Nghiên Cứu Hấp Phụ Nitrat và Nitrit Trên Vật Liệu Than Hoạt Tính Biến Tính Bề Mặt Bằng APTES

LỜI CẢM ƠN

MỞ ĐẦU

1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

1.1. Giới thiệu chung về nitrite và nitrate

1.2. Hợp chất Nitrite

1.3. Hợp chất Nitrate

1.4. Một số nguồn gây ô nhiễm Nitrite và Nitrate

1.4.1. Nguồn gốc từ tự nhiên

1.4.2. Nguồn gốc từ nhân tạo

1.5. Ảnh hưởng của Nitrite và Nitrate

1.6. Hiện tượng phú dưỡng tại Việt Nam

1.7. Các quy định hiện có về hàm lượng nitrate và nitrite trong môi trường nước

1.8. Các phương pháp xác định nitrite và nitrate

1.8.1. Phương pháp quang phổ

1.8.2. Các phương pháp phân tích điện hóa

1.8.3. Phương pháp sắc kí

1.8.4. Phương pháp điện di mao quản

1.9. Các phương pháp loại bỏ nitrite và nitrate

1.9.1. Phương pháp vi sinh

1.9.2. Phương pháp quang xúc tác

1.9.3. Phương pháp hấp phụ

1.10. Tổng quan về than hoạt tính

1.10.1. Giới thiệu chung về than hoạt tính

1.10.2. Ứng dụng của than hoạt tính

2. CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM

2.1. Mục tiêu và nội dung nghiên cứu

2.1.1. Mục tiêu nghiên cứu

2.1.2. Nội dung nghiên cứu

2.2. Thiết bị, dụng cụ và hóa chất

2.2.1. Dụng cụ và hóa chất

2.3. Phương pháp nghiên cứu

2.3.1. Phương pháp quang phổ hấp thụ phân tử UV-Vis

2.3.2. Các phương pháp nghiên cứu đặc trưng vật liệu

2.3.3. Đẳng nhiệt hấp phụ

2.3.4. Động học hấp phụ

2.3.4.1. Mô hình biểu kiến bậc một

2.3.4.2. Mô hình biểu kiến bậc hai

2.4. Quy trình tổng hợp vật liệu

2.5. Quy trình xác định nồng độ nitrate và nitrite

2.6. Quy trình hấp phụ nitrate và nitrite

2.7. Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng tới quá trình hấp phụ

