Nghiên cứu tận dụng bùn thải từ nhà máy nước cấp ứng dụng làm vật liệu hấp phụ H2S

Hóa học và Kỹ thuật môi trường L. P. T. Hiền, , N. N. Huy, “Nghiên cứu tận dụng bùn thải vật liệu hấp phụ H2S.” 218 NGHIÊN CỨU TẬN DỤNG BÙN THẢI TỪ NHÀ MÁY NƯỚC CẤP ỨNG DỤNG LÀM VẬT LIỆU HẤP PHỤ H2S Lâm Phạm Thanh Hiền1,2, Lê Thị Kiều Thi1,2, Đặng Văn Thành3, Nguyễn Nhật Huy1,2* Tóm tắt: Bùn thải từ nhà máy nước cấp với thành phần kim loại có nguồn gốc từ các chất keo tụ (Al, Fe) có tiềm năng ứng dụng chế tạo vật liệu nano trong xử lý môi trường. Nghiên cứu này đánh giá khả năng hấp phụ H2S của các vật liệu từ bùn nước cấp nhằm tìm ra hướng giải quyết cho vấn đề chất thải rắn (bùn thải) đồng thời tìm được vật liệu hấp phụ rẻ tiền, có sẵn với số lượng lớn có thể xử lý khí thải (H2S). Các đặc trưng về hình thái và thành phần khoáng chất có trong các mẫu bùn được xác định bằng phương pháp phân tích kính hiển vi điện tử quét SEM và phổ EDS. Ảnh hưởng của nồng độ và lưu lượng H2S đầu vào đến hiệu quả xử lý cũng được đánh giá. Kết quả cho thấy, bùn biến tính nhiệt cho hiệu quả xử lý tốt hơn bùn thô, đạt tốt nhất ở 200 oC. Mô hình Langmuir cho thấy sự phù hợp để mô tả quá trình hấp phụ trong nghiên cứu này với hệ số R2 = 0,9166 và dung lượng hấp phụ cực đại theo tính toán là 50,251 mg/g. Vật liệu có dung lượng hấp phụ cao hơn khi vận hành mô hình ở lưu lượng thấp, đạt 44,79 mg/g ở. lưu lượng 1 L/phút. Từ khóa: Hấp phụ; Bùn nước cấp; Khí H2S; Xử lý khí thải. 1. MỞ ĐẦU H2S là một khí độc với mùi trứng thối khó chịu, có nguồn gốc từ tự nhiên hoặc nhân tạo. Sự có mặt của H2S làm giảm nhiệt trị của biogas, gây mùi hăng khó chịu. Phương pháp hấp phụ đã và đang chứng minh được hiệu quả trong xử lý khí H2S đặc biệt chiếm ưu thế để loại bỏ khí H2S trong hỗn hợp khí biogas [1]. Trong những năm gần đây, bùn thải phát sinh từ nhà máy nước cấp được xếp vào danh sách chất thải rắn nguy hại, cần xử lý nghiêm ngặt trước khi thải ra môi trường. Với thành phần đa dạng, chứa các nguyên tố kim loại như Fex, Mn, Zn, Pb, Ni, Cr, Cd, Al, và Cu [2], bùn nước cấp được kỳ vọng có thể được tận dụng chế tạo những vật liệu có giá trị về kinh tế. Theo một số kết quả nghiên cứu đã công bố, bùn thải từ nhà máy nước cấp đã được tận dụng làm thành phần chế tạo gạch nung [2, 3], chậu gốm hay chén hứng mủ cao su [2], bổ sung nguyên liệu sản xuất xi măng [4], ứng dụng làm vật liệu hấp phụ phot-pho trong nước thải [5]. Nhìn chung việc ứng dụng bùn nước cấp chứa thành phần kim loại trong xử lý khí thải (như H2S) ở Việt Nam vẫn còn nhiều hạn chế, cần được quan tâm nghiên cứu. Trước đây, một số loại vật liệu khác nhau như than hoạt tính biến tính (với NaOH và NaCO3), bentonite (bóc tách từ khoáng sét ở Bình Thuận), ZnO (bằng phương pháp siêu âm và/hoặc điện hóa) đã được sử dụng để hấp phụ H2S cho hiệu quả khá khả quan [6, 7]. Trong nghiên cứu này, bùn thải từ nhà máy nước cấp được tận dụng làm vật liệu hấp phụ khí H2S. Ảnh hưởng của nồng độ và lưu lượng dòng khí đầu vào đến quá trình hấp phụ được khảo sát nhằm tìm ra điều kiện vận hành tốt nhất. 2. THỰC NGHIỆM 2.1. Vật liệu