Nghiên cứu tổng hợp hệ xúc tác quang mgfe2o4 biobr rgo và Ứng dụng Để xử lý phẩm nhuộm trong môi trường nước

Nghiên cứu tổng hợp hệ xúc tác quang mgfe2o4 biobr rgo và Ứng dụng Để xử lý phẩm nhuộm trong môi trường nước Nghiên cứu tổng hợp hệ xúc tác quang mgfe2o4 biobr rgo và Ứng dụng Để xử lý phẩm nhuộm trong môi trường nước

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu thực tế của cá nhân tôi, được thực hiện dưới sự hướng dẫn khoa học của TS Trần Nguyễn Hải và PGS.TS Hoàng Thị Minh Thảo

Trong luận văn, những thông tin tham khảo từ những công trình nghiên cứu khác đã được tác giả chú thích rõ nguồn

Các số liệu, những kết luận nghiên cứu được trình bày trong luận văn này là trung thực và chưa từng được công bố dưới bất cứ hình thức nào Tôi xin chịu trách nhiệm về công trình nghiên cứu của mình

Hà Nội, ngày tháng năm 2023

HỌC VIÊN

Đ H

LỜI C M N

Trước tiên, học viên xin h g i l i cảm n chân thành nhất đến giảng viên hướng dẫn là TS Trần Nguyễn Hải và S.TS Hoàng Thị Minh Thảo đã tận tâm hướng dẫn, ch bảo và t o mọi điều kiện thuận lợi giú đ trong suốt uá trình học

tậ c ng như uá trình thực hiện luận văn tốt nghiệ Học viên c ng xin g i l i cảm

n đến TS Nguyễn Thị Hải khoa ịa chất - trư ng i học hoa học Tự nhiên -

H HN đã c nhiều sự ch d y, h trợ tận tình trong suốt uá trình nghiên cứu, thí nghiệm và thực hiện luận văn tốt nghiệ Tiế theo học viên xin g i l i cảm n đến tậ th các thầy cô, giảng viên và cán b trong hoa ịa Chất và h ng thí nghiệm trọng đi m ịa môi trư ng và Ứng h biến đổi khí hậu, trư ng i học hoa học Tự nhiên đã g giú tôi hoàn thiện luận văn được tốt nhất

Cuối cùng, học viên xin cảm n ề tài “Nghiên cứu biến tính m t số s t bentonit Việt Nam bằng Al3+kết hợ than sinh học đ lo i bỏ amoni trong nước”

Mã số 105.99-2019.311 do S.TS Hoàng Thị Minh Thảo chủ nhiệm, uỹ hát tri n hoa học và Công nghệ uốc gia NAFOSTED tài trợ đã cho h học viên

s dụng kết uả nghiên cứu của đề tài đ thực hiện luận văn tốt nghiệ

Trong uá trình thực hiện kh a luận, do kiến thức và kinh nghiệm c n h n chế nên không tránh khỏi những thiếu s t Học viên rất mong nhận được sự g ,

bổ sung từ các thầy, cô và các đồng nghiệ đ luận văn được hoàn thiện h n

Học viên xin chân thành cảm n!

HỌC VIÊN

Đ H u

2.3 Các thí nghiệm x l amoni trong nước t i h ng thí nghiệm 25

2 h nghi m nh h ng nhi t ộ n ng t i t i h năng

2.5 hư ng há hân tích nồng đ amoni trong nước 30

2.6 Các hư ng trình tính toán dung lượng hấ hụ của hệ thí nghiệm 30

3.5 Dự toán giá thành sản xuất vật liệu và khả năng ứng dụng theo hướng

kinh tế tuần hoàn 56

L N V I N N H 59

ết luận 59

iến nghị 60

I LI HAM H O 61

ANH M C N VI

KRHAC Vật liệu than sinh học biến tính từu vỏ trấu

CAC Vật liệu than ho t tính thư ng m i than gáo dừa SEM hư ng há kính hi n vi điện t u t

FTIR hân tích uang hổ hồng ngo i biến đổi Fourier XRD hân tích nhiễu x tia

ANH M C H NH

H uy trình chế t o vật liệu và thí nghiệm 22

H a nung than b lọc r a mẫu c Vật liệu biến tính HAC 23

H Thiết kế c t cho thí nghiệm 24

H hu vực lấy mẫu xã Trầm ng, huyện Ứng H a, thành hố Hà N i 29

H lọc nước d ng trong thí nghiệm thực tế 30

H Dung lượng hấ hụ của các vật liệu than sinh học từ vỏ trấu chế t o

từ 300 - 600 oC sau đ ho t h a OH 2M 33

H ết uả hân tích FT của vật liệu HAC trước và sau hấ hụ

so sánh với than thư ng m i gáo dừa 35

H ết uả hân tích D - vật liệu HAC 35

H Hình ảnh SEM - Vỏ trấu thô, đ h ng đ i gấ 500 lần 36

H ết uả SEM - HAC, đ h ng đ i 500 lần 37

H ết uả SEM - HAC, đ h ng đ i 1000 lần 37

H iá trị HPZC của HAC, H và CAC 38

H nh hư ng của H dung dịch tới khả năng hấ hụ amoni trong nước

H Mô hình đ ng học bậc 1 của H, HAC và CAC 47

H Sự ảnh hư ng của các ion c nh tranh trong dung dịch 48

H ư ng cong thoát mô tả sự hấ hụ amoni vào c t vật liệu HAC

khi thay đổi nồng đ ban đầu 51

H ư ng cong thoát mô tả sự hấ hụ amoni vào c t vật liệu HAC

khi thay đổi chiều cao c t ban đầu 52

H ư ng cong thoát mô tả sự hấ hụ của amoni vào c t vật liệu HAC khi c sự thay đổi về tốc đ chảy 53

