường). Luận văn đề cập đến các loại san hô khác nhau như san hô 6 ngăn (Hexacoralia), Fungia (san hô đơn độc), Galaxea và Symphillia (san hô tập đoàn), và Gorgonia (có bộ xương chung). Sự miêu tả về cấu tạo của các loại san hô này nhấn mạnh vào sự đa dạng về hình thái và cấu trúc xương, từ đó có thể suy ra tiềm năng ứng dụng khác nhau trong hấp phụ.

Phần này tập trung vào độc tính của Niken (Ni), một kim loại nặng có mặt trong nước thải công nghiệp. Niken có nhiệt độ nóng chảy và sôi cao, hoạt tính hóa học trung bình. Trong tự nhiên, Niken phân bố trong khí quyển, thuỷ quyển, địa quyển và sinh quyển. Nguồn Ni lớn nhất do con người tạo ra là từ việc đốt cháy nhiên liệu (26700 tấn Ni/năm toàn cầu) và khói thải động cơ diesel (500-1000 mg/lít). Dầu chứa nhiều Niken hơn than đá. Đồng vị phóng xạ ⁶³Ni (chu kỳ bán rã 92 năm) được sử dụng trong nghiên cứu đất - cây trồng. Niken(II) là trạng thái oxy hóa bền vững trong môi trường đất. Niken có trong nước thải của các nhà máy luyện kim, hóa chất và đặc biệt là các cơ sở mạ Niken, sử dụng các hợp chất như NiSO₄ và Ni(NO₃)₂. Việc nấu chảy Niken gây ô nhiễm nghiêm trọng. Độc tính của Niken thể hiện ở khả năng hoạt hóa enzyme, thay thế kim loại thiết yếu trong enzyme, gây đứt gãy chuỗi trao đổi chất. Tiếp xúc lâu dài gây viêm da, dị ứng. Niken tích lũy trong mô và thải qua nước tiểu. Nhiễm độc cấp tính (do Ni(CO)₄) gây viêm phổi xơ hóa, còn nhiễm độc mạn tính tăng nguy cơ ung thư xoang mũi, thanh quản, phổi, dạ dày, thận… Ung thư đường hô hấp là nguy hiểm nhất.

Các thí nghiệm trong điều kiện phòng thí nghiệm cho thấy xương san hô có khả năng hấp phụ Niken (Ni²⁺) hiệu quả. Việc thay đổi khối lượng vật liệu hấp phụ ảnh hưởng đến hiệu suất, đạt hiệu suất hấp phụ cao nhất 87.16% khi sử dụng 2g xương san hô. Thời gian tiếp xúc cũng là yếu tố quan trọng, hiệu suất hấp phụ đạt ổn định ở mức 85% sau 120 phút. Nồng độ ban đầu của dung dịch Ni²⁺ cũng tác động đến tải trọng hấp phụ, tăng dần theo nồng độ ban đầu cho đến khi đạt đến điểm bão hòa. Dữ liệu thí nghiệm được sử dụng để vẽ đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của Cf/q vào Cf theo lý thuyết hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir, giúp mô tả và phân tích chi tiết hơn quá trình hấp phụ.

Nghiên cứu đã tiến hành ứng dụng xương san hô để xử lý nước thải thực tế lấy từ miệng cống thải của một nhà máy thép tại cụm công nghiệp Nam Cầu Kiền, xã Kiền Bái, huyện Thủy Nguyên, thành phố Hải Phòng. Nồng độ Ni²⁺ ban đầu trong nước thải là 94.4 mg/l. Thí nghiệm sử dụng cột hấp phụ với tốc độ dòng chảy khác nhau cho thấy tốc độ dòng chảy nhỏ (thời gian lưu trong cột lớn) giúp tăng hiệu suất hấp phụ. Tuy nhiên, để tối ưu chi phí, tốc độ dòng chảy 0.8 ml/phút được lựa chọn. Thí nghiệm sử dụng một cột hấp phụ cho thấy hiệu suất hấp phụ chưa cao (76.1%). Để cải thiện hiệu quả, thí nghiệm với hai cột hấp phụ nối tiếp được thực hiện, cho kết quả khả quan hơn, giảm nồng độ Ni²⁺ xuống mức cho phép theo quy chuẩn QCVN 40:2011/BTNMT. Kết quả tải trọng hấp phụ cực đại của vật liệu đối với Ni²⁺ được xác định là 5.2 mg/g khi sử dụng tốc độ dòng chảy 0.8 ml/phút.

Kết quả nghiên cứu cho thấy xương san hô là một vật liệu hấp phụ tiềm năng cho việc loại bỏ Niken trong nước thải. Hiệu quả xử lý tăng lên đáng kể khi sử dụng hệ thống nhiều cột hấp phụ nối tiếp. Tuy nhiên, hiệu quả xử lý thực tế phụ thuộc vào nhiều yếu tố, bao gồm sự cạnh tranh hấp phụ giữa các ion kim loại khác nhau trong nước thải, nồng độ các ion kim loại nặng, và nồng độ COD. Nghiên cứu này đóng góp vào việc phát triển các giải pháp xử lý nước thải thân thiện với môi trường, sử dụng vật liệu sẵn có và tiết kiệm chi phí. Kết quả cho thấy khả năng ứng dụng thực tiễn của vật liệu này trong việc xử lý nước thải công nghiệp, giúp giảm ô nhiễm môi trường và đảm bảo chất lượng nước thải đáp ứng các tiêu chuẩn quốc gia.