Luận án tiến sĩ kỹ thuật môi trường: Biến tính than hoạt tính xử lý ion độc trong nước

• Tác giả: Phạm Thị Hải Thịnh
• Người hướng dẫn: PGS. Trần Hồng Côn
• Trường học: Học viện Khoa học và Công nghệ
• Chuyên ngành: Kỹ thuật môi trường
• Đề tài: Nghiên cứu biến tính than hoạt tính làm vật liệu xử lý một số chất độc tồn tại dưới dạng ion trong nước
• Loại tài liệu: luận án tiến sĩ
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• 1. MỞ ĐẦU
• 2. HIỆN TRẠNG Ô NHIỄM AMONI, ASEN, KIM LOẠI NẶNG TRONG NƯỚC NGẦM VÀ CÁC NGHIÊN CỨU, ỨNG DỤNG TRONG NƯỚC VỀ XỬ LÍ AMONI, ASEN
• 2.1. Hiện trạng ô nhiễm amoni, asen và kim loại nặng trong nước ngầm
• 2.2. Các nghiên cứu, ứng dụng trong nước về xử lí amoni, asen trong nước ngầm
• 2.2.1. Các nghiên cứu, ứng dụng xử lí amoni trong nước ngầm
• 2.2.2. Các nghiên cứu, ứng dụng xử lí asen trong nước ngầm
• 2.3. Tổng quan về than hoạt tính
• 2.3.1. Khái niệm chung về than hoạt tính và tiềm năng ứng dụng trong môi trường
• 2.3.2. Đặc tính của than hoạt tính
• 2.3.2.1. Cấu trúc xốp của bề mặt than hoạt tính
• 2.3.2.2. Cấu trúc hóa học của bề mặt than hoạt tính
• 2.3.3. Biến đổi bề mặt than hoạt tính
• 2.3.3.1. Các nghiên cứu trong và ngoài nước về biến tính than hoạt tính bằng các tác nhân oxi hóa
• 2.4. Tổng quan về hấp phụ và trao đổi ion
• 2.4.1. Tổng quan về hấp phụ
• 2.4.1.1. Phân loại đường đẳng nhiệt hấp phụ
• 2.4.1.2. Kĩ thuật hấp phụ động
• 2.4.2. Tổng quan về trao đổi ion
• 2.4.2.1. Cơ sở lí thuyết của quá trình trao đổi ion
• 2.4.2.2. Nguyên tắc cơ bản của phản ứng trao đổi ion
• 3. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 3.1. Đối tượng nghiên cứu
• 3.2. Hóa chất, dụng cụ và thiết bị thí nghiệm
• 3.3. Phương pháp thực nghiệm
• 3.3.1. Phương pháp oxi hóa than hoạt tính
• 3.3.1.1. Oxi hóa than hoạt tính bằng HNO3 và trung hòa bề mặt bằng NaOH
• 3.3.1.2. Oxi hóa than bằng KMnO4
• 3.3.1.3. Oxi hóa than bằng K2Cr2O7
• 3.3.2. Nghiên cứu khả năng hấp phụ của than biến tính trong điều kiện tĩnh
• 3.3.3. Nghiên cứu khả năng trao đổi ion /hấp phụ của than oxi hóa trên mô hình động
• 3.3.4. Nghiên cứu khả năng tái sinh của than sau hấp phụ
• 3.3.5. Phương pháp gắn Mn2+ và Fe3+ trên than biến tính
• 3.3.6. Các phương pháp xác định đặc trưng bề mặt của vật liệu
• 3.3.7. Phương pháp phân tích
• 3.3.8. Phương pháp tính toán
• 4. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN
• 4.1. Kết quả oxi hóa than hoạt tính bằng các tác nhân oxi hóa khác nhau
• 4.1.1. Các vật liệu thu được sau oxi hóa và xử lí bề mặt
• 4.1.2. Đặc trưng bề mặt vật liệu trước và sau oxi hóa
• 4.1.3. Kết quả hình thái học và thành phần các nguyên tố của than hoạt tính và than oxi hóa
• 4.1.4. Kết quả xác định phổ hồng ngoại (FTIR)
• 4.1.5. Kết quả xác định diện tích bề mặt riêng
• 4.1.6. Kết quả chuẩn độ Boehm và xác định giá trị pHpzc
• 4.1.7. Định lượng dung lượng khử của than khi oxi hóa bằng KMnO4 và K2Cr2O7
• 4.2. Khả năng trao đổi ion của than oxi hóa bằng HNO3, KMnO4, K2Cr2O7 với NH4+
• 4.2.1. Khả năng trao đổi của than oxi hóa bằng HNO3 với NH4+
• 4.2.2. Ảnh hưởng của điều kiện biến tính than đến khả năng trao đổi với NH4+
• 4.2.3. Khả năng trao đổi ion của than OAC14 và OAC10-4Na với NH4+
• 4.2.4. Khả năng trao đổi ion của than oxi hóa bằng KMnO4 với NH4+
• 4.2.5. Khả năng trao đổi ion của than oxi hóa bằng K2Cr2O7 với NH4+
• 4.2.6. Khả năng trao đổi ion của than oxi hóa bằng HNO3 và xử lí bề mặt bằng NaOH đối với các cation hóa trị 2 và 3 trên mô hình tĩnh
• 4.2.7. Ảnh hưởng của thời gian tiếp xúc
• 4.2.8. Ảnh hưởng của pH đến quá trình hấp phụ/trao đổi
• 4.2.9. Ảnh hưởng của nồng độ ion đầu vào đến khả năng hấp phụ/trao đổi
• 4.3. Khả năng trao đổi của than biến tính với NH4+ trên mô hình động
• 4.3.1. Ảnh hưởng của nồng độ amoni đầu vào
• 4.3.2. Ảnh hưởng của lưu lượng dòng vào
• 4.3.3. Ảnh hưởng của chiều cao cột than
• 4.3.4. Động học trao đổi theo các mô hình hấp phụ động
• 4.4. Khả năng tái sinh của than hoạt tính sau khi trao đổi với NH4+
• 4.4.1. Tái sinh trên mô hình tĩnh
• 4.4.2. Tái sinh trên mô hình động
• 4.5. Gắn kim loại lên than oxi hóa và ứng dụng xử lí As trong nước
• 4.5.1. Đặc trưng của than oxi hóa sau khi gắn Mn và Fe
• 4.5.2. Kết quả hấp phụ As của vật liệu than oxi hóa gắn Mn và Fe
• 4.5.2.1. Ảnh hưởng của pH đến khả năng hấp phụ As(III) và As(V)
• 4.5.2.2. Ảnh hưởng của nồng độ As đầu vào và hàm lượng Mn, Fe mang lên than oxi hóa đến khả năng hấp phụ As(III)
• 4.5.2.3. Ảnh hưởng của nồng độ As đầu vào và hàm lượng Fe, Mn gắn trên than đến khả năng hấp phụ As(V)
• 4.6. Ứng dụng trong xử lí nước chứa Cr(VI), amoni
• 4.6.1. Khả năng xử lí Cr(VI) của than hoạt tính trên mô hình động
• 4.6.2. Ứng dụng xử lí amoni trong nước cấp
• NHỮNG ĐÓNG GÓP MỚI CỦA LUẬN ÁN
• DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Giới thiệu và hiện trạng ô nhiễm nước

