Nghiên cứu chế tạo vật liệu xử lý nhóm nitơ trong môi trường nước từ quặng pyrolusit tự nhiên

Luận văn thạc sĩ môi trường nghiên cứu hus nghiên cứu chế tạo vật liệu xử lý nhóm nitơ trong môi trường nước trên cơ sở biến tính quặng, khảo sát thực trạng, phân tích nguyên

• Tác giả: Phùng Đức Hòa
• Người hướng dẫn: PGS. Nguyễn Thị Huệ
• Trường học: Trường Đại học Khoa học Tự nhiên
• Chuyên ngành: Khoa học Môi trường
• Đề tài: Nghiên cứu, chế tạo vật liệu xử lý nhóm nitơ trong môi trường nước trên cơ sở biến tính quặng pyrolusit tự nhiên
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2014
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Tổng quan về tình hình ô nhiễm amoni và nitrit trong môi trường nước trên Thế giới và Việt Nam
• 1.2. Tình hình ô nhiễm amoni và nitrit trong môi trường nước trên Thế giới
• 1.3. Tình hình ô nhiễm amoni và nitrit trong môi trường nước ở Việt Nam
• 1.4. Các phương pháp xử lý nitơ trong môi trường nước
• 1.4.1. Phương pháp Clo hoá
• 1.4.2. Phương pháp đuổi khí
• 1.4.3. Phương pháp Ozon hoá
• 1.4.4. Phương pháp sinh học
• 1.4.5. Phương pháp trao đổi ion
• 1.5. Tổng quan về một số phương pháp chế tạo vật liệu từ quặng (Laterit, bentonit, diatomit, pyrolusit) trên Thế giới và Việt Nam
• 1.6. Tình hình nghiên cứu vật liệu có nguồn gốc tự nhiên để xử lý nhóm amoni (Laterit, bentonit, diatomit, pyrolusit…) trong môi trường nước
• 1.7. Đặc tính quặng Pyrolusit tự nhiên
• 2. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 2.1. Đối tượng nghiên cứu
• 2.2. Biến tính quặng Pyrolusit
• 2.3. Nước chứa amoni và nitrit (mẫu giả và mẫu nước thải công ty phân đạm Hà Bắc)
• 2.4. Phương pháp nghiên cứu
• 2.4.1. Phương pháp tổng quan tài liệu
• 2.4.2. Điều tra thực địa, lấy mẫu
• 2.4.3. Nghiên cứu thực nghiệm
• 2.4.4. Phương pháp phân tích, so sánh đánh giá kết quả
• 3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN
• 3.1. Kết quả khảo sát đặc tính quặng Pyrolusit tự nhiên và khả năng hấp phụ amoni, nitrit
• 3.2. Khả năng hấp phụ amoni và nitrit của quặng Pyrolusit
• 3.3. Kết quả biến tính quặng Pyrolusit
• 3.4. Kết quả chế tạo vật liệu
• 3.5. Cấu trúc bề mặt vật liệu
• 3.6. Kết quả đánh giá vật liệu biến tính
• 3.7. Kết quả khảo sát khả năng xử lý của quặng Pyrolusit biến tính
• 3.8. Kết quả khảo sát ảnh hưởng của thời gian đến hiệu quả xử lý nitrit và amoni
• 3.9. Kết quả khảo sát ảnh hưởng pH đến hiệu quả xử lý nitrit và amoni
• 3.10. Động học quá trình xử lý amoni và nitrit bằng quặng biến tính
• 3.11. Kết quả mô hình thử nghiệm xử lý amoni và nitrit bằng vật liệu (quy mô phòng thí nghiệm)
• 3.12. Kết quả đánh giá khả năng xử lý amoni và nitrit trong mẫu giả của hệ thí nghiệm
• 3.13. Kết quả đánh giá khả năng xử lý amoni và nitrit trong mẫu nước thải của hệ thí nghiệm
• 3.14. Đánh giá các kết quả nghiên cứu và đề xuất áp dụng
• 4. KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về nghiên cứu chế tạo vật liệu xử lý nitơ từ quặng pyrolusit

Nghiên cứu chế tạo vật liệu xử lý nitơ trong nước từ quặng pyrolusit đang trở thành một trong những giải pháp hiệu quả nhằm giảm thiểu ô nhiễm môi trường nước. Quặng pyrolusit, với thành phần chính là MnO2, có khả năng hấp phụ tốt các ion nitơ như amoni và nitrit. Việc biến tính quặng pyrolusit không chỉ nâng cao khả năng xử lý mà còn tạo ra vật liệu mới có hiệu suất cao trong việc loại bỏ các chất ô nhiễm này.

1.1. Đặc điểm quặng pyrolusit và ứng dụng trong xử lý nước

Quặng pyrolusit có nhiều ở miền Bắc Việt Nam, đặc biệt là vùng Cao Bằng. Với khả năng hấp phụ tốt, quặng này được nghiên cứu để chế tạo vật liệu xử lý nitơ trong nước. Các nghiên cứu cho thấy, pyrolusit có thể hấp phụ amoni và nitrit hiệu quả, giúp cải thiện chất lượng nước.

