Nghiên cứu thiết kế cột hấp phụ để loại bỏ ammonium khỏi nước bằng than sinh học có nguồn gốc từ vỏ macca

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CƠNG NGHIỆP THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH VIỆN KHOA HỌC CÔNG NGHỆ VÀ QUẢN LÝ MÔI TRƯỜNG  - KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CỘT HẤP PHỤ ĐỂ LOẠI BỎ AMMONIUM KHỎI NƯỚC BẰNG THAN SINH HỌC CÓ NGUỒN GỐC TỪ VỎ MACCA (MACADAMIA HUSK) NGÀNH: CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG MÃ NGÀNH: 7510406 GVHD: T.S Nguyễn Văn Phương SVTH: Phan Huỳnh Khánh Băng MSSV: 19441591 KHÓA: 2019-2023 Lê Ngọc Minh Châu MSSV: 19481681 KHÓA: 2019-2023 Thành phố Hồ Chí Minh, tháng 06 năm 2023 KHĨA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC – 06/2023 NHIỆM VỤ CỦA LUẬN VĂN 1) Họ tên sinh viên: Phan Huỳnh Khánh Băng Ngày, tháng, năm sinh: 18/11/2001; Nơi sinh: Tiền Giang Chuyên ngành: CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG Lớp: ĐHMT15A; MSSV: 19441591 2) Họ tên sinh viên: Lê Ngọc Minh Châu Ngày, tháng, năm sinh: 03/01/2001; Nơi sinh: Long An Chuyên ngành: CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG Lớp: ĐHMT15A; MSSV: 19481681 I TÊN ĐỀ TÀI “Nghiên cứu thiết kế cột hấp phụ để loại bỏ ammonium nước than sinh học có nguồn gốc từ vỏ Macca (Macadamia husk)” II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG - Nhiệm vụ: Đánh giá khả hấp phụ ammoni nước than hoạt tính có nguồn gốc từ vỏ mac-ca mơ hình cột hấp phụ - Nội dung: − Xác định số tính chất hóa lí than sinh học điều chế nhiệt độ 300℃ − Xác định thông số vận hành tối ưu pH, nồng độ ban đầu, tốc độ dòng chảy, chiều cao cột hấp phụ − Xác định chế hấp phụ từ mơ hình đường cong đột phá III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : 12/06/2023 V GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN Giảng viên hướng dẫn : 28/03/2023 : TS Nguyễn Văn Phương Chủ nhiệm Bộ môn Công nghệ Môi trường (Ghi họ tên chữ ký) (Ghi họ tên chữ ký) Nguyễn Văn Phương Trần Thị Tường Vân i KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC – 06/2023 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 ii KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC – 06/2023 NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… TP Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2023 Giáo viên hướng dẫn Nguyễn Văn Phương iii KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC – 06/2023 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 – 06/2023 MỤC LỤC NHIỆM VỤ CỦA LUẬN VĂN i LỜI CẢM ƠN ii NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN iii NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN iv MỤC LỤC v DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT viii DANH SÁCH BẢNG BIỂU ix DANH SÁCH HÌNH ẢNH x MỞ ĐẦU 1 Đặt vấn đề Mục tiêu nghiên cứu 3 Đối tượng nghiên cứu Nội dung nghiên cứu Ý nghĩa khoa học thực tiễn 5.1 Ý nghĩa khoa học .3 5.2 Ý nghĩa thực tiễn Tính đề tài CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan macca vùng trồng 1.2 Tổng quan ammonium nước 1.2.1 Ammonium .4 1.2.2 Tác hại q trình nhiễm ammonium nước thải 1.2.3 Các phương pháp xử lý 1.3 Tổng quan than sinh học 1.3.1 Khái niệm than sinh học 1.3.2 Các đặc tính than sinh học ảnh hưởng đến khả hấp phụ ammonium v KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC – 06/2023 1.3.3 Các yếu tố ảnh hưởng trình hấp phụ amoni than sinh học 1.4 Tổng quan phương pháp hấp phụ 1.4.1 Khái niệm .9 1.4.2 Tính chất hấp phụ 1.5 Thiết kế cột hấp phụ 10 1.5.1 Cở sở lý thuyết thiết kế cột 10 1.5.2 Đánh giá liệu cột 13 1.5.3 Các thơng số q trình hấp phụ 18 1.5.4 Nguyên lý thiết kế cột 21 1.5.5 Đánh giá trình hấp phụ 25 1.5.6 Vận hành cột hấp phụ 27 1.5.7 Các nghiên cứu thiết kế cột vật liệu hấp phụ cố định 27 CHƯƠNG VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 33 2.1 Vật liệu nghiên cứu .33 2.1.1 Phương pháp phân tích 33 2.1.2 Thiết bị - Dụng cụ hóa chất .33 2.2 Bố trí thí nghiệm 33 2.2.1 Điều chế than sinh học 33 2.2.2 Thiết kế cột hấp phụ .34 2.3 Xử lý liệu thí nghiệm .37 2.3.1 Tính tốn .37 2.3.2 Xử lý số liệu thí nghiệm .38 CHƯƠNG KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 39 3.1 Xác định số tính chất hóa lí than sinh học 39 3.2 Xác định thông số vận hành tối ưu .39 3.2.1 pH dung dịch 39 3.2.2 Chiều cao cột lớp hấp phụ .41 3.2.3 Tốc độ dòng chảy 42 3.2.4 Nồng độ amoni đầu vào 43 3.2.5 Kích cỡ hạt 45 3.3 Xác định chế hấp phụ từ mơ hình đường cong đột phá 46 vi KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC – 06/2023 3.3.1 pH dung dịch 46 3.3.2 Chiều cao cột lớp hấp phụ .48 3.3.3 Tốc độ dòng chảy 49 3.3.4 Nồng độ amoni đầu vào 51 3.3.5 Kích cỡ hạt 53 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 55 KẾT LUẬN 55 KIẾN NGHỊ 55 TÀI LIỆU THAM KHẢO 56 PHỤ LỤC 01 THƯ XÁC NHẬN CỦA HỘI NGHỊ KHOA HỌC TRẻ YSC 2023 60 PHỤ LỤC 02 61 vii KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC – 06/2023 DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT BHC Chiều cao lớp chất hấp phụ BTC Đường cong đột phá CEC Khả trao đổi cation EBTC Thời gian tiếp xúc tối thiểu cột vật liệu rỗng FRA Tốc độ dòng chảy chất bị hấp phụ GPP Garlic peel powder IAC MBCC Modified biochar corncob Bột vỏ tỏi Nồng độ chất hấp phụ ban đầu Lõi ngô sinh học biến tính MC Microcrystalline cellulose MCB Than sinh học làm từ lõi ngô Biochar made from corncobs MSB Mixed sawdust pellets Mùn cưa hỗn hợp viên MTZ Vùng chuyển khối vùng hấp phụ NCS Nanochitosan NN&PTNT Nông nghiệp phát triển nơng thơn PSA Kích thước hạt chất hấp phụ SA Sodium alginate WB Hardwood Gỗ cứng viii KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC – 06/2023 DANH SÁCH BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Các tính giới hạn trình hấp phụ khác 10 Bảng 1.2 Ảnh hưởng tham số trình đến điểm đột phá điểm kiệt 19 Bảng 2.1: Danh sách thiết bị sử dụng cho nghiên cứu 34 Bảng 3.1 Các đặc tính than sinh học 39 Bảng 3.2 Ảnh hưởng pH đến biểu đồ đột phá N-NH4 40 Bảng 3.3 Ảnh hưởng chiều cao cột đến biểu đồ đột phá N-NH4 42 Bảng 3.4 Ảnh hưởng tốc độ dòng vào đến biểu đồ đột phá N-NH4 43 Bảng 3.5 Ảnh hưởng nồng độ ban đầu đến biểu đồ đột phá N-NH4 45 Bảng 3.6 Ảnh hưởng kích cỡ đến biểu đồ đột phá N-NH4 45 Bảng 3.7 Các thông số mô hình hấp phụ cột: khảo sát ảnh hưởng pH ban đầu 47 Bảng 3.8 Các thơng số mơ hình hấp phụ cột: khảo sát ảnh hưởng chiều cao cột hấp phụ, 48 Bảng 3.9 Các thơng số mơ hình hấp phụ cột: khảo sát ảnh hưởng tốc độ dòng chảy 50 Bảng 3.10 Các thơng số mơ hình hấp phụ cột: khảo sát ảnh hưởng nồng độ amoni ban đầu 51 Bảng 3.11 Các thơng số mơ hình hấp phụ cột: khảo sát ảnh hưởng kích thước hạt 53 ix KHĨA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC – 06/2023 Kth số tốc độ Thomas (mL/phút.mg) q0: dung lượng hấp phụ tối đa theo mơ hình Thomas, mg/g (Các giá trị Kth q0 tính từ đồ thị Ln[(C0/Ct)−1] theo t KAB số vận tốc theo mơ hình Adam-Bohart, N0 biểu thị nồng độ bão hòa, mg/L Kyn biểu thị số tốc độ Yoon–Nelson, L/phút  đề cập đến thời gian cần thiết để 50% ion amoni đột phá (phút) 3.3.2 Chiều cao cột lớp hấp phụ Các thơng số mơ hình Thomas, Bohart–Adams Yoon–Nelson trình bày Bảng 3.8 Khảo sát cột áp dụng cho phương trình mơ hình Thomas để thu (Kth), tức số tốc độ Thomas (q0) khả hấp phụ tối đa Các tham số liên quan hệ số hồi quy (R2) xác định Các giá trị số tốc độ hấp phụ (Kth) khả hấp thụ cực đại (q0) xác định từ độ dốc chặn từ đồ thị tuyến tính Ln(Ct /C0 −1) so với t Các giá trị R2 tương đối cao điều kiện vận hành cho thấy mơ hình phù hợp để mô tả liệu hấp phụ cột mức độ phù hợp chiều cao cột 7,0 cm thấp (0,87) [22] Bảng 3.8 Các thơng số mơ hình hấp phụ cột: khảo sát ảnh hưởng chiều cao cột hấp phụ, h Mơ hình Thomas Chiều cao cột h cm 1,75 Mơ hình Adam-Bohart Mơ hình Yoon-Nelson Kth mL/phút.mg q0 mg/g R2 KAB L/mg phút N0 mg/L R2 Kyn phút-1  phút R2 1,7E-04 5,85 0,93 2,2E-04 27156 0,99 0,11 10 0,99 3,50 1,4E-04 24,60 0,96 1,5E-04 69713 0,96 0,07 49 0,96 7,00 7,5E-05 21,86 0,87 3,4E-05 88223 0,67 0,02 124 0,67 Giá trị R2 cao giá trị nằm khoảng từ 0,93 đến 0,99 cho thấy mơ hình phù hợp tốt Đối với mơ hình Thomas, giá trị R2 tương đối cao chiều cao lớp hấp phụ 1,75 3,50 cm điều kiện vận hành cho thấy mơ hình phù hợp để mơ tả liệu hấp phụ cột, chiều cao lớp hấp phụ 7,00 cm có R2 nhỏ 0,87 Kết tính tốn q0 cho thấy tăng chiều cao lớp hấp phụ từ 1,75 cm đến 3,50 cm dung lượng hấp phụ tăng từ 5,85 lên 24,6 mg/g Sau tăng chiều cao lớp hấp phụ lên 7,00 cm dung lượng hấp phụ lại giảm cịn 18,06 mg/g, có nghĩa lượng chất bị 48 KHĨA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC – 06/2023 hấp phụ tối đa đơn vị chất hấp phụ thời điểm cân bị giảm Có thể giải thích lượng chất hấp phụ nhiều dẫn đến tượng mắc kẹt chậm chạp trình hấp phụ Với chiều cao lớp hấp phụ 1,75 cm 3,50 cm mơ hình Thomas hồn tồn phù hợp dựa vào mối tương quan R2 dung lượng hấp phụ q0 (24,6 mg/g) với giá trịnh thực nghiệm qe (23,2mg/g), Bảng 3.8 Đối với mơ hình Adam-Bohart tăng chiều cao lớp hấp từ 1,75 đến 3,50 cm số vận tốc lại giảm từ 2,2.10-4 đến 1,5.10-4 1/mg phút Sau tăng lên 7,00 cm số vận tốc tiếp tục giảm cịn 0,34.10-4 Điều giải thích lượng chất hấp phụ nhiều dẫn đến tượng mắc kẹt chậm chạp trình hấp phụ Giá trị R2 cao giá trị nằm khoảng từ 0,96 đến 0,99 cho thấy mơ hình phù hợp tốt chiều cao lớp hấp phụ 1,75 3,50 cm Cuối mơ hình Yoon-Nelson, chiều cao lớp hấp phụ tỷ lệ nghịch với số tốc độ giảm từ 0,11 xuống 0,03 phút-1 tỷ lệ thuận với thời gian cần thiết để 50% ion amoni đột phá tăng lên từ 10 đến 72 phút Lúc hạt than kết dính lại với làm giảm khả hấp phụ, dẫn đến thời gian cần thiết để 50% ion amoni đột phá bị kéo dài Lý giải tương tự tìm thấy nghiên cứu Kizito cộng [22] Các thông số Kth, KAB, Kyn cho thấy chiều cao lớp hấp phụ 3,50cm phù hợp hơn, Bảng 3.8 Kết cho thấy mô hình Thomas phù hợp cho mơ hình với R2 tương quan chặt R2 dao động 87-96 Kết nghiên cứu cho thấy chiều cao lớp hấp phụ 3,50 cm lựa chọn tối ưu vận hành cột hấp phụ với lưu lượng 10 mL/phút, pH 6, nhiệt độ phòng, nồng độ ban đầu 500 mg/L Tại chiều cao lớp hấp phụ với điều kiện vận hành ba mơ hình phù hợp để giải thích chế động học q trình hấp phụ amoni than sinh học có nguồn gốc từ vỏ macca nhiệt phân 300℃ 3.3.3 Tốc độ dòng chảy Các thơng số mơ hình Thomas, Bohart–Adams Yoon–Nelson trình bày Bảng 3.9 Khảo sát cột áp dụng cho phương trình mơ hình Thomas để thu (Kth), tức số tốc độ Thomas (q0) khả hấp phụ tối đa Các tham số liên quan hệ số hồi quy (R2) xác định Các giá trị số tốc độ hấp phụ ( th) khả hấp thụ cực đại (q0) xác định từ độ dốc chặn từ đồ thị tuyến tính Ln(Ct /C0 −1) so với t Các giá trị R2 tương đối cao điều 49 KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC – 06/2023 kiện vận hành cho thấy mơ hình phù hợp để mô tả liệu hấp phụ cột [22] Bảng 3.9 Các thơng số mơ hình hấp phụ cột: khảo sát ảnh hưởng tốc độ dòng chảy, Q Mơ hình Thomas Q Kth (mL/phút) mL/phút.mg Mơ hình YoonNelson Mơ hình Adam-Bohart q0 mg/g R2 KAB L/mg phút N0 mg/L R2 Kyn phút-1  phút R2 2,3E-05 55,1 0,96 5,6E-05 111100 0,32 0,01 110 0,96 10 1,4E-04 24,6 0,96 2,0E-05 157428 0,93 0,07 49 0,96 15 2,1E-04 14,4 0,93 4,4E-05 122451 0,90 0,10 27 0,96 Giá trị R2 cao giá trị nằm khoảng từ 0,80 đến 1,0 cho thấy mơ hình phù hợp tốt Đối với mơ hình Thomas, giá trị R2 tương đối cao tốc độ dòng 10 mL/phút điều kiện vận hành cho thấy mơ hình phù hợp để mô tả liệu hấp phụ cột, tốc độ dịng 15 mL/phút có R2 nhỏ 0,93 Khi tốc độ dòng chảy tăng từ lên 15 mL/phút tỷ lệ thuận với số tốc độ tăng từ 0,23.10-4 đến 2,1.10-4 phù hợp Kết tính tốn dung lượng hấp phụ q0 cho thấy tốc độ dòng chảy tăng từ lên 10 mL/phút dung lượng hấp phụ theo mơ hình Thomas có thay đổi tăng nhẹ từ 23,3 lên 24,6 mg/g Sau tăng tốc độ dịng chảy lên 15 mL/phút dung lượng hấp phụ lại giảm cịn 12,5 mg/g, tốc độ tăng chất bị hấp phụ chưa đủ thời gian tiếp xúc với chất hấp phụ dẫn đến dung lượng hấp phụ giảm Với tốc độ dòng 10 mL/phút mơ hình Thomas hồn tồn phù hợp dựa vào mối tương quan R2 dung lượng hấp phụ q0 (24,6 mg/g) với giá trịnh thực nghiệm qe (23,2mg/g), Bảng 3.9 Đối với mơ hình Bohart–Adams, tăng tốc độ dịng chảy từ từ lên 15 ml/phút số vận tốc lại giảm từ 5,6.10-5 xuống 2,0.10-5 sau lại tăng lên 4,4.10-5 L/mg.phút giải thích tốc độ nhanh tạo áp lực đẩy ion tới gần q trình hấp phụ Đối với mơ hình Yoon-Nelson, tốc độ dòng chảy tăng