nghiên cứu Bùn thải sử dụng trong nghiên cứu được lấy từ nhà máy nước cấp Thủ Đức, thành phố Hồ Chí Minh. Sau khi sấy khô và nghiền nhỏ, bùn thô được nung ở các nhiệt độ khác nhau từ 200 đến 700 oC trong 4 giờ [8]. Trước khi bố trí vào mô hình, các hạt vật liệu bùn mịn PS-X (với X là nhiệt độ nung) được ép-đập-rây lấy kích thước khoảng 0,097-0,45 mm. Các đặc trưng về hình thái và thành phần khoáng chất có trong các mẫu bùn dùng làm vật liệu hấp phụ được xác định bằng kỹ thuật SEM và EDS với máy JSM-IT200 (Trung tâm Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Viện Hóa học - Vật liệu, 9 - 2020 219 thí nghiệm thực hành, Đại học Công nghiệp Thực phẩm Tp. HCM). Than hoạt tính sử dụng trong nghiên cứu là than hoạt tính thương mại có nguồn gốc từ Trung Quốc. 2.2. Mô hình nghiên cứu Mô hình thí nghiệm hấp phụ H2S được bố trí như hình 1. Máy thổi khí (1) đẩy không khí qua bộ xử lý sơ bộ bằng than hoạt tính (2) nhằm khử các tạp chất và hơi nước trước khi đến nơi pha trộn. Cùng lúc đó, bơm hút (3) sẽ hút khí H2S vừa tạo ra từ hệ thống tạo khí (4) từ phản ứng giữa Na2S.9H2O (Xilong, Trung Quốc) và dung dịch H2SO4 3% (Xilong, Trung Quốc) đưa đến bình ổn định nồng độ (5). Lưu lượng các dòng khí được kiểm soát bằng lưu lượng kế. Sau khi đạt được nồng độ đầu vào và lưu lượng mong muốn, dòng khí chứa H2S được đưa vào ống hấp phụ (6) chứa vật liệu hấp phụ với khối lượng xác định. Cụm kiểm tra lưu lượng (8) được sử dụng để kiểm tra lại lưu lượng dòng khí trước khi đưa vào ống hấp phụ. Mẫu khí H2S được thu thập ở cụm lấy mẫu (7) và phân tích theo Tiêu chuẩn ngành 10TCN 676-2006 của Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông thôn. Hình 1. Mô hình hấp phụ H2S: (1, 3) Bơm khí; (2) Bộ lọc; (4) Bình tạo khí H2S; (5) Bình ổn định; (6) Ống hấp phụ; (7) Cụm lấy mẫu; (8) Lưu lượng kế. 3. KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 3.1. Kết quả phân tích SEM và EDS Kết quả phân tích SEM (hình 2) của bùn thô, bùn nung ở 200 oC (PS-200) và 300 oC (PS-300) cho thấy, mẫu PS-200 có bề mặt tương đối nhẵn so với mẫu bùn thô. Khi tăng nhiệt độ nung lên 300 oC, vật liệu có xu hướng vỡ ra tạo các hạt nhỏ hơn nên bề mặt mẫu PS-300 có phần gồ ghề hơn mẫu PS-200. Hình 2. Kết quả SEM của bùn thô (a), PS-200 (b) và PS-300 (c). Kết quả EDS được thể hiện trong hình 3. Mẫu bùn thô tồn tại các nguyên tố O, Fe, và Ca với hàm lượng cao (> 10%), Si, C, S, Al, và Mn với hàm lượng trung bình, Na, N, và P với hàm lượng thấp. Các thành phần này có đôi nét khác biệt so với kết quả nghiên cứu của Lâm Minh Triết và cộng sự [2]. Điều này có thể là do sự khác nhau về tính chất nước đầu vào và liều lượng cũng như thành phần các hóa chất sử dụng ở các nhà máy nước cấp. Sau khi nung, các nguyên tố Na và S với mẫu PS-200 và N, Na, P, và S với mẫu PS-300 không được tìm thấy. Từ đó có thể kết luận rằng, việc biến tính nhiệt làm thay đổi thành a b c Hóa học và Kỹ thuật môi trường L. P. T. Hiền, , N. N. Huy, “Nghiên cứu tận dụng bùn thải vật liệu hấp phụ H2S.” 220 phần nguyên tố của bùn nước cấp. Sự gia tăng hàm lượng của O ở các mẫu bùn được biến