Đặt vấn đề Phốt pho nói chung, phốt phát nói riêng là chất dinh dưỡng thiết yếu cho quá trình sinh trưởng và phát triển của con người, cũng như các loài sinh vật khác. Ngoài ra muối phốt phát còn được ứng dụng rộng rãi trong nông nghiệp, công nghiệp như là: sản xuất phân bón, chế biến thủy tinh, hóa mỹ phẩm,… Do tính ứng dụng cao, nên lượng phốt phát được sử dụng và thải ra môi trường ngày càng nhiều. Tuy phốt phát không mang độc tính cao, nhưng sự hiện diện của chúng cùng với các hợp chất nitơ trong môi trường nước ở nồng độ cao, sẽ gây nên hiện tượng phú dưỡng, làm phá vỡ sự cân bằng của hệ sinh thái môi trường nước. Biện pháp hiệu quả nhất để kiểm soát quá trình phú dưỡng là tập trung kiểm soát nồng độ phốt pho/phốt phát hoặc các hợp chất nitơ trong nước, bằng phương pháp sinh học hoặc phương pháp hóa lý (như hấp phụ; keo tụ với muối nhôm, muối sắt).
Đối với phương pháp keo tụ bằng muối nhôm hoặc muối sắt có 1 số hạn chế như: cặn kết tủa thường có tính lắng không cao, nên cần có thiết bị lắng; có khả năng phóng thích ion hydro (H+) làm thay đổi giá trị pH của nước, đặc biệt trong các hồ có độ kiềm thấp hoặc vừa phải, dẫn đến giảm mạnh độ pH của nước, ảnh hưởng đến động thực vật trong nước [1, 2]. Đối với phương pháp hấp phụ, đây cũng là một giải pháp hiệu quả trong việc loại bỏ phốt phát, nhưng không tạo ra cặn lắng hoặc phóng thích ion hydro, đồng thời có chi phí đầu tư và vận hành thấp, chất hấp phụ có thể tái sử dụng nhiều lần và ít tạo ra chất độc hại sau quá trình xử lý [3, 4], tuy nhiên hiệu quả xử lý phụ thuộc vào nồng độ chất ô nhiễm và kỹ thuật chế tạo vật liệu cũng như bản chất của vật liệu hấp phụ. Các vật liệu nano trên cơ bản là oxit sắt (ví dụ: -Fe2O3; nano oxit sắt trên cacbon nanotube, chitosan và hỗn hợp của oxit sắt với oxit khác .) đã được nghiên cứu ứng dụng trong lĩnh vực môi trường. Tuy nhiên, ở Việt Nam các vật liệu này vẫn chưa được nghiên cứu và áp dụng rộng rãi trong thực tế.
Nhìn chung, các vật liệu hấp phụ thường được chế tạo thành các hạt có kích thước nano hoặc các hạt nano được gắn trên bề mặt của chất mang; và đòi hỏi chất mang phải có diện tích bề mặt lớn và tương tác mạnh với các hạt này. Mục đích của việc này là làm tăng diện tích tiếp xúc và tăng độ bền của các hạt hấp phụ [5]. Gần đây than trấu được nghiên cứu, ứng dụng làm chất hấp phụ trong xử lý môi trường: xử lý chì, thủy ngân, asen, metyl da cam [6-11]. Cũng giống như than hoạt tính, than trấu còn có thể được dùng như chất mang cho một số chất xúc tác và chất hấp phụ khác.
Như đã biết vật liệu cacbon thường có tương tác yếu đối với kim loại và oxit kim loại [12, 13]. Các oxit kim loại ít được sử dụng làm chất mang cho 4 chất hấp phụ trong xử lý nước thải vì diện tích bề mặt riêng nhỏ (~ 100200 m2/g) [5]. Theo nghiên cứu của nhóm chúng tôi cho thấy, than trấu sau hoạt hóa có diện tích bề mặt riêng lớn; đồng thời có thể tạo ra lực liên kết mạnh giữa chất mang và oxit sắt bởi oxit silic chứa trong than trấu, thỏa mãn các yêu cầu cần thiết của một chất mang. Vỏ trấu là phụ phẩm của nông nghiệp, rẻ tiền, dễ tìm, luôn sẵn có ở một nước nông nghiệp như Việt Nam và nhất là vùng Đồng bằng Sông Cửu Long được biết đến như là khu vực trồng lúa lớn nhất cả nước.