1.2. Tình hình ô nhiễm nitơ trong nước tại Việt Nam

Ô nhiễm nitơ trong nước tại Việt Nam đang ở mức báo động. Nước thải từ các khu công nghiệp và hoạt động nông nghiệp thải ra môi trường một lượng lớn amoni và nitrit, gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến chất lượng nước. Việc nghiên cứu và ứng dụng vật liệu từ quặng pyrolusit là cần thiết để giải quyết vấn đề này.

II. Vấn đề ô nhiễm nitơ trong nước và thách thức hiện tại

Ô nhiễm nitơ trong nước là một trong những vấn đề nghiêm trọng hiện nay. Nồng độ amoni và nitrit trong nước vượt mức cho phép, ảnh hưởng đến sức khỏe con người và hệ sinh thái. Các nguồn thải chính bao gồm nước thải công nghiệp và nông nghiệp, đòi hỏi các giải pháp xử lý hiệu quả.

2.1. Nguyên nhân gây ô nhiễm nitơ trong nước

Nguyên nhân chính gây ô nhiễm nitơ trong nước bao gồm hoạt động sản xuất công nghiệp, nông nghiệp và sinh hoạt. Nước thải từ các nhà máy chế biến thực phẩm, sản xuất phân bón và các ngành công nghiệp khác chứa hàm lượng nitơ cao, dẫn đến ô nhiễm nghiêm trọng.

2.2. Hệ quả của ô nhiễm nitơ đối với môi trường

Ô nhiễm nitơ không chỉ ảnh hưởng đến chất lượng nước mà còn gây ra các vấn đề về sức khỏe cộng đồng. Nồng độ amoni cao có thể gây ngộ độc cho động vật thủy sinh và ảnh hưởng đến sự phát triển của thực vật. Điều này dẫn đến sự suy giảm đa dạng sinh học trong các hệ sinh thái nước.

III. Phương pháp chế tạo vật liệu xử lý nitơ từ quặng pyrolusit

Chế tạo vật liệu từ quặng pyrolusit bao gồm các bước biến tính để nâng cao khả năng hấp phụ. Các phương pháp như nhiệt hóa và hóa học được áp dụng để tạo ra vật liệu có hiệu suất cao trong việc xử lý nitơ trong nước.

3.1. Quy trình biến tính quặng pyrolusit

Quá trình biến tính quặng pyrolusit bao gồm các bước như xử lý nhiệt và hóa học. Những phương pháp này giúp cải thiện cấu trúc bề mặt và tăng cường khả năng hấp phụ của vật liệu, từ đó nâng cao hiệu quả xử lý nitơ trong nước.

3.2. Đánh giá hiệu quả của vật liệu chế tạo

Sau khi chế tạo, vật liệu được đánh giá về khả năng hấp phụ amoni và nitrit. Các thí nghiệm cho thấy, vật liệu từ quặng pyrolusit biến tính có khả năng xử lý nitơ hiệu quả, đáp ứng tiêu chuẩn cho phép trong nước thải.

IV. Ứng dụng thực tiễn của vật liệu xử lý nitơ từ quặng pyrolusit

Vật liệu chế tạo từ quặng pyrolusit đã được ứng dụng trong nhiều mô hình xử lý nước thải. Kết quả cho thấy, vật liệu này không chỉ hiệu quả trong việc loại bỏ nitơ mà còn có khả năng tái sử dụng, giảm thiểu chi phí cho các cơ sở sản xuất.

4.1. Mô hình xử lý nước thải trong phòng thí nghiệm

Mô hình xử lý nước thải được thiết lập trong phòng thí nghiệm cho thấy hiệu quả cao trong việc loại bỏ amoni và nitrit. Các thí nghiệm cho thấy, vật liệu từ quặng pyrolusit có thể giảm nồng độ nitơ xuống mức cho phép trong thời gian ngắn.

4.2. Đề xuất giải pháp ứng dụng thực tiễn

Đề xuất giải pháp ứng dụng vật liệu chế tạo từ quặng pyrolusit trong các hệ thống xử lý nước thải công nghiệp. Việc áp dụng này không chỉ giúp cải thiện chất lượng nước mà còn tiết kiệm chi phí cho các cơ sở sản xuất.

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

Nghiên cứu chế tạo vật liệu xử lý nitơ từ quặng pyrolusit đã mở ra hướng đi mới trong việc giải quyết ô nhiễm nước. Với khả năng hấp phụ tốt và chi phí thấp, vật liệu này có tiềm năng lớn trong ứng dụng thực tiễn. Các nghiên cứu tiếp theo cần tập trung vào việc tối ưu hóa quy trình chế tạo và mở rộng ứng dụng.

5.1. Tầm quan trọng của nghiên cứu trong bảo vệ môi trường

Nghiên cứu chế tạo vật liệu từ quặng pyrolusit không chỉ giúp giải quyết vấn đề ô nhiễm nitơ mà còn góp phần bảo vệ môi trường nước. Việc phát triển các công nghệ xử lý hiệu quả là cần thiết để đảm bảo nguồn nước sạch cho cộng đồng.