tính nhiệt giúp các nguyên tố đa hóa trị như Fe hay Mn chuyển về dạng bền hơn, tránh mất đi trong quá trình xử lý và được kỳ vọng cải thiện khả năng hấp phụ H2S so với mẫu bùn thô ban đầu. Theo đó, vai trò của oxit kim loại như FeO và Al2O3 vừa là những chất hấp phụ vật lý nhờ cấu trúc xốp, vừa là chất hấp phụ hóa học trong việc tạo thành các hợp chất như FeS hoặc Al2S3. Nguyên tố Bùn thô PS-200 PS-300 C 6,17 6,66 3,61 N 1,11 0,22 - O 41,54 53,24 48,62 Na 1,16 - - Al 4,35 9,33 11,02 Si 6,67 13,89 14,61 P 0,31 0,08 - S 9,4 - - Ca 10,14 2,83 4,04 Mn 5,73 0,29 0,38 Fe 13,42 13,46 17,72 Hình 3. Kết quả EDS của bùn thô (a), PS-200 (b), PS-300 (c) kèm bảng thành phần nguyên tố (% khối lượng) của 3 loại bùn. 3.2. Ảnh hưởng của nhiệt độ nung đến hiệu quả hấp phụ H2S của bùn nước cấp Nhiệt độ biến tính bùn thải có ảnh hưởng lớn đến khả năng hấp phụ H2S của vật liệu [9]. Thí nghiệm được tiến hành với nồng độ H2S đầu vào 250-280 mg/m 3, 3 g vật liệu hấp phụ. Sự thay đổi của nồng độ H2S đầu ra theo thời gian được thể hiện trong hình 4. Hình 4. Nồng độ H2S sau hấp phụ theo thời gian với các vật liệu khác nhau. 0 50 100 150 200 250 300 350 0 50 100 150 200 250 300 350 400 N ồ n g đ ộ ( m g /m ³) Thời gian (phút) Bùn thô PS-200 PS-300 PS-400 PS-500 PS-600 PS-700 Đầu vào Than hoạt tính a b c Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Viện Hóa học - Vật liệu, 9 - 2020 221 Nhìn chung, việc biến tính nhiệt cải thiện khả năng hấp phụ H2S của bùn nước cấp khi tất cả các mẫu bùn được biến tính nhiệt đều có thời gian bão hòa lâu hơn mẫu bùn thô. Kết luận tương tự cũng được đưa ra trong nghiên cứu của Ortiz và cộng sự [9]. Tuy nhiên, trong nghiên cứu này, khi thay đổi nhiệt độ nung từ 200 đến 700 oC, sự khác biệt về nồng độ đầu ra không thật sự rõ ràng giữa các mẫu vật liệu PS-X. Xét về thời gian bão hòa, mẫu PS-200 chiếm ưu thế khi có thời gian bão hòa lâu nhất là 330 phút với dung lượng hấp phụ đạt 35,51 mg/g cao hơn mẫu bùn thô ~1,2 lần (29,62 mg/g). Tác động tích cực này được dự đoán là nhờ vào cấu trúc lỗ xốp được cải thiện khi vật liệu được biến tính nhiệt. Mặc khác, khi so sánh với than hoạt tính, các vật liệu có nguồn gốc từ bùn nước cấp cho hiệu quả xử lý vượt trội hơn nhờ vào thành phần các chất khoáng như Al và Fe giúp hình thành các tâm hấp phụ trên bề mặt vật liệu từ đó cải thiện hiệu quả xử lý. 3.3. Thông số động học quá trình hấp phụ H2S bằng vật liệu PS-200 Nồng độ H2S được thay đổi trong khoảng 50-500 mg/m 3 nhằm khảo sát ảnh hưởng của nồng độ đầu vào đến hiệu quả hấp phụ. Kết quả (hình 5a) cho thấy khi tăng nồng độ khí H2S đầu vào từ 50 lên 250 mg/m 3, dung lượng hấp phụ của vật liệu tăng vượt trội từ 15 mg/g lên 48,71 mg/g. Điều này là do khi tăng nồng độ khí H2S dẫn đến động lực quá trình truyền từ khối tăng từ đó gia tăng khả năng hấp phụ của vật liệu, giúp vật liệu đạt dung lượng hấp phụ cao hơn. Tuy nhiên, khi tiếp tục tăng nồng độ H2S đầu vào lên 500 mg/m 3 , dung lượng hấp phụ H2S lại giảm chỉ còn 39,75 mg/g. Điều này chứng tỏ ở mức nồng độ 500 mg/m 3, quá trình hấp phụ H2S của PS-200 bị giới hạn ở bề