Phần lớn vỏ trấu được sử dụng làm nhiên liệu đốt lấy nhiệt và thải ra than trấu. Mặc dù than trấu được ứng dụng làm phân bón hoặc phụ gia cho ngành xây dựng, nhưng sản lượng tận dụng không nhiều, có nguy cơ gây ô nhiễm môi trường. Để góp phần giải quyết tiềm năng gây ô nhiễm môi trường từ than trấu cũng như tận dụng than trấu để sản xuất vật liệu hấp phụ, làm đa dạng hóa vật liệu hấp phụ trong lĩnh vực xử lý môi trường. Trong nghiên cứu này, than trấu sau hoạt hóa được sử dụng với vai trò là chất mang cho các hạt oxit sắt để chế tạo vật liệu hấp phụ phốt phát trong dung dịch.
Đây là một công trình nghiên cứu rất có ý nghĩa khoa học và mang tính thực tiễn cao (đồng thời tận dụng phần than trấu phế thải) trong công tác bảo vệ môi trường. Mục tiêu nghiên cứu Tận dụng chất thải từ quá trình đốt trấu (cụ thể là than trấu) để tổng hợp vật liệu hấp phụ (nano oxit sắt trên chất mang than trấu đã được hoạt hóa) và ứng dụng để loại bỏ ion phốt phát trong môi trường dung dịch. Đối tƣợng nghiên cứu và phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu: Vật liệu nano oxit sắt/than trấu hoạt hóa (FexOy/A- RHA) được chế tạo từ than trấu thu gom từ lò gạch thuộc huyện Châu Thành, tỉnh An Giang và một số hóa chất trong phòng thí nghiệm. Phạm vi nghiên cứu: Hoạt tính hấp phụ và động học quá trình hấp phụ của FexOy/A-RHA đối với nước giả thải có chứa phốt phát và nước thải sinh hoạt ở điều kiện phòng thí nghiệm.
Nội dung nghiên cứu Nghiên cứu đặc trưng của vật liệu FexOy/A-RHA: diện tích bề mặt riêng, phổ nhiễu xạ tia X (XRD), phổ hồng ngoại FTIR, ảnh chụp TEM. Xác định các điều kiện thích hợp cho quá trình hấp phụ phốt phát của FexOy/A-RHA. 5 + Ảnh hưởng của pH dung dịch. + Ảnh hưởng của thời gian hấp phụ.
+ Ảnh hưởng của hàm lượng FexOy được tẩm trên chất mang than trấu đã hoạt hóa. + Ảnh hưởng của nồng độ phốt phát ban đầu. + Ảnh hưởng của nhiệt độ môi trường hấp phụ. Xác định động học hấp phụ của quá trình loại bỏ phốt phát bằng vật liệu FexOy/A-RHA.
Thử nghiệm khả năng hấp phụ của vật liệu FexOy/A-RHA đối với ion phốt phát trong nước thải sinh hoạt, ở các điều kiện thích hợp đã khảo sát tại phòng thí nghiệm. Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn của đề tài Gần đây, than trấu đã được nhóm nghiên cứu của chúng tôi khám phá như một vật liệu hấp phụ hữu ích trong xử lý môi trường như hấp phụ metyl da cam, kim loại nặng (asen). Tiếp theo, vật liệu than trấu biến tính với oxit kim loại được thử nghiệm khả năng loại bỏ ion phốt phát trong môi trường nước. Nghiên cứu tận dụng nguồn chất thải sau khi đốt vỏ trấu lấy nhiệt, nhằm sản xuất ra vật liệu hấp phụ có hiệu quả loại bỏ ion phốt phát với chi phí thấp.
Từ đó góp phần giải quyết được các vấn đề ô nhiễm môi trường từ than trấu, đồng thời nghiên cứu còn giúp đa dạng hóa vật liệu hấp phụ trong xử lý môi trường hiện nay. Tạo tiền đề cho các nghiên cứu tiếp theo về vật liệu FexOy/A-RHA được sản xuất với quy mô lớn và ứng dụng rộng rãi trong thực tế, xử lý các nguồn nước bị nhiễm phốt phát như nước thải chăn nuôi, nước thải sinh hoạt,… cũng như những chất ô nhiễm khác. Công trình nghiên cứu được thực hiện dựa trên cơ sở khoa học. Kết quả thí nghiệm đo đạc, phân tích, tính toán, xử lý theo phương pháp thống kê nên kết quả nghiên cứu đảm bảo tính khoa học cao.
