Luận văn thạc sĩ nghiên cứu xử lý amoni trong môi trường nước bằng vật liệu hấp phụ zeolite

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM - ĐINH MẠNH ĐỨC “NGHIÊN CỨU XỬ LÝ AMONI TRONG MÔI TRƯỜNG NƯỚC BẰNG VẬT LIỆU HẤP PHỤ ZEOLITE” LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC MÔI TRƯỜNG Thái Nguyên, năm 2021 m ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM - ĐINH MẠNH ĐỨC “NGHIÊN CỨU XỬ LÝ AMONI TRONG MÔI TRƯỜNG NƯỚC BẰNG VẬT LIỆU HẤP PHỤ ZEOLITE” Ngành: Khoa học môi trường Mã số: 8440301 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC MÔI TRƯỜNG Người hướng dẫn khoa học: TS Trần Thị Phả TS Văn Hữu Tập Thái Nguyên, năm 2021 m i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan: Bản luận văn tốt nghiệp cơng trình nghiên cứu thực cá nhân tôi, thực sở nghiên cứu lý thuyết, nghiên cứu phịng thí nghiệm hướng dẫn khoa học TS Trần Thị Phả TS Văn Hữu Tập Tôi cam đoan số liệu kết nghiên cứu trình bày luận văn hoàn toàn trung thực chưa sử dụng để bảo vệ cho học vị nào, phần trích dẫn tài liệu tham khảo ghi rõ nguồn gốc Thái Nguyên, ngày tháng năm 2021 Tác giả Đinh Mạnh Đức m ii LỜI CẢM ƠN Được đồng ý Ban giám hiệu trường Đại học Nông Lâm - Đại học Thái Nguyên thầy cô giáo hướng dẫn khoa học, tiến hành thực đề tài: “Nghiên cứu xử lý amoni môi trường nước vật liệu hấp phụ Zeolite” Để hồn thành luận văn tốt nghiệp, tơi nhận hướng dẫn tận tình thầy giáo TS Trần Thị Phả, TS Văn Hữu Tập, thầy cô giáo Khoa Môi trường, trường Đại học Nông Lâm thầy giáo phịng thí nghiệm trường Đại học Khoa học - Đại học Thái Nguyên Nhân dịp này, tơi xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc đến TS Trần Thị Phả, TS Văn Hữu Tập, thầy giáo hướng dẫn khoa học tồn thể thầy cô giáo khoa Môi trường, trường Đại học Nông lâm - Đại học Thái Nguyên Tôi xin chân thành cảm ơn thầy giáo Phịng thí nghiệm trường Đại học Khoa học, bạn bè đồng nghiệp người thân gia đình động viên khuyến khích giúp đỡ tơi suốt q trình học tập hồn thành luận văn Tơi xin chân thành cảm ơn! Thái Nguyên, ngày tháng năm 2021 Tác giả Đinh Mạnh Đức m iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ii MỤC LỤC iii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT vi DANH MỤC CÁC BẢNG vii DANH MỤC CÁC HÌNH viii MỞ ĐẦU 1 Tính cấp thiết đề tài Mục tiêu đề tài Ý nghĩa đề tài Chương 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU NGHIÊN CỨU 1.1 Cơ sở khoa học đề tài 1.1.1 Một số khái niệm 1.1.2 Các thông số đánh giá chất lượng nước 1.1.3 Căn pháp lý 1.2 Tình trạng nhiễm amoni mơi trường nước Việt Nam 1.2.1 Tình trạng ô nhiễm amoni nước ngầm Việt Nam 1.2.2 Tình trạng nhiễm amoni nước ngầm Việt Nam 1.3 Ảnh hưởng amoni tới sức khỏe người 10 1.4 Các phương pháp xử lý amoni nước ngầm 11 1.4.1 Phương pháp clo hóa tới điểm đột biến 11 1.4.2 Phương pháp trao đổi ion 12 1.4.3 Phương pháp thổi khí pH cao 12 1.4.4 Phương pháp ozon hóa với xúc tác bromua (Br-) 13 1.5 Zeolite 14 1.5.1 Sơ lược lịch sử