Luận văn thạc sĩ: Hấp phụ ion phốt phát bằng hạt nano oxit sắt trên chất mang than trấu hoạt hóa

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật nghiên cứu kỹ thuật môi trường hoạt tính hấp phụ ion phốt phát của các hạt nano oxit sắt trên chất mang than, khảo sát thực trạng, phân tích nguyên nhân,

• Tác giả: Vũ Thị Đan Thanh
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Trung Thành
• Trường học: Đại học Bách Khoa, Đại học Quốc Gia Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ thuật Môi trường
• Đề tài: Hoạt Tính Hấp Phụ Ion Phốt Phát Của Các Hạt Nano Oxit Sắt Trên Chất Mang Than Trấu Đã Hoạt Hóa
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2016
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ
• LỜI CAM ĐOAN
• DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
• 1. CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU
• 1.1. Mục tiêu nghiên cứu
• 1.2. Đối tượng nghiên cứu và phạm vi nghiên cứu
• 1.3. Nội dung nghiên cứu
• 1.4. Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn của đề tài
• 1.5. Tính mới của đề tài
• 2. CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN
• 2.1. Sơ lược về phốt phát
• 2.1.1. Khái niệm về phốt phát
• 2.1.2. Tính chất vật lý và hóa học của phốt phát
• 2.1.3. Các nguồn tạo phốt phát
• 2.1.4. Vai trò và tác hại của phốt phát đối với môi trường
• 2.1.5. Các ứng dụng của phốt phát trong sinh hoạt và sản xuất của con người
• 2.1.6. Một số phương pháp loại bỏ phốt phát trong dung dịch
• 2.2. Phương pháp hấp phụ
• 2.2.1. Khái niệm và phân loại quá trình hấp phụ
• 2.2.2. Động lực hấp phụ
• 2.2.3. Động học hấp phụ
• 2.2.4. Phương trình hấp phụ đẳng nhiệt
• 2.2.5. Vật liệu hấp phụ
• 2.2.6. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hấp phụ
• 2.2.7. Một số nghiên cứu loại bỏ phốt phát bằng phương pháp hấp phụ
• 2.3. Một số phương pháp khảo sát đặc tính của vật liệu hấp phụ
• 2.3.1. Phương pháp xác định bề mặt riêng theo phương pháp hấp phụ (BET)
• 2.3.2. Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD)
• 2.3.3. Phương pháp quang phổ hồng ngoại (FTIR)
• 2.3.4. Phương pháp kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM)
• 2.4. Tổng quan về than trấu
• 2.4.1. Phương pháp hoạt hóa than trấu
• 2.4.2. Các ứng dụng của than trấu trong xử lý môi trường
• 2.5. Nano oxit sắt
• 2.5.1. Vật liệu nano
• 2.5.2. Hạt nano oxit sắt và khả năng loại bỏ ion phốt phát
• 2.5.3. Các phương pháp chế tạo hạt nano
• 3. CHƯƠNG 3: VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 3.1. Thời gian và địa điểm nghiên cứu
• 3.2. Nội dung nghiên cứu
• 3.3. Vật liệu thí nghiệm
• 3.3.1. Nước thải nhiễm phốt phát
• 3.3.2. Các hoá chất, thiết bị, dụng cụ sử dụng trong phân tích
• 3.4. Phương pháp nghiên cứu
• 3.4.1. Thu mẫu và bảo quản mẫu
• 3.4.2. Tổng hợp vật liệu FexOy/A-RHA
• 3.4.3. Xác định các đặc trưng của vật liệu
• 3.4.4. Khảo sát khả năng hấp phụ của vật liệu FexOy/A-RHA đối với phốt phát thông qua các yếu tố ảnh hưởng
• 3.4.5. So sánh khả năng hấp phụ phốt phát của vật liệu hấp phụ trên nền chất mang khác nhau (AC và A-RHA)
• 3.4.6. Thử nghiệm khả năng hấp phụ phốt phát của vật liệu đối với nước thải sinh hoạt
• 3.5. Phương pháp phân tích và xử lý số liệu
• 3.5.1. Phương pháp phân tích mẫu và đánh giá khả năng hấp phụ của vật liệu
• 3.5.2. Phương pháp xử lý số liệu
• 4. CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 4.1. Các đặc trưng của vật liệu hấp phụ FexOy/A-RHA
• 4.1.1. Diện tích bề mặt riêng của vật liệu
• 4.1.2. Đặc trưng FTIR của vật liệu
• 4.1.3. Đặc trưng XRD của vật liệu
• 4.1.4. Đặc trưng TEM của vật liệu
• 4.2. Khả năng hấp phụ ion phốt phát của vật liệu FexOy/A-RHA
• 4.2.1. Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả hấp phụ của vật liệu FexOy/A-RHA
• 4.2.2. Xác định động học hấp phụ của quá trình loại bỏ phốt phát bằng vật liệu FexOy/A-RHA
• 4.2.3. Đánh giá khả năng hấp phụ phốt phát của vật liệu hấp phụ trên nền chất mang khác nhau (AC và A-RHA)
• 4.2.4. Thử nghiệm khả năng hấp phụ ion phốt phát từ nước thải sinh hoạt
• 5. CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• LÝ LỊCH TRÍCH NGANG

