Đánh giá hiệu quả xử lý nước sông bằng mô hình nano Ag-TiO2-SiO2 dưới ánh sáng mặt trời

• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Môi Trường
• Đề tài: Đánh Giá Hiệu Quả Xử Lý Nước Sông Bằng Vật Liệu Nano Ag-TiO2-SiO2 Dưới Ánh Sáng Mặt Trời
• Loại tài liệu: Luận Văn
• Năm xuất bản: 2019
• Địa điểm: Thành Phố Hồ Chí Minh

• MỞ ĐẦU
• 0.1. TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI
• 0.2. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU
• 0.3. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
• 0.4. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU
• 0.5. PHƯƠNG PHÁP THỰC HIỆN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU VỀ TiO2
• 1.1.1. Vật liệu quang xúc tác
• 1.1.2. Quá trình quang xúc tác của TiO2
• 1.1.3. Biến tính TiO2
• 1.1.3.1. Biến tính bằng kim loại Bạc (Ag), SiO2
• 1.1.4. Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả diệt khuẩn của TiO2 pha tạp Ag
• 1.2. TỔNG QUAN NGUỒN NƯỚC XỬ LÝ
• 1.2.1. Xử lý nước sông Chà Là
• 1.2.2. Vị trí thực hiện thí nghiệm
• 1.2.3. Vị trí lấy mẫu
• 1.2.4. Tình hình sử dụng nước
• 1.2.5. Chất lượng nguồn nước sông Chà Là
• 2. CHƯƠNG 2: CÁC PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM
• 2.1. ĐIỀU CHẾ VẬT LIỆU Ag-TiO2-SiO2 BẰNG PHƯƠNG PHÁP SOL-GEL
• 2.2. THÍ NGHIỆM PHỦ LỚP PHIM MỎNG LÊN HẠT KÍNH
• 2.3. QUY TRÌNH LẤY MẪU NƯỚC ĐẦU VÀO
• 2.3.1. Quy trình lấy mẫu nước đầu vào
• 2.3.2. Nguồn nước sông Chà Là, Ấp 5, huyện Cai Lậy, tỉnh Tiền Giang. Phân tích các chỉ tiêu đầu vào
• 2.3.3. Phân tích các chỉ tiêu tại chỗ
• 2.3.4. Phân tích các chỉ tiêu hóa lý tại phòng thí nghiệm
• 2.3.5. Phân tích Coliforms và E.coli bằng phương pháp trãi đĩa (TCVN 9716:2013 – ISO 8199:2005)
• 2.4. CHẠY THỰC NGHIỆM THIẾT BỊ XỬ LÝ NƯỚC SÔNG CHÀ LÀ
• 2.4.1. Xử lý sơ bộ nước sông Chà Là
• 2.4.2. Keo tụ và lắng phèn. Chạy thiết bị xử lý và lấy mẫu
• 2.5. CHẠY THỰC NGHIỆM THIẾT BỊ XỬ LÝ NƯỚC SÔNG TIỀN (CHÂU THÀNH, TIỀN GIANG)
• 2.5.1. Chạy thiết bị xử lý và lấy mẫu
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN
• 3.1. ĐÁNH GIÁ VẬT LIỆU Ag-TiO2-SiO2
• 3.1.1. Độ tinh thể hóa của vật liệu Ag-TiO2-SiO2
• 3.1.2. Diện tích bề mặt riêng của vật liệu Ag-TiO2-SiO2
• 3.1.3. Hình thái vật liệu Ag-TiO2-SiO2
• 3.2. ĐÁNH GIÁ VẬT LIỆU Ag-TiO2-SiO2 PHỦ LỚP PHIM MỎNG
• 3.3. KẾT QUẢ CHẠY THỰC NGHIỆM NGUỒN NƯỚC SÔNG CHÀ LÀ (CAI LẬY – TIỀN GIANG)
• 3.3.1. Kết quả xử lý sơ bộ nguồn nước sông Chà Là
• 3.3.2. Khảo sát ánh sáng mặt trời tại Cai Lậy, Tiền Giang
• 3.3.3. Kết quả xử lý Coliforms và COD của thiết bị theo vận tốc
• 3.4. KẾT QUẢ CHẠY THỰC NGHIỆM NGUỒN NƯỚC SÔNG TIỀN
• 3.4.1. Kết quả xử lý sơ bộ nước sông Tiền
• 3.4.2. Kết quả khảo sát cường độ UV
• 3.4.3. Xác định thời gian lưu nước tối ưu của thiết bị
• 3.4.4. Đánh giá hiệu quả xử lý và độ bền thiết bị
• 4. CHƯƠNG 4: TỔNG KẾT NGHIÊN CỨU
• 4.1. Kết quả đạt được
• 4.2. Điều chế vật liệu xúc tác quang Ag
• 4.3. Xử lý với nguồn nước sông Chà Là (huyện Cai Lậy, tỉnh Tiền Giang)
• 4.4. Xử lý với nguồn nước sông Tiền (huyện Châu Thành, tỉnh Tiền Giang)
• 5. CHƯƠNG 5: ĐỀ XUẤT QUY TRÌNH VẬN HÀNH THIẾT BỊ XỬ LÝ
• 5.1. Xử lý nước sông
• PHỤ LỤC
• appendix.1. Hóa chất và thiết bị
• appendix.2. Kết quả đo nắng
• appendix.3. Số liệu Ag và TiO2 phóng thích trong thời gian chạy thiết bị
• appendix.4. Tọa độ (x, y) của nửa máng Parabol có góc 0 ≤ θ ≤ 0,5π + θa
• appendix.5. Hình ảnh vi sinh xử lý

