TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
LUẬN VĂN THẠC SĨ
Nghiên cứu tổng hợp và ứng dụng vật liệu
trên cơ sở TiO2/graphene để xử lý môi
trường nước
ĐINH ĐỨC MINH
[email protected]
Ngành Kỹ thuật hóa học
Giảng viên hướng dẫn:
Viện:
1. PGS. TS. Nguyễn Hồng Liên
2. GS. TS. Nguyễn Đức Hòa
1. Kỹ thuật hóa học
2. Viện Đào tạo quốc tế về Khoa học vật
liệu
HÀ NỘI, 12/2021
Lời cảm ơn
Lời đầu tiên em xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc tới PGS. TS
Nguyễn Hồng Liên và GS. TS. Nguyễn Đức Hòa, hai thầy cô đã hướng dẫn tận
tình, chỉ bảo em trong thời gian qua để em có thể hoàn thành luận văn này.
Đồng thời em cũng xin cảm ơn các thầy, cô giáo trong Bộ môn Công nghệ
Hữu cơ - Hóa dầu, Viện Kỹ thuật Hóa học và Viện Đào tạo Quốc tế về Khoa học
Vật liệu Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã tạo điều kiện, giúp đỡ em rất nhiều
trong quá trình nghiên cứu, hoàn thành luận văn này.
Em xin chân thành cảm ơn!
Tóm tắt nội dung luận văn
Nước thải nhiễm dầu chủ yếu phát sinh từ các cửa hàng sửa chữa xe, trạm
xăng dầu, kho bồn bể chứa nhiên liệu, khu công nghiệp… Đây là một trong những
nguồn ô nhiễm gây ảnh hưởng nặng nề đến môi trường đất, nước, không khí và
sức khỏe con người bởi các chất hữu cơ có trong dầu khó phân hủy, độc hại và
nguy hiểm với cơ thể sống. Do đó việc xử lý loại bỏ các chất hữu cơ này trong
nước thải trước khi xả vào môi trường là rất cần thiết.
Trong những năm gần đây, nhiều kỹ thuật đã được sử dụng để phân hủy các
thành phần hữu cơ trong nước thải. Trong số các phương pháp đó, quang xúc tác
sử dụng vật liệu bán dẫn nổi lên với ưu thế về khả năng tận dụng được nguồn ánh
sáng mặt trời để xử lý triệt để nước thải nhiễm dầu. Titan oxit (TiO2) là một loại
vật liệu bán dẫn có độ ổn định hóa học cao, thân thiện với môi trường, có thể hấp
thụ một phạm vi rộng quang phổ mặt trời và nhiều lượng tử ánh sáng hơn một số
oxit kim loại bán dẫn khác. Tuy nhiên, sự hấp thụ ánh sáng của TiO2 bị giới hạn
trong vùng ánh sáng tử ngoại do năng lượng vùng cấm lớn. Để khắc phục hạn chế
này, TiO2 cần được biến tính để giảm năng lượng vùng cấm của vật liệu, phù hợp
với nguồn năng lượng kích thích là vùng ánh sáng nhìn thấy. Bên cạnh đó, để tăng
khả năng xúc tác, vật liệu TiO2 cũng cần được tăng cường diện tích bề mặt riêng
nhờ quá trình tổ hợp với các vật liệu có diện tích bề mặt lớn và khả năng hấp phụ
ánh sáng cao như graphene. Do đó, tổ hợp xúc tác quang Ag/TiO2/rGO được tạo
ra bằng phương pháp thủy nhiệt nhằm nâng cao hiệu quả của xúc tác quang để
phân hủy nước thải nhiễm dầu dưới vùng ánh sáng nhìn thấy.
Xuất phát từ những lý do trên, đề tài: “Nghiên cứu tổng hợp và ứng dụng
vật liệu trên cơ sở TiO2/graphene để xử lý môi trường nước” đã được thực hiện.
Các kỹ thuật XRD, FESEM, EDS Mapping, BET, DRS được sử dụng để đánh giá
đặc trưng xúc tác. Hiệu quả của quá trình quang xúc tác xử lý nước thải nhiễm dầu
được đánh giá thông qua chỉ số nhu cầu oxy hóa học (COD) của nước thải trạm
sửa xe. Kết quả cho thấy, hiệu suất quang phân hủy xử lý nước thải nhiễm dầu trên
xúc tác Ag/TiO2/rGO đạt 97% sau 5 giờ phản ứng trong vùng ánh sáng nhìn thấy.