từ lên 15 mL/phút tỷ lệ thuận với số tốc độ Cụ thể, tăng tốc độ từ lên 10 mL/phút 15 mL/phút Kyn tăng 0,01; 0,07 0,10 phút-1 Ngược lại, thời gian đột phá (τ) giảm từ 110 phút xuống 27 phút Điều lý giải q trình hấp phụ tốc độ tăng dẫn đến hiệu suất tăng, tốc độ lớn việc tiếp xúc chất hấp phụ và chất bị hấp phụ bị nhanh làm giảm thời gian Hay không đồng bề 50 KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC – 06/2023 mặt hấp phụ có liên quan đến phản ứng hóa học Các thơng số Kth, KAB, Kyn cho thấy tốc độ dòng 10 mL/phút phù hợp hơn, Bảng 3.9 Kết cho thấy mơ hình Yoon Nelson phù hợp cho mơ hình với R2 tương quan chặt R2 trường hợp khảo sát 0,96 Kết nghiên cứu cho thấy tốc độ dòng chảy 10 mL/phút lựa chọn tối ưu vận hành cột hấp phụ với pH 6, chiều cao lớp hấp phụ 3,50 cm, nhiệt độ phòng, nồng độ ban đầu 500 mg/L Tại tốc độ dòng chảy với điều kiện vận hành ba mơ hình phù hợp để giải thích chế động học trình hấp phụ amoni than sinh học có nguồn gốc từ vỏ macca nhiệt phân 300℃ Sự khác biệt giá trị thử nghiệm dự đốn giải thích mơ hình Yoon Nelson tính tốn động lực hấp phụ mà khơng cần xem xét nhiều đến đặc tính chất hấp phụ, loại chất hấp phụ tính chất vật lý lớp hấp phụ Lý giải tương tự tìm thấy nghiên cứu Kizito cộng [22] 3.3.4 Nồng độ amoni đầu vào Các thơng số mơ hình Thomas, Bohart–Adams Yoon–Nelson trình bày Bảng 3.10 Khảo sát cột áp dụng cho phương trình mơ hình Thomas để thu (Kth), tức số tốc độ Thomas (q0) khả hấp phụ tối đa Các tham số liên quan hệ số hồi quy (R2) xác định Các giá trị số tốc độ hấp phụ (Kth) khả hấp thụ cực đại (q0) xác định từ độ dốc chặn từ đồ thị tuyến tính Ln(Ct /C0 −1) so với t Các giá trị R2 tương đối cao điều kiện vận hành cho thấy mơ hình phù hợp để mô tả liệu hấp phụ cột [22] Bảng 3.10 Các thơng số mơ hình hấp phụ cột: khảo sát ảnh hưởng nồng độ amoni ban đầu, ppm Mơ hình Thomas Mơ hình YoonNelson Mơ hình Adam-Bohart C0 (ppmm) Kth mL/phút.mg q0 mg/g R2 KAB L/mg phút N0 mg/L R2 Kyn phút-1  phút R2 250 6,8E-05 54,86 0,89 5,5E-05 151783 0,59 0,02 240 0,94 500 1,4E-04 24,60 0,96 2,0E-05 16371 0,93 0,07 49 0,96 1000 7,3E-05 9,19 0,85 1,2E-05 25498 0,65 0,04 18 0,85 Giá trị R2 cao giá trị nằm khoảng từ 0,80 đến 1,0 cho thấy mơ hình phù hợp tốt Đối với mơ hình Thomas, giá trị R2 tương đối cao nồng độ đầu vào 500 ppm 51 KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC – 06/2023 điều kiện vận hành cho thấy mơ hình phù hợp để mô tả liệu hấp phụ cột, nồng độ đầu vào 250 1000 ppm có R2 nhỏ lần lượ 0,89 0,85 Kết tính tốn dung lượng hấp phụ q0 cho thấy nồng độ tăng dung lượng hấp phụ giảm, cụ thể nồng độ ban đầu tăng từ 250 lên 500 ppm dung lượng hấp phụ giảm từ 54,86 mg/g xuống 24,60 mg/g, mặt dù Kth tăng từ 6,8.10-5 lên 14.10-5 mL/phút.mg Điều lý giải nồng độ amoni ban đầu cao sử dụng, đường cong đột phá dốc cho thấy cạn kiệt nhanh lớp than sinh học [22] Tuy nhiên, nồng độ ban đầu tăng từ 500 lên 1000 ppm, dung lượng hấp phụ tiếp tục giảm từ 24,60 mg/g xuống 9,19 mg/g số vận tốc Kth đồng thời giảm xuống từ 14.10-5 7,3.10-5 mL/phút.mg Với nồng độ đầu vào 500 ppm mơ hình Thomas hồn tồn phù hợp dựa vào mối tương quan R2 dung lượng hấp phụ q0 (24,6 mg/g) với giá trị thực nghiệm qe (23,2 mg/g), Bảng 3.10 Đối với mơ hình Adam - Bohart có khác biệt, thấy nồng độ amoni đầu vào tỉ lệ nghịch với số vận tốc KAB, cụ thể nồng độ amoni đầu vào tăng từ 250 lên 500 1000 ppm số vận tốc KAB có xu hướng giảm 5,5.10-5; 2.10-5 1,2.10-5 Giá trị R2 cao cho thấy mơ hình phù hợp tốt nồng độ amoni ban đầu 500 ppm Điều lý giải tăng nồng độ amoni, lượng ion NH4+ dung dịch tăng gây tượng chất bị hấp phụ không hấp phụ kịp dẫn đến chậm chạp q trình hấp phụ Trong mơ hình Yoon – Nelson nồng độ amoni ban đầu tỷ lệ nghịch với thời gian cần thiết để 50% ion amoni đột phá, nồng độ amoni ban đầu tăng từ 250 lên 500 1000 ppm khí thời gian cần thiết để 50% ion amoni đột phá giảm từ 240 xuống cịn 18 phút Trong đó, số tốc độ tăng từ 0,02 lên 0,07 nồng độ amoni tăng từ 250 lên 500 ppm lại giảm từ 0,07 xuống 0,04 nồng độ amoni ban đầu tiếp tục tăng từ 500 lên 1000 ppm Có thể lý giải tăng khơng tuyến