Tóm tắt

I. Tổng quan về phốt phát

Phốt phát là một trong những thành phần dinh dưỡng thiết yếu cho sự sinh trưởng của tất cả các loài sinh vật. Tuy nhiên, khi thải ra môi trường, phốt phát có thể kết hợp với các hợp chất nitơ trong nước, dẫn đến hiện tượng phú dưỡng. Hiện tượng này gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến sự tồn tại và phát triển của hệ sinh thái nước. Do đó, việc loại bỏ phốt phát khỏi môi trường nước là rất cần thiết. Các phương pháp loại bỏ phốt phát hiện nay còn hạn chế về chủng loại và dung lượng hấp phụ. Việc nghiên cứu và phát triển các vật liệu hấp phụ mới từ phế phẩm nông nghiệp, như than trấu, đang được các nhà khoa học quan tâm. Than trấu hoạt hóa (A-RHA) đã được chứng minh là một vật liệu hấp phụ hiệu quả cho một số chất hữu cơ, và nghiên cứu này sẽ mở rộng ứng dụng của nó trong việc hấp phụ ion phốt phát.

1.1. Tính chất và vai trò của phốt phát

Phốt phát có vai trò quan trọng trong quá trình sinh học, đặc biệt là trong sự phát triển của thực vật và động vật. Tuy nhiên, khi nồng độ phốt phát trong nước tăng cao, nó có thể dẫn đến sự phát triển quá mức của tảo, gây ra hiện tượng phú dưỡng. Điều này không chỉ ảnh hưởng đến chất lượng nước mà còn làm giảm đa dạng sinh học trong hệ sinh thái nước. Việc nghiên cứu các phương pháp loại bỏ phốt phát là cần thiết để bảo vệ môi trường nước và duy trì sự cân bằng sinh thái.

II. Vật liệu và phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu này tập trung vào việc tổng hợp vật liệu hấp phụ ion phốt phát từ than trấu đã hoạt hóa (A-RHA) và muối sắt (III). Vật liệu FexOy/A-RHA được tổng hợp với các tỷ lệ khác nhau của FeCl3. Các đặc trưng của vật liệu được xác định thông qua các phương pháp như phổ hồng ngoại FTIR, phổ nhiễu xạ tia X (XRD), và kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM). Đặc biệt, diện tích bề mặt riêng của vật liệu FexOy/A-RHA với 5% FeCl3 tẩm đạt 463 m2/g, cho thấy tiềm năng lớn trong vai trò là chất hấp phụ. Nghiên cứu cũng khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hấp phụ phốt phát như thời gian, pH, và nồng độ phốt phát ban đầu.

2.1. Tổng hợp vật liệu FexOy A RHA

Quá trình tổng hợp vật liệu FexOy/A-RHA được thực hiện bằng cách tẩm muối sắt (III) lên than trấu hoạt hóa. Các mẫu vật liệu được chuẩn bị với các tỷ lệ khác nhau của FeCl3 để xác định ảnh hưởng của nồng độ sắt đến khả năng hấp phụ phốt phát. Các đặc trưng của vật liệu được phân tích để đánh giá hiệu quả hấp phụ. Kết quả cho thấy rằng vật liệu với 5% FeCl3 tẩm có khả năng hấp phụ phốt phát cao nhất, đạt 62,10±0,07 mgPO43-/gFeCl3.

