Nghiên cứu cân bằng và động học hấp thụ ammoni (nh4+) trong nước bằng than sinh học có nguồn gốc từ vỏ hạt mac ca (macadamia husk)

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC THÁNG 8-2023 TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP.HCM VIỆN KHOA HỌC CÔNG NGHỆ VÀ QUẢN LÝ MÔI TRƯỜNG  - BÁO CÁO KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP Tên đề tài: NGHIÊN CỨU CÂN BẰNG VÀ ĐỘNG HỌC HẤP PHỤ AMMONI (NH4+ ) TRONG NƯỚC BẰNG THAN SINH HỌC CÓ NGUỒN GỐC TỪ VỎ HẠT MAC-CA (MACADAMIA HUSK) GVHD: SVTH: T.S Nguyễn Văn Phương Đồng Thị Vân Anh Nguyễn Trần Thị Tuyết Ngân 19517731 19501301 DHMT15A DHMT15A Tp Hồ Chí Minh, tháng 5, năm 2023 i KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC THÁNG 8-2023 NHIỆM VỤ KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC 1) Họ tên sinh viên: Đồng Thị Vân Anh Ngày, tháng, năm sinh:01/08/2001; Nơi sinh: Thanh Hóa Chuyên ngành: CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG Lớp: ĐHMT15A; MSSV: 19517731 2) Họ tên sinh viên: Nguyễn Trần Thị Tuyết Ngân Ngày, tháng, năm sinh: 16/08/1998; Nơi sinh: Vĩnh Long Chuyên ngành: CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG Lớp: ĐHMT15A; MSSV: 19501301 I TÊN ĐỀ TÀI “Nghiên cứu cân động học hấp phụ ammoni (NH4+) nước than sinh học có nguồn gốc từ vỏ trái mac-ca (macadamia husk)” II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG - Nhiệm vụ: Đánh giá hành vi khả hấp phụ ammoni nước than hoạt tính có nguồn gốc từ vỏ hạt macca - Nội dung: - Xác định số tính chất hóa lí than sinh học điều chế nhiệt độ - Khảo sát yếu tố (pH, tỉ lệ R/L) ảnh hưởng lên khả hấp phụ NH4+ nước than sinh học - Khảo sát cân hấp phụ NH4+ than sinh học nhiệt độ điều chế - Khảo sát động học hấp phụ NH4+ than sinh học ở nhiệt độ điều chế III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ IV V NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : / /2023 GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN : ThS Nguyễn Văn Phương Giảng viên hướng dẫn (Ghi họ tên chữ ký) Nguyễn Văn Phương : 10/11/2022 CN Bộ môn Công nghệ Môi trường (Ghi họ tên chữ ký) Trần Thị Tường Vân ii KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC THÁNG 8-2023 LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành báo cáo tốt nghiệp trước hết nhóm chúng em xin chân thành cảm ơn đến quý thầy cô Viện Khoa học Công nghệ Quản lý Môi trường, Trường Đại học Cơng nghiệp TP.HCM tận tình truyền đạt kiến thức qua mơn học để chúng em có tảng kiến thức vững chắc, từ vận dụng vào trình thực báo cáo Đặc biệt, nhóm chúng em xin gửi lời biết ơn sâu sắc đến giảng viên hướng dẫn Th.S Nguyễn Văn Phương tận tình hướng dẫn, giúp đỡ chúng em trình thực hành q trình viết hồn thành báo cáo iii KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC THÁNG 8-2023 NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… TP Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2023 Giáo viên phản biện iv KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC THÁNG 8-2023 NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… TP Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2023 Giáo viên hướng dẫn v KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC THÁNG 8-2023 MỤC LỤC NHIỆM VỤ KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC ii LỜI CẢM ƠN iii NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN iv NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN v MỤC LỤC vi DANH SÁCH BẢNG BIỂU ix DANH SÁCH HÌNH ẢNH x DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT xi MỞ ĐẦU 1 Đặt vấn đề Mục tiêu nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu Nội dung nghiên cứu Ý nghĩa khoa