H Nồng đ amoni trong mẫu nước xã Trầm ng 54

H ư ng cong thoát mô tả sự hấ hụ của amoni vào c t lọc thực tế 56

ANH M C N

Bảng 1 Nồng đ amoni trong môi trư ng nước m t và nước ngầm t i m t số

khu vực Việt Nam 13

Bảng 2 Thông số đư ng đ ng nhiệt hấ hụ của 3 vật liệu thí nghiệm 43

Bảng 3 So sánh dung lượng hấ hụ cực đ i của than HAC với m t số

vật liệu đã được nghiên cứu trước đ 44

Bảng 4 Những thông số của hư ng trình đ ng học bi u kiến bậc 1 và bậc 2

của các lo i vật liệu 46

Bảng 5 Các thông số liên uan đến thí nghiệm hệ c t 49

Bảng 6 Nồng đ m t số kim lo i trong mẫu nước ngầm sau lọc cát 2 h dân 55

Bảng 7 Dự toán giá thành sản xuất 1 kg than sinh học biến tính HAC

theo giá h a chất của nhà cung cấ t i Việt Nam 57

Bảng 8 Dự toán giá thành sản xuất 1 kg than sinh học biến tính HAC

theo giá h a chất của nhà cung cấ t i Trung uốc 57

M Đ

Nước là nguồn tài nguyên thiết yếu cho sự tồn t i và hát tri n của con ngư i Chất lượng nước hụ thu c vào các thông số khác nhau, ch ng h n như H, kim lo i n ng, chất dinh dư ng, nhu cầu oxy h a học COD , nhu cầu oxy sinh học

OD , tổng chất rắn l l ng TSS và sinh vật gây bệnh Thông ua uá trình r a giải, r a trôi và th m thấu, các chất ô nhiễm đã được giải h ng vào nước ngầm, do

đ ảnh hư ng đến chất lượng nước ngầm [1, 18, 19, 26] Nồng đ chất ô nhiễm dư thừa trong môi trư ng nước ngầm đã gây ra những rủi ro về sinh thái và sức khỏe con ngư i [1, 18, 26]

Chất lượng nước ngầm của Việt Nam nhiều địa hư ng hiện nay đang nằm trong tình tr ng ô nhiễm amoni và kim lo i n ng nghiêm trọng và kh ki m soát do các tác đ ng từ ho t đ ng sản xuất của con ngư i [1, 30] ên c nh đ những h n chế về nhận thức, hành đ ng bảo vệ, giữ gìn vệ sinh môi trư ng nước của ngư i dân

c n chưa cao c ng là m t trong những nguyên nhân làm suy giảm chất lượng môi trư ng n i chung và môi trư ng nước ngầm n i riêng Trong báo cáo về hiện tr ng môi trư ng uốc gia năm 2020 c ng ch ra nhiều v ng thu c cả miền ắc và miền Nam c nồng đ amoni trong nước ngầm rất cao, vượt uá tiêu chu n cho h nhiều lần, do đ cần c những biện há kỹ thuật đ x l amoni trong nước ngầm,

ua đ đảm bảo chất lượng nguồn nước cấ cho sinh ho t [1]

Trong những năm gần đây, m t số hư ng há đã được nghiên cứu đ x l amoni trong nước như kỹ thuật x l sinh học [28], sục không khí làm thoáng [49], amoni yếm khí anamox [62], trao đổi ion, và hấ hụ [19] ối với những khu vực x l amoni uy mô lớn t i các nhà máy nước, hư ng há x l sinh học

đã cho thấy khả năng x lo i bỏ amoni rất hiệu uả và kinh tế [42] Tuy nhiên, khi điều kiện môi trư ng x l thay đổi nhiệt đ , H, c th c những ảnh hư ng làm giảm khả năng x l của kỹ thuật sinh học [22] Hấ hụ và/ho c trao đổi ion

c ng được coi là những kỹ thuật khả thi nhất đ lo i bỏ amoni trong nước b i vì các

hư ng há này x l trực tiế , ổn định, và c chi hí thấ Do đ , hát tri n các

vật liệu hấ hụ và/ho c vật liệu trao đổi ion nên được chú trọng đ lo i bỏ hàm lượng amoni trước uá trình x l bằng biện há sinh học ho c c ng với uá trình này [6, 19] Trong đ c nhiều công trình nghiên cứu s dụng vật liệu than sinh học biến tính từ các nguồn hế thải nông nghiệ nhằm mục đích lo i bỏ amoni trong môi trư ng nước [14, 47]

Việt Nam là nước c khả năng sản xuất nông nghiệ dồi dào, diện tích đất nông nghiệ trồng lúa lên đến 2 ,9 ha với sản lượng tư ng ứng 2 , nghìn tấn [9] hần r m r , vỏ trấu dư thừa sau canh tác dồi dào, c tiềm năng nghiên cứu các vật liệu than sinh học từ hụ h m nông nghiệ đ x l ô nhiễm nguồn nước Vì

vậy, học viên đề xuất luận văn “ ánh giá t i th n inh h i n t nh h t t

t m ni t ng n ” với mục tiêu đánh giá khả năng x l amoni

trong nước ngầm của vật liệu than ho t tính vỏ trấu, từ đ đề xuất thêm m t hư ng

án đảm bảo chất lượng nguồn nước cấ cho sinh ho t

 ti nghi n Chế t o vật liệu than sinh học biến tính từ vỏ trấu đ

x l amoni trong nước đánh giá khả năng x l của vật liệu than sinh học biến

tính trong điều kiện nước nhiễm amoni giả định và trong thực tế

 Nhi m nghi n

- Tổng hợ tài liệu khoa học c liên uan đến chế t o vật liệu x l amoni trong nước ngầm

- ác định đ c trưng, cấu trúc vật liệu của than sinh học biến tính từ vỏ trấu

- ánh giá khả năng x l amoni trong nước của vật liệu than sinh học biến

tính từ vỏ trấu

 i t ng nghi n

- Than sinh học biến tính từ vỏ trấu

- Nước nhiễm amoni giả định và nước ngầm thực tế nhiễm amoni

 h m i nghi n

- Thực hiện các thí nghiệm t i h ng thí nghiệm

- Thí nghiệm thực tế t i xã Trầm ng, huyện Ứng H a, thành hố Hà N i

 ngh h h tài ánh giá được khả năng x l amoni trong

nước của than sinh học biến tính chế t o từ vỏ trấu àm rõ được các đ c tính vật

liệu than sinh học biến tính của vật liệu than sinh học biến tính

 ngh th ti n tài Các kết uả nghiên cứu từ đề tài c th s

dụng làm c s chế t o vật liệu than sinh học biến tính từ vỏ trấu trong x l đảm bảo chất lượng nước sinh ho t từ nguồn hụ h m nông nghiệ dồi dào và chi hí

hợ l

C N AN I LI N HIÊN C

1.1

1.1.1

Amoni xuất hiện, tồn t i r ng rãi trong các v ng nước tự nhiên và c th ảnh

hư ng đáng k đến hệ đ ng thực vật thủy sinh [21, 38] N đ ng vai tr vô c ng uan trọng đối với ho t đ ng sản xuất và sức khỏe của con ngư i c ng như sự ổn định của hệ sinh thái Nhiều nghiên cứu khoa học uốc tế về sự xuất hiện của amoni trong môi trư ng cho thấy hàm lượng cao amoni trong nước c th ảnh hư ng đến chất lượng nước [39, 40]