2.7.1. Khảo sát ảnh hưởng của pH

2.7.2. Khảo sát ảnh hưởng của khối lượng

2.7.3. Khảo sát ảnh hưởng của thời gian hấp phụ

2.7.4. Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ

2.7.5. Khảo sát ảnh hưởng của đồng ion hấp phụ

2.7.6. Khảo sát khả năng tái sử dụng của vật liệu

2.7.7. Khảo sát khả năng làm giàu NO3-, NO2- của vật liệu than hoạt tính/APTES – HCl bằng kỹ thuật chiết pha rắn SPE

2.8. Nghiên cứu cơ chế hấp phụ đẳng nhiệt

2.9. Nghiên cứu động học hấp phụ

2.10. Quy trình xử lý mẫu thật

3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

3.1. Đánh giá phương pháp xác định NO3- và NO2-

3.1.1. Xây dựng phương trình đường chuẩn

3.1.2. Độ đúng và độ lặp của phương pháp

3.2. Khảo sát đặc trưng của vật liệu than hoạt tính/APTES

3.2.1. Xác định thành phần nguyên tố bằng phổ EDS

3.2.2. Khảo sát hình thái bề mặt bằng SEM

3.2.3. Khảo sát nhóm chức bề mặt bằng phổ hồng ngoại (IR)

3.2.4. Xác định điện tích bề mặt bằng phương pháp đo thế Zeta

3.2.5. Xác định điện tích bề mặt bằng phương pháp BET

3.3. Tối ưu các điều kiện hấp phụ NO2- và NO3- bằng vật liệu

3.3.1. Đánh giá khả năng hấp phụ của các loại vật liệu

3.3.2. Ảnh hưởng của pH

3.3.3. Ảnh hưởng của khối lượng vật liệu

3.3.4. Ảnh hưởng của nồng độ NO2-, NO3- ban đầu

3.3.5. Ảnh hưởng của thời gian hấp phụ

3.4. Nghiên cứu mô hình đẳng nhiệt hấp phụ

3.5. Nghiên cứu mô hình động học hấp phụ

3.6. Khảo sát ảnh hưởng của đồng ion hấp phụ

3.7. Khảo sát khả năng tái sử dụng vật liệu

3.8. Khả năng làm giàu NO3-, NO2- của vật liệu than hoạt tính/APTES bằng kỹ thuật chiết pha rắn phân tán

3.9. Ứng dụng vào xử lý mẫu thật

TÀI LIỆU THAM KHẢO

I. Nghiên Cứu Hấp Phụ Nitrat Nitrit Tổng Quan Về Vấn Đề Nước

Ô nhiễm nguồn nước, đặc biệt là bởi các hợp chất chứa nitrogen như nitrat và nitrit, đang trở thành một vấn đề cấp bách trên toàn cầu, bao gồm cả Việt Nam. Sự gia tăng các chất ô nhiễm này không chỉ đe dọa đến tiêu chuẩn nước uống mà còn gây ra những hậu quả nghiêm trọng cho môi trường, như hiện tượng phú dưỡng. Trong bối cảnh đó, việc nghiên cứu và phát triển các giải pháp hiệu quả để loại bỏ nitrat và loại bỏ nitrit khỏi nguồn nước là vô cùng quan trọng. Hiện nay, có nhiều phương pháp xử lý khác nhau, từ các quá trình sinh học đến các phương pháp hóa học, nhưng phương pháp hấp phụ nổi lên như một lựa chọn đầy hứa hẹn nhờ khả năng làm sạch cao, khả năng tái sinh của chất hấp phụ và tính đơn giản trong vận hành. Phương pháp này đặc biệt phù hợp với điều kiện kinh tế và kỹ thuật ở các vùng nông thôn, nơi nguồn nước sạch ngày càng trở nên khan hiếm. "Do đó, việc nghiên cứu và đề xuất các giải pháp để loại bỏ chất gây ô nhiễm này ra khỏi nguồn nước là vô cùng cần thiết để đảm bảo cho sự an toàn của người tiêu dùng."

1.1. Tác Động Của Ô Nhiễm Nitrat Và Nitrit Lên Sức Khỏe

Nitrat thông thường không gây hại, nhưng khi nồng độ vượt ngưỡng hoặc chuyển hóa thành nitrit, nó có thể gây ảnh hưởng tiêu cực đến sức khỏe. Trong cơ thể, nitrat chuyển hóa thành nitrit nhờ enzyme, cản trở quá trình hình thành và trao đổi oxy của hemoglobin, dẫn đến thiếu oxy. Trẻ em dưới 6 tháng tuổi đặc biệt dễ bị ảnh hưởng, gây chậm phát triển và hội chứng "da xanh". Vì vậy, kiểm soát ô nhiễm nitrat và ô nhiễm nitrit là rất quan trọng để bảo vệ sức khỏe cộng đồng.

1.2. Hiện Trạng Ô Nhiễm Nitrat Nitrit Tại Việt Nam và Trên Thế Giới

Trên toàn cầu và tại Việt Nam, tình trạng ô nhiễm nitrat và ô nhiễm nitrit trong nguồn nước đang diễn biến phức tạp do nhiều nguyên nhân khác nhau, từ hoạt động nông nghiệp, công nghiệp đến sinh hoạt hàng ngày. Nước thải chưa qua xử lý, sử dụng phân bón không hợp lý và các hoạt động công nghiệp thiếu kiểm soát là những nguồn chính gây ra ô nhiễm. Sự gia tăng nồng độ nitrat và nitrit trong nước không chỉ ảnh hưởng đến sức khỏe con người mà còn gây ra các vấn đề môi trường nghiêm trọng.

II. Thách Thức Giải Pháp Xử Lý Nitrat Nitrit Bằng Than Hoạt Tính

Mặc dù có nhiều phương pháp xử lý nitrat và nitrit, như các quá trình sinh học và hóa học, nhưng mỗi phương pháp đều có những hạn chế nhất định về chi phí, hiệu quả và khả năng ứng dụng rộng rãi. Trong số đó, phương pháp hấp phụ sử dụng than hoạt tính nổi lên như một giải pháp tiềm năng nhờ vào tính kinh tế, dễ vận hành và khả năng tái sinh. Tuy nhiên, than hoạt tính thông thường có bề mặt kỵ nước, dẫn đến hiệu quả hấp phụ nitrat và nitrit không cao. Do đó, việc cải thiện khả năng hấp phụ của than hoạt tính thông qua biến tính bề mặt than hoạt tính là một hướng đi đầy triển vọng. APTES được sử dụng để biến tính bề mặt than hoạt tính nhằm tăng cường khả năng hấp phụ.

2.1. Tại Sao Than Hoạt Tính Biến Tính Lại Hiệu Quả Hơn

Than hoạt tính biến tính khắc phục nhược điểm bề mặt kỵ nước của than hoạt tính thông thường. Quá trình biến tính bề mặt than hoạt tính bằng các chất như APTES tạo ra các nhóm chức trên bề mặt than hoạt tính, làm tăng khả năng hấp phụ các ion nitrat và nitrit. Điều này giúp tăng hiệu quả xử lý nước ô nhiễm nitrat và ô nhiễm nitrit so với việc sử dụng than hoạt tính chưa qua biến tính.

