Nghiên cứu biến tính bentonit tự nhiên làm vật liệu hấp phụ xử lý NH4 và PO43 trong nước

LỜI CAM ĐOAN

1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

1.1. Giới thiệu về bentonit và bentonit biến tính

1.1.1. Thành phần khoáng và thành phần hóa học của bentonit

1.1.2. Cấu trúc montmorillonit

2. CHƯƠNG 2: ĐỐI TƯỢNG PHẠM VI VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

2.1. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

2.2. Nguyên liệu, hóa chất dụng cụ và thiết bị nghiên cứu

2.2.1. Hóa chất sử dụng

2.2.2. Thiết bị, dụng cụ

2.3. Tổng hợp và biến tính vật liệu hấp phụ từ Bentonit tự nhiên

2.3.1. Tinh chế Bentonit Cổ Định. Biến tính tổng hợp vật liệu Fe-bentonit

2.3.2. Biến tính tổng hợp vật liệu MnFe-bentonit

2.4. Khảo sát ảnh hưởng của các điều kiện phản ứng đến quá trình tổng hợp và biến tính vật liệu bentonit

2.4.1. Ảnh hưởng của thời gian siêu âm tới quá trình tinh chế vật liệu bentonit

2.4.2. Ảnh hưởng tốc độ ly tâm

2.4.3. Ảnh hưởng của tỷ lệ OH-/Fe3+ tới tính chất của vật liệu Fe-bentonit

2.4.4. Ảnh hưởng của tỷ lệ Mn2+/Fe3+ tới tính chất của vật liệu MnFe-bentonit

2.5. Các phương pháp phân tích đặc trưng cấu trúc tính chất của vật liệu

2.5.1. Phương pháp phân tích Phổ hồng ngoại IR

2.5.2. Phương pháp xác định diện tích bề mặt riêng (phương pháp đo BET)

2.5.3. Phổ tán sắc năng lượng tia X (EDX)

2.6. Khảo sát đánh giá khả năng hấp phụ NH4+ và PO43- trong nước của vật liệu MMT, Fe-bentonit và MnFe-bentonit

2.6.1. Xác định điểm đẳng điện của vật liệu. Khảo sát ảnh hưởng của thời gian

2.6.2. Khảo sát ảnh hưởng của pH

2.6.3. Xác định dung lượng hấp phụ cực đại của vật liệu

2.6.4. Mô hình động học hấp phụ

2.6.5. Đánh giá ảnh hưởng của lưu lượng tốc độ dòng chảy

2.6.6. Đánh giá ảnh hưởng của nồng độ ban đầu của chất bị hấp phụ

2.6.7. Phân tích xác định nồng độ amoni trong nước bằng phương pháp trắc quang (4500 NH3 –F, SMWW, 1999)

2.6.8. Phân tích xác định PO43- trong nước bằng phương pháp trắc quang (theo TCVN 6202 – 2008)

3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

3.1. Kết quả nghiên cứu tinh chế tổng hợp vật liệu bentonit (MMT)

3.1.1. Ảnh hưởng của thời gian siêu âm tới quá trình tinh chế tổng hợp MMT

3.1.2. Ảnh hưởng của tốc độ ly tâm tới quá trình tinh chế tổng hợp MMT

3.1.3. Ảnh hưởng của tỷ lệ OH-/Fe3+ tới quá trình biến tính và tính chất của vật liệu Fe-bentonit

3.1.4. Ảnh hưởng của tỷ lệ Mn2+/Fe3+ tới tính chất của vật liệu MnFe-bentonit

3.2. Phân tích đặc trưng cấu trúc tính chất của vật liệu

3.2.1. Kết quả phân tích đặc trưng nhóm chức bằng phương pháp phổ hồng ngoại IR

3.2.2. Kết quả phân tích tia X (X-Ray) của vật liệu

3.2.3. Kết quả phân tích phổ tán sắc năng lượng tia X (EDX)

3.2.4. Kết quả phân tích xác định diện tích bề mặt riêng (phương pháp đo BET)

3.3. Đánh giá khả năng hấp phụ của vật liệu, ứng dụng để xử lý NH4+ và PO43- trong nước

3.3.1. Xác định điểm đẳng điện của MMT, Fe-bentint và MnFe-bentonit

3.3.2. Ảnh hưởng của thời gian tới khả năng hấp phụ

3.3.3. Kết quả ảnh hưởng của pH tới dung lượng hấp phụ của vật liệu

3.3.4. Xác định dung lượng hấp phụ cực đại của vật liệu

3.3.5. Khảo sát mô hình hấp phụ động

3.3.6. Kết quả ảnh hưởng của tốc độ dòng chảy tới hiệu quả xử lý của cột

3.3.7. Kết quả ảnh hưởng của nồng độ đầu vào tới hiệu quả xử lý của cột

3.3.8. Đánh giá khả năng tái sử dụng vật liệu

3.3.9. Kết quả thử nghiệm hiệu quả xử lý NH4+ và PO43- đối với mẫu nước thải sinh hoạt thực tế

TÀI LIỆU THAM KHẢO

I. Giới thiệu về bentonit và bentonit biến tính

Bentonit là loại khoáng sét thiên nhiên, thuộc nhóm smectit, với thành phần chính là montmorillonit (MMT). Cấu trúc của MMT gồm lớp Al2O3 bát diện nằm giữa hai lớp SiO2 tứ diện, tạo thành cấu trúc lớp 2:1. Bentonit có khả năng trao đổi ion cao nhờ sự thay thế đồng hình của các cation như Al3+, Fe2+, Mg2+ trong cấu trúc. Bentonit biến tính được nghiên cứu để tăng cường khả năng hấp phụ, đặc biệt là xử lý các ion NH4+ và PO43- trong nước.