III. Kết quả và thảo luận

Kết quả nghiên cứu cho thấy vật liệu FexOy/A-RHA có khả năng hấp phụ ion phốt phát hiệu quả. Dung lượng hấp phụ phốt phát tăng nhanh trong 30 phút đầu và đạt trạng thái cân bằng sau 60 phút. Hiệu quả hấp phụ cao nhất được ghi nhận trong môi trường có pH từ 4 đến 6. Nghiên cứu cũng chỉ ra rằng nồng độ phốt phát ban đầu không ảnh hưởng nhiều đến dung lượng hấp phụ, điều này cho thấy sự phù hợp với mô hình hấp phụ Langmuir. Đặc biệt, vật liệu FexOy/A-RHA không chỉ hấp phụ phốt phát mà còn có khả năng hấp phụ nitrat và một số chất hữu cơ trong nước thải sinh hoạt.

3.1. Đánh giá khả năng hấp phụ phốt phát

Khả năng hấp phụ phốt phát của vật liệu FexOy/A-RHA được đánh giá thông qua các thí nghiệm trong điều kiện phòng thí nghiệm. Kết quả cho thấy dung lượng hấp phụ cao nhất đạt được với mẫu 5% FeCl3-FexOy/A-RHA. Điều này chứng tỏ rằng việc sử dụng than trấu hoạt hóa làm chất mang cho các hạt nano oxit sắt là một phương pháp hiệu quả để nâng cao khả năng hấp phụ phốt phát. Ngoài ra, vật liệu này còn cho thấy khả năng hấp phụ nitrat và COD trong nước thải, mở ra hướng đi mới cho việc xử lý nước thải.

IV. Ứng dụng thực tiễn

Vật liệu FexOy/A-RHA có tiềm năng lớn trong việc xử lý nước thải chứa ion phốt phát. Việc sử dụng than trấu hoạt hóa không chỉ giúp giảm thiểu ô nhiễm môi trường mà còn tận dụng nguồn tài nguyên sẵn có từ nông nghiệp. Nghiên cứu này mở ra cơ hội cho việc phát triển các vật liệu hấp phụ mới, thân thiện với môi trường, có khả năng xử lý hiệu quả các chất ô nhiễm trong nước. Điều này không chỉ có ý nghĩa về mặt khoa học mà còn có giá trị thực tiễn cao trong việc bảo vệ môi trường nước.

4.1. Tiềm năng ứng dụng trong xử lý nước thải

Với khả năng hấp phụ phốt phát và nitrat, vật liệu FexOy/A-RHA có thể được ứng dụng trong các hệ thống xử lý nước thải sinh hoạt. Việc áp dụng vật liệu này không chỉ giúp cải thiện chất lượng nước mà còn góp phần bảo vệ hệ sinh thái nước. Nghiên cứu này khẳng định rằng việc phát triển các vật liệu hấp phụ từ phế phẩm nông nghiệp là một hướng đi bền vững cho công tác xử lý ô nhiễm môi trường.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Ô nhiễm nguồn nước do các hợp chất chứa phốt pho, đặc biệt là ion phốt phát, đang là một trong những nguyên nhân hàng đầu dẫn đến hiện tượng phú dưỡng tại các thủy vực tự nhiên. Tại khu vực Đồng bằng sông Cửu Long, vựa lúa lớn nhất cả nước thải ra hơn 1,7 triệu tấn phụ phẩm vỏ trấu mỗi năm. Trong khi đó, nước thải từ các ngành chế biến thủy sản và chăn nuôi có nồng độ phốt phát dao động từ 10 mg/L đến hơn 120 mg/PO43-/L, đe dọa nghiêm trọng hệ sinh thái nước mặt. Các phương pháp xử lý truyền thống như keo tụ bằng muối nhôm hay sắt thường phát sinh lượng bùn lắng khó xử lý và làm sụt giảm độ pH của nguồn nước.

Nghiên cứu của tác giả Vũ Thị Đan Thanh thực hiện từ tháng 7 năm 2015 đến tháng 12 năm 2015 tại Trường Đại học Bách Khoa - Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh và Đại học An Giang đã giải quyết triệt để bài toán này. Đề tài tập trung chế tạo vật liệu hấp phụ composite nano oxit sắt trên chất mang than trấu đã hoạt hóa (ký hiệu là FexOy/A-RHA) từ nguồn than trấu lò gạch tại huyện Châu Thành, tỉnh An Giang.