I. Vật liệu nano và tổng quan về nano Ag TiO2 SiO2

Phần này tập trung vào vật liệu nano, cụ thể là nano Ag-TiO2-SiO2, được sử dụng trong nghiên cứu. Vật liệu nano nói chung đang được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, bao gồm xử lý nước. Nano Ag-TiO2-SiO2 là một nanocomposite, kết hợp tính chất của ba thành phần: Ag (bạc), TiO2 (titan dioxide), và SiO2 (silicon dioxide). TiO2 là một chất bán dẫn có khả năng quang xúc tác, hấp thụ ánh sáng mặt trời để tạo ra các gốc tự do, có hiệu quả trong việc phân hủy chất hữu cơ và diệt khuẩn. SiO2 tăng cường độ bền và diện tích bề mặt của vật liệu. Ag có tính kháng khuẩn mạnh, làm tăng hiệu quả diệt khuẩn của vật liệu tổng hợp. Sản xuất vật liệu nano này thường sử dụng phương pháp sol-gel, cho phép kiểm soát kích thước hạt và cấu trúc vật liệu. Nghiên cứu đánh giá hiệu quả của việc sử dụng phương pháp sol-gel để tạo ra nano Ag-TiO2-SiO2 và phân tích kỹ lưỡng về ứng dụng TiO2 trong xử lý nước, ứng dụng SiO2 trong xử lý nước và ứng dụng Ag trong xử lý nước. Phần này cũng đề cập đến tính chất bề mặt của vật liệu, bao gồm diện tích bề mặt riêng, ảnh hưởng của các yếu tố này đến hiệu quả xử lý nước. Đánh giá vật liệu bao gồm phân tích cấu trúc tinh thể (XRD), hình thái bề mặt (SEM, TEM), và diện tích bề mặt (BET).

1.1 Đặc tính vật liệu nano Ag TiO2 SiO2

Nghiên cứu tập trung vào việc đánh giá vật liệu nano Ag-TiO2-SiO2. Các đặc tính vật lý và hóa học của vật liệu nano được phân tích chi tiết. Độ tinh thể hóa của vật liệu, xác định bằng phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD), cho thấy tỷ lệ pha Anatase và Rutile. Diện tích bề mặt riêng, đo bằng phương pháp BET, là chỉ số quan trọng ảnh hưởng đến hiệu quả xúc tác. Hình thái vật liệu, quan sát qua kính hiển vi điện tử quét (SEM) và kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM), cung cấp thông tin về kích thước hạt, hình dạng và sự phân bố của các thành phần. Nghiên cứu cũng xem xét hiệu quả của việc phủ lớp phim mỏng nano Ag-TiO2-SiO2 lên bề mặt hạt kính, ảnh hưởng đến diện tích tiếp xúc với nước và hiệu quả xử lý. Phân tích các chỉ tiêu này giúp hiểu rõ hơn về cơ chế hoạt động của vật liệu và dự đoán hiệu quả xử lý nước.