ồng bằng Dongting sông Dư ng T , Trung uốc c nồng đ NH4+ trong nước ngầm của đồng bằng hía Tây 0 - 1 , 5 mg/ cao h n nhiều so với đồng bằng hía Nam 0 - 1,5 mg/ Nồng đ amoni trong nước ngầm tư ng uan tốt với trọng lượng hân t và tăng đáng k với nồng đ của thành hần giống humic, cho thấy rằng nguồn amoni c liên uan ch t ch h n với các chất hữu c c trọng lượng hân t lớn trên m t đất [34] C ng t i khu vực sông Dư ng T , m t bài báo khác cho thấy nồng đ amoni trong nước ngầm dao đ ng trong khoảng 0 - 30,5 mg/L [40]

Trong m t nghiên cứu về nguồn hát tán của amoni trong nước m t và nước ngầm v ng đồng bằng ianghan Trung uốc thực hiện năm 201 cho thấy nguồn hát tán amoni vào môi trư ng nước c th bao gồm cả tự nhiên và nhân t o Trong đ , nguồn xả thải nhân t o chính từ các ho t đ ng xả thải công nghiệ ồng

th i, kết uả hân tích cho thấy nồng đ amoni trong cả nước m t và nước ngầm t i khu vực nghiên cứu đều rất cao 10,25 mg/ và 1 ,1 mg/ tư ng ứng [21] Ngoài

ra, m t nghiên cứu khác được thực hiện đ xác định nồng đ , nguồn gốc của amoni trong nước ngầm của lưu vực Hohhot Trung uốc c ng cho thấy ho t đ ng sản xuất h a học c th là nguồn gốc hát tán amoni vào trong môi trư ng nước ngầm, nồng đ amoni cao nhất trong khu vực nghiên cứu lên tới 529,32 mg/ [41]

Ho t đ ng canh tác, s dụng đất c th là nguồn hát tán nitrat vào môi trư ng nước [46] ết uả hân tích nitrat trong nước uống t i ồ ào Nha cho thấy nồng đ nitrat vượt uá 50 mg/ và lớn h n uy chu n cho h [46] Amoni

(NH4+ và amoniac (NH3 c th dễ dàng chuy n đổi lẫn nhau t y thu c vào điều kiện H [60] D ng amoniac gây đ c lớn h n cho loài thủy sinh, khi c th khuếch tán ua màng bi u mô, làm tổn thư ng mô mang [17], c th làm giảm khả năng vận chuy n oxi của máu và há hủy chức năng của gan, thận [16] ên c nh đ , nồng đ amoni trong môi trư ng uá lớn 100 mg/ c th gây ức chế sự hát

tri n của m t số loài thực vật và đ ng vật 200 mg/L) [20]

Như vậy c th nhận thấy rằng đã c nhiều nghiên cứu trên thế giới về ô nhiễm amoni trong môi trư ng nước diễn ra do cả các tác nhân tự nhiên và nhân

t o Sự ô nhiễm amoni trong môi trư ng nước c những ảnh hư ng tới môi trư ng

và m t số loài sinh vật

1.1.2

Việt Nam hiện nay c ng đã c nhiều nghiên cứu của những nhà khoa học nhằm đánh giá chất lượng, nồng đ amoni trong môi trư ng nước t i đồng bằng châu thổ, nước ngầm [18], các v ng nước ven b , c a sông [4, 7, 8, 10] Thống kê

m t số kết uả hân tích, uan trắc về nồng đ amoni trong nước t i m t số lưu vực sông, nước ngầm Việt Nam được trình bày trong ảng 1 Dựa trên các kết uả thu được, c th thấy nước ngầm t i khu vực Hà N i bị ô nhiễm amoni mức cao, lưu vực các sông khu vực đồng bằng Sông Hồng c ng c dấu hiệu ô nhiễm amoni trong nước ảng 1) [1]

Trong nghiên cứu về các chất dinh dư ng t i khu vực nước bi n ven b , hía

Nam châu thổ Sông Hồng cho thấy hàm lượng nitrat trong nước dao đ ng khác

nhau t i các khu vực c a sông, rừng ngậ m n và v ng bi n ven b 119 50,

µg/ , 192,3 ,5 µg/ đến 5 , 20 ,1 µg/ tư ng ứng ên c nh đ , hàm

lượng amoni trong nước dao đ ng từ 35,3 2 , µg/ , 05, 12 , µg/ , và

295, 3,2 µg/ đối với v ng c a sông, v ng rừng ngậ m n và v ng bi n ven

b ết uả nghiên cứu cho thấy, hàm lượng nitrat và amoni t i khu vực nghiên cứu

đã vượt uá giới h n cho h của CVN 10-MT 2015/ TNMT và tiêu chu n môi

trư ng ASEAN đối với môi trư ng bi n ven b cho mục đích nuôi trồng thủy sản

và bảo tồn các loài thủy sinh Nh m tác giả c ng ch ra rằng hàm lượng chất dinh

dư ng giảm dần từ khu vực c a sông ra rừng ngậ m n tới v ng bi n ven b [4]

ết uả đánh giá chất lượng bi n ven b thông ua các thông số môi trư ng

c bản, nồng đ muối dinh dư ng, kim lo i n ng, dầu m khoáng từ nguồn dữ liệu các tr m uan trắc Nha Trang, V ng Tàu và ch iá giai đo n 2013 - 201 cho thấy các thông số muối amoni, nitrat, nitrit và phosphat lần lượt là 0 -186 µg/L, 26