phát triển zeolite 14 1.5.2 Khái niệm zeolite 15 m iv 1.5.3 Phân loại Zeolite 15 1.5.4 Cấu trúc Zeolite 16 1.5.5 Ứng dụng Zeolite tự nhiên 17 1.6 Tình hình nghiên cứu giới Việt Nam 19 1.6.1 Tình hình nghiên cứu giới 19 1.6.2 Tình hình nghiên cứu Việt Nam 22 Chương 2: ĐỐI TƯỢNG, PHẠM VI, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 25 2.1 Đối tượng nghiên cứu 25 2.2 Phạm vi nghiên cứu 25 2.3 Nội dung nghiên cứu 26 2.4 Phương pháp nghiên cứu 26 2.4.1 Phương pháp thu thập tài liệu 26 2.4.2 Phương pháp bố trí thí nghiệm 26 2.4.3 Phương pháp lấy mẫu phân tích 28 2.4.4 Phương pháp nghiên cứu đặc điểm vật liệu 29 2.4.5 Phương pháp tổng hợp, xử lý số liệu 29 Chương 3: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 32 3.1 Đặc điểm vật liệu Zeolite 32 3.2 Nghiên cứu ảnh hưởng pH đến khả hấp phụ amoni vật liệu hấp phụ Zeolite 34 3.3 Nghiên cứu ảnh hưởng thời gian đến khả hấp phụ amoni vật liệu hấp phụ Zeolite 36 3.4 Nghiên cứu ảnh hưởng nồng độ amoni ban đầu đến khả hấp phụ amoni vật liệu hấp phụ Zeolite 38 3.5 Mơ hình động học hấp phụ amoni vật liệu hấp phụ Zeolite 40 3.6 Mô hình đẳng nhiệt hấp phụ amoni vật liệu hấp phụ Zeolite 42 KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ 44 Kết luận 44 m v Đề nghị 45 TÀI LIỆU THAM KHẢO 46 m vi DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT Chữ viết tắt Chữ viết đầy đủ BYT: Bộ Y tế cs: Cộng KLN: Kim loại nặng QCVN: Quy chuẩn Việt Nam QĐ: Quyết định TCVN: Tiêu chuẩn Việt Nam WHO: Tổ chức y tế giới VL: Vật liệu m vii DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1 Các nghiên cứu hấp phụ amoni zeolite nước khác 19 Bảng 3.1 Các thơng số mơ hình động học phấp phụ amoni 41 Bảng 3.2 Các thông số mơ hình đẳng nhiệt hấp phụ amoni 43 m viii DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1 Cấu trúc sơ cấp Zeolite: tứ diện SiO4 (a), AlO-4 (b) 16 Hình 1.2 Liên kết cấu trúc Zeolite 17 Hình 1.3 Cấu trúc thứ cấp SBU Zeolite 17 Hình 3.1 Ảnh SEM (a) phổ EDX (b) Zeolite 32 Hình 3.2 Phổ hồng ngoại (IR) Zeolite 33 Hình 3.3 Ảnh hưởng pH đến hiệu xử lý amoni vật liệu hấp phụ Zeolite 35 Hình 3.4 Ảnh hưởng thời gian đến hiệu xử lý amoni vật liệu hấp phụ Zeolite 36 Hình 3.5 Ảnh hưởng nồng độ amoni ban đầu đến hiệu xử lý amoni vật liệu hấp phụ Zeolite 38 Hình 3.6 Mơ hình động học hấp phụ amoni zeolite 40 Hình 3.7 Mơ hình đẳng nhiệt hấp phụ amoni zeolite 42 m 44 KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ Kết luận Qua nghiên cứu, đề tài rút số kết luận sau: Về đặc điểm Zeolite: Bề mặt Zeolite có nhiều tinh thể hình que, có nhiều khe hở, lỗ hổng, tương đương đối xốp; có diện tích bề mặt: 26.1541 m²/g, thể tích lỗ rỗng: 0.252342 cm³/g, kích thước hạt: 38.3594 nm, điểm đẳng điện (pHpzc): 5.05 Zeolite có thành phần nguyên tố: cacbon, oxy, natri, nhôm, silic, kali, canxi sắt Cacbon, oxy, nhôm, silic nguyên tố chiếm tỷ lệ lớn tổng khối lượng tổng số nguyên tử pH có ảnh hưởng đến khả hấp phụ amoni Zeolite pH từ 3-6, dung