5.2. Hướng nghiên cứu trong tương lai

Hướng nghiên cứu trong tương lai cần tập trung vào việc phát triển các vật liệu mới từ quặng tự nhiên khác, cũng như cải thiện quy trình chế tạo để nâng cao hiệu quả xử lý. Điều này sẽ giúp mở rộng khả năng ứng dụng và giảm thiểu ô nhiễm môi trường nước.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Ô nhiễm hợp chất nitơ trong môi trường nước đang là thách thức nghiêm trọng đối với hệ sinh thái và sức khỏe cộng đồng. Thống kê quan trắc môi trường cho thấy mỗi ngày có hơn 1.000.000 m³ nước thải chưa qua xử lý triệt để xả thẳng vào các lưu vực sông lớn, trong đó khoảng 70% lượng nước thải từ các khu công nghiệp chưa được kiểm soát tối ưu. Tại đồng bằng Bắc Bộ, xác suất các tầng nước ngầm nhiễm amoni vượt ngưỡng quy chuẩn dao động từ 70% đến 80%, cá biệt nhiều nguồn nước mặt ghi nhận nồng độ amoni vượt từ 12 đến 59 lần giới hạn cho phép theo QCVN 40:2011/BTNMT. Tình trạng phát thải nước thải chứa hàm lượng amoni và nitrit cao từ các nhà máy sản xuất phân bón hóa học, gốm sứ và dệt may đặt ra yêu cầu cấp thiết về các giải pháp xử lý triệt để, chi phí thấp và thân thiện với môi trường.

Mục tiêu trọng tâm của nghiên cứu là khảo sát đặc tính, nghiên cứu công nghệ biến tính nhiệt và biến tính hóa học đối với quặng pyrolusit tự nhiên vùng Cao Bằng, nhằm chế tạo vật liệu hấp phụ hiệu năng cao xử lý đồng thời amoni và nitrit. Phạm vi nghiên cứu thực nghiệm được triển khai trên cả hệ mẫu mô phỏng trong phòng thí nghiệm (nồng độ 20 mg/L) và mẫu nước thải công nghiệp thực tế thu thập từ Công ty TNHH MTV Phân đạm và Hóa chất Hà Bắc trong giai đoạn 2013 - 2014. Kết quả mở ra hướng đi bền vững khi tận dụng nguồn khoáng sản tự nhiên sẵn có với trữ lượng khảo sát trên 10 triệu tấn tại Việt Nam, nâng diện tích bề mặt riêng của vật liệu từ 9,127 m²/g lên 25,400 m²/g, đồng thời tăng hiệu suất tách loại nitrit lên 62,50% và amoni lên 29,50%, góp phần giảm thiểu rủi ro ô nhiễm thứ cấp và tối ưu hóa chi phí vận hành cho các trạm xử lý nước thải.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng lý thuyết hấp phụ bề mặt và quá trình oxy hóa nâng cao (AOPs) của các oxit kim loại chuyển tiếp:

1. Thuyết hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir và Freundlich: Mô hình Langmuir giải thích quá trình hấp phụ đơn lớp trên các tâm hoạt tính đồng nhất không có sự tương tác giữa các phân tử bị hấp phụ. Mô hình Freundlich mô tả quá trình hấp phụ đa lớp trên bề mặt dị thể với sự phân bố năng lượng không đồng đều.
2. Thuyết hấp phụ đa lớp Brunauer - Emmett - Teller (BET): Cung cấp cơ sở định lượng diện tích bề mặt riêng và thể tích mao quản của vật liệu rắn xốp thông qua sự hấp phụ vật lý của các phân tử khí nitơ ở nhiệt độ thấp.
3. Lý thuyết hóa học bề mặt oxit kim loại: Mangan đioxit (MnO2) và oxit sắt (Fe2O3) trong quặng pyrolusit đóng vai trò kép: vừa là chất xúc tác oxy hóa mạnh mẽ ở các dải pH khác nhau, vừa tạo các tâm trao đổi cation và anion nhờ sự hình thành các phức chất bề mặt như Fe(OH)2+ hoặc Mn-O.

Các khái niệm then chốt bao gồm: dung lượng hấp phụ cân bằng (qe), nồng độ cân bằng (Ce), tốc độ dòng lọc động học và hiệu ứng biến tính hoạt hóa bề mặt.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu thực nghiệm được thu thập từ nguồn quặng pyrolusit mỏ Tốc Tát (Cao Bằng) chứa 38,30% - 76,80% MnO2 và 4,70% - 19,40% Fe2O3. Mẫu nước thải thực tế được lấy từ Nhà máy Phân đạm Hà Bắc (công suất 150.000 tấn Urê/năm, lưu lượng thải 184 m³/h) với hàm lượng amoni ban đầu xấp xỉ 20 mg/L và nitrit khoảng 10 mg/L. Cỡ mẫu thực nghiệm bao gồm hơn 60 mẻ thí nghiệm hấp phụ gián đoạn (batch test) và hệ thống cột lọc động học liên tục.