- 2470 µg/L, 0 - 330 µg/ và 2 - 3 µg/ Ngoài ra, tác giả c ng ch ra nồng đ muối dinh dư ng của tr m Nha Trang thấ nhất, các tr m V ng Tàu, ch giá c nồng đ muối cao h n, c m t số mẫu đã vượt uá tiêu chu n môi trư ng ASEAN đối với môi trư ng bi n ven b cho mục đích nuôi trồng thủy sản và bảo tồn các loài thủy sinh [7]

Năm 201 , m i nh m các nhà khoa học công bố nghiên cứu về hiện tr ng môi trư ng nước, trầm tích t i uần đảo Nam Du, iên iang Trong nghiên cứu này, nồng đ các muối dinh dư ng nitrit, nitrat, amoni, phosphat đều mức thấ , nằm trong ngư ng an toàn về môi trư ng Các giá trị hân tích của cyanit, kim lo i

n ng Cd, As, b của nước bi n c ng mức thấ , nằm trong tiêu chu n của môi trư ng Các kết uả đã được ứng dụng, g cho việc bảo tồn nguồn lợi thủy sản, rong bi n t i v ng nghiên cứu [8]

Trong m t nghiên cứu đánh giá chất lượng nước ngầm t i 2 xã ông và

hư ng Tú huyện Ứng H a, Hà N i , kết uả cho thấy nước ngầm trong khu vực nghiên cứu bị ô nhiễm kim lo i n ng As và amoni mức cao [30] Nồng đ amoni NH nằm trong khoảng 12,1 - 2, mg/ và 3,05 - 21,0 mg/ tư ng ứng cho xã ông và hư ng Tú ết uả nghiên cứu cho thấy cần hải c những biện há kỹ thuật cần thiết đ cải thiện chất lượng nước ngầm cho mục đích s dụng sinh ho t [30]

Ngoài ra, các tầng nước ngầm của huyện T h - âm ồng c ng bị ô nhiễm As mức cao h n rất nhiều lần so với CVN 01 2009/ T, nồng đ amoni trong hầu hết các mẫu đều thấ h n 3 mg/ , nằm trong giới h n cho h của QCVN 01: 2009/BYT [11]

Từ những kết uả của m t số nghiên cứu, báo cáo về chất lượng môi trư ng nước Việt Nam đã cho thấy t i nhiều khu vực trên cả nước c nồng đ amoni

trong môi trư ng nước m t và nước ngầm cao h n uy chu n cho h , do đ ảnh

hư ng tới chất lượng môi trư ng nước

Tổ chức tế Thế giới WHO cảnh báo rằng trong c th ngư i, khi nồng đ

NH4+ cao h n 200 mg/kg trọng lượng c th thì n c th gây đ c ho c huy hi m cho sức khỏe [59] Tổ chức tế Thế giới c ng cho biết sự c m t của NH4+

trong nước c th làm giảm hiệu uả kh tr ng, t o m i trong nước, làm giảm khả năng

lo i bỏ mangan trong uá trình lọc nước, và đ c biệt là dẫn đến sự hình thành nitrit Nồng đ nitrit cần hải được giữ mức thấ h n 0,1 mg/l đ tránh các nguy hi m

cho sức khỏe Trong khi đ , cứ 1 g amoni chuy n h a hoàn toàn l i c th t o ra 2,

g nitrit [59] Trong uá trình khai thác, s dụng, khi tiế xúc với các nguồn chứa

oxy và sự tham của các vi khu n, amoni s chuy n h a thành các hợ chất nitrit

(NO2-) và nitrat (NO3- là những chất c tính đ c h i tới con ngư i, trong trư ng

hợ các hợ chất này chuy n h a thành các hợ chất d ng nitrosamin s c khả năng gây ung thư cho con ngư i Ngoài ra, NO2- có th gây ra h i chứng xanh xao

tr em do NO2- hản ứng với huyết sắc tố mang O2, oxy h a sắt đ t o thành methaemoglobin và do đ làm giảm khả năng mang oxi trong máu và c khả năng gây t vong [59]

Amoni c n là yếu tố gây cản tr trong công nghệ x l nước cấ các g c

đ sau [6, 59]:

+ àm giảm tác dụng kh tr ng của ion clo là h a chất chính s dụng các nhà máy x l nước Việt Nam, do amoni hản ứng với ion clo t o thành monocloamin là chất sát tr ng thứ cấ hiệu uả k m h n so với clo

+) Amoni c ng với m t số các hợ chất vi lượng trong nước như hot ho, sắt, mangan là “thức ăn” đ vi khu n hát tri n, gây hiện tượng “không ổn định sinh học” của nước sau khi x l Nước c th bị đục, đ ng c n trong hệ thống dẫn, chứa nước và do đ làm giảm chất lượng nước về các yếu tố cảm uan như đ trong, m i, vị [56, 59]

Nghiên cứu s dụng chitosan kết hợ với than sinh học x mướ từ tính đã được nghiên cứu đ lo i bỏ Cr V và Cu khỏi dung dịch nước Than sinh học biến tính c khả năng hấ hụ Cr V và Cu cao h n than sinh học nguyên chất 40%-CMLB cho thấy khả năng hấ hụ Cr V và Cu cao lần lượt là 30,1 mg/g

và 5 , mg/g ên c nh đ , trao đổi ion và t o hức bề m t là c chế chính cho sự

hấ hụ Cr V và Cu [24]

M t nghiên cứu s dụng than sinh học biến tính c nguồn gốc từ uả t ng

đ x l hấ hụ kim lo i n ng trong nước đã được thực hiện Các kết uả thí nghiệm cho thấy than sinh học chưa biến tính th hiện khả năng hấ hụ đối với

Cu2+ (25,0 mg/g), Co2+ (24 mg/g), Pb2+ (22,9 mg/g và hot hat 3 ,0 mg/g , khả năng hấ hụ chì và hot hat tăng m nh khi tiến hành biến tính hủ hydroxit lớ

k 135,9 mg/g và 1 0, mg/g tư ng ứng, tăng nh đối với Cu2+

(30,6 mg/g) và

Co2+ (28,0 mg/g) [33]