học thực tiễn 5.1 Ý nghĩa khoa học 5.2 Ý nghĩa thực tiễn Tính đề tài CHƯƠNG TỔNG QUAN ĐỀ TÀI 1.1 Tổng quan vùng trồng macca 1.2 Tổng quan ammonium nước 1.2.1 Ammonium 1.2.2 Tác hại q trình nhiễm ammonium nước thải 1.2.3 Các phương pháp xử lý 1.3 Tổng quan phương pháp hấp phụ 1.3.1 Khái niệm 1.3.2 Tính chất hấp phụ 1.3.3 Động học trình hấp phụ vi KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC THÁNG 8-2023 1.3.4 Đẳng nhiệt hấp phụ 1.4 Tổng quan than sinh học 10 1.4.1 Khái niệm than sinh học 10 1.4.2 Các đặc tính than sinh học ảnh hưởng đến khả hấp phụ ammonium 10 1.4.3 Các yếu tố ảnh hưởng hấp phụ amoni than sinh học 12 1.4.4 Các chế hấp phụ NH4+ than sinh học 14 CHƯƠNG VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 17 2.1 Vật liệu nghiên cứu 18 2.1.1 Phương pháp phân tích 18 2.1.2 Thiết bị - Dụng cụ hóa chất 18 2.2 Bố trí thí nghiệm 19 2.2.1 Điều chế than sinh học 19 2.2.2 Bố trí khảo sát cân động học hấp phụ ammoni lên than sinh học 21 2.3 Xử lý số liệu thí nghiệm 21 2.3.1 Tính tốn cân hấp phụ/giải hấp phụ 21 2.3.2 Tính tốn động học hấp phụ 22 2.3.3 Xử lý số liệu 22 CHƯƠNG KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 23 3.1 Xác định số tính chất hóa lí than sinh học điều chế nhiệt độ 23 3.2 Khảo sát yếu tố (pH, tỉ lệ R/L) ảnh hưởng lên khả hấp phụ NH4+ nước than sinh học 24 3.2.1 Ảnh hưởng pH dung dịch ban đầu 24 3.2.2 Ảnh hưởng liều lượng than sinh học 29 3.3 Khảo sát chế hấp phụ NH4+ than sinh học nhiệt độ điều chế 32 3.3.1 Ảnh hưởng nồng độ ban đầu 32 3.3.2 Động học hấp phụ NH4+ lên than sinh học 36 CHƯƠNG KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 42 KẾT LUẬN 42 KIẾN NGHỊ 42 TÀI LIỆU THAM KHẢO 43 vii KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC THÁNG 8-2023 Phụ LỤC letter of acceptance 48 PHỤ lục : tóm tắt – Abstract 49 viii KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC THÁNG 8-2023 DANH SÁCH BẢNG BIỂU Bảng 2.1: Danh sách thiết bị sử dụng cho nghiên cứu 19 Bảng 3.1 Các đặc tính hóa lý bề mặt than sinh học 23 Bảng 3.2 Kết khảo sát ảnh hưởng pH than sinh học nhiệt phân 300℃ 25 Bảng 3.3 Kết khảo sát ảnh hưởng pH than sinh học nhiệt phân 450℃ 26 Bảng 3.4 Kết khảo sát ảnh hưởng pH than sinh học nhiệt phân 600℃ 27 Bảng 3.5 Kết khảo sát liều lượng than sinh học nhiệt phân 300℃ 29 Bảng 3.6 Kết khảo sát liều lượng than sinh học nhiệt phân 450℃ 30 Bảng 3.7 Kết khảo sát liều lượng than sinh học nhiệt phân 600℃ 31 Bảng 3.8 Kết khảo sát cân hấp phụ than sinh học nhiệt phân 300℃ 32 Bảng 3.9 Kết khảo sát cân hấp phụ than sinh học nhiệt phân 450℃ 33 Bảng 3.10 Kết khảo sát cân hấp phụ than sinh học nhiệt phân 600℃ 34 Bảng 3.11 Kết tính tốn thông số cân hấp phụ 36 Bảng 3.12 Kết khảo sát động học hấp phụ than sinh học nhiệt phân 300℃ 37 Bảng 3.13 Kết khảo sát động học hấp phụ than sinh học nhiệt phân 450℃ 38 Bảng 3.14 Kết khảo sát động học hấp phụ than sinh học nhiệt phân 600℃ 39 Bảng 3.16 Kết thông số động học trình hấp phụ NH4+ 40 ix KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC THÁNG 8-2023 DANH SÁCH HÌNH ẢNH Hình 1.1 Cơ chế hấp phụ amoni lên than sinh học 11 Hình 2.1 Định hướng nghiên cứu 17 Hình 3.1 Biểu diễn ảnh hưởng pH dung dịch ban đầu lên khả hấp phụ NH4+ hiệu suất xử lý than sinh học 300 25 Hình 3.2 Biểu diễn ảnh hưởng pH dung dịch ban đầu lên khả hấp phụ NH4+ hiệu suất xử lý than sinh học 450 27 Hình 3.3 Biểu diễn ảnh hưởng pH dung dịch ban đầu lên khả hấp phụ NH4+ hiệu suất xử lý than sinh học 600 28 Hình 3.4 Biểu diễn ảnh hưởng pH dung dịch ban đầu lên khả hấp phụ NH4+ hiệu suất xử lý than sinh học 600 28 Hình 3.5 Biểu diễn ảnh hưởng liều lượng than sinh học 300 lên khả hấp phụ NH4+ hiệu suất xử