MỤC LỤC
MỞ ĐẦU ............................................................................................................ xiii
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN ................................................................................ 1
1.1
Nước thải nhiễm dầu .................................................................................. 1
Khái niệm .................................................................................... 1
Phân loại ...................................................................................... 1
Thành phần của nước thải nhiễm dầu ......................................... 3
1.2
Thực trạng phát thải ................................................................................... 3
1.3
Ảnh hưởng của nước thải nhiễm dầu ......................................................... 4
1.4
Các phương pháp xử lý nước thải nhiễm dầu ............................................ 4
Phương pháp tuyển nổi không khí .............................................. 5
Phương pháp lọc màng................................................................ 6
Phương pháp hấp phụ.................................................................. 6
Phương pháp đông keo tụ ........................................................... 7
Phương pháp sinh học ................................................................. 8
Phương pháp điện hóa ................................................................. 8
Phương pháp oxy hóa................................................................ 10
Phương pháp quang xúc tác ...................................................... 10
1.5
Vật liệu Titan đioxit (TiO2) ...................................................................... 14
Cấu trúc TiO2 ............................................................................ 14
Một số tính chất của TiO2 ......................................................... 17
Cơ chế xúc tác quang của TiO2 ................................................. 18
Nâng cao hiệu suất xúc tác quang TiO2 .................................... 19
1.6
Vật liệu graphene oxide đã khử ............................................................... 22
Vật liệu graphene ...................................................................... 22
Vật liệu graphene oxit ............................................................... 25
Vật liệu Graphene oxit đã khử .................................................. 30
1.7
Tổ hợp xúc tác quang trên cơ sở TiO2 và rGO ........................................ 34
Tổ hợp xúc tác quang TiO2/rGO ............................................... 34
Tổ hợp xúc tác quang Ag/TiO2/rGO ......................................... 35
1.8
Phương pháp tổng hợp tổ hợp xúc tác quang ........................................... 38
Phương pháp khuấy trộn dung dịch .......................................... 38
Phương pháp sol-gel ................................................................. 38
Phương pháp kết tủa.................................................................. 38
Phương pháp lắng đọng điện hóa .............................................. 38
Phương pháp thủy nhiệt ............................................................ 39
1.9
Mục đích và nội dung nghiên cứu ............................................................ 40
CHƯƠNG 2. THỰC NGHIỆM ........................................................................ 41
2.1
Hóa chất, dụng cụ và thiết bị.................................................................... 41
Hóa chất .................................................................................... 41
Dụng cụ và thiết bị .................................................................... 41
2.2
Tổng hợp vật liệu ..................................................................................... 42
Tổng hợp GO ............................................................................ 42
Tổng hợp rGO ........................................................................... 42
Tổng hợp TiO2 .......................................................................... 43
Tổng hợp xúc tác TiO2/rGO ...................................................... 44
Tổng hợp xúc tác Ag/TiO2/rGO................................................ 44
2.3
Đánh giá hoạt tính quang xúc tác ............................................................. 45
2.4
Quy trình phân tích nhu cầu oxy hóa học (COD) .................................... 46
Nguyên lý .................................................................................. 46
Hóa chất, dụng cụ và thiết bị .................................................... 46
Lấy mẫu và bảo quản mẫu ........................................................ 48
Cách tiến hành ........................................................................... 48
Biểu thị kết quả ......................................................................... 50
2.5
Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả quang xúc tác.................... 50
Khảo sát thời gian hấp phụ ....................................................... 50
Ảnh hưởng của hàm lượng GO ................................................. 50
Ảnh hưởng của môi trường pH ................................................. 50
Ảnh hưởng của khối lượng xúc tác ........................................... 51
Ảnh hưởng của công suất đèn ................................................... 51
Khả năng tái sử dụng của xúc tác ............................................. 51
2.6
Các phương pháp nghiên cứu đặc trưng xúc tác ...................................... 51
Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD).......................................... 51
Phương pháp kính hiển vi điện tử quét (SEM) ......................... 52
Phương pháp phổ tán sắc năng lượng tia X (EDS) ................... 53
Phương pháp đẳng nhiệt hấp phụ - giải hấp phụ vật lý nitơ (BET)
54
Phương pháp phổ phản xạ khuếch tán UV – VIS (DRS).......... 55
CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN .................................................... 56
3.1
Kết quả tổng hợp vật liệu ......................................................................... 56
Kết quả tổng hợp GO và rGO ................................................... 56
Kết quả tổng hợp vật liệu Ag/TiO2/rGO và TiO2/rGO ............. 58
3.2
Hoạt tính quang xúc tác của các vật liệu tổ hợp ...................................... 67
Khảo sát thời gian đạt cân bằng hấp phụ .................................. 67
Khảo sát hàm lượng GO ........................................................... 68
Khảo sát ảnh hưởng của môi trường pH ................................... 69
Khảo sát ảnh hưởng của khối lượng xúc tác ............................. 71
Ảnh hưởng của công suất đèn chiếu sáng ................................. 72
Khả năng tái sử dụng của xúc tác ............................................. 73
KẾT LUẬN ......................................................................................................... 74
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................. 75
DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1 Nguồn nước thải nhiễm dầu, dạng vật chất, tác động và lợi ích của việc
xử lý [4]. ................................................................................................................. 4
Hình 1.2 Hệ thống tuyển nổi không khí hòa tan [4]. ............................................ 5
Hình 1.3 Cơ chế phương pháp đông keo tụ [5] ...................................................... 7
Hình 1.4 Hệ thống xử lý nước thải nhiễm dầu bằng phương pháp điện hóa [4] ... 9
Hình 1.5 Lịch sử phát triển của phương pháp quang xúc tác [6] ......................... 11
Hình 1.6 Tinh thể Rutile: (a) dạng trong tự nhiên; (b) cấu trúc tinh thể .............. 15
Hình 1.7 Tinh thể anatase: (a) dạng trong tự nhiên; (b) cấu trúc tinh thể ............ 15
Hình 1.8 Tinh thể brookite: (a) dạng trong tự nhiên; (b) cấu trúc tinh thể .......... 16
Hình 1.9 Cơ chế xúc tác quang của TiO2 [12] ..................................................... 19
Hình 1.10 Biểu đồ cho sự phân hủy chất xúc tác quang trung bình của các vật liệu
pha tạp khác nhau bằng cách sử dụng chất xúc tác quang TiO2 [12] .................. 21
Hình 1.11 Cấu trúc của vật liệu graphene [13] .................................................... 22
Hình 1.12 Quy trình tổng hợp graphene oxit đã khử [14] ................................... 24
Hình 1.13 Tương quan giữa các phương pháp tổng hợp graphene [14] .............. 25
Hình 1.14 Cấu trúc của graphene oxit [15] .......................................................... 26
Hình 1.15 Cơ chế hình thành graphene oxit [17] ................................................. 28
Hình 1.16 Cấu trúc của GO và rGO [21] ............................................................. 30
Hình 1.17 Cơ chế đề xuất khử các nhóm epoxy và dihydroxyl của L-ascorbic [22]
.............................................................................................................................. 32
Hình 1.18 Cơ chế quang xúc tác TiO2/graphene dưới ánh sáng nhìn thấy [24] .. 34
Hình 1.19 Hiệu ứng cộng hưởng Plasmon bề mặt [25] ....................................... 35
Hình 1.20 Cơ chế quang xúc tác Ag/TiO2/rGO dưới ánh sáng nhìn thấy [26] .... 37
Hình 2.1 Quy trình tổng hợp GO ......................................................................... 42
Hình 2.2 Quy trình tổng hợp rGO ........................................................................ 43
Hình 2.3 Quy trình tổng hợp TiO2 ....................................................................... 43
