Luận văn thạc sĩ vnua chế tạo vật liệu hấp phụ từ phế phụ phẩm nông nghiệp để xử lý chất hữu cơ trong nước thải làng nghề chế biến nông sản xã dương liễu huyện hoài đức thành phố hà nội

Luận văn thạc sĩ vnua nghiên cứu chế tạo vật liệu hấp phụ từ phế phụ phẩm nông nghiệp, xử lý chất hữu cơ trong nước thải nông sản.

• Tác giả: Nguyễn Thị Liên
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Thị Hồng Hạnh
• Trường học: Học Viện Nông Nghiệp Việt Nam
• Chuyên ngành: Khoa Học Môi Trường
• Đề tài: Chế Tạo Vật Liệu Hấp Phụ Từ Phế Phụ Phẩm Nông Nghiệp Để Xử Lý Chất Hữu Cơ Trong Nước Thải Làng Nghề Chế Biến Nông Sản Xã Dương Liễu – Huyện Hoài Đức – Thành Phố Hà Nội
• Loại tài liệu: Luận Văn
• Năm xuất bản: 2016
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• 1. MỞ ĐẦU
• 1.1. TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI
• 1.2. GIẢ THUYẾT KHOA HỌC
• 1.3. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU
• 1.4. PHẠM VI NGHIÊN CỨU
• 1.5. NHỮNG ĐÓNG GÓP MỚI, Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN
• 2. TỔNG QUAN TÀI LIỆU
• 2.1. TỔNG QUAN VỀ PHẾ PHỤ PHẨM NÔNG NGHIỆP
• 2.2. ĐỊNH NGHĨA VỀ PHẾ PHẨM NÔNG NGHIỆP TRỒNG TRỌT
• 2.3. PHÂN LOẠI PHẾ PHẨM NÔNG NGHIỆP
• 2.4. MỘT SỐ LOẠI BÃ THẢI NÔNG NGHIỆP
• 2.5. TÌNH HÌNH PHÁT SINH PHẾ PHỤ PHẨM NÔNG NGHIỆP TẠI VIỆT NAM
• 3. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 4. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 5. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT
• DANH MỤC BẢNG
• DANH MỤC HÌNH
• DANH MỤC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về nghiên cứu chế tạo vật liệu hấp phụ từ phế phẩm nông nghiệp

Nghiên cứu chế tạo vật liệu hấp phụ từ phế phẩm nông nghiệp đang trở thành một xu hướng quan trọng trong việc xử lý ô nhiễm môi trường, đặc biệt là nước thải. Các phế phẩm nông nghiệp như vỏ trấu và bã mía không chỉ là nguồn nguyên liệu phong phú mà còn có khả năng hấp phụ tốt các chất hữu cơ trong nước thải. Việc sử dụng các vật liệu này không chỉ giúp giảm thiểu ô nhiễm mà còn tạo ra giá trị kinh tế từ những nguồn tài nguyên sẵn có.

1.1. Định nghĩa và phân loại phế phẩm nông nghiệp

Phế phẩm nông nghiệp được định nghĩa là những sản phẩm không đạt yêu cầu về chất lượng và phải loại bỏ. Chúng có thể được phân loại thành phế phẩm trực tiếp và phế phẩm sau chế biến, với nhiều loại khác nhau như vỏ trấu, bã mía, và lõi ngô.

1.2. Tình hình phát sinh phế phẩm nông nghiệp tại Việt Nam

Ngành nông nghiệp Việt Nam sản xuất hàng triệu tấn phế phẩm mỗi năm. Sự gia tăng sản lượng nông nghiệp kéo theo khối lượng phế phẩm cũng tăng lên, gây áp lực lên môi trường nếu không được xử lý đúng cách.

II. Vấn đề ô nhiễm nước thải và thách thức trong xử lý

Ô nhiễm nước thải do chất hữu cơ là một trong những vấn đề nghiêm trọng hiện nay. Các chất ô nhiễm này có thể gây ra nhiều bệnh tật cho con người và động vật. Việc xử lý nước thải bằng các phương pháp truyền thống thường không hiệu quả và tốn kém. Do đó, cần tìm kiếm các giải pháp mới, hiệu quả hơn.

2.1. Nguyên nhân gây ô nhiễm nước thải

Các hoạt động sản xuất nông nghiệp, chế biến thực phẩm và sinh hoạt hàng ngày đều góp phần vào ô nhiễm nước. Chất hữu cơ từ nước thải có thể gây ra sự phát triển của vi khuẩn và tảo, làm giảm chất lượng nước.

2.2. Hệ quả của ô nhiễm nước thải

Ô nhiễm nước thải không chỉ ảnh hưởng đến sức khỏe con người mà còn tác động tiêu cực đến hệ sinh thái. Nguồn nước ô nhiễm có thể dẫn đến sự suy giảm đa dạng sinh học và làm hỏng các nguồn tài nguyên nước.

III. Phương pháp chế tạo vật liệu hấp phụ từ phế phẩm nông nghiệp

Việc chế tạo vật liệu hấp phụ từ phế phẩm nông nghiệp có thể thực hiện qua nhiều phương pháp khác nhau. Các phương pháp này không chỉ giúp tạo ra vật liệu có khả năng hấp phụ tốt mà còn góp phần vào việc tái chế và bảo vệ môi trường.

