Tổng quan nghiên cứu

Ô nhiễm nước thải bởi ion amoni (NH4+) là một trong những vấn đề môi trường nghiêm trọng tại Việt Nam, đặc biệt trong các khu vực đô thị lớn như Thành phố Hồ Chí Minh. Theo ước tính, nồng độ amoni trong nước thải sinh hoạt và công nghiệp có thể dao động từ 40 đến 800 mg/L, gây ảnh hưởng tiêu cực đến hệ sinh thái và sức khỏe con người. Việc xử lý amoni hiệu quả là yêu cầu cấp thiết nhằm bảo vệ nguồn nước và phát triển bền vững. Luận văn này tập trung nghiên cứu tổng hợp vật liệu nano magiê hydroxit (Mg(OH)2) gắn trên nhựa trao đổi cation 220Na nhằm nâng cao hiệu suất hấp phụ amoni trong dung dịch nước thải sinh hoạt và y tế tại Thành phố Hồ Chí Minh trong khoảng thời gian từ tháng 6 đến tháng 12 năm 2019.

Mục tiêu nghiên cứu là phát triển vật liệu composite Mg(OH)2-resin có khả năng hấp phụ amoni vượt trội so với nhựa trao đổi cation nguyên bản, đồng thời khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hấp phụ như pH, thời gian tiếp xúc, nồng độ amoni và khối lượng vật liệu. Nghiên cứu cũng đánh giá khả năng tái sử dụng vật liệu sau nhiều chu kỳ hấp phụ và hoàn nguyên, góp phần giảm chi phí vận hành và tăng tính bền vững trong xử lý nước thải. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc ứng dụng công nghệ nano và vật liệu trao đổi ion để xử lý amoni, góp phần cải thiện chất lượng nước thải tại các khu vực đô thị lớn.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai lý thuyết hấp phụ chính: mô hình hấp phụ Langmuir và Freundlich. Mô hình Langmuir giả định hấp phụ xảy ra trên bề mặt đồng nhất với số lượng vị trí hấp phụ cố định, không có tương tác giữa các phân tử hấp phụ. Mô hình Freundlich mô tả hấp phụ trên bề mặt không đồng nhất với khả năng hấp phụ thay đổi theo nồng độ. Ngoài ra, các mô hình động học hấp phụ bậc hai và các mô hình Thomas, Yoon-Nelson, Bohart-Adam được áp dụng để mô tả quá trình hấp phụ liên tục và xác định các thông số vận hành.

Các khái niệm chính bao gồm:

  • Hấp phụ ion amoni (NH4+): quá trình ion amoni bị giữ lại trên bề mặt vật liệu trao đổi ion.
  • Nhựa trao đổi cation 220Na: nhựa có nhóm chức sulfonate (-SO3Na) có khả năng trao đổi ion Na+ với các ion dương trong dung dịch.
  • Nano magiê hydroxit (Mg(OH)2): hạt nano có diện tích bề mặt lớn, khả năng hấp phụ cao, được gắn lên nhựa để tăng hiệu quả hấp phụ amoni.
  • Điểm điện tích không (pHzpc): giá trị pH tại đó bề mặt vật liệu có điện tích bằng không, ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ ion.
  • Quá trình hấp phụ hóa học và vật lý: hấp phụ hóa học liên quan đến liên kết hóa học giữa ion và vật liệu, hấp phụ vật lý dựa trên lực Van-der-Waals.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính là các mẫu dung dịch amoni chuẩn và nước thải sinh hoạt, y tế thu thập tại Bệnh viện Quận 11, TP. Hồ Chí Minh. Vật liệu nghiên cứu gồm nhựa trao đổi cation 220Na được làm sạch và tổng hợp vật liệu composite Mg(OH)2-resin bằng phương pháp ngâm khuấy với dung dịch MgCl2 và NaOH 5% trong 3 giờ ở nhiệt độ phòng.

Phân tích đặc tính vật liệu được thực hiện bằng các kỹ thuật: phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FTIR), nhiễu xạ tia X (XRD), và kính hiển vi điện tử quét (SEM). Các thí nghiệm hấp phụ được tiến hành trong điều kiện phòng thí nghiệm với các biến số: thời gian tiếp xúc (30-180 phút), pH dung dịch (5-9), nồng độ amoni (10-50 mg/L), và khối lượng vật liệu (0.1-0.5 g). Mỗi thí nghiệm được lặp lại 3 lần để đảm bảo độ tin cậy.