Hình 2.4 Quy trình tổng hợp TiO2/rGO ............................................................... 44
Hình 2.5 Quy trình tổng hợp Ag/TiO2/rGO ......................................................... 44
Hình 2.6 Mô hình quá trình quang xúc tác xử lý nước thải nhiễm dầu ............... 45
Hình 2.7 Nguyên lý tính giá trị góc tới ................................................................ 52
Hình 2.8 Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của P/V(Po-P) vào P/Po ......................... 55
Hình 3.1 Giản đồ XRD của GO và rGO .............................................................. 56
Hình 3.2 Phổ EDS của GO ................................................................................... 57
Hình 3.3 Phổ EDS của rGO ................................................................................. 57
Hình 3.4 Giản đồ XRD của rGO, TiO2/rGO và Ag/TiO2/rGO ............................ 59
Hình 3.5 Đường đẳng nhiệt hấp phụ-nhả hấp phụ của Ag/TiO2/rGO ................. 60
Hình 3.6 Đường đẳng nhiệt hấp phụ-nhả hấp phụ của TiO2/rGO ....................... 60
Hình 3.7 Phân bố kích thước mao quản trong vật liệu Ag/TiO2/rGO.................. 61
Hình 3.8 Phân bố kích thước mao quản trong vật liệu TiO2/rGO........................ 62
Hình 3.9 Ảnh FESEM của Ag/TiO2/rGO ............................................................ 63
Hình 3.10 Ảnh FESEM của TiO2/rGO ................................................................ 63
Hình 3.11 Thành phần nguyên tố của vật liệu Ag/TiO2/rGO .............................. 64
Hình 3.12 Sự phân bố các nguyên tố trong vật liệu Ag/TiO2/rGO ...................... 64
Hình 3.13 Thành phần nguyên tố của vật liệu TiO2/rGO .................................... 65
Hình 3.14 Sự phân bố các nguyên tố trong vật liệu TiO2/rGO ............................ 65
Hình 3.15 Phổ UVvis-DRS của TiO2, TiO2/rGO và Ag/TiO2/rGO ..................... 66
Hình 3.16 Khảo sát thời gian cân bằng hấp phụ của xúc tác ............................... 67
Hình 3.17 Ảnh hưởng của hàm lượng GO đến hiệu xuất xử lý COD ................. 68
Hình 3.18 Ảnh hưởng của pH đến hiệu suất xử lý COD ..................................... 70
Hình 3.19 Ảnh hưởng của khối lượng xúc tác ..................................................... 71
Hình 3.20 Ảnh hưởng của công suất đèn Compact ............................................. 72
Hình 3.21 Khả năng tái sử dụng của xúc tác Ag/TiO2/rGO ................................ 73
DANH MỤC BẢNG
Bảng 1.1 Một số tính chất vật lý của TiO2 ở dạng anatase và rutile [11] ............ 17
Bảng 1.2 So sánh các phương pháp Hummers .................................................... 29
Bảng 2.1 Danh mục hóa chất ............................................................................... 41
Bảng 2.2 Danh mục thiết bị.................................................................................. 41
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
MWF
Metalworking Fluid
Chất lỏng gia công kim loại
COD
Chemical Oxygen Demand
Nhu cầu oxy hóa học
BOD
Biochemical Oxygen Demand
Nhu cầu oxy sinh hóa
VB
Valence band
Vùng hóa trị
CB
Conduction band
Vùng dẫn
CVD
Chemical Vapor Deposition
Lắng đọng pha hơi hóa học
XRD
X-ray Diffraction
Nhiễu xạ tia X
AOPS
Advanced Oxidation Processes
Phương pháp oxy hóa nâng cao
SEM
Scanning Electron Microscope
Kính hiển vi điện tử quét
EDS
Energy Dispersive X-ray
Spectroscopy
Phổ tán sắc năng lượng tia X
PZC
Point of Zero Charge
Điểm đẳng điện
MỞ ĐẦU
Ngày nay, song hành với sự phát triển mạnh mẽ của nền kinh tế - xã hội, đó
là nguy cơ ô nhiễm môi trường ngày càng trầm trọng do phát thải từ các ngành
công nghiệp như dầu khí, hóa chất, dệt nhuộm, … Một trong các nguồn gây ô
nhiễm hữu cơ điển hình, đó là nước thải nhiễm dầu. Nước thải nhiễm dầu chủ yếu
phát sinh từ các ngành công nghiệp hóa chất như dầu khí, kim loại và gia công, dệt
may, hóa dầu, thực phẩm, đồ uống, nước thải sinh hoạt và nhà hàng. Sau quá trình
tiền xử lý và lọc cặn, giai đoạn xử lý tiếp theo luôn đòi hỏi tìm kiếm những giải
pháp hiệu quả cả về kinh tế và kỹ thuật để có thể áp dụng thực tế xử lý nước thải
đáp ứng các yêu cầu tiêu chuẩn hiện hành.
Trong những năm gần đây, nhiều kỹ thuật đã được sử dụng để phân hủy các
thành phần hữu cơ trong nước thải. Trong số các phương pháp đó, quang xúc tác
sử dụng vật liệu bán dẫn nổi lên với ưu thế về khả năng tận dụng được nguồn ánh
sáng mặt trời để xử lý triệt để nước thải nhiễm dầu. Quá trình quang xúc tác trên
cơ sở TiO2 cho thấy sự vượt trội so với các quá trình oxy hóa tiên tiến khác, đặc
biệt khi TiO2 là vật liệu bền, rẻ tiền, có thể sản xuất ở Việt Nam. Do đó việc sử
dụng TiO2 xử lý nước thải nhiễm dầu là một lựa chọn hợp lý. Tuy nhiên, do năng
lượng vùng cấm lớn (~3.2eV), TiO2 chỉ có thể hoạt động được ở miền ánh sáng
UV, chưa tận dụng được nguồn bức xạ nhìn thấy vô tận sẵn có của mặt trời.