Trong th nghiệm kết hợ than sinh học vỏ bư i và vi khu n đ lo i bỏ kim

lo i n ng và amoni NH4+ trong nước thải axit mỏ cho thấy đã lo i bỏ hoàn toàn lượng kim lo i Mn2+, Fe2+, Zn2+ , Cu2+ và amoni Các kim lo i n ng đã bị hấ hụ trên bề m t than, hư ng án kết hợ này đồng th i c ng đã lo i bỏ được amoni trong dung dịch ết uả cho thấy hệ thống kết hợ than sinh học và vi khu n c tiềm năng lớn trong việc lo i bỏ nhiều kim lo i n ng và amoni trong nước [48]

Than sinh học không ch được ứng dụng đ x l kim lo i n ng, chúng c n được s dụng đ x l m t số chất ô nhiễm hữu c trong môi trư ng nước Nghiên cứu thí nghiệm x l COD, DOC từ than sinh học biến tính từ b n thải cho thấy khả năng hấ hụ của than đối với COD và DOC tư ng ứng là 2 ,1 mg/g và ,9 mg/g [43] ết uả này cho thấy nguồn b n thải c th s dụng đ chế t o vật liệu than sinh học cho x l ô nhiễm môi trư ng nước

Vật liệu kết hợ eroxymonosulgate MS và than sinh học biến tính c ng chất xúc tác CuO (CuO@BS/PMS) được thí nghiệm đ lo i bỏ chất hữu c trong nước tự nhiên và giảm sự xuất hiện của các c n b n trong nước c ng đã được nghiên cứu Hệ vật liệu cho thấy khả năng x l đáng k DOC và V25 Ngoài ra, quá trình oxy h a CuO@ C/ MS th hiện khả năng oxy h a m nh đối với các chất gây ô nhiễm và chất hữu c huỳnh uang c trọng lượng hân t khác nhau Hệ thống này đã giảm m t cách hiệu uả lượng chất hữu c gây ra sự tắc ngh n c th đảo ngược và không th đảo ngược của màng olyethersul one trong nước tự nhiên lần lượt là 5, và 5 ,3 ết uả đã chứng minh khả năng của hệ thống CuO@ C/ MS trong việc lo i bỏ các chất gây ô nhiễm trong nước tự nhiên và giảm thi u hiện tượng tắc ngh n màng [36]

T m l i, nhiều nghiên cứu thực hiện trên các lo i than sinh học biến tính khác nhau đã cho thấy khả năng x l ô nhiễm kim lo i n ng và hữu c trong nước rất hiệu uả Những vật liệu c nguồn gốc từ tự nhiên, hụ h m công nghiệ và

b n thải đều c tiềm năng trong chế t o vật liệu than sinh học nhằm mục đích hấ

hụ x l ô nhiễm trong nước

Th i gian gần đây, hư ng háp lo i bỏ amoni trong nước bằng những vật liệu hấ hụ/ trao đổi ion c ng được coi là hư ng án khả thi [19, 27, 32, 54] Việc nghiên cứu, hát tri n vật liệu tự nhiên c chi hí thấ và x l amoni hiệu uả đã nhận được sự uan tâm của nhiều nhà khoa học [15, 31, 35, 55, 56]

M i lo i vật liệu c khả năng x l amoni t y thu c vào bản thân vật liệu, nhiệt đ t o than là khác nhau Ví dụ như khả năng x l amoni của than sinh học (biochar từ bã ng cốc trong khoảng nhiệt đ từ 300 - 800 oC cho thấy khả năng x

l tốt nhất 00 oC, khả năng hấ hụ của vật liệu là 5, mg/g [65] Trong m t báo cáo về vật liệu than chế t o nhiệt đ thấ cho thấy khả năng x l amoni trong nước k m e = 0,84 mg/g) [25] Trong khi vật liệu chế t o từ m n cưa g

thông 300 oC, cho thấy khả năng hấ hụ NH4+ (5,38 mg/g cao h n so với nhiệt

Trong nghiên cứu th nghiệm than sinh học chế t o từ vỏ trấu đ hấ hụ amoni, nitrit và nitrat cho thấy dung lượng hấ hụ amoni, nitrit và nitrat rất thấ 0,1003 0,2 và 0,129 mg/g tư ng ứng [50] M t khác, thí nghiệm s dụng than sinh học chế t o tự chất thải chăn nuôi và r m r của u và c ng sự 201 cho thấy

dung lượng hấ hụ đ t tới 13, mg/g [64], kết uả này cho thấy khả năng hấ hụ

cao h n h n so với m t số thí nghiệm về than sinh học khác [14, 25, 27, 50]

M t số nghiên cứu s dụng than ho t tính ho t h a thông ua các tác nhân

h a học OH, NaOH, H3PO4, đã được thực hiện và c những kết uả khả uan Vật liệu than ho t tính chế t o từ lõi ngô ho t h a NaOH cho thấy khả năng

x l amoni các điều kiện nhiệt đ khác nhau là 1 ,03 mg/g (10 o

C), 15,4 mg/g (35 oC và 11,99 mg/g (50 o

C) [56] Nh m của Mochi uki đã tiến hành chế than

ho t tính ho t h a OH từ than cốc dầu mỏ đ thí nghiệm x l amoni trong nước, kết uả thí nghiệm cho thấy khả năng x l amoni của vật liệu là rất tốt [45]

Ngoài ra, m t số nghiên cứu s dụng vật liệu s t, vật liệu tr n giữa s t/ biochar [15, 35, 37] Ví dụ vật liệu tr n giữa hydrochar vỏ sắn và s t bentonit cho

thấy khả năng x l amoni tốt nhất là 23, mg/g, cao h n so với bentonit (12,37 mg/g và hydrochar vỏ sắn 9, 9 mg/g) [35]

Yadi và c ng sự đã tiến hành thí nghiệm lo i bỏ amoni trong nước bằng vật liệu bentonit-chitosan cho thấy khả năng hấ hụ amoni đ t 11, mg/g - cao h n rất nhiều so với bentonit thô (0,75 mg/g) [61] ết uả của nghiên cứu cho thấy các vật liệu s t bentonit tự nhiên cần c sự biến tính đ gia tăng khả năng hấ hụ lo i bỏ amoni trong nước