Luận án tập trung vào nghiên cứu biến tính than hoạt tính để xử lý các ion độc hại trong nước, đặc biệt là amoni, asen và kim loại nặng. Hiện trạng ô nhiễm nước ngầm tại Việt Nam, đặc biệt ở các thành phố lớn như Hà Nội và TP. Hồ Chí Minh, đang ở mức báo động. Các nguồn nước này bị ô nhiễm bởi amoni, asen và kim loại nặng như Pb, Fe, Mn. Các phương pháp xử lý truyền thống như sinh học, oxi hóa bằng clo, và trao đổi ion vẫn còn nhiều hạn chế. Than hoạt tính được xem là vật liệu tiềm năng nhờ tính ổn định, chi phí thấp và khả năng tái sinh.

1.1. Hiện trạng ô nhiễm amoni và asen

Amoni và asen là hai chất ô nhiễm phổ biến trong nước ngầm. Theo báo cáo của Bộ Tài nguyên và Môi trường, hàm lượng amoni vượt quá giới hạn cho phép ở nhiều khu vực. Asen, một chất độc hại, cũng được phát hiện với nồng độ cao, đặc biệt ở các vùng nông thôn. Các phương pháp xử lý hiện tại chưa đạt hiệu quả cao, đòi hỏi các giải pháp công nghệ mới.