Vật liệu sau khi hoạt hóa bằng dung dịch axit hydrofluoric 10% và biến tính với 5% muối sắt ba clorua đạt diện tích bề mặt riêng lên tới 463 m2/g. Dung lượng hấp phụ thực nghiệm đạt mức 62,10 ± 0,07 mg PO43-/g FeCl3 trong thời gian xử lý nhanh chỉ 60 phút. Công trình không chỉ góp phần đa dạng hóa vật liệu xử lý nước thải với chi phí sản xuất thấp mà còn thúc đẩy mô hình kinh tế tuần hoàn, chuyển hóa chất thải nông nghiệp thành tài nguyên xử lý môi trường giá trị cao.

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 pha lỏng và hóa học phức chất bề mặt. Cơ chế hấp phụ ion phốt phát trong dung dịch nước được tiếp cận thông qua hai tương tác chủ đạo: tương tác tĩnh điện giữa các cấu tử tích điện và phản ứng trao đổi phối tử tạo phức bề mặt giữa anion phốt phát với các nhóm chức hydroxyl trên bề mặt hạt nano oxit sắt.

Quá trình phân tích trạng thái cân bằng pha sử dụng hai mô hình đẳng nhiệt kinh điển là mô hình Langmuir (mô tả sự hấp phụ đơn lớp trên các tâm hấp phụ đồng nhất về mặt năng lượng) và mô hình Freundlich (mô tả quá trình hấp phụ đa lớp trên bề mặt không đồng nhất). Động học của hệ hấp phụ được khảo sát toàn diện qua các mô hình động học biểu kiến bậc nhất, mô hình động học biểu kiến bậc hai, phương trình Elovich và mô hình khuếch tán nội hạt. Hệ thống lý thuyết còn vận dụng các khái niệm then chốt bao gồm hiện tượng phú dưỡng nguồn nước, dung lượng hấp phụ cân bằng, diện tích bề mặt riêng theo chuẩn Brunauer - Emmett - Teller và ái lực liên kết hóa học.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng mẫu than trấu tươi thu gom từ các lò gạch thủ công tại huyện Châu Thành, tỉnh An Giang. Mẫu được chọn theo phương pháp lấy mẫu ngẫu nhiên phân tầng nhằm đảm bảo tính đại diện cao. Toàn bộ các mẻ thí nghiệm hấp phụ tĩnh được thiết kế lặp lại 3 lần (n = 3) để loại trừ sai số ngẫu nhiên và đảm bảo độ tin cậy thống kê với độ lệch chuẩn nhỏ hơn 5%.

Quy trình thực nghiệm được triển khai từ tháng 7 năm 2015 đến tháng 12 năm 2015. Than trấu ban đầu được hoạt hóa bằng phương pháp ăn mòn hóa học với dung dịch axit hydrofluoric 10% trong 30 phút ở nhiệt độ phòng, sau đó rửa sạch đến pH trung tính và sấy khô ở 100°C qua đêm nhằm loại bỏ silica vô định hình, hình thành hệ thống mao quản rỗng. Tiếp theo, than trấu hoạt hóa được tẩm tiền chất sắt ba clorua theo 5 tỷ lệ khối lượng gồm 0%, 5%, 10%, 15% và 20% trước khi kết tủa tạo hạt nano oxit sắt trên bề mặt.