1.1 Thành phần khoáng và thành phần hóa học của bentonit

Bentonit chứa chủ yếu montmorillonit (MMT), cùng các khoáng chất khác như quartz, cristobalit, và kaolinit. Công thức lý tưởng của MMT là Si8Al4O20(OH)4, nhưng thành phần thực tế thay đổi do sự thay thế đồng hình của các cation. Bentonit có tỷ lệ Al2O3 : SiO2 dao động từ 1:2 đến 1:4, cùng các nguyên tố vi lượng như Fe, Mg, Na, Ca. Sự thay thế đồng hình tạo ra điện tích âm trên bề mặt, được cân bằng bởi các cation trao đổi như Na+, K+, Mg2+.

1.2 Cấu trúc montmorillonit

Cấu trúc của montmorillonit (MMT) gồm lớp Al2O3 bát diện nằm giữa hai lớp SiO2 tứ diện, tạo thành cấu trúc lớp 2:1. Khoảng cách giữa các lớp được gọi là khoảng cách Van de Waals, dao động từ 1,5 đến 9,4 Å. Sự thay thế đồng hình của các cation như Al3+, Fe2+, Mg2+ tạo ra điện tích âm trên bề mặt, được cân bằng bởi các cation trao đổi. Cấu trúc này giúp MMT có khả năng trao đổi ion và hấp phụ cao.

II. Ứng dụng của bentonit biến tính trong xử lý nước

Bentonit biến tính được nghiên cứu để xử lý các ion NH4+ và PO43- trong nước, đặc biệt trong bối cảnh ô nhiễm dinh dưỡng do các hợp chất nitơ và phốt pho. Bentonit có khả năng hấp phụ cao nhờ cấu trúc lớp và diện tích bề mặt lớn. Các phương pháp biến tính như sử dụng Fe và Mn giúp tăng cường khả năng hấp phụ của bentonit.

2.1 Hiện tượng ô nhiễm amoni và phốt phát

Ô nhiễm amoni (NH4+) và phốt phát (PO43-) là vấn đề nghiêm trọng trong các thủy vực, gây ra hiện tượng phú dưỡng. Các nguồn ô nhiễm chính bao gồm nước thải sinh hoạt, phân bón nông nghiệp, và chất tẩy rửa. Hiện tượng phú dưỡng dẫn đến sự phát triển mạnh của tảo, giảm oxy hòa tan, và ảnh hưởng đến hệ sinh thái nước.

2.2 Phương pháp hấp phụ sử dụng bentonit biến tính

Bentonit biến tính được sử dụng như vật liệu hấp phụ hiệu quả để xử lý NH4+ và PO43-. Các phương pháp biến tính như sử dụng Fe và Mn giúp tăng cường khả năng hấp phụ của bentonit. Các nghiên cứu cho thấy Fe-bentonit và MnFe-bentonit có hiệu quả cao trong việc loại bỏ các ion này khỏi nước, đặc biệt trong điều kiện pH và thời gian tối ưu.

III. Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Nghiên cứu đã xác định các điều kiện tối ưu để biến tính bentonit, bao gồm tỷ lệ OH-/Fe3+ và Mn2+/Fe3+. Fe-bentonit và MnFe-bentonit được đánh giá có khả năng hấp phụ cao đối với NH4+ và PO43-. Các phương pháp phân tích như phổ hồng ngoại (IR), phổ tán sắc năng lượng tia X (EDX), và đo diện tích bề mặt (BET) được sử dụng để đánh giá cấu trúc và tính chất của vật liệu.

3.1 Ảnh hưởng của tỷ lệ OH Fe3 và Mn2 Fe3

Nghiên cứu cho thấy tỷ lệ OH-/Fe3+ và Mn2+/Fe3+ ảnh hưởng đáng kể đến khả năng hấp phụ của bentonit biến tính. Tỷ lệ OH-/Fe3+ tối ưu giúp tăng cường khả năng hấp phụ NH4+, trong khi tỷ lệ Mn2+/Fe3+ tối ưu giúp tăng cường khả năng hấp phụ PO43-. Các kết quả phân tích IR và EDX xác nhận sự thay đổi cấu trúc và thành phần hóa học của vật liệu sau biến tính.

3.2 Đánh giá khả năng hấp phụ của vật liệu

Fe-bentonit và MnFe-bentonit được đánh giá có khả năng hấp phụ cao đối với NH4+ và PO43-. Các thí nghiệm cho thấy hiệu quả hấp phụ phụ thuộc vào thời gian, pH, và nồng độ ban đầu của các ion. Fe-bentonit đạt dung lượng hấp phụ cực đại đối với NH4+, trong khi MnFe-bentonit đạt dung lượng hấp phụ cực đại đối với PO43-. Các kết quả này khẳng định tiềm năng ứng dụng của bentonit biến tính trong xử lý nước.

Luận Văn Thạc Sĩ: Ứng Dụng Bentonit Biến Tính Xử Lý NH4 Và PO43 Trong Môi Trường Nước