Do đó, để mở rộng vùng làm việc và nâng cao hiệu quả của xúc tác quang
TiO2, luận văn này sẽ thực hiện nghiên cứu tổng hợp tổ hợp Ag/TiO2/rGO bằng
phương pháp thủy nhiệt và thử nghiệm khả năng quang xúc tác phân hủy nước thải
nhiễm dầu trong vùng ánh sáng nhìn thấy.
•
•
Nội dung luận văn gồm 3 chương:
Chương 1: Tổng quan.
Chương 2: Thực nghiệm.
•
Chương 3: Kết quả và thảo luận.
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN
1.1 Nước thải nhiễm dầu
Khái niệm
Nước thải nhiễm dầu là nước thải có chứa dầu ở các nồng độ khác nhau.
Dầu lẫn trong nước có thể là chất béo, hydrocacbon và các phân đoạn dầu mỏ như
dầu diesel, xăng và dầu hỏa [1].
Phân loại
Có rất nhiều nguồn mà từ đó nước thải nhiễm dầu được thải ra, chẳng hạn
như các ngành công nghiệp hóa chất khác nhau: dầu khí, kim loại và gia công, dệt
may, hóa dầu và các ngành khác, các ngành công nghiệp thực phẩm và đồ uống,
nước thải sinh hoạt và nhà hàng.
1.1.2.1. Ngành công nghiệp dầu khí đá phiến.
Với ngành công nghiệp dầu khí đá phiến, trong quá trình khoan dầu, một
lượng lớn nước thải chứa dầu đã được tạo ra như một sản phẩm phụ. Sản phẩm
phụ này được gọi là "nước sản xuất" hoặc "nước chảy ngược". Nước thải được tạo
ra sau quá trình lọc dầu và quá trình làm ngọt khí được gọi là "nước xử lý". Sự
khác biệt chính giữa “nước sản xuất” và “nước chế biến” là ở đặc tính thành phần.
Cụ thể, “nước sản xuất” có thành phần muối cao trong khi “nước chế biến” đặc
trưng bởi hàm lượng hữu cơ cao. Khối lượng và tính chất của thành phần “nước
sản xuất” thay đổi tùy theo từng khu vực, phụ thuộc vào vị trí giếng dầu và nhà
máy lọc dầu [2].
1.1.2.2. Ngành công nghiệp dầu mỏ.
Ngành công nghiệp dầu mỏ tạo ra một lượng lớn bùn dầu trong các giải
đoạn xử lý khác nhau của nhà máy lọc dầu. Nhũ tương của nước, dầu nặng và các
hạt rắn được gọi là bùn nhờn. Ngoài việc xử lý vận chuyển không đúng cách và rò
rỉ trong các bể chứa và đường ống dẫn cũng có thể dẫn đến việc vô tình giải phóng
cặn dầu-nước và gây ra các vấn đề hệ sinh thái khác nhau. Do đó, xử lý an toàn
cặn dầu này và các kỹ thuật xử lý dầu khác nhau là điều bắt buộc đối với các ngành
công nghiệp hóa chất xử lý nước thải dầu mỏ và dầu [2].
1
1.1.2.3. Ngành công nghiệp luyện kim.
Một nguồn xả nước thải nhiễm dầu quan trọng khác là ngành công nghiệp
luyện kim. Trong hầu hết các ngành công nghiệp cơ khí, chất lỏng gia công kim
loại (MWF) được sử dụng cho mục đích bôi trơn và làm mát các bộ phận kim loại
của các bộ phận khác nhau của máy móc. Các MWF này thường được chia thành
hai loại: một là MWF gốc dầu hoặc dầu trong nhũ tương nước và loại kia là MWF
gốc nước. Sau khi sử dụng các MWF này cho các mục đích khác nhau, các chất
lỏng huyền phù dầu này tạo ra một dòng chất thải được gọi là dầu cắt đã qua sử
dụng. Nhũ tương dầu cắt gọt đã qua sử dụng được thải ra dưới dạng nước thải
nhiễm dầu từ các ngành công nghiệp luyện kim với một lượng rất lớn. Trên toàn
cầu, hơn 2.000.000 m3 MWF được sử dụng trong một năm và nước thải từ dòng
MWF này cao hơn 10 lần so với MWF loãng. Do sự hiện diện của các chất ô nhiễm
và chất độc hại khác nhau, bắt buộc phải thực hiện các quy trình xử lý khác nhau
đối với các MWF đã sử dụng [2].