1.2. Vai trò của than hoạt tính trong xử lý nước

Than hoạt tính là vật liệu có bề mặt xốp, khả năng hấp phụ cao, và ổn định trong môi trường axit và bazơ. Tuy nhiên, than hoạt tính thông thường không hiệu quả trong việc xử lý các ion. Biến tính than hoạt tính bằng các phương pháp oxi hóa giúp tạo ra các nhóm chức axit trên bề mặt, tăng khả năng trao đổi ion và hấp phụ các chất độc hại.

II. Phương pháp nghiên cứu và biến tính than hoạt tính

Luận án sử dụng các phương pháp oxi hóa than hoạt tính bằng HNO3, KMnO4, và K2Cr2O7 để tạo ra các vật liệu biến tính. Các phương pháp phân tích như SEM, EDX, IR, và BET được sử dụng để đánh giá đặc trưng bề mặt của vật liệu. Kết quả cho thấy, oxi hóa bằng HNO3 đạt hiệu quả cao nhất trong việc tạo ra các nhóm chức axit, tăng khả năng trao đổi ion.

2.1. Oxi hóa than hoạt tính bằng HNO3

Oxi hóa than hoạt tính bằng HNO3 tạo ra các nhóm chức axit cacboxylic trên bề mặt, làm tăng khả năng trao đổi ion với các cation như NH4+. Phương pháp này đạt dung lượng hấp phụ cao nhất so với các tác nhân oxi hóa khác.

2.2. Đánh giá đặc trưng vật liệu

Các phương pháp phân tích như SEM, EDX, và IR được sử dụng để xác định cấu trúc bề mặt và thành phần hóa học của than biến tính. Kết quả cho thấy, than oxi hóa có diện tích bề mặt lớn hơn và các nhóm chức axit được hình thành rõ rệt.

III. Ứng dụng và kết quả nghiên cứu

Luận án đã ứng dụng than biến tính để xử lý các ion độc hại như NH4+, As(III), và Cr(VI). Kết quả cho thấy, than oxi hóa bằng HNO3 có khả năng trao đổi ion cao với NH4+ và hiệu quả hấp phụ As(III) và As(V) sau khi gắn Mn và Fe. Ứng dụng thực tế trong xử lý nước cấp đạt hiệu quả cao, đáp ứng các tiêu chuẩn quốc gia.

3.1. Xử lý amoni trong nước cấp

Than oxi hóa bằng HNO3 được sử dụng để xử lý amoni trong nước cấp. Kết quả thử nghiệm cho thấy, 1 kg than có thể xử lý 700 lít nước với nồng độ amoni 7,2 mg/l, đạt tiêu chuẩn QCVN 01:2009/BYT.

3.2. Xử lý asen bằng than gắn Mn và Fe

Sau khi gắn Mn và Fe lên than oxi hóa, khả năng hấp phụ As(III) và As(V) tăng đáng kể. Kết quả phân tích cho thấy, vật liệu này có hiệu quả cao trong việc loại bỏ asen khỏi nước ngầm.

IV. Đóng góp và ý nghĩa của luận án

Luận án đã đóng góp quan trọng trong việc phát triển công nghệ xử lý nước bằng than hoạt tính biến tính. Các kết quả nghiên cứu không chỉ có ý nghĩa khoa học mà còn có giá trị thực tiễn cao, giúp giải quyết các vấn đề ô nhiễm nước tại Việt Nam. Phương pháp này có thể ứng dụng rộng rãi trong các hệ thống xử lý nước cấp và nước thải.

4.1. Ý nghĩa khoa học

Luận án đã chứng minh hiệu quả của việc biến tính than hoạt tính bằng các phương pháp oxi hóa, mở ra hướng nghiên cứu mới trong lĩnh vực kỹ thuật môi trường.

4.2. Ý nghĩa thực tiễn

Các kết quả nghiên cứu có thể ứng dụng trực tiếp trong các hệ thống xử lý nước cấp và nước thải, góp phần cải thiện chất lượng nước sinh hoạt và bảo vệ môi trường.