3.1. Phương pháp đốt yếm khí

Phương pháp đốt yếm khí là một trong những cách hiệu quả để chế tạo vật liệu hấp phụ từ vỏ trấu và bã mía. Quá trình này giúp tạo ra các vật liệu có cấu trúc xốp, tăng khả năng hấp phụ chất hữu cơ.

3.2. Phương pháp hoạt hóa bằng axit

Hoạt hóa bằng axit là phương pháp khác giúp cải thiện khả năng hấp phụ của vật liệu. Quá trình này giúp loại bỏ các tạp chất và tạo ra bề mặt hấp phụ lớn hơn.

IV. Kết quả nghiên cứu và ứng dụng thực tiễn

Kết quả nghiên cứu cho thấy vật liệu hấp phụ từ vỏ trấu và bã mía có khả năng hấp phụ tốt các chất hữu cơ trong nước thải. Việc ứng dụng các vật liệu này trong xử lý nước thải làng nghề chế biến nông sản đã cho thấy hiệu quả rõ rệt.

4.1. Khả năng hấp phụ của vật liệu chế tạo

Các thí nghiệm cho thấy vật liệu hấp phụ từ vỏ trấu có khả năng hấp phụ axit axetic và xanh methylen với hiệu suất cao. Điều này chứng tỏ tính khả thi của việc sử dụng vật liệu này trong xử lý nước thải.

4.2. Ứng dụng trong xử lý nước thải làng nghề

Vật liệu hấp phụ đã được thử nghiệm trong xử lý nước thải tại xã Dương Liễu, cho thấy khả năng loại bỏ chất hữu cơ hiệu quả, góp phần cải thiện chất lượng môi trường nước tại khu vực này.

V. Kết luận và triển vọng tương lai của nghiên cứu

Nghiên cứu chế tạo vật liệu hấp phụ từ phế phẩm nông nghiệp không chỉ mang lại lợi ích về môi trường mà còn tạo ra giá trị kinh tế. Việc tiếp tục nghiên cứu và phát triển các vật liệu này sẽ mở ra nhiều cơ hội mới trong lĩnh vực xử lý nước thải.

5.1. Tầm quan trọng của nghiên cứu

Nghiên cứu này không chỉ giúp giải quyết vấn đề ô nhiễm nước mà còn tạo ra các sản phẩm có giá trị từ phế phẩm nông nghiệp, góp phần vào phát triển bền vững.

5.2. Hướng đi tương lai cho nghiên cứu

Cần tiếp tục nghiên cứu để cải thiện quy trình chế tạo và mở rộng ứng dụng của vật liệu hấp phụ trong các lĩnh vực khác nhau, từ xử lý nước thải đến sản xuất năng lượng.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Làng nghề chế biến nông sản tại xã Dương Liễu, huyện Hoài Đức, thành phố Hà Nội là một trong những trung tâm sản xuất tinh bột sắn và miến dong quy mô lớn tại miền Bắc. Vào thời kỳ cao điểm mùa vụ, mỗi ngày địa phương này tiếp nhận và chế biến khoảng 1.500 tấn nguyên liệu, giải quyết việc làm cho hàng nghìn lao động và đưa Dương Liễu trở thành xã có thu nhập bình quân đứng thứ 3 toàn huyện Hoài Đức. Tuy nhiên, hoạt động này làm phát sinh lượng nước thải khổng lồ với mức độ ô nhiễm hữu cơ đặc biệt nghiêm trọng. Nhu cầu oxy hóa học (COD) trong nước thải thực tế dao động từ 540 mg/L đến 4.980 mg/L, vượt xa ngưỡng cho phép theo quy chuẩn quốc gia QCVN 40:2011/BTNMT (cột B quy định COD tối đa là 150 mg/L và BOD5 là 50 mg/L).

Song song với áp lực nước thải, ngành nông nghiệp Việt Nam hàng năm thải ra nguồn sinh khối phụ phẩm rất lớn, bao gồm khoảng 4 đến 5 triệu tấn trấu thu gom được từ 42 triệu tấn lúa gạo và hơn 2,5 triệu tấn bã mía từ 16 triệu tấn mía cây nguyên liệu. Phần lớn các phế phụ phẩm này bị đổ thải bừa bãi xuống kênh rạch hoặc đốt lộ thiên, gây ô nhiễm không khí và lãng phí tài nguyên. Nghiên cứu được triển khai trên địa bàn xã Dương Liễu (với tổng diện tích đất nông nghiệp 295,25 ha, trong đó đất lúa chiếm 133 ha) trong giai đoạn từ tháng 02/2015 đến tháng 03/2016 nhằm chế tạo vật liệu hấp phụ từ vỏ trấu (giống Khang Dân 18) và bã mía (giống VOC 01). Mục tiêu cụ thể là làm chủ quy trình biến tính bằng nhiệt và axit để xử lý triệt để các hợp chất hữu cơ trong dung dịch mô phỏng (axit axetic, xanh methylen) và nước thải thực tế, mang lại giải pháp kinh tế tuần hoàn bền vững cho các làng nghề nông thôn.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu ứng dụng lý thuyết hấp phụ bề mặt pha rắn - lỏng để làm sáng tỏ cơ chế giữ lại chất ô nhiễm hữu cơ. Mô hình đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir được thiết lập dựa trên giả định quá trình hấp phụ xảy ra đơn lớp trên các trung tâm đồng nhất không tương tác qua lại, biểu diễn qua phương trình:

$$\frac{C_{cb}}{q} = \frac{1}{q_{max} \cdot b} + \frac{C_{cb}}{q_{max}}$$

Trong đó, $q$ và $q_{max}$ là dung lượng hấp phụ cân bằng và dung lượng hấp phụ cực đại (mg/g), $C_{cb}$ là nồng độ chất tan ở trạng thái cân bằng (mg/L), và $b$ là hằng số tương tác Langmuir (L/mg). Bên cạnh đó, mô hình đa lớp Brunauer-Emmett-Teller (BET) và mô hình Freundlich cũng được sử dụng để đối chiếu tính chất mao quản của chất hấp phụ.

Năm khái niệm cốt lõi chi phối nghiên cứu gồm: dung lượng hấp phụ ($q$), hiệu suất hấp phụ ($H$, %), nhu cầu oxy hóa học (COD), nhiệt phân yếm khí (pyrolysis) và hoạt hóa hóa học. Về mặt hóa học, vỏ trấu chứa 34,3% - 43,8% xenlulozo và hàm lượng tro giàu oxit silic ($SiO_2$ chiếm 86,9% - 97,3%), trong khi bã mía chứa 40% - 50% xenlulozo và 18% - 23% lignin. Quá trình nung yếm khí ở 700°C giúp loại bỏ các phân tử hữu cơ bay hơi và tạo khung cacbon - silic xốp, còn quá trình tiếp xúc axit $H_2SO_4$ 98% gây đứt gãy liên kết polyme để hình thành các nhóm chức chứa oxy trên bề mặt.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu tiến hành thu thập mẫu nước thải đại diện tại 6 vị trí (ký hiệu M1 đến M6) ở xã Dương Liễu. Mẫu M1, M2, M3 là mẫu trung bình gộp từ 5 hộ gia đình sản xuất tại 3 công đoạn: rửa nguyên liệu, ngâm lắng và tách bã tinh bột; mẫu M4 và M5 lấy tại cống tiêu thoát thôn 10 và thôn 7A-7B; mẫu M6 là mẫu hỗn hợp của M1, M2, M3. Quy trình lấy mẫu và bảo quản tuân thủ nghiêm ngặt tiêu chuẩn TCVN 4556-1988 và TCVN 5993:1995 (ISO 5667-3:1985).

Vật liệu nghiên cứu gồm 6 mẫu chế tạo và 1 mẫu đối chứng:

• Mẫu thô: Trấu thô sấy khô (VL 1A) và bã mía đun sôi loại đường ở 100°C trong 50 phút rồi sấy khô (VL 1B).
• Biến tính nhiệt: Nung yếm khí VL 1A và VL 1B ở 700°C trong 2 giờ, tạo ra VL 2A (than trấu) và VL 2B (than bã mía).
• Biến tính hóa học: Ngâm VL 1A và VL 1B trong $H_2SO_4$ 98% (tỷ lệ 1 g : 1,5 mL) suốt 48 giờ, trung hòa bằng $NaHCO_3$ 5% trong 24 giờ rồi sấy ở 150°C trong 6 giờ, tạo ra VL 3A và VL 3B.
• Đối chứng: Than hoạt tính thương phẩm (VL 4).

Lý do lựa chọn phương pháp phân tích: Nồng độ axit axetic ($CH_3COOH$ từ 59,28 mg/L đến 1.506,00 mg/L) được định lượng chính xác bằng phương pháp chuẩn độ thể tích với NaOH 0,0104N (chỉ thị phenolphtalein). Nồng độ xanh methylen (49,335 mg/L đến 1.010,72 mg/L) được đo quang phổ UV-Vis tại bước sóng cực đại 660 nm dựa trên đường chuẩn 9 điểm nồng độ từ 0 đến 10 mg/L ($R^2 \approx 0,999$). Cấu trúc vật liệu được xác định qua kính hiển vi điện tử quét (SEM JEOL-JSM 5410LV), phổ tán sắc năng lượng tia X (EDX Oxford Ixix 300), nhiễu xạ tia X (XRD VNU-SIMEN-5005) và phân tích nhiệt DSC. Các mẻ thí nghiệm hấp phụ sử dụng 0,5 g vật liệu trong 50 mL dung dịch, lắc với vận tốc 150 vòng/phút trong dải thời gian từ 0 đến 150 phút.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình tổng hợp và khảo sát thực nghiệm ghi nhận 3 phát hiện khoa học trọng tâm:

1. Hiệu suất thu hồi khối lượng phụ thuộc lớn vào phương pháp chế tạo: Phương pháp hoạt hóa bằng axit $H_2SO_4$ 98% cho hiệu suất khối lượng vượt trội so với nhiệt phân yếm khí 700°C. Từ 100 g nguyên liệu ban đầu, mẫu trấu hoạt hóa axit (VL 3A) thu được 61,95 g (hiệu suất 61,95%), cao gấp 3,43 lần so với trấu nhiệt phân (VL 2A đạt 18,05 g, tương ứng 18,05%). Đối với bã mía, mẫu VL 3B đạt hiệu suất 29,85%, trong khi mẫu VL 2B chỉ đạt 0,987% do cấu trúc bã mía xốp, khối lượng riêng nhỏ và phần lớn hợp chất hữu cơ bị phân hủy nhiệt hoàn toàn.
2. Khả năng hấp phụ vượt trội của than trấu nhiệt phân 700°C (VL 2A): Khảo sát dung dịch chuẩn cho thấy VL 2A có dung lượng hấp phụ cực đại $q_{max}$ đối với axit axetic đạt 53,191 mg/g và đối với xanh methylen đạt 62,500 mg/g. Các chỉ số này cao hơn hẳn so với trấu thô VL 1A ($q_{max}$ với axit axetic đạt 16,150 mg/g và xanh methylen đạt 10,180 mg/g) cũng như các mẫu hoạt hóa axit VL 3A và VL 3B.
3. Hiệu quả xử lý nước thải làng nghề thực tế: Thử nghiệm xử lý nước thải làng nghề Dương Liễu ở 4 dải nồng độ COD (540 mg/L, 985 mg/L, 1.860 mg/L và 4.980 mg/L) cho thấy vật liệu VL 2A đạt dung lượng hấp phụ lên tới 117,970 mg/g sau 150 phút tiếp xúc, loại bỏ phần lớn các phân tử hữu cơ hòa tan và chất lơ lửng.

Thảo luận kết quả

Kết quả phân tích nhiệt quét vi sai (DSC) của vỏ trấu chỉ ra 3 giai đoạn biến đổi nội tại rõ rệt: pic thu nhiệt ở 120,11°C làm mất 21,13% khối lượng do bay hơi nước bề mặt; pic tỏa nhiệt ở 306,52°C làm mất 60,01% khối lượng do phân hủy cấu trúc xenlulozo; và vùng tỏa nhiệt tù từ 400°C đến 500°C làm mất 18,86% khối lượng do cháy kiệt chất hữu cơ. Khi xử lý ở 700°C, các hợp chất bay hơi thoát đi hoàn toàn, để lại khung vi mao quản xốp mịn đồng đều được kiểm chứng rõ nét trên ảnh chụp hiển vi điện tử SEM.

Số liệu thực nghiệm hấp phụ axit axetic và xanh methylen tương thích chặt chẽ với đường đẳng nhiệt Langmuir, thể hiện mối quan hệ tuyến tính hoàn hảo giữa đại lượng $C_{cb}/q$ và $C_{cb}$ qua đồ thị hồi quy. Diễn biến hấp phụ theo thời gian cho thấy tốc độ bắt giữ phân tử hữu cơ diễn ra mạnh mẽ nhất trong 30 đến 60 phút đầu (đạt trên 70% dung lượng cực đại), sau đó tiến dần tới trạng thái cân bằng động ở mốc 90 đến 150 phút khi các tâm hoạt tính trên bề mặt pha rắn bị bão hòa.

So với than bã mía nhiệt phân VL 2B (bị cản trở phép chuẩn độ do hàm lượng kim loại kiềm và kiềm thổ còn sót lại) hay vật liệu hoạt hóa axit VL 3A (kích thước hạt thô hơn), than trấu VL 2A chứng minh tính ưu việt về độ xốp, độ bền cơ học và hoạt tính hóa lý bề mặt.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên các phát hiện thực nghiệm, 4 giải pháp công nghệ và quản lý môi trường được đề xuất như sau:

1. Chuẩn hóa quy trình chế tạo vật liệu hấp phụ VL 2A quy mô bán công nghiệp:
   • Hành động: Thiết kế và vận hành lò nung nhiệt phân yếm khí liên tục ở nhiệt độ 700°C, tích hợp hệ thống thu hồi nhiệt khí thải để sấy nguyên liệu trấu ban đầu.
   • Target metric: Đạt công suất 200 - 500 kg than trấu/ngày, duy trì dung lượng hấp phụ COD ổn định trên 100 mg/g.
   • Timeline: Hoàn thiện thử nghiệm pilot trong vòng 6 - 9 tháng.
   • Chủ thể: Doanh nghiệp khoa học công nghệ phối hợp cùng Viện nghiên cứu và Sở Khoa học & Công nghệ Hà Nội.
2. Lắp đặt module lọc hấp phụ sinh khối tích hợp tại các cơ sở chế biến tinh bột:
   • Hành động: Xây dựng hệ thống cột lọc hoặc bể hấp phụ đa tầng sử dụng than trấu VL 2A đặt sau bể lắng sơ bộ và bể phản ứng yếm khí ABR.
   • Target metric: Giảm nồng độ COD nước thải từ mức 4.980 mg/L xuống dưới 150 mg/L (hiệu suất xử lý đạt trên 96,9%), đáp ứng QCVN 40:2011/BTNMT.
   • Timeline: Triển khai áp dụng cho 20 hộ sản xuất tiêu biểu trong thời gian 12 tháng.
   • Chủ thể: UBND xã Dương Liễu và các hộ gia đình làm nghề chế biến nông sản.
3. Thiết lập chuỗi cung ứng và thu gom phế phụ phẩm nông nghiệp địa phương:
   • Hành động: Tổ chức mạng lưới thu gom vỏ trấu từ 133 ha đất canh tác lúa của xã và bã mía thải bỏ từ chợ Sấu, ngăn chặn việc xả trấu xuống lòng sông, kênh mương.
   • Target metric: Thu gom triệt để trên 85% lượng vỏ trấu phát sinh tại địa bàn (khoảng 350 tấn/năm).
   • Timeline: Thực hiện định kỳ hàng quý bắt đầu từ đầu năm tiếp theo.
   • Chủ thể: Hợp tác xã Nông nghiệp Dương Liễu và Hội Nông dân huyện Hoài Đức.
4. Tăng cường kiểm soát xả thải và hỗ trợ vốn vay chuyển đổi xanh:
   • Hành động: Lắp đặt trạm quan trắc tự động đo COD và pH tại cống thoát nước chung thôn 7A, 7B, thôn 10; cung cấp các gói vay ưu đãi cho hộ lắp đặt hệ thống lọc.
   • Target metric: 100% cơ sở sản xuất ký cam kết xử lý nước thải, giảm thiểu 80% khiếu nại về ô nhiễm môi trường nước.
   • Timeline: Giám sát liên tục 6 tháng/lần giai đoạn 2016 - 2020.
   • Chủ thể: Phòng Tài nguyên và Môi trường huyện Hoài Đức phối hợp Ngân hàng Chính sách Xã hội.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nội dung và kết quả của luận văn mang lại giá trị thiết thực cho 4 nhóm đối tượng sau:

1. Cán bộ quản lý môi trường và chính quyền địa phương: Cung cấp bức tranh toàn diện về hiện trạng ô nhiễm hữu cơ (COD lên tới 4.980 mg/L) tại làng nghề chế biến nông sản, hỗ trợ xây dựng chính sách quản lý chất thải rắn nông nghiệp và quy hoạch hệ thống xử lý nước thải cho 43 làng nghề trên địa bàn Hà Nội.
2. Chủ cơ sở sản xuất tinh bột sắn, bún miến tại các làng nghề: Giúp các hộ chế biến tiếp cận giải pháp xử lý nước thải giá rẻ, tận dụng phế phẩm trấu sẵn có để giảm chi phí đầu tư hóa chất từ 40% đến 60% so với việc mua than hoạt tính thương phẩm.
3. Kỹ sư công nghệ môi trường và doanh nghiệp xử lý nước: Cung cấp đầy đủ thông số động học hấp phụ, dung lượng cực đại ($q_{max} = 53,191$ mg/g với axit axetic; 62,500 mg/g với xanh methylen) và quy trình hoạt hóa nhiệt 700°C làm cơ sở tính toán, thiết kế tháp hấp phụ dòng chảy liên tục.
4. Giảng viên, học viên cao học và sinh viên chuyên ngành Khoa học Môi trường, Hóa học: Là tài liệu tham khảo giá trị về phương pháp luận thực nghiệm, kỹ thuật phân tích hóa lý hiện đại (SEM, XRD, EDX, DSC) và kỹ năng xử lý số liệu theo mô hình đẳng nhiệt Langmuir.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao than trấu nhiệt phân ở 700°C (VL 2A) lại có khả năng hấp phụ vượt trội hơn mẫu hoạt hóa bằng axit sunfuric (VL 3A)?
Quá trình nhiệt phân yếm khí ở 700°C giúp đốt cháy và loại bỏ hoàn toàn các hợp chất hữu cơ bay hơi, hình thành khung vô cơ $SiO_2$ (chiếm 86,9% - 97,3% trong tro) với cấu trúc mao quản đồng đều và độ xốp cao. Ngược lại, mẫu VL 3A hoạt hóa bằng $H_2SO_4$ 98% có cấp hạt lớn hơn và diện tích bề mặt tiếp xúc hạn chế hơn, dẫn đến dung lượng hấp phụ xanh methylen chỉ đạt mức trung bình so với 62,500 mg/g của VL 2A.

2. Bã mía có thể thay thế hoàn toàn vỏ trấu trong chế tạo vật liệu hấp phụ hay không?
Bã mía khó thay thế hoàn toàn vỏ trấu do đặc tính nhẹ, xốp và tỷ lệ tro thấp. Khi nhiệt phân ở 700°C, hiệu suất khối lượng thu hồi của bã mía (VL 2B) chỉ đạt 0,987%, thấp hơn rất nhiều so với trấu (VL 2A đạt 18,050%). Tuy nhiên, bã mía lại phù hợp cho phương pháp hoạt hóa bằng axit (VL 3B đạt hiệu suất 29,85%) để ứng dụng xử lý các chất màu hoặc kim loại nặng trong dung dịch.

3. Mức độ ô nhiễm của nước thải làng nghề Dương Liễu nghiêm trọng như thế nào?
Nước thải chế biến tinh bột tại xã Dương Liễu có tải lượng ô nhiễm hữu cơ rất cao do lượng bột mịn và dịch bào hòa tan bị rửa trôi. Khảo sát thực tế tại các điểm xả thôn 7A, 7B và thôn 10 ghi nhận chỉ số COD dao động từ 540 mg/L đến 4.980 mg/L, BOD5 đạt từ 173 mg/L đến 359 mg/L và coliform tổng số lên tới $3,5 \times 10^6$ MPN/100mL, vượt chuẩn cho phép hàng chục lần.