Ngoài ra, nghiên cứu s dụng zeolit làm vật liệu x l amoni trong môi trư ng nước nuôi thủy sản thâm canh các đ m n khác nhau cho thấy eolit c tác dụng hấ thu TAN NH3 và NH4+ tốt nhất trong môi trư ng nước ngọt, 1g eolit c khả năng làm giảm 0,12 mg TAN m n càng cao tác dụng hấ thụ TAN của eolite càng giảm Zeolit c tác dụng làm tăng hàm lượng oxy h a tan Sau 12 gi

x lí, eolit không c n khả năng hấ thụ TAN [13]

nghiên cứu khác, nh m tác giả s dụng eolit thư ng m i trong x l amoni, và đã thí nghiệm cho các nồng đ amoni dung dịch khác nhau 10 30 0 mg/ với t lệ vật liệu 2 g/ ết uả cho thấy khả năng hấ hụ amoni trong dung

dịch các nồng đ 10 30 0 mg/ lần lượt là ,0 mg/g; 9 mg/g; 17,01 mg/g [23]

n đỏ c ng là m t đối tượng c khả năng lo i bỏ amoni Thí nghiệm s dụng b n thải đỏ lo i bỏ amoni trong môi trư ng nước các nhiệt đ khác nhau 25,

35, 45, 55, 65 oC cho thấy vật liệu b n đỏ c khả năng x l amoni tốt nhất nhiệt

đ 25 oC (qe = 7,359 mg/g , sau đ giảm dần, hiệu uả x l thấ nhất 5 oC (qe = 3,08 mg/g) [5] Kết uả trên cho thấy, khi nhiệt đ môi trư ng tăng cao, khả năng

hấ hụ amoni trong dung dịch của vật liệu tr nên k m h n

Như vậy, đã c nhiều nghiên cứu tậ trung vào các lo i vật liệu c nguồn gốc

từ thiên nhiên đ thí nghiệm x l lo i bỏ amoni trong nước, các lo i vật liệu than

ho t tính, bentonit tự nhiên/biến tính đã cho thấy khả năng x l amoni trong nước

là khác nhau giữa các lo i vật liệu

1.3 C

Các vị trí hấ hụ NH4+ và các c chế c bản hụ thu c vào bản chất của vật liệu hấ hụ và các uá trình tư ng tác Nhìn chung, NH4+ là hân t /ion nhỏ nên

tư ng tác vật l của n với bề m t vật liệu hấ hụ được cho là rất yếu ối với hấ

hụ h a học, tư ng tác t nh điện t o ra sự chuy n ion mục tiêu NH4+ từ ha lỏng sang bề m t rắn, trong khi trao đổi ion liên uan đến sự thay thế thuận nghịch của các ion c c ng điện tích trên bề m t rắn

Cho đến nay, những n lực chuyên sâu tậ trung vào các hư ng há ho t

h a, biến đổi mới đ tăng cư ng khả năng hấ hụ h a học trên bề m t [27] hả năng hấ thụ NH4+ của than sinh học và than ho t tính hụ thu c trên các tính chất vật l diện tích bề m t và h a học các nh m chức của chúng [27, 56] Khi uá trình tiế xúc của vật liệu x l với ion NH4+ trong dung dịch xảy ra, ion NH4+ h a tan trong nước s được giữ l i trên bề m t vật liệu thông ua sự trao đổi với ions trên bề m t và giải h ng ions vào dung dịch hản ứng trao đổi cation giữa chất trao đổi và cation c trong dung dịch [27]:

h m thu được cho m t chu kỳ ho t đ ng

- Tốc đ hấ hụ: cho h định lượng uy mô, đ lớn của thiết bị đ đ t tới chất lượng của sản h m như mong muốn

- ng lực uá trình hấ hụ: là tổ hợ của cả hai yếu tố trên trong m t hệ

ho t đ ng liên tục hệ c t ếu tố này cho h đánh giá hiệu suất ho t đ ng của

uá trình so với khả năng hấ hụ của m t hệ, tức là các yếu tố đ ng học và các thông số uá trình ảnh hư ng đến uá trình ho t đ ng trong điều kiện thực

- ối với các thí nghiệm s dụng hấ hụ d ng c t Nước chứa tác nhân ô nhiễm được đưa vào hệ c t liên tục thông ua d ng chảy c điều ch nh vận tốc Các chất ô nhiễm c m t trong nước được lo i bỏ b i uá trình hấ hụ V ng của hệ,

n i sự hấ hụ diễn ra, được gọi là v ng chuy n khối, v ng hấ hụ Với vận tốc

d ng không đổi, v ng bão h a s dịch chuy n dần đến cuối của c t chất hấ hụ theo th i gian Sau đ , nồng đ chất ô nhiễm trong d ng thoát ra ngang bằng với nồng đ d ng chảy vào, tức là đã xảy ra sự hấ hụ bão h a, c t vật liệu không c khả năng hấ hụ thêm nữa ư ng bi u diễn sự hân bố nồng đ theo th i gian gọi

là đư ng cong thoát breakthrough curve

T m l i, những địa hư ng c nồng đ amoni trong nước cao ảnh hư ng đến chất lượng môi trư ng nước và sinh vật ên c nh đ , nhiều nh m nghiên cứu

c ng đã nghiên cứu những vật liệu hấ hụ nguồn gốc thiên nhiên c khả năng lo i

bỏ amoni trong nước, c ng như nghiên cứu các c chế lo i bỏ của những vật liệu

hấ hụ Tuy nhiên, chưa c nghiên cứu, đánh giá nào về s dụng than sinh học biến tính chế t o từ vỏ trấu trong x l lo i bỏ amoni trong môi trư ng nước

h m, [14, 27, 29] Nh cấu trúc l r ng, diện tích bề m t lớn, đồng th i c chứa những nh m chức của oxy và khả năng trao đổi ion tốt [27], do đ than sinh học đã được s dụng r ng rãi trong các uá trình x l ô nhiễm kim lo i n ng [29], amoni [55, 65] Dựa trên những nghiên cứu trước đ , học viên thí nghiệm s dụng uy trình chế t o than sinh học biến tính c nguồn gốc từ vỏ trấu đ thực hiện nghiên cứu Hình 1

ước 2 Nung vỏ trấu trong điều kiện thiếu oxy các khoảng nhiệt đ từ 300

- 600 oC t o than sinh học Hình 2a);