1.1.2.4. Nhà hàng và nước thải sinh hoạt.
Một nguồn nước thải dầu mỡ quan trọng khác là nước thải nhà hàng và nước
thải sinh hoạt. Do tính chất phức tạp của các hợp chất Dầu và Mỡ, nó được coi là
“một trong những chất ô nhiễm phức tạp nhất để loại bỏ”. Nước thải từ các khách
sạn, nhà hàng, quán ăn và các cửa hàng cung cấp dịch vụ ăn uống khác rất nhiều
so với nước thải sinh hoạt. Do thời gian hoạt động cao, lượng khách hàng lớn, và
cũng do nhiệt độ hoạt động cao nên cường độ của nước thải cao hơn nước sinh
hoạt. Chất lượng của nước thải về hàm lượng dầu và chất ô nhiễm cũng phụ thuộc
vào loại thực phẩm phục vụ trong các quán ăn khác nhau như Ấn Độ, Trung Quốc,
Nhật Bản, phương Tây, ... [2].
1.1.2.5. Một số ngành khác.
Các ngành công nghiệp chế biến thịt và gia cầm làm phát sinh nhiều nước
thải nhiễm dầu do hoạt động giết mổ và làm sạch. Quá trình lọc dầu thực vật như
hướng dương, đậu nành, cám gạo, lạc, vừng, … tạo ra nước thải nhà máy lọc dầu
thực vật. Các ngành công nghiệp thủy sản và sữa cũng là một trong những nguồn
nước thải nhiễm dầu [2].
2
Thành phần của nước thải nhiễm dầu
Thành phần chính của nước thải nhiễm dầu từ các ngành công nghiệp là các
hợp chất hữu cơ. Các hợp chất hữu cơ được phân loại thành bốn loại khác nhau:
hydrocacbon no mạch dài (chất béo), hydrocacbon thơm, các hợp chất dị vòng
chứa oxy, nitơ, các chất béo đa vòng và các vòng thơm dị vòng. Ngoài các thành
phần nêu trên, các kim loại nặng độc hại như niken, crom, cadimi, kẽm, chì, …
cũng có trong nước thải nhiễm dầu. Ngoài việc gây tổn hại đến hệ sinh thái, các
hợp chất này còn gây ra các vấn đề nghiêm trọng đến sức khỏe của con người như
sự bất thường của hệ hô hấp và hệ thần kinh.
Nước thải nhiễm dầu cũng chứa các thành phần ít phân hủy sinh học và ảnh
hưởng đến đời sống sinh vật. Sự hiện diện của dầu trong thủy sinh làm giảm quá
trình quang hợp và làm tắc nghẽn các lỗ chân lông của đất, do đó ngăn cản sự
chuyển giao oxy giữa không khí và nước cần thiết để phân hủy chất thải. Do những
nguyên nhân nêu trên, nước thải có hàm lượng dầu, mỡ và kim loại nặng không
thể xả trực tiếp ra môi trường mà phải qua các nhà máy xử lý. Vì vậy, việc phát
triển và sử dụng các kỹ thuật thích hợp và hiệu quả là cần thiết để xử lý các loại
nước thải này [2].
1.2 Thực trạng phát thải
Với sự phát triển nhanh chóng của các ngành công nghiệp, một lượng lớn
nước thải chứa nhiều loại chất ô nhiễm hữu cơ, hạt nhân phóng xạ, các ion kim
loại độc hại và các hạt nano nhân tạo được thải ra môi trường. Trong đó, một lượng
lớn nước thải nhiễm dầu trong nước được tạo ra bởi các hoạt động khác nhau như
nhà máy lọc dầu, nhà máy hóa dầu, dầu thô tràn ra biển, các hoạt động sản xuất và
sinh hoạt. Nồng độ dầu trong nước thải có thể thay đổi rất nhiều tùy thuộc vào
nguồn của nó. Ví dụ, hàm lượng dầu mỡ trong nước thải sinh hoạt là từ 50–100
mg/L. Trong khi đó, nguồn nhũ tương dầu lớn nhất được tạo ra trong quá trình khai
thác và thăm dò dầu và những nước thải này chứa nồng độ dầu cao từ 4000 đến
6000 mg/L. Ngoài ra, nồng độ dầu trong nước thải sản xuất trong ngành công
nghiệp chế biến kim loại (ví dụ, chất lỏng bôi trơn, dầu cắt gọt, dầu mài và dầu
làm mát) nằm trong khoảng 100–5000 mg/L. Một quá trình khác cũng tạo ra nước
thải nhiễm dầu với nồng độ cao, đó là công nghiệp chế biến thực phẩm, sữa, lò giết
3
mổ và gia cầm. Ngoài ra, nồng độ dầu mỡ trong nước thải sản xuất bao bì thực
phẩm cũng ở ngưỡng lớn đến 1000 mg/L [3].