1.2 Ứng dụng vật liệu nano trong xử lý nước

Phần này đề cập đến ứng dụng vật liệu nano trong xử lý nước. Nghiên cứu tập trung vào việc sử dụng nano Ag-TiO2-SiO2 trong xử lý nước sông. Công nghệ xử lý nước này dựa trên cơ chế quang xúc tác, tận dụng ánh sáng mặt trời để kích hoạt phản ứng phân hủy chất hữu cơ và diệt khuẩn. Việc sử dụng vật liệu quang xúc tác này có tiềm năng cung cấp một giải pháp xử lý nước sạch hiệu quả, đặc biệt ở các vùng nông thôn. Quá trình quang xúc tác này được mô tả chi tiết, bao gồm các phản ứng hóa học xảy ra trên bề mặt vật liệu khi tiếp xúc với ánh sáng. Tác dụng của nano Ag-TiO2-SiO2 trong việc giảm ô nhiễm nước sông, cụ thể là giảm nồng độ COD (Chemical Oxygen Demand) và số lượng vi khuẩn (Coliforms, E.coli), được đánh giá kỹ lưỡng. Nghiên cứu cũng xem xét các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả xử lý, bao gồm cường độ ánh sáng, thời gian tiếp xúc, và nồng độ vật liệu.

II. Xử lý nước sông và đánh giá hiệu quả xử lý nước sông

Phần này tập trung vào xử lý nước sông bằng vật liệu nano Ag-TiO2-SiO2 dưới ánh sáng mặt trời. Xử lý nước sông là một vấn đề quan trọng, đặc biệt ở các khu vực có nguồn nước bị ô nhiễm. Nghiên cứu này sử dụng hai nguồn nước sông khác nhau để đánh giá hiệu quả của vật liệu: sông Chà Là và sông Tiền. Phương pháp xử lý nước bao gồm các bước xử lý sơ bộ (keo tụ, lắng) và xử lý chính bằng vật liệu quang xúc tác. Phân tích các chỉ tiêu chất lượng nước trước và sau xử lý được thực hiện, bao gồm COD, Coliforms, E.coli, và các chỉ tiêu lý hóa khác. Hiệu quả xử lý nước được đánh giá dựa trên sự giảm nồng độ các chất ô nhiễm và vi khuẩn. Nghiên cứu cũng xem xét ảnh hưởng của ánh sáng mặt trời đến hiệu quả xử lý, đo cường độ ánh sáng và bức xạ UV tại các địa điểm lấy mẫu. Thí nghiệm xử lý nước được thiết kế để kiểm tra hiệu quả của vật liệu ở các điều kiện vận hành khác nhau, bao gồm tốc độ dòng chảy và thời gian lưu. Kết quả xử lý nước được phân tích để đánh giá hiệu quả của công nghệ.

2.1 Xử lý sơ bộ nước sông

Trước khi sử dụng vật liệu nano Ag-TiO2-SiO2, nước sông được xử lý sơ bộ để loại bỏ các chất rắn lơ lửng. Xử lý sơ bộ nước sông bao gồm các bước keo tụ và lắng. Keo tụ sử dụng phèn chua để làm kết tụ các hạt keo và các chất rắn lơ lửng. Lắng giúp loại bỏ các chất rắn đã kết tụ, làm sạch nước trước khi đưa vào hệ thống xử lý chính. Kết quả xử lý sơ bộ được đánh giá qua việc giảm nồng độ các chất rắn lơ lửng và cải thiện độ trong của nước. Phân tích các chỉ tiêu nước trước và sau xử lý sơ bộ cho thấy hiệu quả của quá trình này trong việc giảm tải cho hệ thống xử lý chính. Các bước này rất quan trọng để đảm bảo hiệu quả của toàn bộ quá trình xử lý nước sông. Chất lượng nguồn nước được cải thiện đáng kể sau giai đoạn xử lý sơ bộ, tạo điều kiện thuận lợi cho giai đoạn xử lý chính bằng vật liệu quang xúc tác.