2.2. APTES Chất Biến Tính Bề Mặt Than Hoạt Tính Đầy Tiềm Năng

APTES (3-Aminopropyltriethoxysilane) là một aminosilane có chứa các nhóm amin, có khả năng tạo liên kết với bề mặt than hoạt tính thông qua quá trình silan hóa. Nhóm chức –NH2 xuất hiện trên bề mặt sau khi biến tính giúp tăng tính ưa nước của vật liệu, cải thiện khả năng tương tác với các ion nitrat và nitrit. Điều này làm tăng khả năng hấp phụ của than hoạt tính biến tính APTES so với than hoạt tính thông thường. Mục tiêu đặt ra của đề tài luận văn này sẽ là “Nghiên cứu hấp phụ nitrite, nitrate trên vật liệu than họat tính được biến tính bề mặt bằng APTES”.

III. Phương Pháp Nghiên Cứu Quy Trình Biến Tính và Đánh Giá Hấp Phụ

Nghiên cứu này tập trung vào việc tổng hợp vật liệu than hoạt tính biến tính APTES và đánh giá khả năng hấp phụ nitrat và nitrit trong điều kiện khác nhau. Quy trình biến tính bao gồm việc gắn APTES lên bề mặt than hoạt tính thông qua phản ứng silan hóa. Sau đó, các phương pháp phân tích như phân tích BET, phân tích SEM, và phân tích FTIR được sử dụng để xác định đặc tính của vật liệu. Tiếp theo, các thí nghiệm động học hấp phụ và cơ chế hấp phụ được thực hiện để đánh giá khả năng hấp phụ, tìm hiểu ảnh hưởng pH, nhiệt độ hấp phụ, nồng độ ban đầu, và khả năng tái sinh vật liệu.

3.1. Phân Tích Đặc Tính Vật Liệu BET SEM FTIR Để Làm Gì

Phân tích BET (Brunauer-Emmett-Teller) được sử dụng để xác định diện tích bề mặt than hoạt tính và độ xốp than hoạt tính. Phân tích SEM (Scanning Electron Microscope) giúp khảo sát hình thái bề mặt của vật liệu. Phân tích FTIR (Fourier-transform Infrared spectroscopy) cung cấp thông tin về các nhóm chức trên bề mặt than hoạt tính, xác định sự có mặt của APTES sau quá trình biến tính.

3.2. Đánh Giá Hiệu Quả Hấp Phụ Động Học và Đẳng Nhiệt Hấp Phụ

IV. Kết Quả Thảo Luận Tối Ưu Hóa Khả Năng Hấp Phụ Nitrat Nitrit

Nghiên cứu này tập trung vào việc đánh giá và tối ưu hóa các điều kiện để nâng cao khả năng hấp phụ nitrat và nitrit của than hoạt tính biến tính APTES. Kết quả cho thấy hiệu quả xử lý nước tăng lên đáng kể khi sử dụng than hoạt tính biến tính APTES so với than hoạt tính thông thường. Các yếu tố như pH, khối lượng vật liệu, nồng độ ban đầu của nitrat và nitrit, và thời gian hấp phụ đều ảnh hưởng đến hiệu quả xử lý. Nghiên cứu cũng khảo sát khả năng tái sinh vật liệu và ảnh hưởng của đồng ion hấp phụ để đánh giá tính ứng dụng thực tế của vật liệu.

4.1. Ảnh Hưởng Của pH Khối Lượng Vật Liệu Đến Hấp Phụ

4.2. Khả Năng Tái Sử Dụng Vật Liệu Tiềm Năng Ứng Dụng Thực Tế

4.3. Ứng Dụng Xử Lý Mẫu Thật Kết Quả Đầy Hứa Hẹn

V. Ứng Dụng Thực Tiễn Than Hoạt Tính APTES Xử Lý Nước Hiệu Quả

Nghiên cứu này có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển một phương pháp xử lý nước hiệu quả và kinh tế để loại bỏ nitrat và loại bỏ nitrit từ các nguồn nước ô nhiễm. Việc sử dụng than hoạt tính biến tính APTES có thể giúp cải thiện tiêu chuẩn nước uống và bảo vệ sức khỏe cộng đồng. Kết quả nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học cho việc ứng dụng rộng rãi vật liệu này trong các hệ thống xử lý nước quy mô lớn và nhỏ.

5.1. So Sánh Với Các Phương Pháp Xử Lý Nước Khác

5.2. Tiềm Năng Ứng Dụng Trong Xử Lý Nước Tại Nông Thôn

VI. Hướng Nghiên Cứu Tương Lai Vật Liệu Mới Phương Pháp Cải Tiến

Nghiên cứu này mở ra những hướng đi mới trong việc phát triển các vật liệu hấp phụ hiệu quả hơn để xử lý nước ô nhiễm. Các nghiên cứu tương lai có thể tập trung vào việc khám phá các chất biến tính bề mặt than hoạt tính khác, tối ưu hóa quy trình tổng hợp vật liệu, và đánh giá hiệu quả của vật liệu trong điều kiện thực tế. Bên cạnh đó, việc nghiên cứu về độc tính nitrat và độc tính nitrit cũng cần được chú trọng để đảm bảo an toàn cho người sử dụng.

6.1. Phát Triển Vật Liệu Hấp Phụ Mới Với Hiệu Quả Cao Hơn

6.2. Nghiên Cứu Về Độc Tính Của Vật Liệu Biến Tính