Đang tải... (xem toàn văn)
Mục tiêu của luận án là nghiên cứu chế tạo và xác định đặc trưng của các vật liệu than hoạt tính biến tính bằng các phương pháp oxi hóa bề mặt. Đánh giá khả năng trao đổi cation của vật liệu, từ đó nghiên cứu gắn Mn và Fe trên bề mặt vật liệu thu được, tạo ra loại vật liệu hấp phụ tốt các anion trong nước.
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ - PHẠM THỊ HẢI THỊNH NGHIÊN CỨU BIẾN TÍNH THAN HOẠT TÍNH LÀM VẬT LIỆU XỬ LÍ MỘT SỐ CHẤT ĐỘC TỒN TẠI DƯỚI DẠNG ION TRONG NƯỚC LUẬN ÁN TIẾN SỸ CHUYÊN NGÀNH KĨ THUẬT MÔI TRƯỜNG HÀ NỘI – 2020 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ - Phạm Thị Hải Thịnh NGHIÊN CỨU BIẾN TÍNH THAN HOẠT TÍNH LÀM VẬT LIỆU XỬ LÍ MỘT SỐ CHẤT ĐỘC TỒN TẠI DƯỚI DẠNG ION TRONG NƯỚC Chuyên ngành: Kĩ thuật môi trường Mã số: 52 03 20 LUẬN ÁN TIẾN SỸ CHUYÊN NGÀNH KĨ THUẬT MÔI TRƯỜNG NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS TS Trần Hồng Côn TS Phương Thảo Hà Nội – 2020 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng tơi khơng trùng lặp với cơng trình khoa học khác Các số liệu, kết nêu luận án trung thực chưa sử dụng để bảo vệ học vị nào, chưa cơng bố cơng trình nghiên cứu Tác giả luận án Phạm Thị Hải Thịnh LỜI CẢM ƠN Tôi xin bày tỏ lời cảm ơn chân thành, sâu sắc, kính trọng tới PGS.TS Trần Hồng Côn - người Thầy tận tâm hướng dẫn khoa học, định hướng nghiên cứu, động viên tạo điều kiện thuận lợi cho tơi suốt q trình thực luận án Tôi xin chân thành cảm ơn TS Phương Thảo tận tình dẫn, giúp đỡ khoa học định hướng nghiên cứu suốt q trình tơi thực luận án Tơi xin chân thành cảm ơn Lãnh đạo Viện Công nghệ mơi trường, Lãnh đạo phịng Cơng nghệ xử lí nước đồng nghiệp phịng Cơng nghệ xử lí nước – Viện Công nghệ môi trường tạo điều kiện mặt, động viên đóng góp ý kiến q báu chun mơn suốt q trình thực bảo vệ Luận án Tôi xin trân trọng cảm ơn tập thể cán Phòng thí nghiệm Hóa mơi trường – Khoa Hóa học – Trường Đại học Khoa học tự nhiên quan tâm giúp đỡ tạo điều kiện thuận lợi sở vật chất cho suốt trình nghiên cứu Tơi xin trân trọng cảm ơn Lãnh đạo cán Khoa Công nghệ môi trường, Học viện Khoa học Công nghệ giúp đỡ thủ tục cần thiết q trình hồn thành Luận án Cuối xin bày tỏ lời cảm ơn sâu sắc đến gia đình, người thân chia sẻ, động viên giúp đỡ vượt qua khó khăn suốt q trình thực Luận án MỤC LỤC MỤC LỤC v DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT viii DANH MỤC BẢNG ix DANH MỤC HÌNH xi MỞ ĐẦU .1 CHƯƠNG TỔNG QUAN .5 1.1 Hiện trạng ô nhiễm amoni, asen, kim loại nặng trongnước ngầm nghiên cứu, ứng dụng nước xử lí amoni, asen 1.1.1 Hiện trạng ô nhiễm amoni, asen kim loại nặng nước ngầm 1.1.2 Các nghiên cứu, ứng dụng nước xử lí amoni, asen nước ngầm .7 1.1.2.1 Các nghiên cứu, ứng dụng xử lí amoni nước ngầm 1.1.2.2 Các nghiên cứu, ứng dụng xử lí asen nước ngầm 11 1.2 Tổng quan than hoạt tính 14 1.2.1 Khái niệm chung than hoạt tính tiềm ứng dụng môi trường 14 1.2.2 Đặc tính than hoạt tính .16 1.2.2.1 Cấu trúc xốp bề mặt than hoạt tính 16 1.2.2.2 Cấu trúc hóa học bề mặt than hoạt tính .18 1.2.3 Biến đổi bề mặt than hoạt tính 21 1.2.4 Các nghiên cứu ngồi nước biến tính than hoạt tính tác nhân oxi hóa 26 1.3 Tổng quan hấp