lý 29 Hình 3.6 Biểu diễn ảnh hưởng liều lượng than sinh học 450 lên khả hấp phụ NH4+ hiệu suất xử lý 30 Hình 3.7 Biểu diễn ảnh hưởng liều lượng than sinh học 600 lên khả hấp phụ NH4+ hiệu suất xử lý 31 Hình 3.8 Biểu diễn dung lượng hấp phụ NH4+ (mg/g) than 300℃ theo C0 (mg/L) 33 Hình 3.9 Biểu diễn dung lượng hấp phụ NH4+ (mg/g) than 450℃ theo C0 (mg/L) 34 Hình 3.10 Biểu diễn dung lượng hấp phụ NH4+ (mg/g) than 600℃ theo C0 (mg/L) 35 Hình 3.11 Biểu diễn dung lượng hấp phụ NH4+ (mg/g) than dạng theo C0 (mg/L) 35 Hình 3.12 Biểu diễn dung lượng theo thời gian hấp phụ than 300℃ 37 Hình 3.13 Biểu diễn dung lượng theo thời gian hấp phụ than 450℃ 38 Hình 3.14 Biểu diễn dung lượng theo thời gian hấp phụ than 600℃ 40 x KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC THÁNG 8-2023 khả hấp phụ nồng độ cho loại khác khác biệt Dung lượng tối đa theo thí nghiệm dao động khoảng 16,4 đến 18,1 mg/g Kết khẳng định nhiệt độ nhiệt phân ảnh hưởng không đáng kể đến trình hấp phụ amoni lên than sinh học hấp phụ ion bị chi phối trao đổi tương tác tĩnh điện hóa học bề mặt quan trọng so với diện tích bề mặt than sinh Lý giải tương tự tìm thấy nghiên cứu Khalil cộng [6] Kết tính tốn thơng số mơ hình đẳng nhiệt hấp phụ NH4+ (Bảng 3.11) cho thấy, mơ hình Langmuir phù hợp cho dạng than đánh giá dựa vào mối tương quan R2 dao động 0,84 đến 0,98 Tuy nhiên dựa vào kết tính tốn dung lượng hấp phụ tối đa (q0) dung lượng hấp phụ thực nghiệm hồn tồn khơng phù hợp, Bảng 3.11 Với mơ hình Freundlich, kết nghiên cứu cho thấy tăng nhiệt độ điều chế than sinh học (Bảng 3.11) mức độ phù hợp tăng dần đánh giá dựa vào R2, cụ thể R2 tăng từ 0,92 lên 0,96 Các số nF, KF giảm tăng nhiệt độ nhiệt phân, cho thấy mức độ liên kết hấp phụ giảm tăng nhiệt độ nhiệt phân than Kết cho thấy trình hấp phụ NH4+ bị chi phối hóa học bề mặt phản ứng trao đổi Bảng 3.11 Kết tính tốn thơng số cân hấp phụ Mơ hình Mơ hình Langmuir Mơ hình Freundlich Nhiệt độ điều chế Các thông số q0 (mg/g) KL R2 q Tn Than 300 ℃ -6,90 -0,22 0,84 16,4 Than 450 ℃ Than 600 ℃ 13,46 0,53 0,91 17,6 -0,44 -0,31 0,98 18,1 nF KF Than 300 ℃ Than 450 ℃ 0,46 3,09 0,92 0,30 0,003 0,95 Than 600 ℃ 0,10 0,0001 0,96 3.3.2 Động học hấp phụ NH4+ lên than sinh học Than 300℃ Kết khảo sát động học hấp phụ than sinh học có nguồn gốc từ vỏ hạt macca nhiệt phân 300oC với nồng độ 83 mg/L, thời gian lắc từ đến 120 phút khối lượng 0,3 g thể qua Bảng 3.12 Hình 3.12 Kết cho thấy thời gian lắc khác dung lượng hấp phụ NH4+ khác Cụ thể, hấp phụ NH4+ tăng nhanh khoảng thời gian đầu có xu hướng chậm dần khoảng 10 phút, ứng với 36 KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC THÁNG 8-2023 dung lượng hấp phụ 6,72 mg/g Sau q trình tăng chậm dần, thời điểm 45 phút dung lượng hấp phụ 8,13 mg/g, tăng thêm 20% sau 35 phút Ở phút sau có dấu hiệu giảm nhẹ khơng có ý nghĩa thống kê theo phân tích thống kê ANOVA SPSS, Hình 3.12 Kết phân tích mối tương quan giá trị trung bình dung lượng hấp phụ (mg/g) mẫu than nung nhiệt độ 300℃ SPSS 22 cho thấy giá trị dung lượng hấp phụ (mg/g) mẫu than 300℃ thời điểm 45, 60, 90 phút sai khác khơng có ý nghĩa thống kê (Hình 3.12), Kết thống kê khẳng định thời gian để trình hấp phụ đạt trạng thái cân sau 30 phút Bảng 3.12 Kết khảo sát động học hấp phụ than sinh học nhiệt phân 300℃ Nồng độ ban đầu C0, mg/L 83 83 83 83 83 83 83 83 Khối lượng than, g 0,3 0,3 0,3 0,3 0,3 0,3 0,3 0,3 Lắc 120 vòng/phút, phút Trung bình hấp phụ, mg/g 10 15 30 45 60 90 120 6,72 7,31 8,02 8,13 8,07 7,31 7,31 SD 0,00 0,05 0,00 0,03 0,01 0,05 0,05 Hình 3.12 Biểu diễn dung lượng theo thời gian hấp phụ than 300℃ (Các chữ a,b,c,d khác cho thấy khác biệt có ý nghĩa thống kê với p