mặt do mật độ cấu tử H2S quá cao dẫn đến dung lượng hấp phụ giảm. Kết quả tính toán các thông số động học theo phương trình hấp phụ đẳng nhiệt cho thấy, phương trình Langmuir phù hợp để mô tả quá trình hấp phụ H2S bằng PS-200 (R 2 = 0,9166) hơn phương trình Freundlich. Theo phương trình Langmuir, dung lượng hấp phụ cực đại mà vật liệu PS-200 có thể đạt được lên đến 50,251 mg/g với hệ số hấp phụ KL = 0,0102 m 3 /mg. 3.4. Ảnh hưởng của lưu lượng đầu vào đến hiệu quả hấp phụ Trong thí nghiệm này, lưu lượng dòng khí được thay đổi từ 1 đến 3 L/phút. Khi lưu lượng qua thiết bị tiết diện không đổi tăng thì vận tốc dòng lưu chất sẽ tăng. Vì vậy, thời gian tiếp xúc giữa H2S và vật liệu được rút ngắn, không thuận lợi cho quá trình truyền khối. Điều này đúng với kết quả thực nghiệm trong hình 5b khi dung lượng cao nhất đạt ở lưu lượng 1 L/phút với giá trị 44,79 mg/m3 và giảm còn 29,05 mg/g ở lưu lượng 3 L/phút. Hình 5. Ảnh hưởng của nồng độ đầu vào (a) và lưu lượng đầu vào (b) đến hiệu suất và dung lượng hấp phụ của PS-200. 0 10 20 30 40 50 60 0 10 20 30 40 50 60 70 80 50 100 250 500 H iệ u s u ấ t (% ) D u n g l ư ợ n g ( m g /g ) Nồng độ (mg/m³) Dung lượng Hiệu suất 0 10 20 30 40 50 60 70 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 1 1.5 2 2.5 3 H iệ u s u ấ t (% ) D u n g l ư ợ n g ( m g /g ) Lưu lượng (L/phút) Dung lượng Hiệu suất a b Hóa học và Kỹ thuật môi trường L. P. T. Hiền, , N. N. Huy, “Nghiên cứu tận dụng bùn thải vật liệu hấp phụ H2S.” 222 4. KẾT LUẬN Nghiên cứu thử nghiệm khả năng hấp phụ của vật liệu có nguồn gốc từ bùn nước cấp với các thành phần khoáng chất được kì vọng cho hiệu quả loại bỏ H2S cao. Thật vậy, khi so sánh với than hoạt tính thương mại, các vật liệu có nguồn gốc từ bùn nước cấp cho hiệu quả xử lý cao hơn với thời gian bão hòa kéo dài. Kết quả nghiên cứu chỉ ra rằng, bùn nước cấp biến tính ở nhiệt độ 200 oC cho hiệu quả xử lý tốt nhất, với dung lượng cực đại có thể đạt được theo mô hình Langmuir là 50,251 mg/g (R2 = 0,9166). Nồng độ và lưu lượng xử lý ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu quả cũng như dung lượng hấp phụ H2S của vật liệu PS- 200. Vì đây là nghiên cứu sơ khởi nên kết quả chỉ dừng lại ở những thử nghiệm ban đầu, trong tương lai cấu trúc vật liệu có nguồn gốc từ bùn nước cấp cần được phân tích chi tiết hơn. Việc thử nghiệm với bùn từ nhiều nhà máy nước cấp khác nhau hay việc biến tính bùn bằng nhiều phương pháp khác ngoài biến tính nhiệt cần được xem xét trong những nghiên cứu tiếp theo để tiến gần hơn với mục tiêu biến bùn thải thành một sản phẩm có giá trị kinh tế. Lời cảm ơn: Nghiên cứu này được tài trợ bởi Trường Đại học Bách Khoa trong khuôn khổ đề tài mã số T-MTTN-2020-58. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Zhang, J. and Z. Tong, “Study on catalytic wet oxidation of H2S into sulfur on Fe/Cu catalyst”. Journal of Natural Gas Chemistry, 2006. 15(1): p. 63-69. [2]. Triết, L.M. and N.N. Thiệp, “Nghiên cứu đề xuất công nghệ xử lý, tận dụng bùn thải và tách nước từ các nhà máy cấp nước của TP.HCM”. Tạp chí môi trường, 2013. 