Cấu trúc và đặc trưng vật liệu được định danh qua hệ thống thiết bị đo diện tích bề mặt riêng BET (hấp phụ khí nitơ ở -196°C), phổ nhiễu xạ tia X (XRD), phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FTIR) và kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM). Phương pháp hấp phụ tĩnh dạng mẻ được lựa chọn vì cho phép kiểm soát chính xác các yếu tố ảnh hưởng gồm: pH dung dịch từ 2 đến 10, thời gian tiếp xúc từ 5 đến 180 phút, nồng độ phốt phát ban đầu từ 10 đến 100 mg/L và nhiệt độ từ 25°C đến 45°C. Nồng độ ion phốt phát được phân tích định lượng bằng phương pháp đo quang phổ hấp thụ phân tử UV-Vis ở bước sóng 880 nm với thuốc thử amoni molipdat, mang lại độ nhạy và độ chính xác cao.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Phân tích đặc trưng vật liệu cho thấy quá trình hoạt hóa bằng dung dịch axit hydrofluoric 10% đã nâng diện tích bề mặt riêng của than trấu từ 57,5 m2/g ở mẫu than trấu tươi lên mức 433 m2/g ở mẫu hoạt hóa. Khi gắn các hạt nano oxit sắt với tỷ lệ tẩm 5% sắt ba clorua, diện tích bề mặt riêng tiếp tục tăng lên mức 463 m2/g. Ảnh chụp kính hiển vi điện tử truyền qua TEM và phổ nhiễu xạ tia X XRD chứng minh các hạt nano oxit sắt có kích thước đồng đều dưới 50 nm phân tán bám chắc trên nền khung cacbon xốp.

Khảo sát các điều kiện hấp phụ cho thấy vật liệu đạt hiệu suất tối ưu trong môi trường axit yếu đến trung tính tại dải pH từ 4,0 đến 6,0. Dung lượng hấp phụ cực đại thực nghiệm đạt mức 62,10 ± 0,07 mg PO43-/g FeCl3. Tốc độ hấp phụ diễn ra rất nhanh: hơn 80% lượng ion phốt phát được loại bỏ chỉ trong 30 phút đầu tiên và đạt trạng thái cân bằng hoàn toàn sau 60 phút tiếp xúc.

Tỷ lệ tẩm 5% sắt ba clorua được xác định là ngưỡng tối ưu nhất. Khi tăng tỷ lệ tẩm lên 10%, 15% và 20%, dung lượng hấp phụ tính trên một đơn vị khối lượng sắt giảm dần từ 62,10 mg/g xuống còn dưới 40 mg/g. Nguyên nhân do các hạt oxit sắt dư thừa bị kết tụ dạng khối lớn, làm bít tắc các vi mao quản của chất mang than trấu.

Khi thử nghiệm thực tế trên nguồn nước thải sinh hoạt có nồng độ COD ban đầu 276,36 mg/L, vật liệu composite không chỉ giữ vững khả năng tách phốt phát mà còn hấp phụ đồng thời ion nitrat với dung lượng 8,99 ± 0,16 mg NO3-/g FeCl3 và làm giảm nồng độ COD xuống còn 252,12 ± 3,23 mg/L.

Thảo luận kết quả

Tại dải pH từ 4,0 đến 6,0, phốt phát trong dung dịch tồn tại chủ yếu ở dạng anion đơn phân H2PO4- và HPO42-. Bề mặt các hạt nano oxit sắt trong môi trường này tích điện thế dương mạnh mẽ, tạo lực hút tĩnh điện thuận lợi và kích hoạt phản ứng trao đổi phối tử nội cầu. Khi pH tăng lên trên 8,0, sự gia tăng mật độ ion hydroxyl tự do đã cạnh tranh gay gắt các vị trí hấp phụ, đồng thời làm đảo chiều điện tích bề mặt sang trạng thái âm, khiến dung lượng hấp phụ sụt giảm hơn 45%.

Dữ liệu cân bằng hấp phụ tương thích hoàn hảo với mô hình đẳng nhiệt Langmuir với hệ số tương quan tuyến tính R2 đạt trên 0,99. Từ phương trình Langmuir, dung lượng hấp phụ đơn lớp cực đại tính toán được là 60,61 mg PO43-/g FeCl3 và hằng số ái lực đạt 18,33 L/mg PO43-. Động học của hệ tuân theo phương trình biểu kiến bậc hai với hệ số tương quan R2 đạt xấp xỉ 0,999, dung lượng hấp phụ cân bằng lý thuyết đạt 62,11 mg PO43-/g FeCl3 và hằng số tốc độ phản ứng k2 đạt 2,13 × 10^-3 g/(mg·phút).

Khi biểu diễn dữ liệu qua các đồ thị tuyến tính t/qt theo thời gian và Ce/a theo nồng độ cân bằng Ce, các đường hồi quy thẳng tắp khẳng định cơ chế chủ đạo là hấp phụ hóa học đơn lớp. Khi so sánh với than hoạt tính thương mại tẩm 5% oxit sắt, vật liệu nền than trấu hoạt hóa cho dung lượng cao hơn khoảng 20% nhờ sự hỗ trợ liên kết bền vững giữa oxit sắt và khung cấu trúc silica tự nhiên trong tro trấu.