ước 3 Ho t h a than bằng dung dịch OH 2M trong gi , đưa lên máy lắc đều, tốc đ lắc 1 0 v ng/ hút các vật liệu từng nhiệt đ 300 00 500 và 00

oC được k hiệu mẫu tư ng ứng là KHRAC3; KRHAC4; KRHAC5 và KRHAC

C t vật liệu được chế t o d ng ống nhựa 2 đầu nối dây dẫn nước, đư ng kính

ống d 1, cm chiều dài của ống h = 15 cm Cấu t o cụ th bên trong ống bao gồm các hần vải l t vật liệu  lớ cát thô dày 1,5 cm  lớ cát mịn dày 1 cm  vật

liệu HAC dày 10 cm, khối lượng vật liệu là 2,2g/10 cm Hình 3)

ối với các thí nghiệm c sự thay đổi chiều cao c t, học viên tiến hành nối các c t với nhau bằng các đo n dây dẫn nước đ đ t được chiều cao vật liệu như thiết kế

H 3 2.2

Các đ c tính của vật liệu thí nghiệm được đ c trưng b i nhiều kỹ thuật khác nhau, bao gồm

Hình thái của vật liệu được chụ bằng kính hi n vi điện t u t kết hợ với uang hổ tán sắc năng lượng SEM-EDS hân tích thực hiện t i h ng thí nghiệm SEM - khoa Vật l , Trư ng i học hoa học Tự nhiên, i học uốc gia

Hà N i

hư ng há uang hổ hồng ngo i biến đổi Fourier (FT-IR) được s dụng đ xác định các nh m chức năng của chất hấ hụ hân tích thực hiện với máy asco FT/ -6300, t i khoa Vật l , Trư ng i học hoa học Tự nhiên, i học uốc gia Hà N i hổ kết uả FT- được giải mã bằng kỹ thuật khớ đ nh OriginPro (OriginLab Corporation)

Thành hần khoáng chất của chất hấ hụ được xác định bằng hư ng

há nhiễu x tia D Em yrean AN

iá trị H của chất hấ hụ t i đi m điện tích bằng 0 HPZC được tính bằng hư ng há trôi Theo hư ng há này, dung dịch NaCl 0,01 mol/ trong

ống nghiệm 50 m được điều ch nh về giá trị H từ 2 đến 10 H ban đầu bằng cách s dụng NaOH 0,1 mol/ và HCl 0,1 mol/ hoảng 0,1 g chất hấ hụ được cho vào ống nghiệm và sau đ lắc tốc đ 1 0 v ng/ hút nhiệt đ h ng Sau 2

gi lắc, đ H cuối c ng H cuối c ng của dung dịch h n hợ đã được xác định Các giá trị H cuối c ng - H ban đầu được v theo trục tung trục so với H ban đầu trục hoành trục i m giao nhau của đư ng cong kết uả với đư ng nằm ngang [( H cuối c ng - pH ban đầu 0] thu được là HPZC

Trước các thí nghiệm cần chu n bị dung dịch NH4Cl 1000 mg/L bằng cách

h a tan hoàn toàn 3,8196 g muối NH4Cl trong 1000 ml dung dịch nước cất Sau đ

tiến hành ha loãng về các dung dịch c nồng đ cần thiết cho từng thí nghiệm

Các dung dịch thí nghiệm được điều ch nh H bằng dung dịch HCl 0,5M và NaOH 0,5M đ đ t H trước khi thí nghiệm

T lệ khối lượng vật liệu dung dịch 2 g / 1 L

l i trong dung dịch

 Chọn vật liệu than sinh học biến tính từ vỏ trấu c khả năng x l tốt nhất đ tiến hành các thí nghiệm kế tiế , vật liệu được mã h a l i c tên là HAC

2.3.2

ước 1 Cân 0,1 g các vật liệu vào các ống alcon 50 ml

ước 2 ha loãng dung dịch 1000 mg/ NH4Cl về dung dịch 20 mg/

NH4Cl, đồng th i lấy mẫu Co đ ki m soát nồng đ đầu vào

ước 3 Hiệu ch nh H dung dịch bằng HCl 0,5 M và NaOH 0,5 M iải H dung dịch s dụng trong thí nghiệm này từ H 2 - H 10 Thêm 50 ml dung dịch c nồng đ NH4Cl 20 mg/ tư ng ứng vào các ống alcon đã cân s n 0,1 g vật liệu 50 ml dung dịch

ước ưa lên máy lắc mẫu tốc đ 1 0 v ng/ hút, lắc trong 2 tiếng ước 5 Thu mẫu thí nghiệm, lọc dung dịch sau khi lắc ua giấy lọc c kích thước lọc 0, 5 µm Sau đ đem mẫu đi hân tích đ xác định hàm lượng amoni c n

l i trong dung dịch

2.3.3

Các nhiệt đ 10 oC, 30 oC và 50 oC được s dụng trong thí nghiệm này

ước 1 Cân 0,1 g các vật liệu vào các ống alcon 50 ml

ước 2 ha loãng dung dịch 1000 mg/ NH4Cl về dung dịch cần s dụng, chu n Hdung dịch , đồng th i lấy mẫu Co đ ki m soát nồng đ đầu vào

ước 3 Thêm 50 ml dung dịch c các nồng đ NH4Cl tư ng ứng vào các ống alcon đã cân s n 0,1 g vật liệu 50 ml dung dịch

ước Tách các nh m mẫu thành từng nh m theo thí nghiệm nhiệt đ

10 oC, 30 oC và 50 oC Thí nghiệm tiến hành trong 2 gi đ đảm bảo tối đa khả năng x l amoni trong dung dịch của vật liệu

ước 5 Thu mẫu thí nghiệm, lọc dung dịch sau khi lắc ua giấy lọc c kích thước lọc 0, 5 µm Sau đ đem mẫu đi hân tích đ xác định hàm lượng amoni c n