lượng hiệu suất hấp phụ amoni Zeolite tăng mạnh, 3,23 mg/g 21,5% pH tăng từ - 11, dung lượng hiệu suất hấp phụ amoni liên tục giảm pH = pH tối ưu cho trình hấp phụ amoni Zeolite Thời gian tiếp xúc nhân tố ảnh hưởng đến khả hấp phụ amoni Zeolite 120 phút đầu dung lượng hiệu suất hấp phụ amoni Zeolite tăng nhanh, 9,67 mg/g 64,46% Sau dung lượng hiệu suất hấp phụ amoni Zeolite khơng có thay đổi nhiều Thời gian hấp phụ amoni Zeolite đạt tối ưu 120 phút Nồng độ amoni đầu vào ảnh hưởng đến khả hấp amoni Zeolite Nồng độ amoni đầu vào tăng dung lượng hấp phụ tăng, đạt cao nồng độ amno ban đầu 60 mg/l Ngược lại, nồng độ amoni đầu vào tăng hiệu suất xử lý amoni giảm liên tục, từ 81,52% xuống cịn 42,92% Cả mơ hình động học: mơ hình động học bậc 1, mơ hình động học bậc mơ hình Elovich áp dụng cho hấp phụ amoni Zeolite để mô tả động học hấp phụ Quá trình hấp phụ amoni Zeolite trình hấp phụ hóa học, trao đổi ion lực tĩnh điện, hấp phụ trao đổi ion chiếm ưu m 45 Mơ hình Freundlich có hệ số tương quan R2 0,9955, hệ số n lớn dung lượng hấp phụ amoni tính tốn sát với thực nghiệm nên hấp phụ amoni Zeolite phù hợp với lý thuyết Freundlich đường đẳng nhiệt hấp phụ Đề nghị - Đề tài nghiên cứu ảnh hưởng yếu tố (pH, thời gian nồng độ amoni ban đầu) đến khả hấp phụ amoni Zeolite theo phương pháp hấp phụ tĩnh Đề nghị tiếp tục nghiên cứu ảnh hưởng yếu tố khác để hồn thiện quy trình xử lý amoni vật liệu Zeolite ví dụ kích thước hạt Zeolite theo phương pháp hấp phụ động - Thí nghiệm nghiên cứu với dung dịch amoni pha chuẩn phịng thí nghiệm Đề nghị tiếp tục nghiên cứu xử lý amoni môi trường nước nhiễm ngồi thực địa m 46 TÀI LIỆU THAM KHẢO I Tiếng Việt Nguyễn Việt Anh (2005), Nghiên cứu xử lý amoni nước ngầm phương pháp sinh học, Nxb Giáo Dục, Hà Nội Bùi Thị Lan Anh (2016), Nghiên cứu chế tạo vật liệu hấp thụ từ xơ dừa để xử lý amoni nước thải bệnh viện, Khóa luận tốt nghiệp, Đại học Quốc gia Hà Nội Vũ Ngọc Ban, Giáo trình thực tập Hóa lý, Nxb Đại học Quốc gia Hà Nội Phan Thị Bình sộng (2010), Nghiên cứu biến tính vật liệu polyanilin phương pháp hóa học, Tạp chí Hóa học, 48(4A), 349-353, 2010 Lê Văn Cát (1999), Cơ sở hóa học kĩ thuật xử lý nước, Nxb Thanh niên, Hà Nội Lê Văn Cát (2002), Hấp phụ trao đổi ion kĩ thuật xử lý nước thải, NXB Thống kê, Hà Nội Lê Văn Cát (2007), Xử lý nước thải giàu hợp chất nitơ phottpho, Nxb Khoa học Tự nhiên Công nghệ, Hà Nội Ngô Văn Giới, Nguyễn Thị Tuyết, Nguyễn Thị Nhâm Tuất (2017), Giáo trình Ô nhiễm môi trường, Nxb Nông Nghiệp Hà Nội Mai Thị Thanh Hương (2019), Tổng hợp nghiên cứu khả nẳng hấp phụ amoni composit hydrogel chitosan-G-Poly, luận văn thạc sĩ, học viện Khoa học Công nghệ 10 Nguyễn Thị Huệ, Lê Thị Thảo, Phùng Đức Hoà, Vũ Văn Tú, Nguyễn Thị Thanh Hải, Nguyễn Thị Hương Giang (2015), “Nghiên cứu xử lý amoni nước thải quặng pyrolusit tự nhiên Việt Nam”, Tạp chí phân tích hố, Lý Sinh học 11 Lý Thị Loan (2009), Môi trường nước khu vực sông Thị Vải bị nhiễm q