Tổng quan nghiên cứu

Ô nhiễm nguồn nước bởi amoni và kim loại nặng, đặc biệt là asen, đang là vấn đề nghiêm trọng tại nhiều vùng ở Việt Nam, nhất là khu vực đồng bằng Bắc Bộ. Theo khảo sát, khoảng 70-80% nguồn nước ngầm tại các tỉnh như Hà Nội, Hà Tây, Ninh Bình, Hải Dương có nồng độ amoni vượt tiêu chuẩn cho phép (3 mg/l), thậm chí có nơi vượt đến 6 lần. Tương tự, ô nhiễm asen cũng phổ biến với mức độ vượt chuẩn nhiều lần, ảnh hưởng trực tiếp đến sức khỏe cộng đồng, gây ra các bệnh nguy hiểm như ung thư da, ung thư gan, ung thư bàng quang và các bệnh hô hấp. Ngoài ra, ô nhiễm xanh metylen từ các cơ sở sản xuất cũng làm suy giảm chất lượng nước và hệ sinh thái.

Mục tiêu nghiên cứu là biến tính than hoạt tính từ bề mặt kỵ nước sang ưu nước nhằm nâng cao khả năng hấp phụ amoni và kim loại nặng trong nước. Nghiên cứu tập trung vào việc xử lý than hoạt tính bằng các dung dịch axit, bazơ và oxi hóa để tạo ra vật liệu hấp phụ hiệu quả, đồng thời so sánh khả năng hấp phụ amoni, asen và xanh metylen. Phạm vi nghiên cứu thực hiện tại phòng thí nghiệm Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội, trong năm 2016. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển vật liệu xử lý nước sạch, góp phần bảo vệ sức khỏe cộng đồng và môi trường.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Than hoạt tính là vật liệu hấp phụ có cấu trúc bề mặt xốp đa dạng với diện tích bề mặt từ 800 đến 1500 m²/g và thể tích lỗ xốp từ 0,2 đến 0,6 cm³/g. Cấu trúc lỗ xốp gồm ba loại: lỗ nhỏ (<2 nm), lỗ trung và lỗ lớn, đóng vai trò quan trọng trong quá trình hấp phụ. Các nhóm chức cacbon-oxi trên bề mặt than hoạt tính như cacboxyl, lacton, phenol ảnh hưởng đến tính chất bề mặt, đặc biệt là tính ưu nước và khả năng hấp phụ ion.

Hai mô hình hấp phụ đẳng nhiệt được áp dụng để mô tả quá trình hấp phụ:

  • Mô hình Langmuir: Giả định bề mặt hấp phụ đồng nhất, hấp phụ đơn lớp, không có tương tác giữa các phân tử hấp phụ. Phương trình:
    $$ q_e = \frac{q_{max} b C_e}{1 + b C_e} $$
  • Mô hình Freundlich: Mô tả hấp phụ trên bề mặt không đồng nhất, phương trình thực nghiệm:
    $$ q_e = K_f C_e^{1/n} $$

Trong đó, $q_e$ là tải trọng hấp phụ cân bằng (mg/g), $C_e$ là nồng độ chất hấp phụ tại cân bằng (mg/l), $q_{max}$ là tải trọng hấp phụ cực đại, $b$, $K_f$, $n$ là các hằng số đặc trưng.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu thu thập từ các thí nghiệm biến tính than hoạt tính từ gáo dừa, xử lý bằng dung dịch axit HNO3, HCl, NaOH và kết hợp oxi hóa. Cỡ mẫu gồm 5 loại vật liệu biến tính (AC-1 đến AC-5) với kích thước hạt 0,5-1 mm. Phương pháp chọn mẫu là xử lý hóa học trực tiếp trên than hoạt tính nguyên khai nhằm thay đổi nhóm chức bề mặt.

Phân tích nồng độ amoni sử dụng phương pháp so màu Nessler với dãy chuẩn 0,5-5 ppm, đo hấp thụ quang ở bước sóng 420 nm. Phân tích asen bằng phương pháp so màu thủy ngân brômua, đo chiều cao vạch màu trên giấy tẩm HgBr2 với dãy chuẩn 0-1 ppm. Phân tích xanh metylen bằng đo hấp thụ quang ở bước sóng 665 nm với dãy chuẩn 0,1-5 ppm.

Thời gian nghiên cứu thực hiện trong năm 2016, các thí nghiệm được tiến hành tại phòng thí nghiệm Hóa Môi trường, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên. Phân tích dữ liệu sử dụng mô hình hấp phụ Langmuir và Freundlich để xác định tải trọng hấp phụ cực đại và hằng số hấp phụ.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Thời gian cân bằng hấp phụ:

    • Amoni và asen đạt cân bằng hấp phụ trên các vật liệu biến tính trong khoảng 1,5-2 giờ, với vật liệu biến tính oxi hóa (AC-4, AC-5) đạt cân bằng nhanh hơn (khoảng 1,5 giờ).
    • Xanh metylen đạt cân bằng nhanh hơn, khoảng 40-50 phút.