Phương pháp phân tích dữ liệu sử dụng phần mềm Microsoft Excel và Origin 9.1 để tính toán các thông số hấp phụ, mô hình hóa động học và cân bằng hấp phụ. Thời gian nghiên cứu kéo dài 6 tháng, từ tháng 6 đến tháng 12 năm 2019, tại phòng thí nghiệm Kỹ thuật Môi trường, Trường Đại học Bách Khoa TP. Hồ Chí Minh và Khu Thí nghiệm - Thực hành, Trường Đại học An Giang.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Hiệu suất hấp phụ amoni tăng nhanh và bão hòa sau 120 phút: Kết quả thí nghiệm cho thấy vật liệu Mg(OH)2-resin hấp phụ amoni nhanh trong 30 phút đầu, đạt hiệu suất bão hòa sau 120 phút với khả năng hấp phụ tối đa 24.73 mg NH4+/g vật liệu ở pH 6-7. So với nhựa 220Na nguyên bản, hiệu suất tăng khoảng 35%.

  2. Ảnh hưởng của pH đến hấp phụ: Điểm điện tích không (pHzpc) của vật liệu được xác định ở pH = 8. Quá trình hấp phụ hiệu quả nhất khi pH dung dịch nằm trong khoảng 6-7, phù hợp với điều kiện nước thải sinh hoạt. Ở pH thấp hơn hoặc cao hơn, hiệu suất hấp phụ giảm khoảng 15-20%.

  3. Mô hình hấp phụ phù hợp: Dữ liệu hấp phụ tuân theo mô hình Langmuir và Freundlich, cho thấy vật liệu có bề mặt hấp phụ đồng nhất và không đồng nhất cùng tồn tại. Mô hình động học bậc hai mô tả chính xác quá trình hấp phụ trong thí nghiệm mẻ, trong khi các mô hình Thomas, Yoon-Nelson và Bohart-Adam phù hợp với quá trình hấp phụ liên tục.

  4. Khả năng cạnh tranh ion và tái sử dụng vật liệu: Vật liệu tổng hợp có khả năng hấp phụ amoni hiệu quả ngay cả khi có sự cạnh tranh của các ion khác như PO43-. Sau 10 chu kỳ hấp phụ và hoàn nguyên bằng dung dịch NaOH 1M, vật liệu vẫn giữ được trên 85% hiệu suất ban đầu, cho thấy tính bền vững và khả năng tái sử dụng cao.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân hiệu suất hấp phụ cao của vật liệu Mg(OH)2-resin là do sự kết hợp giữa khả năng trao đổi ion của nhựa 220Na và diện tích bề mặt lớn, tính chất kiềm nhẹ của nano Mg(OH)2 giúp tăng cường hấp phụ ion NH4+. So với các nghiên cứu trước đây sử dụng zeolite, than hoạt tính hay các vật liệu nano khác, vật liệu tổng hợp này cho hiệu suất hấp phụ tương đương hoặc cao hơn, đồng thời có ưu điểm về khả năng tái sử dụng và ổn định hóa học.

Biểu đồ hấp phụ theo thời gian và pH có thể được trình bày để minh họa rõ ràng sự thay đổi hiệu suất hấp phụ, trong khi bảng so sánh các thông số hấp phụ và mô hình động học giúp đánh giá chính xác cơ chế hấp phụ. Kết quả này góp phần mở rộng ứng dụng vật liệu nano trong xử lý nước thải, đặc biệt là xử lý amoni trong nước thải sinh hoạt và y tế tại các đô thị lớn.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Ứng dụng vật liệu Mg(OH)2-resin trong hệ thống xử lý nước thải sinh hoạt và y tế: Khuyến nghị các nhà máy xử lý nước thải tại TP. Hồ Chí Minh áp dụng vật liệu này để nâng cao hiệu quả loại bỏ amoni, giảm thiểu ô nhiễm môi trường. Thời gian triển khai dự kiến trong 12 tháng.

  2. Tối ưu hóa điều kiện vận hành: Đề xuất duy trì pH dung dịch trong khoảng 6-7 và thời gian tiếp xúc tối thiểu 120 phút để đạt hiệu suất hấp phụ tối ưu. Chủ thể thực hiện là các kỹ sư vận hành hệ thống xử lý nước thải.

  3. Phát triển quy trình tái sinh vật liệu: Xây dựng quy trình hoàn nguyên vật liệu bằng dung dịch NaOH 1M sau mỗi 10 chu kỳ sử dụng nhằm kéo dài tuổi thọ vật liệu và giảm chi phí vận hành. Thời gian nghiên cứu và áp dụng là 6 tháng.

  4. Nghiên cứu mở rộng ứng dụng: Khuyến khích các viện nghiên cứu và doanh nghiệp tiếp tục phát triển vật liệu composite này để xử lý các loại ion độc hại khác trong nước thải công nghiệp, góp phần đa dạng hóa công nghệ xử lý nước thải.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Môi trường và Hóa học: Luận văn cung cấp cơ sở lý thuyết và thực nghiệm về vật liệu nano và công nghệ trao đổi ion, hỗ trợ nghiên cứu và phát triển vật liệu mới.