nặng, khơng thích hợp cho cá, tơm sống phát triển bình thường, m 47 Trung tâm quan trắc - cảnh báo môi trường phòng ngừa dịch bệnh thuỷ sản khu vực Nam Bộ, thuộc viện nghiên cứu nuôi trồng thuỷ sản II 12 Đặng Thị Thanh Lộc (2010), Nghiên cứu xử lý amoni nước ngầm nhà máy nước Pháp Vân – Hà Nội biện pháp sinh học với vật liệu màng ngập nước mơ hình pilot, Khóa luận tốt nghiệp ngành Khoa môi trường, Đại học Khoa học Huế 13 Luật Bảo vệ môi trường năm 2020 14 Nguyễn Thị Ngọc (2011), Nghiên cứu xử lý amoni nước nano MnO2- FeOOH mang Laterit (đá ong) biến tính, Luận văn thạc sỹ khoa học, Trường Đại học Khoa học Tự nhiện, Đại học Quốc Gia Hà Nội 15 Hồng Nhâm (2002), Hóa học vơ cơ, tập 2, Nxb Giáo dục, Hà Nội 16 Trần Văn Nhân (2004), Hóa keo, Nxb Đại học Quốc gia, Hà Nội 17 Trần Văn Nhân (1998), Hóa lý (tập II), Nxb Giáo dục, Hà Nội 18 Phan Thị Hoàng Oanh (2012), Bài giảng chuyên đề “Hóa học chất rắn”, khoa Hóa, Trường Đại học Sư phạm thành phố HCM 19 Sở Tài nguyên Môi Trường tỉnh Hà Nam (2010), Báo cáo trạng chất lượng môi trường tỉnh Hà Nam năm 2010 20 Sở Tài nguyên Môi Trường thành phố Hồ Chí Minh (2015), Báo cáo tóm tắt trạng chất lượng mơi trường Thành phố Hồ CHí Minh năm 2015 21 Sở Tài ngun Mơi trường tỉnh Thanh Hóa (2020), Báo cáo trạng mơi trường tỉnh Thanh Hóa giai đoạn 2016-2020 II Tiếng Anh 22 Abdus-Salam N, Adekola F (2005), The Influence of pH and Adsorbent Concentration on Adsorption of Lead and Zinc on a Natural Goethite, African Journal of Science and Technology(AJST) Science and Engineering, Series 655-66, https://doi.org/ 10.4314/ajst.v6i2.55175 m 48 23 Angar, Y., Djelali, N E., & Kebbouche-Gana, S (2017), Investigation of ammonium adsorption on Algerian natural bentonite, Environmental science and pollution research international, 24(12), 11078 24 Azman A, Ngadi N, Zaini DKA et al (2018) (2019), Effect of adsorp- tion parameter on the removal of aspirin using tyre waste adsor- bent, Chem Eng Trans, 72:157–162, https://doi.org/10.3303/ CET1972027 25 Asari R and Khoshbakht Fahim N (2008), Application of polypyrole coated on wood sawdust for removal of Cr (VI) ion from aqueous solutions, Journal of Enggineering Sciece and Technology 26 Aharoni C; Tompkins FC (1970), Kinetics of adsorption and desorption and the Elovich equation, Adv Catal, 21, 1–49 27 Bulgariu L; Escudero LB; Bello OS; Iqbal M; Nisar J; Adegoke KA; Alakhras F; Kornaros M; Anastopoulos I (2019), The utilization of leafbased adsorbents for dyes removal: A review, J Mol Liq, 276, 728–747 28 Bekkum HV, Flanigen EM, Jacobs PA, Jansen JC (2001), Introduction to Zeolite science and practice, 2nd completely revised and expanded edition, Studies in surface scien and catalysis 137 29 Bayuo J, Kenneth B, Abukari M (2019), Optimization of Adsorp- tion Parameters for Effective Removal of Lead (II) from Aqueous Solution 123 30 Desta M (2013), Batch Sorption Experiments: Langmuir and Fre- undlich Isotherm Studies for