Tính mới của đề tài Than trấu được biết đến là một loại composite tự nhiên giữa cacbon và các oxit khác. Trên thế giới nói chung và Việt Nam nói riêng cũng đã có một số nghiên cứu về việc sử dụng trấu làm vật liệu hấp phụ để xử lý chất ô nhiễm môi trường như: phenol, chì, thủy ngân, kẽm, asen [6-11] với những cách biến tính than trấu khác nhau, sẽ mang lại hiệu quả xử lý các chất ô nhiễm khác nhau. Các nghiên cứu về than trấu vừa nêu chỉ dừng lại ở mức hoạt hóa và được dùng trực tiếp làm vật liệu hấp phụ chất ô nhiễm. 6 Trên cơ sở từ các nghiên cứu trước đây của chúng tôi, trong nghiên cứu này các hạt nano oxit sắt được gắn trên chất mang than trấu đã hoạt hóa được giới thiệu như là một vật liệu hấp phụ mới để loại bỏ ion phốt phát trong môi trường dung dịch.
Ở đây, than trấu sau khi hoạt hóa đóng vai trò là chất mang cho các hạt nano oxit sắt. 7 CHƢƠNG 2: TỔNG QUAN 2. Sơ lƣợc về phốt phát 2. Khái niệm về phốt phát Phốt pho là một phi kim đa hóa trị, phốt pho chủ yếu được tìm thấy trong các loại đá phốt phát vô cơ và trong các cơ thể sống.
Phốt phát là hợp chất muối của phốt pho và các khoáng chất khác (Na+ , K+, Ca2+, Fe3+, Mg2+,…). Tính chất vật lý và hóa học của phốt phát Theo Hoàng Nhâm [14] phần lớn các loại muối phốt phát không có màu. Tất cả đihyđrô phốt phát đều dễ tan trong nước, còn các muối monohyđrô phốt phát và phốt phát trung tính chỉ của muối kim loại kiềm là dễ tan. Trong các muối phốt phát tan, muối phốt phát trung tính của kim loại kiềm bị thủy phân rất mạnh trong dung dịch kiềm mạnh.
Ví dụ: Na3PO4 + H2O NaOH + Na2HPO4 Na2HPO4 + H2O NaOH + NaH2PO4 H2PO4- + H2O H3O+ + HPO42- HPO42- + H2O H3O+ + PO43- Khi có mặt ion Mg2+ và ion NH4+ ở trong dung dịch ammoniac, ion PO43- tạo nên kết tủa màu trắng NH4MgPO4, không tan trong dung dịch ammoniac nhưng tan trong axit: NH4+ + Mg2+ + PO43- = NH4MgPO4 Khi có mặt muối amoni molipdat (NH4)2MoO4 trong dung dịch HNO3, ion 3- PO4 tạo nên kết tủa amoni phốt pho molipdat (NH4)3[PMo12O40] có màu vàng không tan trong axit nitric nhưng tan trong kiềm và dung dịch ammoniac: 3NH4+ + PO43- + 12MoO42- + 24H+ = (NH4)3[PMo12O40] + 12H2O Những phản ứng này dùng để nhận ra ion PO43- có trong dung dịch. Các nguồn tạo phốt phát Ở môi trường tự nhiên phốt phát tồn tại dạng hòa tan (đơn, ortho) trong nước, một phần lớn nằm ở lớp bùn dưới dạng muối ít tan (Ca, Fe, Al) hoặc trong các tế bào chết của động vật, thực vật. Trong điều kiện yếm khí của lớp bùn đáy, các dạng 8 phốt phát không tan được một số loại vi khuẩn (Acinetobacter) phân hủy thành dạng hòa tan, thâm nhập trở lại nguồn nước. Bên cạnh môi trường tự nhiên, phốt phát còn được tạo ra bởi các hoạt động sinh hoạt, sản xuất của con người, từ đó góp phần làm gia tăng nồng độ phốt phát trong nước.