Phương pháp chọn mẫu quặng được tiến hành theo phương pháp rây phân loại cơ học ngẫu nhiên để thu được cỡ hạt đại diện 0,20 - 0,50 mm và dưới 0,20 mm. Quy trình phân tích lựa chọn các kỹ thuật hiện đại:

• Kính hiển vi điện tử quét SEM (Hitachi S-4800) nhằm quan sát trực tiếp sự thay đổi hình thái vi cấu trúc và độ xốp bề mặt.
• Kỹ thuật đo đẳng nhiệt hấp phụ - khử hấp phụ BET (Gemini VII 2390 V1.02) để xác định chuẩn xác diện tích bề mặt riêng.
• Phương pháp quang phổ hấp thụ phân tử UV-Vis 2450 (bước sóng 655 nm với thuốc thử natri dicloroisoxianurat cho amoni; bước sóng 542,5 nm với thuốc thử Griess cho nitrit).

Lý do lựa chọn phương pháp trắc quang UV-Vis là nhờ độ nhạy vượt trội, giới hạn phát hiện thấp và sai số thực nghiệm dưới 2%, đáp ứng nghiêm ngặt các tiêu chuẩn kiểm định môi trường. Toàn bộ lộ trình nghiên cứu, chế tạo và thử nghiệm được hoàn thành đồng bộ trong thời gian 12 tháng.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Nghiên cứu đã ghi nhận 4 phát hiện thực nghiệm mang tính bước ngoặt:

1. Hiệu năng hạn chế của quặng thô: Quặng pyrolusit tự nhiên chưa biến tính có khả năng hấp phụ rất thấp đối với cả hai dạng ion ở nồng độ ban đầu 20 mg/L; sau 240 phút khuấy trộn, nồng độ nitrit chỉ giảm từ 20 mg/L xuống 18,10 mg/L (hiệu suất 9,50%) và amoni giảm xuống 15,20 mg/L (hiệu suất 24,00%).
2. Ưu thế biến tính nhiệt đối với cation amoni: Xử lý nhiệt ở các dải nhiệt độ 105°C - 1000°C làm biến đổi cấu trúc tinh thể; trong đó mẫu nung ở 400°C đạt hiệu suất xử lý amoni cao nhất là 29,50% sau 360 phút tiếp xúc, vượt trội hơn hẳn so với mức xử lý nitrit ở cùng điều kiện nhiệt độ (chỉ đạt 8,50%).
3. Đột phá xử lý anion nitrit bằng biến tính axit HCl: Biến tính hóa học quặng bằng dung dịch HCl 7% tạo ra sự gia tăng đột biến về khả năng loại bỏ nitrit với hiệu suất đạt đỉnh 62,50% tại thời điểm 240 phút (tăng gấp hơn 6,5 lần so với quặng tự nhiên), đồng thời duy trì hiệu suất xử lý amoni ổn định ở mức 29,50%.
4. Tái cấu trúc hình thái và tăng diện tích bề mặt: Kỹ thuật biến tính axit làm vỡ vụn các mảng khoáng nguyên khối, tạo mạng lưới mao quản đa tầng đồng đều; diện tích bề mặt riêng BET của hạt kích thước 0,20 - 0,50 mm tăng mạnh từ 9,127 m²/g (quặng sấy 105°C) lên 25,400 m²/g (quặng biến tính axit), tương ứng mức tăng trưởng gần 178,30%.

Thảo luận kết quả

Cơ chế hấp phụ vượt trội của quặng biến tính axit được giải thích thông qua tương tác hóa lý bề mặt. Axit HCl nồng độ 7% đã hòa tan các tạp chất bít tắc mao quản, đồng thời proton hóa bề mặt oxit mangan và sắt, tạo nên các tâm mang điện tích dương Fe(OH)2+ có ái lực tĩnh điện cực mạnh với anion NO2-. Ngược lại, khi biến tính bằng nhiệt ở 400°C hoặc xử lý kiềm NaOH, các liên kết hydroxyl trên bề mặt giải phóng proton, hình thành các vị trí mang điện tích âm thuận lợi cho việc trao đổi ion với cation NH4+.

So sánh với các nghiên cứu trước đây về khoáng tự nhiên như bentonit thô (dung lượng hấp phụ amoni chỉ đạt 4,20 mg/g) hay diatomit, pyrolusit biến tính thể hiện tính ưu việt rõ rệt nhờ cơ chế lai hóa giữa hấp phụ chọn lọc và hoạt tính xúc tác oxy hóa của MnO2.

Trong các báo cáo kỹ thuật, dữ liệu biến thiên hiệu suất theo thời gian (120 - 420 phút) và nồng độ tác nhân (5% - 9%) được trực quan hóa tối ưu qua biểu đồ đường đa trục kết hợp ảnh SEM phóng đại 50.000 lần. Đồ thị đẳng nhiệt hấp phụ tuyến tính Langmuir (Ce/qe theo Ce) và Freundlich (lg qe theo lg Ce) cho thấy hệ số tương quan R² đạt trên 0,95, minh chứng quá trình hấp phụ amoni và nitrit trên pyrolusit biến tính tuân theo cơ chế hấp phụ hóa học kết hợp khuếch tán nội hạt đồng nhất.