1.3 Ảnh hưởng của nước thải nhiễm dầu
Nước thải nhiễm dầu là chất gây ung thư và gây đột biến đối với sức khỏe
con người và cũng có thể ức chế sự phát triển của thực vật. Việc xả nước thải
nhiễm dầu mà không được xử lý thích hợp có thể làm tăng nhu cầu oxy sinh học
(BOD) và nhu cầu oxy hóa học (COD) của lưu vực nước, làm giảm sự xâm nhập
của ánh sáng mặt trời vào môi trường nước (do tạo thành một lớp màng che phủ
trên bề mặt), và do đó phá vỡ hệ sinh thái thủy sinh. Vì vậy, việc xử lý nước thải
nhiễm dầu là rất quan trọng để giảm ảnh hưởng của nó đối với môi trường và con
người. Ngoài ra, thu hồi dầu từ xử lý nước thải nhiễm dầu cũng có thể mang lại lợi
ích kinh tế. Tổng quan về nguồn nước thải nhiễm dầu, tác động và lợi ích của việc
xử lý được tóm tắt trong hình dưới đây [4].
Hình 1.1 Nguồn nước thải nhiễm dầu, dạng vật chất, tác động và lợi ích của việc xử lý
[4].
1.4 Các phương pháp xử lý nước thải nhiễm dầu
Nước thải nhiễm dầu chưa qua xử lý hoặc ít được xử lý có thể gây nguy
hiểm cho sức khỏe cộng đồng và hệ thống sinh thái do các thành phần nguy hại
của nó. Ngoài dầu và mỡ, nước thải nhiễm dầu cũng có thể chứa các chất rắn lơ
lửng và hòa tan, phenol, kim loại nặng, thuốc nhuộm và các phần tử có hại khác.
Do đó, cần có các quy trình xử lý nước thải nhiễm dầu phù hợp để tạo ra nước thải
đạt tiêu chuẩn quy định. Một số công nghệ hiện hành có thể được áp dụng để cải
4
thiện chất lượng của nước thải nhiễm dầu như tuyển nổi không khí, lọc màng, oxy
hóa nâng cao và hấp phụ.
Phương pháp tuyển nổi không khí
Đối với xử lý nước thải nhiễm dầu, phương pháp này có thể được áp dụng
để giảm lượng chất béo, dầu mỡ bằng cách tạo bọt khí qua bể hoặc hồ chứa nước
thải, nhằm tăng sự chênh lệch trọng lượng riêng giữa các phần tử ô nhiễm và nước.
Trong quá trình này, các hạt lơ lửng và các hạt dầu có thể nổi lên bề mặt nước thải
và tiếp tục được loại bỏ bằng cách hớt bọt. Một số kỹ thuật tuyển nổi không khí
phổ biến hiện nay như tuyển nổi không khí hòa tan, tuyển nổi không khí phân tán
và tuyển nổi điện.
Đối với kỹ thuật tuyển nổi không khí hòa tan, nước thải được bão hòa dưới
áp suất không khí được tạo ra bởi quá trình lọc hạt. Sau đó, áp suất được giải phóng
qua van kim vào các tế bào tuyển nổi dẫn đến hình thành các bọt khí có đường
kính khoảng 30 - 120 µm.
Đối với kỹ thuật tuyển nổi không khí phân tán, bọt khí được tạo ra thông
qua các lỗ của đĩa thủy tinh có đường kính từ 75 đến 655 µm.
Trong khi đó, quá trình tuyển nổi điện liên quan đến điện phân nước được
sử dụng với các bong bóng được tạo ra tại các điện cực có đường kính từ 22 đến
50 µm [5].
Hình 1.2 Hệ thống tuyển nổi không khí hòa tan [4].
5
Phương pháp lọc màng
Ngày nay, phương pháp lọc màng để xử lý nước thải có dầu đã được nghiên
cứu rộng rãi do khả năng loại bỏ hầu hết các hóa chất, các hợp chất vô cơ và hữu
cơ khỏi nước thải. Đầu tiên, lọc màng có thể được phân loại thành ba loại dựa trên
động lực được sử dụng để phân tách; điều khiển áp suất, điều khiển thẩm thấu và
điều khiển nhiệt. Trong số các lực đẩy này, điều khiển bằng áp suất là loại phổ
biến nhất được sử dụng để xử lý nước thải nhiễm dầu. Màng điều khiển áp suất có
thể được phân loại thêm thành thẩm thấu ngược, lọc nano, siêu lọc và vi lọc. Các
báo cáo về quy trình vi lọc và siêu lọc để xử lý nước thải nhiễm dầu cho thấy, siêu
lọc là kỹ thuật được ưa chuộng vì đây là hoạt động áp suất thấp, do đó không cần
vốn đầu tư cao, và chi phí vận hành thấp.