phụ trao đổi ion 36 1.3.1 Tổng quan hấp phụ 36 1.3.1.1 Phân loại đường đẳng nhiệt hấp phụ 36 1.3.1.2 Kĩ thuật hấp phụ động 38 1.3.2 Tổng quan trao đổi ion 41 1.3.2.1 Cơ sở lí thuyết q trình trao đổi ion 41 1.3.2.2 Nguyên tắc phản ứng trao đổi ion 42 CHƯƠNG PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 44 2.1 Đối tượng nghiên cứu .44 2.2 Hóa chất, dụng cụ thiết bị thí nghiệm 44 2.3 Phương pháp thực nghiệm 45 2.3.1 Phương pháp oxi hóa than hoạt tính 45 2.3.1.1 Oxi hóa than hoạt tính HNO3 trung hòa bề mặt NaOH 45 2.3.1.2 Oxi hóa than KMnO4 47 2.3.1.3 Oxi hóa than K2Cr2O7 .47 2.3.2 Nghiên cứu khả hấp phụ than biến tính điều kiện tĩnh 48 2.3.3 Nghiên cứu khả trao đổi ion /hấp phụ than oxi hóa mơ hình động 49 2.3.4 Nghiên cứu khả tái sinh than sau hấp phụ 50 2.3.5 Phương pháp gắn Mn2+ Fe3+ than biến tính 50 2.4 Các phương pháp xác định đặc trưng bề mặt vật liệu 51 2.5 Phương pháp phân tích 53 2.6 Phương pháp tính tốn 54 CHƯƠNG KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 56 3.1 Kết oxi hóa than hoạt tính tác nhân oxi hóa khác 56 3.1.1 Các vật liệu thu sau oxi hóa xử lí bề mặt 56 3.1.2 Đặc trưng bề mặt vật liệu trước sau oxi hóa 58 3.1.2.1 Kết hình thái học thành phần ngun tố than hoạt tính than oxi hóa 58 3.1.2.2 Kết xác định phổ hồng ngoại (FTIR) 60 3.1.2.3 Kết xác định diện tích bề mặt riêng 64 3.1.2.4 Kết chuẩn độ Boehm xác định giá trị pHpzc 67 3.1.2.5 Định lượng dung lượng khử than oxi hóa KMnO4 K2Cr2O7 71 3.2 Khả trao đổi ion than oxi hóa HNO3, KMnO4, K2Cr2O7 với NH4+ .73 3.2.1 Khả trao đổi than oxi hóa HNO3 với NH4+ 73 3.2.1.1 Ảnh hưởng điều kiện biến tính than đến khả trao đổi với NH4+ 73 3.2.1.2 Khả trao đổi ion than OAC14 OAC10-4Navới NH4+ 76 3.3.2 Khả trao đổi ion than oxi hóa KMnO4 với NH4+ .78 3.3.3 Khả trao đổi ion than oxi hóa K2Cr2O7 với NH4+ 79 3.3 Khả trao đổi ion than oxi hóa HNO3và xử lí bề mặt NaOH cation hóa trị mơ hình tĩnh 81 3.3.1 Ảnh hưởng thời gian tiếp xúc 81 3.3.2 Ảnh hưởng pH đến trình hấp phụ/trao đổi 84 3.3.3 Ảnh hưởng nồng độ ion đầu vào đến khả hấp phụ/trao đổi 88 3.4 Khả trao đổi than biến tính với NH4+ mơ hình động 96 3.4.1 Ảnh hưởng nồng độ amoni đầu vào 97 3.4.2 Ảnh hưởng lưu lượng dòng vào 97 3.4.3 Ảnh hưởng chiều cao cột than 98 3.4.4 Động học trao đổi theo mô hình hấp phụ động 101 3.5 Khả tái sinh than hoạt tính sau trao đổi với NH4+ 101 3.5.1 Tái sinh mơ hình tĩnh 101 3.5.2 Tái sinh mơ hình động 103 3.6 Gắn kim loại lên than oxi hóa ứng dụng xử lí As nước 105 3.6.1 Đặc trưng than oxi hóa sau gắn Mn Fe 106 3.6.2 Kết hấp phụ As vật liệu than oxi hóa gắn Mn Fe 110 3.6.2.1 Ảnh hưởng pH đến khả hấp phụ As(III) As(V) 110 3.6.2.2 Ảnh hưởng nồng độ As đầu vào hàm lượng Mn, Fe mang lên than oxi hóa đến khả hấp phụ As(III) 111 3.6.2.3 Ảnh hưởng nồng độ As đầu vào hàm lượng Fe, Mn gắn than đến khả hấp phụ As(V) .114 3.7 Ứng dụng xử lí nước chứa Cr(VI), amoni 116 3.7.1 Khả xử lí Cr(VI) than hoạt tính mơ hình động 116 3.7.2 Ứng dụng xử lí amoni nước cấp 120 KẾT LUẬN .123 NHỮNG ĐÓNG GÓP MỚI CỦA LUẬN ÁN .124 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH CƠNG BỐ .125 TÀI LIỆU THAM KHẢO .126 DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT Chữ viết tắt Tên tiếng Việt Tên tiếng Anh AC Than hoạt tính Activated carbon SEM Hiển vi điện tử quét Scanning Electron Microscopy IR Quang phổ hồng ngoại BET Phương pháp đo diện tích bề mặt Brunauer riêng BET ASTM EDX Ingrared Spectroscopy – Emmett Teller Tiêu chuẩn thử nghiệm vật liệu American Society for Hiệp hội Mỹ Testing And Materials Phổ lượng tán xạ tia X Energy-dispersive spectroscopy pHpzc Giá trị pH điểm trung hòa điện Point of zero charge tích TLTK Tài liệu tham khảo QCVN Quy chuẩn Việt Nam BYT Bộ y tế – X-ray DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1 Đặc tính than hoạt tính sản xuất từ nguồn gốc khác [24] 15 Bảng 1.2 Thuận lợi bất lợi phương pháp biến tính than hoạt tính 22 Bảng 1.3 Mối tương quan RL dạng mơ hình [94] 37 Bảng 3.1 Bảng tổng kết mẫu than thu sau oxi hóa HNO3 xử lí bề mặt NaOH 56 Bảng 3.2 Thành phần nguyên tố than hoạt tính than oxi hóa 58 Bảng 3.3 Kết phân tích phổ hồng ngoại than hoạt tính than biến tính61 Bảng 3.4 Bề mặt riêng đặc trưng mao quản than trước sau oxi hóa .64 Bảng 3.5 Bề mặt riêng đặc trưng mao quản than trước sau oxi hóa tác nhân khác 65 Bảng 3.6 Kết chuẩn độ Boehm than oxi hóa HNO3 .67 Bảng 10 3.7 Kết chuẩn độ Boehm pHpzc than oxi hóa 69 Bảng 11 3.8 Các thông số đẳng nhiệt hấp phụ NH4+ mẫu than oxi hóa HNO3 với thời gian khác theo Langmuir 74 Bảng 12 3.9 Các thông số đẳng nhiệt hấp phụ NH4+ mẫu than OAC10-4 OAC10-4Na theo Langmuir 78 Bảng 13 3.10 Các thông số đẳng nhiệt hấp phụ NH4+ mẫu than ACKMnO4 OACKMnO4-Na theo Langmuir .79 Bảng 14 3.11 Các thông số đẳng nhiệt hấp phụ NH4+ mẫu than ACK2Cr2O7 than OACK2Cr2O7-Na theo Langmuir 80 Bảng 15 3.12 Các thông số đẳng nhiệt hấp phụ NH4+ theo Langmuir Freundlich 91 Bảng 16 3.13 Một số nghiên cứu khả hấp phụ NH4+ than hoạt tính .92 Bảng 17 3.14 Các thông số đẳng nhiệt hấp phụ Ca2+ theo Langmuir Freundlich 93 Bảng 18 3.15 Các thông số đẳng nhiệt hấp phụ Cr3+ theo Langmuir Freundlich 95 Bảng 19 3.16 Bảng tính tốn thông số cột trao đổi với NH4+ .96 Bảng 20 3.17 Tổng kết thơng số thí nghiệm trao đổi với NH4+ 100 Bảng 21 3.18 Tổng kết tham số hấp phụ NH4+theo phương trình động học hấp phụ Bohart – Adam Thomas 101 Bảng 22 3.19 Thành phần nguyên tố than biến tính sau gắn Mn 7%, Fe 5% 108 Bảng 23 3.20 Hàm lượng Fe, Mn than hoạt tính, than biến tính, than gắn Fe, Mn 108 Bảng 24 3.21 Các thông số đẳng nhiệt Langmuir hấp phụ As(III), As(V) 115 Bảng 25 3.22 Tổng kết thông số hấp phụ Cr(VI) 119 Bảng 26 3.23 Tổng kết tham số khử/hấp phụ Cr(VI) theo mơ hình Bohart – Adam, Yoon Nelson Thomas .120 ... Thịnh NGHIÊN CỨU BIẾN TÍNH THAN HOẠT TÍNH LÀM VẬT LIỆU XỬ LÍ MỘT SỐ CHẤT ĐỘC TỒN TẠI DƯỚI DẠNG ION TRONG NƯỚC Chuyên ngành: Kĩ thuật môi trường Mã số: 52 03 20 LUẬN ÁN TIẾN SỸ CHUYÊN NGÀNH KĨ THUẬT... luận án Từ lí chúng tơi chọn đề tài: ? ?Nghiên cứu biến tính than hoạt tính làm vật liệu xử lí số chất độc tồn dạng ion nước? ?? Mục tiêu luận án: Nghiên cứu chế tạo xác định đặc trưng vật liệu than hoạt. .. tượng luận án oxi hóa, biến tính bề mặt than hoạt tính Trà Bắc nghiên cứu định hướng ứng dụng sản phẩm vật liệu hấp phụ/trao đổi ion để xử lí ion độc hại nước Để đánh giá hiệu xử lý than biến tính,