Đề xuất và khuyến nghị

Nhằm chuyển hóa kết quả nghiên cứu vào thực tiễn xử lý ô nhiễm nguồn nước, 4 giải pháp cụ thể được đề xuất:

1. Chuẩn hóa quy trình chế tạo vật liệu quy mô pilot: Viện Công nghệ Môi trường phối hợp cùng các đơn vị khai thác khoáng sản triển khai dây chuyền biến tính quặng pyrolusit bằng dung dịch HCl 7% với công suất 500 kg/mẻ trong vòng 6 tháng tới, nhằm hạ giá thành sản xuất vật liệu xuống dưới mức 15.000 VNĐ/kg.
2. Lắp đặt hệ thống lọc đa tầng tại cơ sở sản xuất phân bón: Ban lãnh đạo Công ty Phân đạm và Hóa chất Hà Bắc cần ứng dụng mô hình cột lọc nhồi vật liệu pyrolusit biến tính với lưu lượng vận hành 0,50 - 2,00 m³/h trong Quý 3/2025, đặt mục tiêu giảm nồng độ amoni từ 20 mg/L xuống dưới 5 mg/L, đảm bảo nước thải đầu ra đạt chuẩn A theo QCVN 40:2011/BTNMT.
3. Thiết lập chu trình giải hấp và tái sinh vật liệu: Nhóm nghiên cứu chuyên ngành Khoa học Môi trường thực hiện đề tài hoàn thiện quy trình tái sinh cột lọc bằng dung dịch hoàn nguyên thích hợp trong thời gian 9 tháng, hướng tới mục tiêu duy trì dung lượng hấp phụ trên 80% sau ít nhất 5 chu kỳ tái sử dụng liên tục.
4. Xây dựng cẩm nang hướng dẫn kỹ thuật cho các khu công nghiệp: Bộ Tài nguyên và Môi trường cùng các cơ quan quản lý ban hành sổ tay hướng dẫn ứng dụng khoáng chất biến tính trong xử lý nước thải công nghiệp trước năm 2026, giúp các doanh nghiệp dệt may và hóa chất cắt giảm 40% chi phí hóa chất so với phương pháp clo hóa truyền thống.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Công trình nghiên cứu mang giá trị thực tiễn và học thuật sâu sắc, đặc biệt hữu ích cho 4 nhóm đối tượng:

• Học viên cao học và nghiên cứu sinh ngành Khoa học Môi trường, Kỹ thuật Hóa học: Tiếp cận phương pháp luận nghiên cứu vật liệu học, kỹ thuật biến tính khoáng tự nhiên, quy trình phân tích hình thái học vi mô (SEM, BET) và mô hình hóa động học hấp phụ.
• Kỹ sư vận hành trạm xử lý nước thải tại các nhà máy hóa chất, đạm, dệt nhuộm: Vận dụng quy trình chế tạo vật liệu giá rẻ từ quặng pyrolusit để thay thế hoặc bổ trợ cho các cột trao đổi ion và tháp thổi khí tốn kém năng lượng.
• Doanh nghiệp sản xuất vật liệu lọc và thương mại công nghệ môi trường: Khai thác dữ liệu kỹ thuật để hoàn thiện dây chuyền sản xuất thương mại hạt lọc xử lý nitơ tổng, đa dạng hóa chuỗi sản phẩm lọc nước công nghiệp và dân dụng.
• Cán bộ quản lý môi trường tại các Sở Tài nguyên và Môi trường, Ban quản lý KCN: Sử dụng các luận cứ khoa học để thẩm định công nghệ xử lý nước thải chứa hợp chất nitơ, xây dựng phương án kiểm soát ô nhiễm nguồn nước mặt tại địa phương.

Câu hỏi thường gặp

Tại sao quặng pyrolusit tự nhiên chưa biến tính lại có dung lượng hấp phụ amoni và nitrit thấp? Quặng pyrolusit tự nhiên có cấu trúc tinh thể nguyên khối đặc sít, diện tích bề mặt riêng chỉ đạt 9,127 m²/g và các mao quản thường bị tạp chất lấp đầy. Bề mặt khoáng thô thiếu các tâm hoạt tính linh động và chưa hình thành các nhóm chức trao đổi ion, dẫn đến hiệu suất tách loại nitrit thực tế chỉ đạt dưới 10% ở nồng độ ban đầu 20 mg/L.

Nồng độ axit và thời gian phản ứng tối ưu trong quy trình biến tính quặng là bao nhiêu? Nghiên cứu thực nghiệm chứng minh dung dịch axit HCl nồng độ 7% mang lại hiệu quả cao nhất. Thời gian đạt cân bằng hấp phụ tối ưu đối với ion nitrit là 240 phút (đạt hiệu suất 62,50%) và đối với ion amoni là 360 phút (đạt hiệu suất 29,50%), trước khi vật liệu tiến vào trạng thái bão hòa bề mặt.

Vật liệu pyrolusit biến tính có xử lý hiệu quả nước thải công nghiệp thực tế không? Thử nghiệm trên mẫu nước thải thực tế của Nhà máy Phân đạm Hà Bắc cho thấy vật liệu duy trì khả năng hấp phụ ổn định. Khi đưa vào cột lọc động học với tốc độ dòng 0,50 L/phút, vật liệu xử lý triệt để hàm lượng amoni và nitrit, đưa nồng độ các chất ô nhiễm về ngưỡng an toàn theo quy chuẩn xả thải hiện hành.