  2. Tải trọng hấp phụ cực đại (qmax):

    • Với amoni, vật liệu AC-4 đạt qmax khoảng 7,27 mg/g, AC-5 đạt 5,58 mg/g, cao hơn gần 1,8 lần so với các vật liệu AC-1, AC-2, AC-3 (khoảng 3,8-4,2 mg/g).
    • Với asen, AC-5 có qmax cao nhất 2,92 mg/g, AC-4 đạt 2,45 mg/g, gấp gần 2 lần so với các vật liệu chưa oxi hóa (khoảng 1,3-1,5 mg/g).
    • Với xanh metylen, qmax của các vật liệu dao động từ 17,15 đến 19,53 mg/g, cao hơn nhiều so với amoni và asen.

  3. Ảnh hưởng biến tính bề mặt:

    • Biến tính bằng HNO3 làm tăng nhóm cacboxyl trên bề mặt than, làm bề mặt ưu nước hơn và tăng kích thước mao mạch, giúp tăng khả năng hấp phụ ion amoni và asen.
    • Xử lý bằng NaOH sau oxi hóa (AC-4) tạo ra các nhóm muối cacboxylat, tăng khả năng trao đổi ion Na+ với NH4+, nâng cao tải trọng hấp phụ amoni.

  4. So sánh khả năng hấp phụ:

    • Khả năng hấp phụ xanh metylen cao hơn nhiều so với amoni và asen do tính chất phân tử và tương tác bề mặt khác biệt.
    • Thời gian cân bằng hấp phụ xanh metylen ngắn hơn, phản ánh sự khác biệt về cơ chế hấp phụ giữa các chất hữu cơ ít phân cực và các ion kim loại.

Thảo luận kết quả

Kết quả cho thấy biến tính than hoạt tính bằng dung dịch oxi hóa HNO3 là phương pháp hiệu quả để nâng cao khả năng hấp phụ amoni và asen trong nước. Sự gia tăng nhóm cacboxyl và sự ưu nước của bề mặt than giúp các ion dễ dàng tiếp cận và hấp phụ trên bề mặt vật liệu. So với các nghiên cứu trước đây, tải trọng hấp phụ cực đại của vật liệu biến tính trong nghiên cứu này cao hơn khoảng 1,5-2 lần, chứng tỏ hiệu quả của phương pháp biến tính.

Biểu đồ hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir minh họa rõ sự tăng tải trọng hấp phụ cực đại và hằng số hấp phụ bề mặt sau biến tính. Các vật liệu AC-4 và AC-5 có đường cong hấp phụ dốc hơn, thể hiện ái lực hấp phụ cao hơn. Thời gian cân bằng hấp phụ ngắn hơn cũng cho thấy sự cải thiện về khả năng khuếch tán ion vào mao mạch than.

Khả năng hấp phụ xanh metylen cao hơn do đặc tính phân tử lớn và ít phân cực, tương tác chủ yếu qua các nhóm chức hữu cơ trên bề mặt than. Thời gian cân bằng hấp phụ xanh metylen dài hơn phản ánh sự khác biệt về cơ chế hấp phụ so với các ion amoni và asen.

Kết quả nghiên cứu có thể được trình bày qua các biểu đồ đường hấp phụ Langmuir, biểu đồ thời gian cân bằng hấp phụ và bảng so sánh tải trọng hấp phụ cực đại giữa các vật liệu, giúp minh họa rõ ràng hiệu quả của từng phương pháp biến tính.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Ứng dụng than hoạt tính biến tính trong xử lý nước sinh hoạt: Khuyến nghị sử dụng vật liệu AC-4 (biến tính HNO3 và NaOH) để xử lý amoni và asen trong nước ngầm tại các vùng ô nhiễm nặng, nhằm giảm nồng độ xuống dưới ngưỡng cho phép trong vòng 2 giờ xử lý.

  2. Phát triển công nghệ xử lý nước quy mô nhỏ và vừa: Đề xuất thiết kế hệ thống lọc sử dụng than hoạt tính biến tính cho các hộ gia đình và cộng đồng tại vùng đồng bằng Bắc Bộ, với thời gian xử lý tối ưu khoảng 2 giờ, đảm bảo hiệu quả hấp phụ cao.