2.2 Phân tích hiệu quả xử lý nước sông bằng vật liệu nano Ag TiO2 SiO2

Phần này tập trung vào phân tích hiệu quả xử lý nước sông bằng vật liệu nano Ag-TiO2-SiO2. Kết quả xử lý nước được phân tích dựa trên nhiều chỉ tiêu, bao gồm COD (Chỉ số ôxy hóa học), Coliforms và E.coli (vi khuẩn chỉ thị). Giảm sát chất lượng nước được thực hiện bằng việc đo nồng độ các chỉ tiêu này trước và sau khi xử lý. So sánh hiệu quả xử lý giữa hai nguồn nước sông Chà Là và sông Tiền giúp đánh giá khả năng thích ứng của công nghệ. Ảnh hưởng của các yếu tố như cường độ ánh sáng mặt trời và thời gian lưu nước đến hiệu quả xử lý được phân tích. Đồ thị và bảng biểu được sử dụng để minh họa kết quả một cách rõ ràng. Đánh giá hiệu quả xử lý nước này dựa trên các tiêu chuẩn về chất lượng nước. Kết quả cho thấy hiệu quả của vật liệu nano Ag-TiO2-SiO2 trong việc loại bỏ chất ô nhiễm và vi khuẩn, góp phần cải thiện chất lượng nước sông.

III. Kết luận và ứng dụng thực tiễn

Nghiên cứu này đánh giá hiệu quả của việc sử dụng vật liệu nano Ag-TiO2-SiO2 trong xử lý nước sông dưới ánh sáng mặt trời. Kết quả nghiên cứu cho thấy tiềm năng ứng dụng của công nghệ này trong việc cung cấp nước sạch cho cộng đồng, đặc biệt ở các vùng nông thôn. Hiệu quả xử lý được thể hiện rõ ràng qua việc giảm nồng độ chất ô nhiễm và vi khuẩn trong nước. Tính khả thi kinh tế của công nghệ cần được xem xét thêm, tuy nhiên việc sử dụng ánh sáng mặt trời làm nguồn năng lượng giảm thiểu chi phí vận hành. An toàn nước sạch là yếu tố quan trọng, nghiên cứu cũng đề cập đến việc giải phóng các ion kim loại từ vật liệu. Ảnh hưởng môi trường của công nghệ cũng cần được đánh giá toàn diện. Bền vững của hệ thống xử lý nước là yếu tố then chốt. Nghiên cứu này cung cấp thông tin quan trọng cho việc phát triển và áp dụng các công nghệ xử lý nước bền vững, thân thiện với môi trường.

3.1 Kết luận nghiên cứu

Nghiên cứu đã chứng minh hiệu quả của vật liệu nano Ag-TiO2-SiO2 trong việc xử lý nước sông bị ô nhiễm. Kết quả thí nghiệm cho thấy sự giảm đáng kể nồng độ COD, Coliforms và E.coli sau khi xử lý. Hiệu quả xử lý phụ thuộc vào nhiều yếu tố, bao gồm cường độ ánh sáng mặt trời, thời gian lưu và nồng độ vật liệu. Nghiên cứu này đóng góp vào việc tìm kiếm các giải pháp xử lý nước hiệu quả, thân thiện với môi trường và có tính khả thi cao. Kết luận khẳng định tiềm năng ứng dụng rộng rãi của công nghệ này trong thực tiễn. Các kết quả nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học cho việc phát triển các hệ thống xử lý nước quy mô lớn. Đề xuất quy trình vận hành thiết bị xử lý được đưa ra để tối ưu hóa hiệu quả và độ bền của hệ thống.

3.2 Ứng dụng thực tiễn và đề xuất

Nghiên cứu có ý nghĩa thực tiễn lớn trong việc cung cấp nước sạch cho cộng đồng, đặc biệt ở các vùng nông thôn. Công nghệ này có thể được ứng dụng để xử lý nước sông một cách hiệu quả và tiết kiệm chi phí. Giải pháp xử lý nước sạch này đóng góp vào việc đảm bảo an toàn nước sạch cho người dân. Tuy nhiên, cần nghiên cứu thêm về tính khả thi kinh tế và ảnh hưởng môi trường lâu dài của công nghệ. Đề xuất tiếp tục nghiên cứu để tối ưu hóa quy trình xử lý, giảm thiểu chi phí và đảm bảo tính bền vững của hệ thống. Mở rộng nghiên cứu về khả năng ứng dụng của vật liệu này trong xử lý các loại nước ô nhiễm khác nhau cũng rất cần thiết. Thân thiện với môi trường là ưu điểm cần được phát triển hơn nữa.