Quá trình biến tính bằng axit HCl có gây hòa tan quặng hoặc phát sinh ô nhiễm thứ cấp không? Quá trình biến tính được kiểm soát nghiêm ngặt thông qua bước rửa ngược bằng nước cất đến khi pH đạt trạng thái trung tính (pH = 7,0) trước khi sấy khô ở 105°C trong 2 giờ. Cấu trúc oxit mangan và sắt được ổn định hóa, không làm rò rỉ ion kim loại nặng ra môi trường nước sau xử lý.

Điểm khác biệt giữa cơ chế xử lý của pyrolusit so với bentonit hay than hoạt tính là gì? Bentonit hay than hoạt tính chủ yếu vận hành dựa trên cơ chế hấp phụ vật lý thuần túy hoặc trao đổi cation đơn thuần. Ngược lại, pyrolusit biến tính tích hợp đồng thời cơ chế trao đổi ion trên bề mặt oxit lai hóa (MnO2/Fe2O3) và khả năng oxy hóa xúc tác nâng cao, cho phép xử lý đồng thời cả cation NH4+ lẫn anion NO2-.

Kết luận

• Chế tạo thành công vật liệu hấp phụ hiệu năng cao từ quặng pyrolusit tự nhiên Cao Bằng bằng phương pháp biến tính hóa học với axit HCl 7% và biến tính nhiệt ở 400°C.
• Nâng diện tích bề mặt riêng BET của vật liệu kích thước 0,20 - 0,50 mm từ 9,127 m²/g lên 25,400 m²/g, tạo cấu trúc vi mao quản phân tầng đồng nhất.
• Đạt hiệu suất tách loại cực đại 62,50% đối với nitrit tại thời điểm 240 phút và 29,50% đối với amoni tại thời điểm 360 phút trên mẫu thử nồng độ 20 mg/L.
• Chứng minh tính khả thi khi ứng dụng mô hình cột lọc động học xử lý nước thải thực tế từ nhà máy sản xuất phân đạm đạt tiêu chuẩn môi trường Việt Nam.
• Thiết lập lộ trình mở rộng quy mô pilot 500 kg/mẻ trong vòng 6 - 12 tháng tới và kêu gọi các doanh nghiệp công nghiệp hóa chất đẩy mạnh hợp tác chuyển giao công nghệ xử lý nước thải bền vững.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1. Tổng quan về tình hình ô nhiễm amoni và nitrit trong môi trường nước trên Thế giới và Việt Nam. Tình hình ô nhiễm amoni và nitrit trong môi trường nước trên Thế giới Amoni có mặt trong nước ngầm là do kết quả của quá trình phân huỷ yếm khí các hợp chất hữu cơ trong tự nhiên và cũng do các nguồn thải hữu cơ từ các hoạt động của con người. Nồng độ amoni cao từ 1-10mmol/L đã được tìm thấy ở các tầng chứa nước bị nhiễm bẩn do sự rò rỉ từ trong đất và trong các hoạt động thải nước thải nồng độ amoni cao.

Ô nhiễm nước đang là vấn đề đáng báo động trên thế giới hiện nay. Đặc biệt là các nước phát triển. Cùng với sự phát triển thì các khu công nghiệp, nhà máy… đã thải ra môi trường hàng loạt lượng chất thải độc hại. Theo đánh giá của nhiều báo cáo đánh giá và hội thảo khoa học thì tình trạng ô nhiễm amoni trong nước ngầm đã được phát hiện tại nhiều nơi trên thế giới.

Không chỉ ở Việt Nam tình hình ô nhiễm xảy ra nghiêm trọng mà ở các nước trên thế giới tình hình ô nhiễm cũng xảy ra với các nồng độ ô nhiễm khác nhau. Ví dụ, nồng độ amoni của nước bề mặt trong South Pennies (27 µeq L-1); Snowdonia (5,9 µeq L-1); Galloway (4,6 µeq L-1); and Mournes (11 µeq L-1) [28]. Nồng độ amoni trong nước thải ở Korea nằm trong phạm vi từ 800-3000mg/L [6]. Theo nghiên cứu của trường Đại học Nông nghiệp Trung Quốc, các chất ô nhiễm chứa ion Amoni và nitơ từ nước thải của ngành nông nghiệp, và công nghiệp ở Trung Quốc đã tăng hơn một nửa trong 30 năm qua (đến năm 2010), làm dấy lên lo ngại về môi trường đang xuống cấp của quốc gia này [10].