4. Ý nghĩa thực tiễn của việc áp dụng mô hình đẳng nhiệt Langmuir trong nghiên cứu là gì?
Mô hình Langmuir chứng minh quá trình lưu giữ axit axetic và xanh methylen trên vật liệu VL 2A diễn ra theo cơ chế hấp phụ đơn lớp trên các tâm hoạt tính đồng nhất. Dựa vào phương trình tuyến tính hóa với hệ số góc cụ thể, nghiên cứu xác định được dung lượng cực đại lý thuyết $q_{max} = 53,191$ mg/g, cung cấp thông số toán học chuẩn xác để tính toán thể tích cột lọc khi mở rộng quy mô xử lý.

5. Vật liệu than trấu VL 2A có khả năng cạnh tranh kinh tế với than hoạt tính thương mại không?
Vật liệu than trấu VL 2A có giá thành sản xuất ước tính thấp hơn than hoạt tính thương mại (VL 4) từ 50% đến 70% nhờ sử dụng nguồn vỏ trấu phế thải sẵn có tại địa phương với chi phí nguyên liệu gần như bằng không. Dù dung lượng hấp phụ riêng lẻ có thể thấp hơn than thương phẩm cao cấp, VL 2A hoàn toàn vượt trội về tính khả thi kinh tế và độ sẵn có cho các hệ sinh thái làng nghề nông thôn.

Kết luận

• Chế tạo thành công 4 loại vật liệu hấp phụ biến tính từ nguồn phế phụ phẩm vỏ trấu (giống Khang Dân 18) và bã mía (giống VOC 01) thông qua hai phương pháp: nhiệt phân yếm khí ở 700°C và hoạt hóa hóa học bằng $H_2SO_4$ 98%.
• Vật liệu than trấu nung ở 700°C (VL 2A) sở hữu cấu trúc mao quản đồng nhất, đạt dung lượng hấp phụ cực đại $q_{max}$ là 53,191 mg/g đối với axit axetic và 62,500 mg/g đối với xanh methylen.
• Thử nghiệm xử lý nước thải thực tế tại làng nghề chế biến nông sản xã Dương Liễu khẳng định VL 2A có khả năng xử lý chất hữu cơ ấn tượng, đạt dung lượng hấp phụ 117,970 mg/g sau 150 phút ở dải nồng độ COD từ 540 mg/L đến 4.980 mg/L.
• Phương pháp hoạt hóa axit $H_2SO_4$ mang lại hiệu suất thu hồi khối lượng cao (VL 3A đạt 61,95% và VL 3B đạt 29,85%), cao hơn gấp 3,43 lần so với phương pháp nhiệt phân của vỏ trấu.
• Công trình mở ra hướng tiếp cận kinh tế tuần hoàn bền vững, giải quyết đồng thời hai bài toán cấp bách: tái chế phế phẩm sinh khối nông nghiệp rắn và làm sạch nguồn nước thải ô nhiễm hữu cơ đậm đặc tại các làng nghề truyền thống.

Kế hoạch tiếp theo trong giai đoạn 2016 - 2018 tập trung vào việc thử nghiệm hệ thống cột lọc hấp phụ liên tục quy mô pilot và đánh giá chu kỳ tái sinh vật liệu. Các cơ sở sản xuất, nhà khoa học và cơ quan quản lý môi trường quan tâm có thể khai thác toàn văn công trình nghiên cứu của tác giả Nguyễn Thị Liên để áp dụng giải pháp công nghệ xanh này vào thực tiễn địa phương.

Trích đoạn nội dung tài liệu

HỌC VIỆN NÔNG NGHIỆP VIỆT NAM NGUYỄN THỊ LIÊN CHẾ TẠO VẬT LIỆU HẤP PHỤ TỪ PHẾ PHỤ PHẨM NÔNG NGHIỆP ĐỂ XỬ LÝ CHẤT HỮU CƠ TRONG NƯỚC THẢI LÀNG NGHỀ CHẾ BIẾN NÔNG SẢN XÃ DƯƠNG LIỄU – HUYỆN HOÀI ĐỨC – THÀNH PHỐ HÀ NỘI Chuyên ngành: Khoa học môi trường Mã số: 60 44 03 01 Người hướng dẫn khoa học: TS. Nguyễn Thị Hồng Hạnh NHÀ XUẤT BẢN ĐẠI HỌC NÔNG NGHIỆP - 2016 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi, các kết quả nghiên cứu được trình bày trong luận văn là trung thực, khách quan và chưa từng dùng để bảo vệ lấy bất kỳ học vị nào. Tôi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện luận văn đã được cám ơn, các thông tin trích dẫn trong luận văn này đều được chỉ rõ nguồn gốc. Hà Nội, ngày tháng năm 2016 Tác giả luận văn Nguyễn Thị Liên i LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] LỜI CẢM ƠN Trong suốt thời gian học tập, nghiên cứu và hoàn thành luận văn, tôi đã nhận được sự hướng dẫn, chỉ bảo tận tình của các thầy cô giáo, sự giúp đỡ, động viên của bạn bè, đồng nghiệp và gia đình.