57: p. 57-61. [3]. Phước, N.V., “Nghiên cứu phương án tái sử dụng bùn thải từ hệ thống xử lý nước, nước thải và xỉ thải”. Viện Môi trường và Tài nguyên- Đại học quốc gia TP.Hồ Chí Minh. [4]. Rodríguez, N.H., et al., “Re-use of drinking water treatment plant (DWTP) sludge: characterization and technological behaviour of cement mortars with atomized sludge additions”. Cement and Concrete Research, 2010. 40(5): p. 778-786. [5]. Razali, M., Y. Zhao, and M. Bruen, “Effectiveness of a drinking-water treatment sludge in removing different phosphorus species from aqueous solution”. Separation and Purification Technology, 2007. 55(3): p. 300-306. [6]. Huy, N.N., et al., “A study of H2S treatment by using the denaturalised activated carbon adsorption method”. Journal of Science and Technology, 2018(14): p. 98-104. [7]. Huy, N.N., et al., “Facile one-step synthesis of zinc oxide nanoparticles by ultrasonic- assisted precipitation method and its application for H2S adsorption in air”. Journal of Physics and Chemistry of Solids, 2019. 132: p. 99-103. [8]. Pereira, I., et al., “Thermal and thermal-acid treated sewage sludge for the removal of dye reactive Red 120: Characteristics, kinetics, isotherms, thermodynamics and response surface methodology design”. Journal of environmental chemical engineering, 2018. 6(6): p. 7233-7246. [9]. Ortiz, F.G., P. Aguilera, and P. Ollero, “Biogas desulfurization by adsorption on thermally treated sewage-sludge”. Separation and Purification Technology, 2014. 123: p. 200-213. Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Viện Hóa học - Vật liệu, 9 - 2020 223 ABSTRACT UTILIZATION OF SLUDGE FROM WATER TREATMENT PLANT AS AN ADSORBENT FOR H2S REMOVAL Sludge from water treatment plant with metal components from flocculutants (as Al, Fe) has a potential to fabricate nanomaterials for environmental treatment. This study evaluated the H2S adsorption capacity of materials from the sludge of water treatment plant in order to find a solution to the problem of sludge and find cheap and readily available adsorbents for gas treatment. The morphological characteristics and mineral composition of sludge samples were determined by SEM and EDS spectroscopy analysis. The effect of concentration and input H2S flow rate on the treatment efficiency was also assessed. Results showed that the modified sludge was better than the raw one, which reached the best condition at 200 o C. Langmuir model is more suitable to describe the adsorption process in this study with the coefficient R 2 = 0.9166 and the calculated maximum adsorption capacity is 50.251 mg/g. The material has a higher adsorption capacity of 44.79 mg/g when operating at low flow rate of 1 L/min. Keywords: Adsorption; Alum sludge; H2S; Air pollution control. Nhận bài ngày 09 tháng 7 năm 2020 Hoàn thiện ngày 11 tháng 8 năm 2020 Chấp nhận đăng ngày 24 tháng 8 năm 2020 Địa chỉ: 1Khoa Môi trường và Tài nguyên, Trường Đại học Bách Khoa Tp. HCM; 2Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh; 3Trường Đại học Y – Dược Thái Nguyên. *Email: nnhuy@hcmut.edu.vn.