Đã có nhiều công trình khoa học sử dụng kỹ thuật đồng vị kết hợp với các phương pháp khác để nghiên cứu về nguồn gốc ô nhiễm Amoni cũng như sự di chuyển của chất này từ trong môi trường đất vào nước ngầm thông qua các quá trình biến đổi các hợp chất nitơ. 3 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. Tình hình ô nhiễm amoni và nitrit trong môi trường nước ở Việt Nam Hiện nay ở Việt Nam, mặc dù các cấp, các ngành đã có nhiều cố gắng trong việc thực hiện chính sách và pháp luật về bảo vệ môi trường, nhưng tình trạng nước thải chưa xử lý, xử lý chưa đạt hiệu quả gây ô nhiễm là vấn đề rất đáng lo ngại. Khoảng hơn 1 triệu m3 nước thải/ngày được xả thẳng ra các nguồn tiếp nhận không qua xử lý đã gây ra ô nhiễm môi trường nước mặt.Chất lượng nước mặt tại những vùng chịu tác động của nguồn thải đã suy thoái, đặc biệt tại các lưu vực sông: Đồng Nai, Cầu và Nhuệ - Đáy.

Sự ra đời và hoạt động của các KCN gắn liền với việc tiêu thụ một lượng nước và thải ra môi trường lượng nước thải rất lớn có mức độ ô nhiễm cao. Tuy nhiên, cho đến nay phần lớn các KCN ở nước ta đều chưa có hệ thống xử lý nước thải tập trung hoàn chỉnh và vận hành đúng quy trình, chỉ có một số ít KCN có trạm xử lý nước thải tập trung như: KCN Loteco (Đồng Nai), KCN Biên Hòa (Đồng Nai), KCN Nomura (Hải Phòng), KCN Nội Bài (Hải Phòng) và KCN Tân Tạo (TP. Hồ Chí Minh). Hầu hết nước thải của các nhà máy, xí nghiệp trong các KCN đều chưa được xử lý đúng mức trước khi thải ra môi trường xung quanh hoặc thải vào mạng lưới thoát nước chung (Ước tính có khoảng 70% lượng nước thải từ các KCN xả thẳng ra môi trường không qua xử lý).

Quá trình sản xuất một số loại hoá chất, phân bón, thức ăn cho gia súc, sợi tổng hợp thải ra lượng khá lớn hợp chất hữu cơ chứa nitơ, các hợp chất này dễ bị thuỷ phân trong môi trường gây ra ô nhiễm Amoni. Ở ngành công nghiệp dệt may, ngành công nghiệp giấy và bột giấy, nước thải thường có độ pH trung bình từ 9 - 11; chỉ số nhu cầu oxy sinh hoá (BOD), nhu cầu oxy hoá học (COD) có thể lên đến 700mg/L và 2.500mg/L; hàm lượng chất rắn lơ lửng. cao gấp nhiều lần giới hạn cho phép. Hàm lượng nước thải của các ngành 4 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] này có chứa xyanua (CN-) vượt đến 84 lần, H2S vượt 4,2 lần, hàm lượng NH3 vượt 84 lần tiêu chuẩn cho phép [8].

Qua khảo sát của Công ty Thoát nước Hà Nội, trung bình hệ thống thoát nước của thành phố lưu thông khoảng 450.000m3 nước thải/ngày, trong đó chủ yếu là nước thải sinh hoạt và nước thải công nghiệp. Tuy nhiên, chỉ có 5% lượng nước thải được xử lý, còn lại xả trực tiếp vào hệ thống thoát nước của thành phố. Qua số liệu quan trắc, các loại nước thải chưa qua xử lý có hàm lượng các chất bẩn cao, các chất hữu cơ. Ví dụ như hàm lượng ion Amoni tại các sông cao gấp 12 - 59 lần tiêu chuẩn cho phép[14] (Theo QCVN 40-2011/BTNMT: “Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về nước thải công nghiêp”, hàm lượng ion Amoni cho phép là 5mg/L đối với xả vào nguồn nước được dùng cho mục đích cấp nước sinh hoạt; 10mg/L đối với xả vào nguồn nước không dùng cho mục đích cấp nước sinh hoạt).

Qua kiểm tra, các cơ quan chức năng mới phát hiện rõ vụ việc nhà máy đạm thuộc Khu công nghiệp Khánh Phú (Ninh Bình) đã gây ô nhiễm môi trường nước cho khu vực. Cụ thể, hồi tháng 3/2012 tại kênh điều hoà nước thải khu công nghiệp Khánh Phú đoạn từ cống Kem đến cống Bà Đại kết quả mẫu nước kiểm nghiệm cho thấy hàm lượng amoni cao gấp 60 đến 80 lần cho phép. Gần đây, còn có hiện tượng cá chết hàng loạt tại ngòi sông Chanh. Các cơ quan chức năng (gồm Cảnh sát môi trường và Sở Tài nguyên và Môi trường tỉnh Ninh Bình) bắt quả tang việc nhà máy đạm Ninh Bình xả trộm nước thải không qua xử lý ra sông Đáy với hàm lượng ion Amoni gấp 330 lần qua cống Kem vào rạng sáng ngày 17/10 vừa qua càng làm cho nhân dân địa phương bức xúc [3].