  3. Nâng cao nghiên cứu biến tính than hoạt tính: Khuyến khích nghiên cứu thêm các phương pháp biến tính khác như xử lý bằng các chất oxi hóa mạnh hơn hoặc kết hợp với các kim loại để tăng khả năng hấp phụ các chất ô nhiễm khác như thuốc trừ sâu, hợp chất hữu cơ độc hại.

  4. Giám sát và đánh giá hiệu quả thực tế: Đề xuất thực hiện các chương trình giám sát chất lượng nước sau xử lý bằng than hoạt tính biến tính tại các địa phương ô nhiễm để đánh giá hiệu quả lâu dài và điều chỉnh quy trình xử lý phù hợp.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Hóa Môi trường: Luận văn cung cấp cơ sở lý thuyết và phương pháp thực nghiệm chi tiết về biến tính than hoạt tính và ứng dụng trong xử lý ô nhiễm nước, hỗ trợ nghiên cứu chuyên sâu.

  2. Chuyên gia và kỹ sư xử lý nước: Thông tin về vật liệu hấp phụ và quy trình biến tính than hoạt tính giúp thiết kế và vận hành các hệ thống xử lý nước hiệu quả, đặc biệt trong xử lý amoni và kim loại nặng.

  3. Cơ quan quản lý môi trường và y tế công cộng: Cung cấp dữ liệu khoa học về mức độ ô nhiễm và giải pháp xử lý, hỗ trợ xây dựng chính sách bảo vệ nguồn nước và sức khỏe cộng đồng.

  4. Doanh nghiệp sản xuất vật liệu lọc nước: Tham khảo quy trình biến tính than hoạt tính để phát triển sản phẩm mới, nâng cao chất lượng và hiệu quả xử lý nước, đáp ứng nhu cầu thị trường.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao cần biến tính than hoạt tính để xử lý amoni và asen?
    Biến tính thay đổi nhóm chức bề mặt than từ kỵ nước sang ưu nước, tăng diện tích bề mặt và nhóm cacboxyl giúp hấp phụ ion amoni và asen hiệu quả hơn. Ví dụ, vật liệu AC-4 có tải trọng hấp phụ amoni gấp gần 2 lần so với than chưa biến tính.

  2. Thời gian hấp phụ cân bằng của các vật liệu là bao lâu?
    Thời gian cân bằng hấp phụ amoni và asen khoảng 1,5-2 giờ, trong khi xanh metylen chỉ cần khoảng 40-50 phút. Điều này giúp thiết kế thời gian xử lý phù hợp trong thực tế.

  3. Phương pháp phân tích amoni và asen được sử dụng như thế nào?
    Amoni được xác định bằng phương pháp so màu Nessler với dãy chuẩn 0,5-5 ppm, asen bằng phương pháp so màu thủy ngân brômua với dãy chuẩn 0-1 ppm, đảm bảo độ nhạy và chính xác cao.

  4. Khả năng hấp phụ của than hoạt tính biến tính với các chất khác như thế nào?
    Ngoài amoni và asen, than hoạt tính biến tính còn hấp phụ tốt các chất hữu cơ như xanh metylen với tải trọng hấp phụ cực đại lên đến gần 20 mg/g, cho thấy tính đa dụng của vật liệu.

  5. Có thể áp dụng kết quả nghiên cứu này trong xử lý nước quy mô lớn không?
    Kết quả nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học để phát triển công nghệ xử lý nước quy mô nhỏ và vừa. Tuy nhiên, cần nghiên cứu thêm về quy mô lớn và điều kiện thực tế để tối ưu hóa hiệu quả.

Kết luận

  • Biến tính than hoạt tính bằng dung dịch HNO3 và NaOH làm tăng đáng kể khả năng hấp phụ amoni và asen trong nước, với tải trọng hấp phụ cực đại tăng gần 2 lần.
  • Thời gian hấp phụ cân bằng của amoni và asen trên vật liệu biến tính là khoảng 1,5-2 giờ, phù hợp cho ứng dụng xử lý nước sinh hoạt.
  • Khả năng hấp phụ xanh metylen cao hơn nhiều so với amoni và asen, phản ánh sự khác biệt về cơ chế hấp phụ.
  • Mô hình hấp phụ Langmuir phù hợp để mô tả quá trình hấp phụ trên các vật liệu biến tính, giúp xác định các thông số quan trọng cho thiết kế hệ thống.
  • Đề xuất tiếp tục nghiên cứu mở rộng biến tính than hoạt tính và ứng dụng thực tế tại các vùng ô nhiễm để bảo vệ nguồn nước và sức khỏe cộng đồng.

Các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp nên phối hợp triển khai thử nghiệm thực tế, đồng thời phát triển sản phẩm than hoạt tính biến tính để ứng dụng rộng rãi trong xử lý nước ô nhiễm amoni và kim loại nặng.