tính bão hòa chất hấp phụ dẫn đến khả hấp phụ giảm dần theo thời gian nồng độ dung dịch ban đầu Các thông số Kth, KAB, Kyn cho thấy nồng độ amoni đầu vào 500 ppm phù hợp hơn, Bảng 3.10 Kết cho thấy mơ hình Yoon - Nelson phù hợp cho mơ hình với R2 tương quan chặt R2 dao động 85-96 Kết nghiên cứu cho thấy nồng độ amoni ban đầu 500 ppm lựa chọn tối ưu vận hành cột hấp phụ với pH 6, lưu lượng 10 mL/phút, chiều cao lớp hấp phụ tương ứng 3,50 cm, nhiệt độ phòng Tại nồng độ amoni ban đầu với điều 52 KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC – 06/2023 kiện vận hành ba mơ hình phù hợp để giải thích chế động học trình hấp phụ amoni than sinh học có nguồn gốc từ vỏ macca nhiệt phân 300℃ 3.3.5 Kích cỡ hạt Các thơng số mơ hình Thomas, Bohart–Adams Yoon–Nelson trình bày Bảng 3.11 Các giá trị số tốc độ hấp phụ (Kth) khả hấp thụ cực đại (q0) xác định từ độ dốc chặn từ đồ thị tuyến tính Ln(Ct /C0 −1) so với t Các giá trị R2 tương đối cao điều kiện vận hành cho thấy mơ hình phù hợp để mô tả liệu hấp phụ cột [22] Giá trị R2 cao giá trị từ 0,91 đến 0,96 cho thấy mơ hình phù hợp tốt Đối với mơ hình Thomas, kích thước hạt tăng 3mm dung lượng hấp phụ tăng từ 24,06 đến 35,22 mg/g Có thể giải thích hạt có kích thước lớn nên khơng gây cản trở áp lực dẫn đến dung lượng hấp phụ lớn Đối với mơ hình Bohart–Adams, tăng kích thước hạt 3mm, số vận tốc giảm từ 2.10-5 xuống 0,25.10-5 kích thước hạt to diện tích bề mặt nhỏ làm giảm khả tiếp xúc chất hấp phụ chất bị hấp phụ dẫn đến vận tốc hấp phụ giảm Bảng 3.11 Các thơng số mơ hình hấp phụ cột: khảo sát ảnh hưởng kích thước hạt Mơ hình Thomas Mơ hình YoonNelson Mơ hình Adam-Bohart Kích cỡ hạt, mm Kth mL/phút.mg q0 mg/g R2 KAB L/mg phút N0 mg/L R2 Kyn phút-1  phút R2 < 1mm 1,4E-04 24,60 0,96 2,0E-05 16371 0,93 0,0722 49 0,96 >3mm 5,4E-06 36,09 0,91 2,5E-06 45842 0,94 0,0027 72 0,91 Đối với mơ hình Yoon-Nelson, kích thước hạt tăng 3mm tỷ lệ nghịch với số tốc độ Yoon–Nelson có giá trị giảm từ 0,0722 xuống 0,0023 phút-1 tỷ lệ thuận với thời gian cần thiết để 50% ion amoni đột phá tăng từ 49 đến 70 phút Có thể lý giải giải kích thước hạt to diện tích bề mặt nhỏ làm giảm khả tiếp xúc chất hấp phụ chất bị hấp phụ dẫn đến tốc độ hấp phụ giảm thời gian hấp phụ phải bị kéo dài Nhìn chung với thơng số vận hành cột pH 6,1; lưu lượng 10mL/phút; chiều 53 KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC – 06/2023 cao lớp hấp phụ 3,5 cm, nồng độ amoni đầu vào 500 mg/L kích cỡ hạt than sinh học >3 mm tối ưu tương ứng với kết thu thời gian tb 10 phút; thời gian cạn kiệt te 420 phút; lượng amoni hấp phụ tổng cộng 310 mg; dung lượng hấp phụ 31,0 mg/g Cả mơ hình phù hợp để giải thích chế hấp phụ amoni lên than sinh học Qua cho thấy chế hấp phụ kiểm sốt hóa học bề mặt than ngồi hấp phụ tĩnh điện cịn có trao đổi ion Mơ hình Thomas tính toán dung lượng hấp phụ tối đa q0 36 mg/g xem tương đương với kết thực nghiệm qe 31,0 mg/g Điều cho thấy sử dụng mơ hình Thomas tính tốn thiết kế cột qui mơ lớn Trên thực tế, q trình hấp phụ than sinh học thường đặc trưng đường đẳng nhiệt hấp phụ thuận lợi với pha nhanh dựa hấp phụ vật lý (lấp lỗ bên ngoài) pha chậm dài dựa khuếch tán hấp phụ hóa học bên [22] Đơi có khác biệt tương đối lớn giá trị thực nghiệm mô phỏng, nghiên cứu kết luận mơ hình khơng hoàn toàn phù hợp với liệu thực nghiệm việc sử dụng mơ hình cần xem xét cách thận trọng ước tính thiết kế [22] 54 KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC – 06/2023 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ KẾT LUẬN Với mục tiêu nghiên cứu xác định thông số thiết kế cột hấp phụ để loại bỏ ammonium than sinh học có nguồn gốc từ vỏ Macca, qua q trình thực nội dung để xác định thông số vận hành phục cho cho việc thiết kế Nghiên cứu thu kết sau: − Một số thành phần, tính chất hóa lý than xác định Hiệu suất thu hồi 49,1%, pH 7,74 =, pHpzc 7,74, số nhóm chức H+ 6,25 mmolH+/g, hàm lượng hữu 41%, hàm lượng P dễ tiêu 111 mg kg-1 hàm lượng N-NH4 4,7 mg kg-1 − Các thông số vận hành tối ưu để thiết kế cột xác định bao gồm: pH 6,1; chiều cao cột 3,5 cm, lưu lượng 10 mL/phút nồng độ amoni đầu vào 500 mg/L kích cỡ hạt > 3mm − Kết cho thấy mơ hình phù hợp để giải thích chế hấp phụ amoni lên than sinh học Qua cho thấy chế hấp phụ kiểm sốt hóa học bề mặt than ngồi hấp phụ tĩnh điện cịn có trao đổi ion Điều cho thấy sử dụng mơ hình Thomas tính tốn thiết kế cột qui mơ lớn KIẾN NGHỊ Thơng qua kết đề tài, nhóm nghiên cứu đưa kiến nghị số vấn đề sau: − Do mơ hình cột thử nghiệm chạy với mẫu giả nên chưa thấy tổng quan trình diễn cản trở đến trình hấp phụ cột Vì cần tiếp tục khảo sát thiết kê cột với mẫu thật lấy từ thực nghiệm − Tiếp tục khảo sát thông số thiết kế cột hấp phụ pH, chiều cao cột lớp hấp phụ, nồng độ ammonium đầu vào mẫu thật − Tiếp tục nghiên cứu trình động học liên quan đến trở lực đưa điều kiện tốt để cải thiện vấn đề 55 KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC – 06/2023 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] F Gao, Y Xue, Pinya Dengb, X Chenga and K Yanga, “Removal of aqueous ammonium by biochars derived from agricultural residuals at different pyrolysis temperatures,” Chemical Speciation & Bioavailability, vol 27, no 2, p 92–97, 2015 [2] H Lu, W Zhang, Y Yang and X Huang, “Relative distribution of Pb2+ sorption mechanisms by sludge-derived biochar,” Water Research, vol 46, pp 854-862, 2012 [3] P Trazzi, J Leahy, M Hayes and W Kwapinski, “Adsorption and desorption of phosphate on biochars,” Journal of Environmental Chemical Engineering, vol 4, p 37–46, 2016 [4] M B Shakoor, Z.-L Ye and S Chen, “Engineered biochars for recovering phosphate and ammonium from wastewater: A review,” Science of the Total Environment, vol 779, pp 1-16, 2021 [5] T Sizmur, T Fresno, G Akgül, H Frost and E Moreno, “Biochar modification to enhance sorption of inorganics from water,” Bioresource Technology, vol 246, 2017 [6] A Khalil, N Sergeevich and V Borisova, “Removal of ammonium from fish farms by biochar obtained from rice straw: Isotherm and kinetic studies for ammonium adsorption,” Adsorption Science & Technology, vol 36, no 5-6, pp 1294-1309, 2018 [7] Z Zhou, Z Xu, Q Feng, D Yao, J Yu, D Wang, S Lv, Y Liu, N Zhou and M.e Zhong, “Effect of pyrolysis condition on the adsorption mechanism of lead, cadmium and copper on tobacco stem biochar,” Journal of Cleaner Production, vol 187, pp 1-26, 2018 [8] R B Fidel, D A Laird and K A Spokas, “Sorption of ammonium and nitrate to biochars is electrostatic and pH-dependent,” nature.com/scientificreports, pp 110, 2018 [9] H Patel, “Fixed-bed column adsorption study: a comprehensive review,” Applied 56 KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC – 06/2023 Water Science , vol 9, no 45, pp 1-17, 2019 [10] B S Chittoo and C Sutherland, “Column breakthrough studies for the removal and recovery of phosphate by lime-iron sludge: Modeling and optimization using artificial neural network and adaptive neuro-fuzzy inference system,” Chinese Journal of Chemical Engineering, vol 28, no 7, pp 1847-1859, 2020 [11] Đ Hương, “https://baochinhphu.vn/,” 24 2022 [Online] Available: https://baochinhphu.vn/de-mac-ca-thanh-cay-lam-giau102220324103532158.htm [12] M Inyang, B Gao, W Ding, P Pullammanappallil, A R Zimmerman and X Cao, “Enhanced Lead Sorption by Biochar Derived from Anaerobically Digested Sugarcane Bagasse,” Separation Science and Technology, vol 46, no 12, pp 1950-1956, 2011 [13] Chavda, S B, Pandya and M.J., “Evaluation of Removal of TDS, COD and Heavy metals from Wastewater using Biochar,” International journal of innovative research in technology, vol 1, no 9, pp 1-5, 2014 [14] J Zhang, B Huang, L Chen, Y L, W L and Z Luo, “Characteristics of biochar produced from yak manure at different pyrolysis temperatures and its effects on the yield and growth of highland barley,” Journal Chemical Speciation & Bioavailability, vol 30, no 1, pp 57-67, 2018 [15] R Fan, C.-l Chen, J.-y Lin, J.-h Tzeng, C.