ước 1 Cân 0,1 g các vật liệu vào các ống alcon 50 ml

ước 2 ha loãng dung dịch 1000 mg/ NH4Cl về dung dịch 20 mg/L

NH4Cl, chu n Hdung dịch , đồng th i tính toán thêm các muối Cl, NaCl, CaCl2

và MgCl2 cần thiết đ t o các dung dịch chứa ions c nồng đ 0 10 50 và 100

Chế t o các c t lọc s dụng vật liệu KRHAC C t lọc c đư ng kính 1, cm,

chiều cao vật liệu 10 cm

Thiết kế thí nghiệm c s dụng máy b m, tốc đ chảy của dung dịch ua c t

s được điều ch nh về 2 ml/ hút

Nồng đ amoni thí nghiệm 20 và 30 mg/L

b) nh h ng th y i hi ột

Chế t o các c t lọc s dụng vật liệu KRHAC C t lọc c đư ng kính 1, cm,

chiều cao vật liệu c sự thay đổi 10 20 và 30 cm

Thiết kế thí nghiệm c s dụng máy b m, tốc đ chảy của dung dịch ua c t

s được điều ch nh về 2 ml/ hút

Nồng đ amoni thí nghiệm: 20 mg/L

c) nh h ng th y i t ộ h y

Chế t o các c t lọc s dụng vật liệu KRHAC C t lọc c đư ng kính 1, cm,

chiều cao vật liệu 10 cm

Thiết kế thí nghiệm c s dụng máy b m, tốc đ chảy của dung dịch ua c t

C ẩ ị ấ :

- Chai nhựa đựng mẫu tư ng ứng với số mẫu lấy các chai đều được sục r a bằng nước cất và axit HCl lần lượt 3 lần axit, 1 lần nước cất ,

- Th ng bảo uản mẫu,

- Sổ nhật kí, bút chì, găng tay cao su,

- Axit HCl

ả ả : Mẫu được bảo uản đảm bảo theo đúng uy trình của

TCVN 6663-3:2016 (ISO 5667-3:2012): Chất lượng nước-lấy mẫu- hần 3 ảo

uản và x l mẫu nước

H 4 ấ L H H N

Các mẫu nước ngầm được thu thậ t i khu vực xã Trầm ng, huyện Ứng

H a, thành hố Hà N i Hình uy trình lấy mẫu được đảm bảo theo TCVN 6663-1:2011 (ISO 5667-1 200 Chất lượng nước - lấy mẫu - hần 1 Hướng dẫn

lậ chư ng trình lấy mẫu và k thuật lấy mẫu và TCVN 3-1:2011 (ISO

5667-1 2009 Chất lượng nước - lấy mẫu - hần 5667-15667-1 Hướng dẫn lấy mẫu nước ngầm

2.4

Thí nghiệm thực tế uy mô h gia đình s dụng b lọc nước 3 cấ Trong

đ thành hần các lõi lọc bao gồm õi 1 õi lọc thô lõi 2 õi lọc chứa vật liệu than thí nghiệm (KRHAC) õi 3 C t lọc tinh Hình 5)

Th i gian thu mẫu Tiến hành thí nghiệm trong 2 ngày gi , các mẫu lấy theo khoảng th i gian s được thiết kế s n

Thí nghiệm tiến hành t i 2 h gia đình khác nhau của xã Trầm ng, huyện Ứng H a, thành hố Hà N i

Trước khi tiến hành thí nghiệm đều lấy các mẫu nước ngầm đầu vào chưa lọc t i các h gia đình

H 5 2.5

Nồng đ NH4+ được hân tích bằng hư ng há hân tích d ng chảy liên tục bước s ng 30 nm với xúc tác nitro russide, natri hy oclorit được s dụng đ cho clo (SKALAR model 21050900, Hà an Nồng đ kim lo i trong nước ngầm được xác định bằng máy uang hổ hấ thụ nguyên t AAS, Agilent 2 0FS

Công tác hân tích nồng đ các chất ô nhiễm được hân tích t i h ng thí nghiệm trọng đi m ịa môi trư ng và Ứng h iến đổi khí hậu, 33 Nguyễn Trãi, Thanh uân, Hà N i

2.6 C ấ

Dung lượng hấ hụ cực đ i thư ng được tính theo công thức (1) [53, 56]:

(1) Dung lượng hấ hụ theo th i gian t được tính theo công thức (2):

Trong đ , q e (mg/g) là dung lượng hấ hụ t i tr ng thái cân bằng, C o là nồng

đ chất hấ hụ lúc đầu mg/L), Ce là nồng đ chất hấ hụ t i th i đi m cân bằng (mg/L), C t là nồng đ chất hấ hụ t i khoảng th i gian t, m (g là khối lượng vật

liệu và V (L) là th tích dung dịch

hư ng trình hấ hụ đ ng nhiệt angmuir 3 [6, 53]:

(3) Trong đ KL hằng số cân bằng hấ hụ angmuir

dung lượng hấ hụ lượng chất bị hấ hụ/1 đ n vị chất hấ hụ

qmax dung lượng hấ thụ tối đa của chất hấ thụ lượng chất bị hấ hụ/1 đ n vị chất hấ hụ

C nồng đ dung dịch hấ hụ

hư ng trình hấ hụ đ ng nhiệt Freundlich (4) [6, 53]:

hư ng trình đ ng nhiệt Freundlich được mô tả ua công thức sau

Trong đ F là hằng số hấ hụ Freundlich

Nếu C 1 đ n vị thì a F tức là F chính là dung lượng hấ hụ t i C 1, vậy n là đ i lượng c th d ng đ đ c trưng cho khả năng hấ hụ của hệ, giá trị

KF lớn đồng ngh a với hệ c khả năng hấ hụ cao

hư ng trình tính toán mô hình đ ng học bậc m t s dụng trong thí nghiệm

khảo sát ảnh hư ng của th i gian tiế xúc) (5) [6, 56]:

(5) Trong đ

k1 hằng số tốc đ hản ứng theo mô hình đ ng học bậc 1 th i gian-1 )

e, t dung lượng hấ hụ t i th i đi m cân bằng và th i đi m t mg/g)

hư ng trình đ ng học bi u kiến bậc 2 (6):

Trong đ

k2 hằng số tốc đ hản ứng theo mô hình bi u kiến bậc 2 g/mg.th i gian

e , t dung lượng hấ hụ t i th i đi m cân bằng và th i đi m t mg/g)

hư ng trình Thomas - s dụng tính toán cho hệ c t thí nghiệm 7) [51, 52, 56]:

Trong đ , k Th là hệ số đ ng học của hư ng trình (ml min -1 mg -1 ) và q e

NH4+ ban đầu

Các kết uả hân tích được tính toán, x l trên hần mềm Microso t Exel và hần mềm Origin ab 2021