Nhân dịp hoàn thành luận văn, cho phép tôi được bày tỏ lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc TS.Nguyễn Thị Hồng Hạnh đã tận tình hướng dẫn, dành nhiều công sức, thời gian và tạo điều kiện cho tôi trong suốt quá trình học tập và thực hiện đề tài. Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới Ban Giám đốc, Ban Quản lý đào tạo, Bộ môn Hóa, Khoa Môi trường- Học viện Nông nghiệp Việt Nam đã tận tình giúp đỡ tôi trong quá trình học tập, thực hiện đề tài và hoàn thành luận văn. Tôi xin chân thành cảm ơn tập thể lãnh đạo, cán bộ viên chức Bộ môn Hóa và xã Dương Liễu đã giúp đỡ và tạo điều kiện cho tôi trong suốt quá trình thực hiện đề tài. Xin chân thành cảm ơn gia đình, người thân, bạn bè, đồng nghiệp đã tạo mọi điều kiện thuận lợi và giúp đỡ tôi về mọi mặt, động viên khuyến khích tôi hoàn thành luận văn.

Hà Nội, ngày tháng năm 2016 Tác giả luận văn Nguyễn Thị Liên ii LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] MỤC LỤC Lời cam đoan. ii Mục lục. iii Danh mục chữ viết tắt. vi Danh mục bảng.

vii Danh mục hình. ix Trích yếu luận văn. x Trích yếu luận văn. Tính cấp thiết của đề tài.

Gıả thuyết khoa học. Mục tıêu nghıên cứu. Phạm vı nghıên cứu. Những đóng góp mớı, ý nghĩa khoa học và thực tıễn.

Tổng quan tài liệu. Tổng quan về phế phụ phẩm nông nghiệp. Định nghĩa về phế phẩm nông nghiệp trồng trọt. Phân loại phế phẩm nông nghiệp.

Tình hình phát sinh phế phụ phẩm nông nghiệp tại Việt Nam. Thành phần và tính chất phế phụ phẩm nông nghiệp. Tổng quan về vỏ trấu. Lượng vỏ trấu phát sinh.

Thành phần chủ yếu của vỏ trấu. Một số ứng dụng của vỏ trấu. Tổng quan về bã mía. Tình hình trữ lượng.

Thành phần của bã mía. 14 iii LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. Một số ứng dụng của bã mía. Hiện trạng môi trường nước tại các làng nghề chế biến nông sản.

Các công nghệ xử lý nước thải chế biến nông sản. Xử lý nước thải bằng phương pháp hấp phụ. Cân bằng hấp phụ - Các phương trình đẳng nhiệt hấp phụ. Cơ chế của hiện tượng hấp phụ.

Các yếu tố ảnh hưởng tới quá trình hấp phụ. Vật liệu và phương pháp nghiên cứu. Địa điểm nghiên cứu. Thờı gıan nghıên cứu.

Đốı tượng/vật lıệu nghıên cứu. Nộı dung nghıên cứu. Phương pháp nghiên cứu. Phương pháp thu thập tài liệu.

Phương pháp thực nghiệm. Một số phương pháp xác định đặc trưng cấu trúc vật liệu. Phương pháp lấy mẫu và phân tích mẫu. Phương pháp tính toán kết quả và xử lý số liệu.

Kết quả và thảo luận. Kết quả chế tạo vật lıệu hấp phụ. Khối lượng VL tạo thành. Kết quả phân tích thành phần các nguyên tố của sản phẩm.

Kết quả ảnh chụp SEM của các vật liệu. Giản đồ nhiễu xạ XRD của các vật liệu. Kết quả khảo sát khả năng hấp phụ của vật lıệu vớı các mẫu nước chứa chất hữu cơ trong phòng thí nghıệm. Kết quả khảo sát khả năng hấp phụ của vật liệu đối với dung dịch CH3COOH.

Kết quả khảo sát khả năng hấp phụ của vật liệu đối với dung dịch xanh methylen. Đánh giá khả năng hấp phụ của các vật liệu với mẫu nước chứa chất hữu cơ trong phòng thí nghiệm. 61 iv LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. Thử nghıệm xử lý nước thảı làng nghề cbns xã dương lıễu bằng vật lıệu chế tạo.

Tìm hiểu về hiện trạng sản xuất chế biến nông sản tại xã Dương Liễu. Hiện trạng môi trường nước tại làng nghề Dương Liễu. Kết luận và kıến nghị. 69 Danh mục công trình công bố.

71 Tàı lıệu tham khảo. 75 v LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT Chữ viết tắt Nghĩa tiếng Việt BC Báo cáo BTNMT Bộ tài nguyên môi trường CBNS Chế biến nông sản CN Công nghiệp COD Nhu cầu oxy hóa học FAO Tổ chức lương thực thế giới KSON Kiểm soát ô nhiễm NNPTNT Nông nghiệp phát triển nông thôn PPPNN Phế phụ phẩm nông nghiệp PTCN Phát triển công nghiệp q Dung lượng hấp phụ Qmax Dung lượng hấp phụ cực đại UBND Ủy ban nhân dân VL Vật liệu VLHP Vật liệu hấp phụ vi LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] DANH MỤC BẢNG 2. Thành phần hoá học của một số phế phụ phẩm nông nghiệp. Đặc trưng thành phần hoá học của nguyên liệu trấu.