Đề xuất và khuyến nghị

Thứ nhất, mở rộng quy mô sản xuất vật liệu composite nano oxit sắt trên nền than trấu hoạt hóa. Các doanh nghiệp xử lý nước thải cần liên kết với các nhà máy xay xát lúa gạo tại Đồng bằng sông Cửu Long để xây dựng dây chuyền hoạt hóa tro trấu công suất 50 đến 100 kg/mẻ trong vòng 12 tháng tới, hướng tới mục tiêu thương mại hóa sản phẩm lọc với giá thành ước tính dưới 15.000 VNĐ/kg.

Thứ hai, tối ưu hóa kỹ thuật phân tán hạt nano oxit sắt trên bề mặt than trấu. Các viện nghiên cứu vật liệu và phòng thí nghiệm chuyên ngành cần tiếp tục cải tiến công nghệ đồng kết tủa hóa học nhằm phân bố đều các tâm hấp phụ sắt, nâng dung lượng hấp phụ mục tiêu lên mức trên 75 mg PO43-/g FeCl3 trong lộ trình nghiên cứu 6 tháng tiếp theo.

Thứ ba, thiết kế và thử nghiệm hệ thống cột lọc dòng liên tục quy mô pilot. Ban quản lý các khu công nghiệp chế biến thủy sản và đơn vị môi trường đô thị cần phối hợp lắp đặt mô hình cột hấp phụ cố định công suất 5 đến 10 m3/ngày đêm trong thời hạn 18 tháng, đánh giá khả năng hoàn nguyên vật liệu bằng dung dịch kiềm loãng natri hydroxit 0,1 M qua 5 đến 10 chu kỳ tái sử dụng.

Thứ tư, tái chế bã vật liệu sau hấp phụ thành phân bón nông nghiệp nhả chậm. Sở Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn cùng các hợp tác xã canh tác cần thực hiện dự án thử nghiệm phối trộn bã than trấu đã bão hòa phốt phát và nitrat vào đất trồng lúa và hoa màu, đặt mục tiêu cắt giảm từ 15% đến 20% lượng phân bón vô cơ trong vòng 2 năm.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nhóm giảng viên, nghiên cứu sinh và học viên cao học chuyên ngành Kỹ thuật Môi trường, Công nghệ Hóa học và Khoa học Vật liệu có thể sử dụng công trình làm tài liệu tham khảo chuyên sâu về phương pháp tổng hợp vật liệu composite từ phế phẩm sinh khối, cũng như quy trình tính toán động học và nhiệt động học hấp phụ.

Nhóm kỹ sư thiết kế và chuyên viên vận hành trạm xử lý nước thải tại các nhà máy chế biến thủy sản, thực phẩm, dệt nhuộm và khu đô thị có thể khai thác các thông số tối ưu về pH, thời gian và liều lượng vật liệu để ứng dụng vào công đoạn khử phốt phát bậc cao, đảm bảo nước thải đầu ra đạt quy chuẩn xả thải loại A.

Nhóm nhà quản lý môi trường và cơ quan hoạch định chính sách tại các Sở Tài nguyên và Môi trường khu vực Đồng bằng sông Cửu Long có thêm căn cứ khoa học và giải pháp thực tiễn để xây dựng chương trình quản lý tuần hoàn chất thải rắn nông nghiệp, xử lý dứt điểm hơn 1,7 triệu tấn vỏ trấu phát sinh hàng năm.

Nhóm doanh nghiệp sản xuất vật liệu lọc nước và phân bón hữu cơ sinh học có thể tiếp cận công nghệ chế tạo vật liệu giá rẻ, từ đó đầu tư thương mại hóa sản phẩm lõi lọc hấp phụ và sản xuất phân bón nhả chậm giàu dinh dưỡng khoáng từ bã thải sau xử lý.