Tuy nhiên, đối với ứng dụng thực tế, thách thức lớn mà các màng này phải
đối mặt là độ ổn định trong thời gian dài kém, bám bẩn và tuổi thọ của màng ngắn.
Các giọt dầu có thể tụ lại trên bề mặt màng hoặc bên trong các kênh lỗ, ngăn chặn
sự thấm nước qua màng. Để khắc phục vấn đề này, quá trình làm sạch được thực
hiện thông qua xả ngược, làm sạch bằng hóa chất và xả khí để duy trì hiệu suất của
màng. Tuy nhiên, quá trình làm sạch được phát hiện là làm giảm tuổi thọ của màng.
Ngoài ra, làm sạch cũng làm tăng chi phí hoạt động của phương pháp màng [4].
Phương pháp hấp phụ
Hấp phụ là quá trình kết dính của các nguyên tử, ion hoặc phân tử từ chất
khí, chất lỏng hoặc chất rắn hòa tan vào bề mặt chất hấp phụ khi chúng tiếp xúc
trong một thời gian nhất định. Quá trình này có thể diễn ra thông qua hai kỹ thuật
là hấp phụ vật lý và hấp phụ hóa học. Trong khi hấp phụ vật lý là sự tồn tại của
các liên kết giữa các hạt giữa chất hấp phụ và chất hấp phụ một cách thuận nghịch,
thì hấp phụ hóa học trải qua sự kết hợp ion hoặc phân tử mạnh hơn bằng cách trao
đổi điện tử không thể đảo ngược.
Than hoạt tính (AC) là một trong những loại chất hấp phụ nổi bật nhất được
sử dụng trong quá trình hấp phụ. Tuy nhiên, chi phí tái sinh của AC bão hòa là
tương đối đắt. Điều này đã dẫn đến những nghiên cứu mới khám phá nhiều loại
chất hấp phụ có chi phí hoạt động thấp hơn và có nguồn gốc từ một số chất thải
nông nghiệp và hữu cơ khác. Những vật liệu hữu cơ tự nhiên đó có một số lợi ích
6
bao gồm giá trị kinh tế tốt hơn, cách sử dụng đơn giản, tính khả dụng đáng tin cậy
và khả năng phân hủy sinh học cao.
Để tăng hiệu suất của các vật liệu hấp phụ đó, có thể tiến hành quá trình
hoạt hóa như ngâm tẩm hóa học, este hóa và cacbon hóa cũng như kết hợp hấp phụ
với các phương pháp xử lý khác. Tuy nhiên, cần lưu ý một số yếu tố ảnh hưởng
đến hiệu quả của phương pháp hấp phụ để loại bỏ hạt dầu khỏi nước thải, bao gồm
liều lượng chất hấp phụ, chiều cao lớp chất hấp thụ, kích thước hạt chất hấp phụ,
tốc độ dòng cấp, nồng độ dầu ban đầu trong nước thải, pH, nhiệt độ và thời gian
tiếp xúc giữa chất hấp phụ và chất bị hấp phụ [5].
Phương pháp đông keo tụ
Quá trình đông keo tụ sử dụng hóa chất để tạo ra một tập hợp lắng nhanh ra
khỏi huyền phù đã phân chia giữa nước và nước thải bị ô nhiễm dẫn đến loại bỏ
các chất bẩn hữu cơ. Một số giai đoạn bao gồm quá trình làm mất ổn định, kết dính
và tập hợp hoặc kết dính chất keo có thể tạo ra các hạt lớn hơn hoặc nặng hơn. Do
đó, những hạt này có thể dễ dàng được loại bỏ bằng cách lắng và lọc sau đó. Cơ
chế chung của quá trình đông keo tụ được minh họa trong hình dưới đây.
Hình 1.3 Cơ chế phương pháp đông keo tụ [5]
Có nhiều chất đông tụ hoặc chất keo tụ khác nhau có thể được sử dụng cho
mục đích này như vôi, magiê, muối nhôm, oxit canxi và nhôm sunfat. Đối với nước
thải có chứa các hạt dầu mỡ, quá trình đông keo tụ cũng có thể phá vỡ dầu nhũ
tương hóa học ổn định. Loại hình xử lý này thường được tiến hành như bước tiền
xử lý nước bị ô nhiễm trước khi đi vào hệ thống xử lý chính như lọc màng hoặc
nhà máy xử lý xúc tác quang [5].
7
.PDF 
91 
1 
111 