  2. Kỹ sư và chuyên gia vận hành hệ thống xử lý nước thải: Tham khảo để áp dụng vật liệu Mg(OH)2-resin trong thực tế, tối ưu hóa quy trình xử lý amoni, nâng cao hiệu quả và giảm chi phí.

  3. Các cơ quan quản lý môi trường và chính sách: Cung cấp dữ liệu khoa học và giải pháp công nghệ để xây dựng chính sách quản lý chất lượng nước thải, bảo vệ môi trường đô thị.

  4. Doanh nghiệp sản xuất vật liệu và công nghệ xử lý nước thải: Tham khảo để phát triển sản phẩm mới, mở rộng thị trường và nâng cao năng lực cạnh tranh trong lĩnh vực xử lý nước thải.

Câu hỏi thường gặp

  1. Vật liệu Mg(OH)2-resin có ưu điểm gì so với nhựa trao đổi cation truyền thống?
    Vật liệu tổng hợp này kết hợp khả năng trao đổi ion của nhựa 220Na với diện tích bề mặt lớn và tính kiềm nhẹ của nano Mg(OH)2, giúp tăng hiệu suất hấp phụ amoni lên khoảng 35% so với nhựa nguyên bản, đồng thời có khả năng tái sử dụng cao sau nhiều chu kỳ.

  2. Quá trình hấp phụ amoni diễn ra trong bao lâu để đạt hiệu quả tối ưu?
    Thí nghiệm cho thấy hiệu suất hấp phụ tăng nhanh trong 30 phút đầu và đạt bão hòa sau 120 phút, do đó thời gian tiếp xúc tối thiểu nên là 2 giờ để đảm bảo hiệu quả xử lý.

  3. Ảnh hưởng của pH đến quá trình hấp phụ amoni như thế nào?
    Hiệu suất hấp phụ cao nhất khi pH dung dịch nằm trong khoảng 6-7, gần với điểm điện tích không (pHzpc) của vật liệu là 8. Ở pH quá thấp hoặc quá cao, hiệu suất giảm do thay đổi điện tích bề mặt và trạng thái ion amoni.

  4. Vật liệu có thể tái sử dụng bao nhiêu lần mà không giảm hiệu quả?
    Sau 10 chu kỳ hấp phụ và hoàn nguyên bằng dung dịch NaOH 1M, vật liệu vẫn giữ được trên 85% hiệu suất ban đầu, cho thấy khả năng tái sử dụng tốt và tiết kiệm chi phí vận hành.

  5. Vật liệu có khả năng hấp phụ amoni trong môi trường có nhiều ion cạnh tranh không?
    Nghiên cứu cho thấy vật liệu Mg(OH)2-resin có khả năng cạnh tranh tốt với các ion như PO43-, phù hợp để xử lý nước thải thực tế có thành phần phức tạp mà vẫn duy trì hiệu suất hấp phụ amoni cao.

Kết luận

  • Vật liệu nano magiê hydroxit gắn trên nhựa trao đổi cation 220Na được tổng hợp thành công, có khả năng hấp phụ amoni tối đa 24.73 mg NH4+/g vật liệu ở pH 6-7.
  • Quá trình hấp phụ tuân theo mô hình Langmuir và Freundlich, với động học bậc hai cho hấp phụ mẻ và các mô hình Thomas, Yoon-Nelson, Bohart-Adam cho hấp phụ liên tục.
  • Vật liệu có khả năng tái sử dụng sau 10 chu kỳ hấp phụ-hoàn nguyên mà hiệu suất chỉ giảm nhẹ, đồng thời có khả năng cạnh tranh ion tốt trong môi trường phức tạp.
  • Nghiên cứu cung cấp giải pháp vật liệu hiệu quả, bền vững cho xử lý amoni trong nước thải sinh hoạt và y tế tại các đô thị lớn như TP. Hồ Chí Minh.
  • Đề xuất triển khai ứng dụng thực tế và nghiên cứu mở rộng để xử lý các chất ô nhiễm khác, góp phần bảo vệ môi trường và phát triển bền vững.

Hành động tiếp theo: Khuyến khích các đơn vị xử lý nước thải áp dụng vật liệu này trong quy trình vận hành, đồng thời tiếp tục nghiên cứu cải tiến và mở rộng ứng dụng. Để biết thêm chi tiết và hợp tác nghiên cứu, vui lòng liên hệ với nhóm tác giả tại Trường Đại học Bách Khoa TP. Hồ Chí Minh.