Câu hỏi thường gặp

Chất mang than trấu hoạt hóa có điểm gì vượt trội hơn so với than hoạt tính thương mại? Than trấu sau khi xử lý bằng axit hydrofluoric 10% đạt diện tích bề mặt 433 m2/g và sở hữu khung silica tự nhiên. Cấu trúc này tạo liên kết hóa học bền vững với hạt nano oxit sắt, giúp phân tán tâm hấp phụ tốt hơn và đạt dung lượng khử phốt phát cao hơn than hoạt tính thương mại khoảng 20%.

Dải pH nào là tối ưu nhất cho quá trình hấp phụ phốt phát của vật liệu FexOy/A-RHA? Dải pH tối ưu được xác định từ 4,0 đến 6,0 với dung lượng hấp phụ đạt 62,10 ± 0,07 mg PO43-/g FeCl3. Trong khoảng pH này, bề mặt nano oxit sắt tích điện dương, tạo lực hút tĩnh điện cực mạnh với các anion phốt phát phân ly trong nước.

Tại sao tỷ lệ tẩm 5% sắt ba clorua lại cho hiệu quả cao hơn tỷ lệ 10% hay 20%? Tỷ lệ tẩm 5% sắt ba clorua giúp hạt nano oxit sắt phân tán đơn lớp đồng đều trên bề mặt có diện tích 463 m2/g. Tỷ lệ tẩm cao hơn làm các hạt sắt kết tụ thành khối lớn, gây nghẽn mao quản và làm giảm diện tích tiếp xúc hữu dụng của tâm hấp phụ.

Quá trình hấp phụ phốt phát của vật liệu tuân theo mô hình lý thuyết nào? Quá trình hấp phụ tuân thủ mô hình đẳng nhiệt Langmuir với dung lượng cực đại 60,61 mg/g và mô hình động học biểu kiến bậc hai với hằng số tốc độ 2,13 × 10^-3 g/(mg·phút), chứng minh cơ chế hấp phụ hóa học đơn lớp là chủ đạo.

Vật liệu có duy trì được hiệu quả khi xử lý nước thải sinh hoạt thực tế không? Vật liệu giữ nguyên dung lượng hấp phụ phốt phát trong nước thải sinh hoạt thực tế, không bị ảnh hưởng bởi ion cạnh tranh. Đồng thời, vật liệu còn hấp phụ thêm 8,99 mg NO3-/g FeCl3 và làm giảm nồng độ COD từ 276,36 mg/L xuống 252,12 mg/L.

Kết luận

• Tổng hợp thành công vật liệu composite FexOy/A-RHA từ than trấu lò gạch phế thải vùng Đồng bằng sông Cửu Long với diện tích bề mặt riêng đạt mức 463 m2/g tại tỷ lệ tẩm 5% sắt ba clorua.
• Xác lập điều kiện hấp phụ phốt phát tối ưu tại dải pH 4,0 đến 6,0 với thời gian cân bằng nhanh chóng trong 60 phút, đạt dung lượng hấp phụ thực nghiệm 62,10 ± 0,07 mg PO43-/g FeCl3.
• Khẳng định cơ chế hấp phụ hóa học đơn lớp chiếm ưu thế thông qua sự tương thích hoàn hảo với mô hình đẳng nhiệt Langmuir (dung lượng cực đại 60,61 mg/g) và mô hình động học biểu kiến bậc hai.
• Chứng minh tính khả thi cao trong xử lý nước thải sinh hoạt thực tế khi loại bỏ đồng thời anion nitrat đạt 8,99 ± 0,16 mg/g và cắt giảm tải lượng ô nhiễm hữu cơ COD từ 276,36 mg/L xuống 252,12 mg/L.
• Cung cấp giải pháp công nghệ thân thiện môi trường, hiện thực hóa chu trình kinh tế tuần hoàn từ tận dụng chất thải nông nghiệp đến bảo vệ nguồn tài nguyên nước mặt.

Trong giai đoạn 12 đến 24 tháng tới, các cơ quan nghiên cứu và doanh nghiệp cần tiếp tục chuẩn hóa quy trình chế tạo ở quy mô công nghiệp và phát triển mô hình cột lọc liên tục phục vụ thực tiễn. Độc giả quan tâm và các kỹ sư môi trường có thể khai thác toàn văn luận văn thạc sĩ của tác giả Vũ Thị Đan Thanh để áp dụng các thông số kỹ thuật chuẩn xác vào dự án xử lý nước thải thực tế.

Trích đoạn nội dung tài liệu

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 (~ 100200 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.