the Adsorption of Textile Metal Ions onto Teff Straw (Eragrostis tef) Agricultural Waste, Journal of Thermodynamics, 2013:6, https://doi.org/10.1155/2013/375830 31 Ebrahimian A, Saberikhah E, Badrouh M, Emami M (2014), Alkali treated Foumanat tea waste as an efficient adsorbent for meth- ylene blue adsorption from aqueous solution, https://doi.org/10.1016/j.wri.2014.07.003 m Water Resour Ind, 49 32 Escap (1994), Guidelines on monitoring methodologies for water, air and toxic chemicals, Newyork 33 Fakhri A, Adami S (2013), WITHDRAWN: Adsorption behavior and mechanism of ammonium ion from aqueous solution onto nanoparticles zero valent iron, Arab J Chem, https://doi.org/10 1016/j.arabjc.2013.11.001 34 Fathy NA, El-Shafey OI, Khalil LB (2013), Effectiveness of Alkali- Acid Treatment in Enhancement the Adsorption Capacity for Rice Straw: The Removal of Methylene Blue Dye, ISRN Physical Chemistry, 2013:208087 https://doi.org/10.1155/2013/208087 35 Gogos A; Knauer K; Bucheli TD (2012), Nanomaterials in Plant Protection and Fertilization: Current State, Foreseen Applications, and Research Priorities J Agric Food Chem, 60, 9781-9792 36 Hu, X., Zhang, X., Ngo, H H., Guo, W., Wen, H., Li, C., & Ma, C (2020), Comparison study on the ammonium adsorption of the biochars derived from different kinds of fruit peel, Science of The Total Environment, 707, 135544 37 Ivanova E, Karsheva M, Koumanova B (2010), Adsorption of ammonium ions onto natural zeolite, 45 38 Kim KW, Kim YJ, Kim IT, Park GI, Lee EH (2006), “Electrochemical conversion characteristics of ammonia to nitrogen”, Water Res, 40, pp 1431-1441 39 Lan Huong Nguyen, Huu Tap Van, Thi Hong Huyen Chu, Thi Hong Vien Nguyen, Thi Dong Nguyen, Le Phuong Hoang, Van Hung Hoang (2020), Paper waste sludge-derived hydrochar modified by iron (III) chloride for enhancement of ammonium adsorption: An adsorption mechanism study, Environmental https://doi.org/10.1016/j.eti.2020.101223 m Technology & Innovation, 50 40 Lagergren S; Lagergren S; Lagergren SY; Sven K (1898), Zurtheorie der sogenannten adsorption gelösterstoffe, Handlingar, 1–39 41 Li XZ, Zhao QL, Hao XD (1999), “Ammonium removal from landfill leachate by chmical precipitation, Waste Manage, 19, pp 409-415 42 Misaelides P (2011), Application of natural zeolites in environmental remediation: A short review Microporous Mesoporous Mater, 144, 15-18 43 Nazarenko, O., & Zarubina, R (2013), Application of Sakhaptinsk zeolite for improving the quality of ground water, Energy and Environmental Engineering, 1(2), 68-73 44 Polat E; Karaca M; Demir H; Onus AN (2004), Use of natural zeolite (clinoptilolite) in agriculture J Fruit Ornam Plant Reserarch, 12, 183189 45 Pradhan N, Pal A, Pal T (2002), Silver nanoparticle catalyzed reduction of aromatic nitro compounds, Colloid Surf A, 196, pp.247-257 46 Pereira RC, Anizelli PR, Di Mauro E et al (2019), The effect of pH and ionic strength on the