Thành phần hóa học của tro đốt từ trấu. Kết quả xác định thành phần nguyên tố của vỏ trấu. Tình hình sản xuất mía đường và trữ lượng mía đường trên thế giới từ 2007 – 2012. Thành phần hoá học của bã mía.

Đặc trưng nước thải một số làng nghề chế biến nông sản. Các đường đẳng nhiệt hấp phụ. Số liệu xây dựng đường chuẩn dung dịch xanh methylen. Vị trí lẫy mẫu nước thải tại làng nghề xã Dương Liễu.

Các chỉ tiêu và phương pháp phân tích nước thải. Khối lượng VL chế tạo từ vỏ trấu. Khối lượng VL chế tạo từ bã mía. Kết quả phân tích thành phần nguyên tố của các VL từ vỏ trấu và bã mía.

Ảnh hưởng của thời gian đến khả năng hấp phụ của các VL đối với dung dịch CH3COOH. Ảnh hưởng của khối lượng vật liệu hấp phụ đến khả năng hấp phụ axit axetic của các loại vật liệu. Ảnh hưởng của nồng độ dung dịch axit axetic đến khả năng hấp phụ của các loại VL. Giá trị dung lượng hấp phụ cực đại đối với axit axetic của các loại vật liệu.

Ảnh hưởng của thời gian đến khả năng hấp phụ của các vật liệu hấp phụ đối với dung dịch xanh methylen. Ảnh hưởng của khối lượng vật liệu hấp phụ đến khả năng hấp phụ xanh methylen của các VL. Ảnh hưởng của nồng độ xanh methylen ban đầu đến khả năng hấp phụ của các VL 1A, 1B, 2A, 3A, 3B, 4. 58 vii LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.

Dung lượng hấp phụ cực đại của các vật liệu hấp phụ đối với dung dịch Xanh methylen. Thống kê các sản phẩm chủ yếu năm 2015. Lượng nước thải của làng nghề Dương Liễu năm 2015. Đặc trưng nước thải làng nghề xã Dương Liễu.

Kết quả thử nghiệm khả năng hấp phụ của các vật liệu biến tính với nước thải làng nghề xã Dương Liễu. Dung lượng hấp phụ của các vật liệu trong khoảng thời gian từ 30 đến 150 phút. 67 viii LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] DANH MỤC HÌNH 2. Một số loại bã thải nông nghiệp.

Biểu đồ thể hiện sản lượng một số loại cây trồng qua các năm. Quy trình xử lý nước thải làng nghề chế biến tinh bột xã Tân Hòa, huyện Quốc Oai – Thành phố Hà Nội. Quy trình xử lý nước thải tinh bột mỳ tại nhà máy Phước Long. Đường hấp phụ đẳng nhiệt langmuir.

Sự phụ thuộc Ccb/q và Ccb. Đồ thị đường chuẩn xác định nồng độ dung dịch xanh methylen. Giản đồ phân tích nhiệt DSC mẫu vỏ trấu. Giản đồ phân tích EDX.

Hình ảnh các loại vật liệu. Giản đồ nhiễu xạ XRD của các vật liệu. Cấu trúc của chuỗi xenlulozo. Ảnh hưởng của thời gian đến hiệu suất hấp phụ axit axetic.

Ảnh hưởng của thời gian đến khả năng hấp phụ axit axetic của các loại vật liệu hấp phụ. Ảnh hưởng của khối lượng vật liệu đến hiệu suất hấp phụ của vật liệu. Ảnh hưởng của khối lượng vật liệu đến dung lượng hấp phụ của vật liệu. Đường đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir đối với dung dịch CH3COOH.

Sự phụ thuộc của Ccb/q và Ccb với dụng dịch CH3COOH. Ảnh hưởng của thời gian đến khả năng hấp phụ xanh methylen của các VL 1A, 1B, 2A, 3A, 3B. Ảnh hưởng của thời gian đến hiệu suất hấp phụ xanh methylen của các VL 1A, 1B, 2A, 3A, 3B. Mối quan hệ giữa khối lượng vật liệu và hiệu suất hấp phụ của VL 1A, VL 1B, VL 2A, VL 3A, VL 3B.

Đường đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir đối với dung dịch xanh methylen của các VL 1A, 1B, 2A, 3A, 3B, 4. Sự phụ thuộc của Ccb/q và Ccb với dụng dịch xanh methylen của các VL 1A, 1B, 2A, 3A, 3B, 4. 60 ix LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] TRÍCH YẾU LUẬN VĂN Báo cáo này trình bày kết quả nghiên cứu về các vật liệu hấp phụ được chế tạo từ hai loại nguyên liệu trấu và bã mía bằng các phương pháp khác nhau: Trấu sau khi được rửa sạch, phơi khô tạo thành vật liệu trấu thô (VL 1A); bã mía cắt nhỏ, rửa nhiều lần bằng nước để loại bỏ đường, đun sôi ở 100oC trong vòng 50 phút, rửa sạch và phơi khô tự nhiên tạo thành vật liệu mía thô (VL 1B). Các vật liệu thô (VL 1A và VL1B) tiếp tục được đem chế tạo bằng 2 phương pháp đốt yếm khí ở 700oC và hoạt hóa bằng axit sunfuric đặc 98% trong 48 giờ.

Sau chế tạo thu được bốn loại vật liệu biến tính khác nhau: VL 2A, 2B, 3A, 3B.