-p Huang, C Dong and C.P.Huang, “Adsorption characteristics of ammonium ion onto hydrous biochars in dilute aqueous solutions,” Bioresource Technology, vol 272, pp 465-472, 2019 [16] L V Cát, Hấp phụ trao đổi ion kỹ thuật xử lý nước nước thải, Nhà Xuất Bản thống kê Hà Nội, 2002 [17] T V Nhân and N T Nga, Giáo trình cơng nghệ xử lý nước thải, Hà Nội: Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật, 2002 [18] R D Noble and P A Terry, Principles of Chemical Separations with Environmental Applications, New York: Cambridge University Press, 2004 [19] E Worch, Adsorption Technology in Water Treatment, Berlin; Boston: De Gruyter, 2012 57 KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC – 06/2023 [20] N Sazali, Z Harun and N Sazali, “A Review on Batch and Column Adsorption of Various Adsorbent Towards the Removal of Heavy Metal,” Journal of Advanced Research in Fluid Mechanics and Thermal Sciences, vol 67, no 2, pp 66-88, 2020 [21] D T Mekonnen, E Alemayehu and B Lennartz, “Fixed-Bed Column Technique for the Removal of Phosphatefrom Water Using Leftover Coal,” Materials, vol 14, pp 1-14, 2021 [22] S Kizito, S Wu, S M Wandera, L Guo and R Dong, “Evaluation of ammonium adsorption in biochar-fixed beds for treatment of anaerobically digested swine slurry: Experimental optimization and modeling,” Science of the Total Environment, pp 1-10, 2016 [23] L H Nguyen, T M Vu, T T Le, V T Trinh, T P Tran and H T Van, “Ammonium removal from aqueous solutions by fixed-bed column using corncobbased modified biochar,” Environmental Technology, vol 40, no 6, pp 1-11, 2019 [24] W Ansari, H Harahap and A Husin, “Fixed-bed column adsorption performance for ammonia removal using adsorbent from zeolite,” 2021 [25] M Kapur and M K Mondal, “Design and model parameters estimation for fixed– bed column adsorption ofCu(II) and Ni(II) ions using magnetized saw dust,” Desalination and Water Treatment, pp 1-13, 2015 [26] E Sundhararasu, H Runtti, T Kangas, J Pesonen, U Lassi and S Tuomikoski, “Column Adsorption Studies for the Removal of AmmoniumUsing Na-ZeoliteBased Geopolymers,” Resources, vol 11, pp 1-12, 2022 [27] P Muthamilselvi, R Karthikeyan, A Kapoor and S Prabhakar, “Continuous fixed-bed studies for adsorptive remediation of phenol by garlic peel powder,” International Journal of Industrial Chemistry , vol 9, p 379–390, 2018 [28] Y K Kiran, A Barkat, C Xiao-qiang, F Ying, P Feng-shan, T Lin and Y X e, “Cow manure and cow manure-derived biochar application as a soil amendment for reducing cadmium availability and accumulation by Brassicachinensis L in acidic red soil,” Journal of Integrative Agriculture, vol 16, no 3, p 725–734, 58 KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC – 06/2023 2017 [29] TCVN 8941, “Chất lượng đất - Xác định cacbon hữu tổng số - Phương pháp Walkey Black,” Bộ Tài nguyên Môi trường, 2011 [30] T T Trần, “Đặc điểm hóa lý than sinh học điều chế từ vỏ trấu,” Tạp chí Khoa học – Đại học Huế, vol 120, no 6, pp 233-247, 2016 [31] W Cheung, S Lau, S Leung, A Ip and G McKay, “Characteristics of Chemical Modified Activated Carbons from Bamboo Scaffolding,” Chinese Journal of Chemical Engineering, vol 20, no 3, pp 515-523, 2012 [32] CEN/TS 14429, “Characterization of waste – Leaching behaviour test – Influence of pH on leaching with initial acid/base addition,” European Committee For Standardization, 2005 [33] N V Phuong, N K Hoang, L V Luan and L V Tan, “Evaluation of NH + Adsorption Capacity in Water of Coffee HuskDerived Biochar at Different Pyrolysis Temperatures,” International Journal of Agronomy, pp 1-9, 2021 [34] A Khalil, N Sergeevich and V Borisova, “Removal of ammonium from fish farms by biochar obtained from rice straw: Isotherm and kinetic studies for ammonium adsorptionRemoval of ammonium from fiarms by biochar obtained from rice straw: Isotherm and kinetic studies for ammonium adsorption,” Adsorption Science & Technology , vol 36, no 5-6, pp 1294-1309, 2018 [35] D Luo, L Wang, H Nan, Y Cao, H Wang, T V Kumar and C Wang, “Phosphorus adsorption by functionalized biochar: a review,” Environmental Chemistry Letters, pp 1-29, 2022 [36] Hongyan Suna, Xiaoyun Wang, “NH4 asdsorption and adsorption kinetics by sediments in a drinking water reserỏi,” 2016 [37] Hyung-Keun Chung et al, “Application