Luận án tiến sĩ kỹ thuật môi trường: Chế tạo than biến tính từ lõi ngô ứng dụng xử lý amoni trong nước sinh hoạt

• Tác giả: Vũ Thị Mai
• Người hướng dẫn: TS. Trịnh Văn Tuyên
• Trường học: Học viện Khoa học và Công nghệ
• Chuyên ngành: Kỹ thuật môi trường
• Đề tài: Nghiên cứu chế tạo than biến tính từ lõi ngô định hướng ứng dụng xử lý amoni trong nước sinh hoạt
• Loại tài liệu: Luận án tiến sĩ
• Năm xuất bản: 2018
• Địa điểm: Hà Nội

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• 1. MỞ ĐẦU
• 1.1. TỔNG QUAN TÀI LIỆU
• 1.1.1. Hiện trạng ô nhiễm amoni trong nước ngầm và các phương pháp xử lý
• 1.1.1.1. Hiện trạng ô nhiễm amoni trong nước ngầm
• 1.1.1.2. Các phương pháp xử lý amoni
• 1.1.2. Tổng quan về quá trình hấp phụ
• 1.1.2.1. Kỹ thuật hấp phụ tĩnh
• 1.1.2.2. Kỹ thuật hấp phụ động
• 1.1.3. Tổng quan về than sinh học
• 1.1.3.1. Nguyên liệu để sản xuất than sinh học
• 1.1.3.2. Phương pháp chế tạo than sinh học
• 1.1.3.3. Một số phương pháp biến tính bề mặt than sinh học. Đặc tính của than sinh học, than biến tính
• 1.1.3.4. Ứng dụng của than sinh học trong xử lý môi trường
• 1.1.3.5. Tổng hợp các nghiên cứu trên thế giới và Việt Nam về phương pháp sử dụng than sinh học, than biến tính để xử lý amoni trong nước
• 1.2. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 1.2.1. Đối tượng nghiên cứu
• 1.2.2. Hóa chất, vật liệu, dụng cụ và thiết bị sử dụng
• 1.2.2.1. Hóa chất, vật liệu
• 1.2.2.2. Thiết bị và dụng cụ
• 1.2.3. Phương pháp nghiên cứu
• 1.2.3.1. Thực nghiệm chế tạo vật liệu
• 1.2.3.2. Thực nghiệm khảo sát khả năng hấp phụ amoni của than biến tính
• 1.2.3.3. Phương pháp nghiên cứu các đặc tính lý hóa của vật liệu. Phương pháp xác định hàm lượng amoni, Fe và Mn trong nước
• 1.2.3.4. Các phương pháp tính toán kết quả, xử lý số liệu
• 1.2.3.4.1. Tính toán dung lượng hấp phụ tĩnh
• 1.2.3.4.2. Tính toán giải hấp phụ
• 1.2.3.4.3. Tính toán dung lượng hấp phụ cột, thời gian tiếp xúc, độ dài tầng chuyển khối, hiệu suất sử dụng cột. Xử lý số liệu
• 1.3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 1.3.1. Xác định các thông số công nghệ của quá trình tạo than sinh học
• 1.3.1.1. Đặc điểm phân hủy nhiệt của lõi ngô
• 1.3.1.2. Xác định nhiệt độ nhiệt phân và thời gian nhiệt phân. Xác định các thông số của quá trình tạo than sinh học biến tính. Ảnh hưởng của nồng độ HNO3
• 1.3.1.2.1. Ảnh hưởng của tỉ lệ than và dung dịch HNO3 (R/L)
• 1.3.1.2.2. So sánh than trước biến tính (Bio-400) và sau biến tính (BioN, BioN-Na)
• 1.3.1.3. Xác định các thông số của quá trình tạo than hoạt tính biến tính
• 1.3.1.3.1. Ảnh hưởng của nhiệt độ
• 1.3.1.3.2. Ảnh hưởng của thời gian nhiệt phân. Ảnh hưởng của nồng độ axit H3PO4. Ảnh hưởng của tỉ lệ ngâm
• 1.3.1.3.3. So sánh ba loại vật liệu lõi ngô, BioP, BioP-Na
• 1.3.2. Tổng hợp các đặc tính của chất hấp phụ
• 1.3.2.1. Đặc điểm cấu trúc và hình thái của chất hấp phụ
• 1.3.2.2. Đặc điểm bề mặt
• 1.3.2.3. Đặc tính vật lý
• 1.3.3. Khảo sát khả năng xử lý amoni của than biến tính bằng kỹ thuật hấp phụ tĩnh
• 1.3.3.1. Ảnh hưởng của pH
• 1.3.3.2. Ảnh hưởng của thời gian tiếp xúc
• 1.3.3.3. Đẳng nhiệt hấp phụ
• 1.3.3.4. Động học hấp phụ. Nhiệt động học quá trình hấp phụ
• 1.3.3.5. Một số yếu tố ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ amoni trong môi trường nước
• 1.3.4. Nghiên cứu giải hấp phụ
• 1.3.4.1. Khảo sát khả năng xử lý amoni bằng kỹ thuật hấp phụ động mô phòng thí nghiệm
• 1.3.4.1.1. Ảnh hưởng của lưu lượng nước
• 1.3.4.1.2. Ảnh hưởng của hàm lượng amoni
• 1.3.4.1.3. Ảnh hưởng của chiều cao cột
• 1.3.4.2. Khảo sát khả năng xử lý amoni bằng kỹ thuật hấp phụ động (cột hấp phụ qui mô pilot)
• 2. ĐÓNG GÓP MỚI VỀ KHOA HỌC CỦA LUẬN ÁN
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• DANH MỤC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ

I. Tổng quan về than biến tính và ứng dụng

Than biến tính là vật liệu được nghiên cứu rộng rãi trong lĩnh vực xử lý môi trường, đặc biệt là trong việc loại bỏ các chất ô nhiễm như amoni. Lõi ngô, một phụ phẩm nông nghiệp dồi dào, được sử dụng làm nguyên liệu chính để chế tạo than sinh học và than biến tính. Quá trình xử lý amoni trong nước sinh hoạt đòi hỏi các vật liệu có khả năng hấp phụ cao, và than biến tính từ lõi ngô đáp ứng được yêu cầu này. Nghiên cứu này tập trung vào việc chế tạo than từ lõi ngô và ứng dụng nó trong công nghệ xử lý nước.

1.1. Nguyên liệu và phương pháp chế tạo

Lõi ngô được chọn làm nguyên liệu chính do tính sẵn có và chi phí thấp. Quá trình chế tạo than bao gồm các bước nhiệt phân và biến tính hóa học để tăng cường khả năng hấp phụ. Các phương pháp biến tính than như oxy hóa bằng HNO3 và xử lý bằng H3PO4 được áp dụng để cải thiện đặc tính bề mặt của than.

1.2. Ứng dụng trong xử lý nước

Than biến tính từ lõi ngô được sử dụng để xử lý amoni trong nước sinh hoạt. Các thí nghiệm hấp phụ tĩnh và động được tiến hành để đánh giá hiệu quả của than. Kết quả cho thấy than biến tính có dung lượng hấp phụ amoni cao hơn đáng kể so với than thông thường, đạt từ 16,6 đến 22,6 mg/g.

II. Hiện trạng ô nhiễm amoni và phương pháp xử lý

Amoni là một trong những chất ô nhiễm phổ biến trong nước ngầm tại Việt Nam, đặc biệt ở các khu vực như Hà Nội và Thành phố Hồ Chí Minh. Hàm lượng amoni vượt quá giới hạn cho phép nhiều lần, gây ra các vấn đề sức khỏe nghiêm trọng. Các phương pháp xử lý amoni truyền thống như làm thoáng, clo hóa, và trao đổi ion có những hạn chế nhất định. Than biến tính từ lõi ngô được đề xuất như một giải pháp hiệu quả và bền vững.

2.1. Hiện trạng ô nhiễm

Theo các báo cáo, hàm lượng amoni trong nước ngầm tại các tỉnh miền Bắc và Nam Bộ vượt quá giới hạn cho phép nhiều lần. Ví dụ, tại Hà Nội, hàm lượng amoni đạt tới 70 mg/l, cao hơn 23 lần so với quy chuẩn. Tình trạng này đòi hỏi các giải pháp xử lý nước hiệu quả và chi phí thấp.

2.2. Phương pháp xử lý

Các phương pháp xử lý amoni bao gồm hấp phụ, trao đổi ion, và sinh học. Trong đó, than biến tính từ lõi ngô được đánh giá cao nhờ khả năng hấp phụ lớn và chi phí thấp. Các thí nghiệm cho thấy than biến tính có thể loại bỏ amoni hiệu quả trong cả môi trường nước giả định và nước thải thực tế.

III. Kết quả nghiên cứu và ứng dụng

Nghiên cứu đã xác định được các thông số công nghệ tối ưu cho quá trình chế tạo than từ lõi ngô. Than biến tính được tạo ra có dung lượng hấp phụ amoni cao, đạt từ 16,6 đến 22,6 mg/g, gấp 3-5 lần so với than sinh học thông thường. Các thí nghiệm hấp phụ tĩnh và động đã chứng minh hiệu quả của than trong việc xử lý amoni trong nước sinh hoạt.

3.1. Đặc tính vật lý và hóa học

Than biến tính từ lõi ngô có diện tích bề mặt lớn và cấu trúc xốp, giúp tăng cường khả năng hấp phụ. Các phương pháp biến tính như oxy hóa và xử lý bằng axit đã cải thiện đáng kể đặc tính bề mặt của than, tăng số lượng nhóm chức axit, từ đó nâng cao hiệu quả hấp phụ amoni.

3.2. Ứng dụng thực tiễn

Nghiên cứu này mở ra tiềm năng ứng dụng than biến tính từ lõi ngô trong công nghệ xử lý nước tại Việt Nam. Với nguồn nguyên liệu dồi dào và chi phí thấp, than biến tính có thể trở thành giải pháp bền vững cho việc xử lý amoni trong nước sinh hoạt, góp phần bảo vệ sức khỏe cộng đồng và môi trường.