adsorption of glyphosate onto ferrihydrite, Geochem Trans, 20(1):3, https://doi.org/10.1186/ s12932-019-0063-1 47 Rahmani AR, Mahvi AH, Mesdaghinia AR, Nasseri S (2004), “Investigation of ammonia removal from polluted waters by Clinoptilolite zeolite” International Journal of Environmental Science & Technology, (2), pp 125-133 48 Ramsay R, Di Marco CF, Heal MR et al (2018), Surface–atmosphere exchange of inorganic water-soluble gases and associated ions in bulk aerosol above agricultural grassland pre- and postfertili- sation, Atmos Chem Phys, 18(23):16953–16978, https://doi.org/ 10.5194/acp-18- 16953-2018 49 Rahimnejad M, Pirzadeh K, Mahdavi I, Peyghambarzadeh SM (2014), Pb (ΙΙ) removal from aqueous solution by adsorption on activated carbon from kiwi m 51 peel, Environ Eng Manag J, https:// doi.org/10.30638/eemj.2018.128 50 Reza Ansari (2006), Application of polyaniline and its composites for adsorption/ recovery of chromium (VI) from aqueous solutions 51 Rozhkovskaya, A., Rajapakse, J., & Millar, G J (2021), Synthesis of highquality zeolite LTA from alum sludge generated in drinking water treatment plants, Journal of Environmental Chemical Engineering, 9(2), 104751 52 Simonin JP (2016), On the comparison of pseudo-first order and pseudosecond order rate laws in the modeling of adsorption kinetics, Chem Eng J, 300, 25-263 53 Van Quang Nguyen, Huu Tap Van, Hung Le Sy, Thi Mai Linh Nguyen, Dac Kien Nguyen (2021), Application of Mussell‑derived biosorbent to remove NH4+ from aqueous solution: Equilibrium and Kinetics, Research Article, http://doi.org/10.1007/s42452-021-04462-2 54 Van DL, Koga Y, Wei Q et al (2016), Effect of Pretreatment on Ammonium Adsorption Properties of Sepiolite: Equilibrium, Kinetics and Thermodynamic Studies, Journal of Water and Environment Technology, 14(4):260–272, https://doi.org/10 2965/jwet.15-066 55 Wang B, Lehmann J, Hanley K et al (2015), Adsorption and des- orption of ammonium by maple wood biochar as a function of oxidation and pH, Chemosphere 138:120126, https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2015.05.062 56 Wan S; Wang S; Li Y; Gao B (2017), Functionalizing biochar with Mg–Al and Mg-Fe layered double hydroxides for removal of phosphate from aqueous solutions, J Ind Eng Chem, 47, 246 - 253 57 Weitkamp J; Puppe L (1999), Catalysis and Zeolites Fundamentals and Applications; ISBN 9783642083471 58 Ys H; Mckay G; Mckay G (1999), Pseudo-second order model for sorption processes, Process Biochem, 34, 451-465 m 52 59 Zhao Y, Niu Y, Hu X et al (2015), Removal of ammonium ions from aqueous solutions using zeolite synthesized from red mud, Desalination and Water Treatment, 57:1-12, 1080/19443994.2014.1000382 m 53 PHỤ LỤC MỘT SỐ HÌNH ẢNH TRONG QUÁ TRÌNH THỰC HIỆN ĐỀ TÀI Cân mẫu Đo Ph dung dịch Mẫu thí nghiệm Đo Amoni m 54 m 55 Mơ hình đẳng nhiệt Langmuir m 56 Mơ hình đẳng nhiệt Freundlich m 57 Mơ hình Elovich m 58 Mơ hình động học bậc m