of Langmuir and Freundlich isotherms to predict adsorbate removal efficiency or required amount of adsorbent,” Journal of Industrial and Engineering Chemistry, p 241–246, 2015 59 KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC – 06/2023 PHỤ LỤC 01 THƯ XÁC NHẬN CỦA HỘI NGHỊ KHOA HỌC TRẺ YSC 2023 60 KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC – 06/2023 PHỤ LỤC 02 THIẾT KẾ CỘT HẤP PHỤ CỐ ĐỊNH XỬ LÝ AMONI BẰNG THAN SINH HỌC CÓ NGUỒN GỐC TỪ VỎ MACCA PHAN HUỲNH KHÁNH BĂNG, LÊ NGỌC MINH CHÂU, NGUYỄN VĂN PHƯƠNG Viện Khoa Học, Công Nghệ & Quản Lý Môi Trường, Trường Đại học Công nghiệp Tp HCM, Email:bangbang8653@gmail.com;lnmchau03@gmail.com; nguyenvanphuong@iuh.edu.vn Tóm tắt: Amoni nước thải gây nhiều rủi ro ô nhiễm môi trường Loại bỏ amoni phương pháp hấp phụ than sinh học có nguồn gốc từ chất thải nơng nghiệp xem có hiệu kinh tế thân thiện với môi trường Nghiên cứu nhằm xác định thông số thiết kế cột hấp phụ để loại bỏ amoni nước than sinh học chế tạo từ vỏ Macca có nguồn gốc từ tỉnh Đắk Nơng nhiệt phân 300℃ lưu giữ nhiệt Sau nghiền nhỏ qua rây 1mm lưu trữ sử dụng cho phân tích thí nghiệm Các thông số thiết kế tối ưu cột hấp phụ xác định thông qua khảo sát đường cong đột phá cách thay đổi thông số vận hành pH ban đầu (pH 4, 6, 8), chiều cao lớp chất hấp phụ h (1.75; 3.5; 7.0 cm), tốc độ dòng chảy Q (5, 10, 15 mL/phút) nồng độ amoni đầu vào C0 (250, 500, 1000 mg/L) Kết nghiên cứu xác định thông số thiết kế tối ưu bao gồm pH 6, h =3.5 cm, Q = 10 mL/phút C0=500 mg/L dựa vào phân tích đường cong đột phá Lượng amoni hấp phụ tối đa bề mặt than sinh học 24.6 mg/g Mơ hình Thomas, Yoon–Nelson Adam-Bohart phù hợp với liệu thí nghiệm với R2 dao động 0.93 đến 0.96 Kết nghiên cứu cho thấy mơ hình Adams–Bohart sử dụng để thiết kế cột hấp phụ quy mô kỹ thuật dựa R2 phù hợp giá trị dung lượng hấp phụ thực nghiệm dung lượng hấp phụ tối đa tính tốn từ mơ hình Từ khóa: vỏ macca, amoni, cột hấp phụ, đường cong đột phá, chiều cao lớp chất hấp phụ, tốc độ dòng chảy DESIGN OF FIXED BED COLUMN ADSORPTION FOR AMMONIUM REMOVAL USING MACADAMIA HUSK-DERIVED BIOCHAR PHAN HUYNH KHANH BANG, LE NGOC MINH CHAU, NGUYEN VAN PHUONG Institute of Science, Engineering & Environmental Management, Industrial University of Ho Chi Minh City 61 KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC – 06/2023 Email: bangbang8653@gmail.com;lnmchau03@gmail.com;nguyenvanphuong@iuh.edu.vn Abstract: Ammonium in wastewater causes many environmental pollution risks Ammonium removal by adsorption using biochar derived from agricultural waste is considered to be economical and environmentally friendly This study aims to determine the design parameters of an adsorption column to remove ammonium from water by biochar made from Macadamia husk originating from Dak Nong province that was pyrolysis at 300°C and stored heat for hours After that, it is grounded into a fine powder using a 1mm sieve and stored for analysis and further experiments The optimal design parameters of the adsorbent column were determined through a breakthrough curve survey by changing the operating parameters such as initial pH (pH 4, 6, 8), adsorbent bed height, h (1.75, 3.5, 7.0 cm) out fluent flow rate, Q (5, 10, 15 mL/min) and inlet ammonium concentration C0 (250, 500, 1000 mg/L) Based on breakthrough curve analysis, research results have determined the optimal design parameters including pH 6, h = 3.5 cm, Q = 10 mL/min, and C0 = 500 mg/L The maximum amount of ammonium adsorbed on the surface of biochar is 24.6 mg/g The Thomas, Yoon–Nelson and Adam-Bohart models were in good fitness with the experimental data with R2 ranging from 0.93 to 0.96 The research results also showed that the Adams–Bohart model can be used to design adsorption columns at an engineering scale based on data from experiments such as R2, the agreement between the experimental adsorption capacity values, and the maximum adsorption capacity calculated from the model Keywords: macadamia husk, ammonium, fixed bed adsorption column, breakthrough curve, adsorbent bed height, flow rate 62