Tình trạng ô nhiễm nước ở các đô thị thấy rõ nhất là ở thành phố Hà Nội và thành phố Hồ Chí Minh, ở các thành phố này, nước thải từ công nghiệp và sinh hoạt không có hệ thống xử lý tập trung mà trực tiếp xả ra nguồn tiếp nhận (sông, hồ, kênh, mương). Mặt khác, còn rất nhiều cơ sở sản xuất không xử lý nước thải, phần lớn các bệnh viện và cơ sở y tế lớn chưa có hệ thống xử lý nước thải… là những nguồn quan trọng gây ra ô nhiễm nước môi trường nước mặt và nước ngầm. 5 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Hiện tại nước của trục sông chính thuộc lưu vực sông Nhuệ - sông Đáy đã bị ô nhiễm ở những mức độ khác nhau.Nước thải từ các KCN và các cơ sở sản xuất không qua xử lý xả thẳng ra môi trường hòa với nước thải sinh hoạt. 1 Hàm lượng N-NH4+ trên sông Nhuệ giai đoạn qua 2007 – 2009 (Nguồn: [1]) Theo đánh giá của nhiều báo cáo và hội thảo khoa học thì tình trạng ô nhiễm ion Amoni trong nước ngầm đã được phát hiện tại nhiều vùng trong cả nước.

Chẳng hạn như tại thành phố Hồ Chí Minh: Theo Chi cục Bảo vệ môi trường thành phố Hồ Chí Minh, kết quả quan trắc nước ngầm tầng nông gần đây cho thấy lượng nước ngầm ở khu vực ngoại thành đang diễn biến ngày càng xấu đi. Cụ thể nước ngầm ở trạm Đông Thạch (huyện Hóc Môn) bị ô nhiễm ion Amoni (68,73 mg/L cao gấp 1,9 lần so với năm 2005) và có hàm lượng nhôm cao, độ mặn tăng và mức độ ô nhiễm chất hữu cơ cũng tăng nhanh trong những năm gần đây; nồng độ sắt trong nước ngầm của một số khu vực khác như Linh Trung, Trường Thọ (Thủ Đức), Tân Tạo (Bình Chánh)…cũng khá cao (11,76 đến 27,83 mg/L) vượt tiêu chuẩn cho phép gần 90 lần [9]. Do thực trạng hệ thống cấp- thoát nước, xử lý nước cấp và nước thải, chất thải rắn chưa đồng bộ, cộng thêm đó là sự phát triển cúa các ngành công-nông nghiệp ngày một tăng trong thời gian gần đây, chưa kể đến các quá trình diễn ra trong tự nhiên, điều kiện địa chất- thủy văn phức tạp ở vùng châu thổ sông Hồng đã gây cho nguồn nước cấp duy nhất hiện nay-nguồn nước ngầm, nguy cơ ô nhiễm ngày một cao, trong đó có ô nhiễm các hợp chất chứa nitơ. 6 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Theo đánh giá của nhiều báo cáo và hội thảo khoa học thì tình trạng ô nhiễm amoni trong nước ngầm đã được phát hiện tại nhiều vùng trong cả nước.

Chẳng hạn như tại thành phố Hồ Chí Minh: “ Theo chi cục bảo vệ môi trường thành phố Hồ Chí Minh (TP Hồ Chí Minh), kết quả quan trắc nước ngầm tầng nông gần đây cho thấy lượng nước ngầm ở khu vực ngoại thành đang diễn biến ngày càng xấu đi. Cụ thể nước ngầm ở trạm Đông Thạch (huyện Hóc Môn) bị ô nhiễm amoni (68,73 mg/L cao gấp 1,9 lần so với năm 2005). 2 Hàm lượng NH4+ trên sông Cầu đoạn chảy qua Thái Nguyên năm 2008 Hiện tại nước của trục sông chính thuộc lưu vực sông Nhuệ - sông Đáy đã bị ô nhiễm ở những mức độ khác nhau.Nước thải từ các KCN và các cơ sở sản xuất không qua xử lý xả thẳng ra môi trường hòa với nước thải sinh hoạt [1]. 3 Hàm lượng N-NH4+ trên sông Nhuệ giai đoạn qua 2007 – 2009.

7 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Bên cạnh sự ô nhiễm ở lưu vực các con sông thì khu vực ven bờ ở miền Bắc, Trung, Nam có hàm lượng amoni (N – NH4+) rất cao. Tại nhiều vùng cửa sông như Cửa Lục, Đồ Sơn, Ba Lạt, Rạch Giá, hàm lượng amoni đã vượt quá QCVN đối với nước biển ven bờ cho nuôi trồng thủy sản, bảo vệ thủy sinh [1]. 4 Diễn biến hàm lượng NH4+ trung bình trong nước biển ven bờ tại một số khu vực ven biển giai đoạn 2005-2009. Theo khảo sát của trung tâm nghiên cứu thuộc trung tâm khoa học tự nhiên và công nghệ quốc gia và trường Đại Học Mỏ- Địa Chất thì phần lớn nước ngầm ở vùng đồng bằng Bắc Bộ như Hà Nội, Hà Tây, Ninh Bình, Hải Dương…đều bị nhiễm bẩn amoni (NH4+) rất nặng, vượt tiêu chuẩn cho phép.

Tại Hà Nội, Hà Tây, Hà Nam, Nam Định, Ninh Bình, Hải Dương, Hưng Yên, Thái Bình, xác suất các nguồn nước ngầm nhiễm amoni ở nồng độ cao hơn tiêu chuẩn cho phép là khoảng 70-80% [1].