Luận văn về khả năng hấp phụ amoni NH4+ của composit hydrogel chitosan-g-poly acrylic acid

• Trường học: Trường Đại Học
• Chuyên ngành: Khoa Học Môi Trường
• Đề tài: Nghiên Cứu Khả Năng Hấp Phụ Amoni NH4+ Của Hydrogel Chitosan-g-poly Acrylic Acid
• Loại tài liệu: Đề Tài Tốt Nghiệp
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Hà Nội

• MỞ ĐẦU
• 1. TỔNG QUAN TÀI LIỆU
• 1.1. TỔNG QUAN VỀ Ô NHIỄM AMONI TRONG NƯỚC
• 1.1.1. Hiện trạng ô nhiễm amoni trong nước trên thế giới
• 1.1.2. Hiện trạng ô nhiễm amoni trong nước ở Việt Nam
• 1.1.3. Độc tính của amoni đối với sức khỏe của con người
• 1.1.4. Các dạng tồn tại của amoni trong nước
• 1.2. CÁC PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ NƯỚC NHIỄM AMONI
• 1.2.1. Phương pháp sinh học
• 1.2.2. Phương pháp hóa học
• 1.2.2.1. Phương pháp keo tụ điện hóa
• 1.2.2.2. Phương pháp kết tủa magie amoni photphat
• 1.2.2.3. Phương pháp oxy hóa có xúc tác
• 1.2.3. Phương pháp hóa lý
• 1.2.3.1. Làm thoáng để khử NH3 ở môi trường pH cao
• 1.2.3.2. Công nghệ dùng màng tiếp xúc lỏng-lỏng
• 1.2.3.3. Phương pháp trao đổi ion
• 1.2.3.4. Phương pháp hấp phụ
• 1.2.3.5. Clo hóa với nồng độ cao hơn điểm gãy
• 1.3. VẬT LIỆU HYDROGEL
• 1.3.1. Định nghĩa vật liệu hydrogel

I. Tổng quan về khả năng hấp phụ amoni NH4 của hydrogel chitosan g poly acrylic acid

Nghiên cứu khả năng hấp phụ amoni NH4+ từ nước là một vấn đề cấp bách trong bối cảnh ô nhiễm nước ngày càng gia tăng. Hydrogel chitosan-g-poly acrylic acid (CPB) đã được chứng minh là một vật liệu hấp phụ hiệu quả nhờ vào cấu trúc ưa nước và khả năng tương tác với các ion amoni. Việc tìm hiểu về khả năng hấp phụ này không chỉ giúp cải thiện chất lượng nước mà còn mở ra hướng đi mới cho công nghệ xử lý nước thải.

1.1. Đặc điểm của hydrogel chitosan và poly acrylic acid

Hydrogel chitosan là một loại polymer tự nhiên có khả năng hấp thụ nước cao. Poly acrylic acid, với tính chất ưa nước, khi kết hợp với chitosan tạo ra một vật liệu có khả năng hấp phụ amoni tốt hơn. Sự kết hợp này giúp tăng cường tính năng hấp phụ nhờ vào các nhóm chức năng có mặt trên bề mặt hydrogel.

1.2. Tầm quan trọng của việc nghiên cứu amoni trong nước

Amoni là một trong những chất ô nhiễm phổ biến trong nước, gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến sức khỏe con người và hệ sinh thái. Việc nghiên cứu khả năng hấp phụ amoni từ nước bằng hydrogel không chỉ giúp giảm thiểu ô nhiễm mà còn góp phần bảo vệ nguồn nước sạch cho cộng đồng.

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

Ô nhiễm amoni trong nước đang trở thành một vấn đề nghiêm trọng trên toàn cầu. Nguồn gốc của ô nhiễm này chủ yếu đến từ hoạt động nông nghiệp và công nghiệp. Việc xử lý amoni trong nước không chỉ là thách thức về công nghệ mà còn là vấn đề về chi phí và hiệu quả. Các phương pháp hiện tại vẫn còn nhiều hạn chế, đòi hỏi sự phát triển các vật liệu mới như hydrogel để cải thiện hiệu quả xử lý.

2.1. Nguyên nhân chính gây ô nhiễm amoni

Ô nhiễm amoni chủ yếu xuất phát từ việc sử dụng phân bón hóa học trong nông nghiệp và nước thải công nghiệp. Sự gia tăng dân số và nhu cầu thực phẩm đã dẫn đến việc sử dụng phân bón không kiểm soát, làm gia tăng nồng độ amoni trong nguồn nước.

2.2. Hệ quả của ô nhiễm amoni đối với sức khỏe

Amoni trong nước có thể gây ra nhiều vấn đề sức khỏe nghiêm trọng, bao gồm các bệnh về đường hô hấp và các vấn đề về tiêu hóa. Ngoài ra, amoni còn gây ra hiện tượng phú dưỡng, làm giảm chất lượng nước và ảnh hưởng đến hệ sinh thái.

III. Phương pháp tổng hợp hydrogel chitosan g poly acrylic acid hiệu quả

Phương pháp tổng hợp hydrogel chitosan-g-poly acrylic acid (CPB) bao gồm các bước chính như trùng hợp ghép và tối ưu hóa các thông số phản ứng. Việc điều chỉnh tỷ lệ các thành phần và điều kiện phản ứng là rất quan trọng để đạt được vật liệu có khả năng hấp phụ amoni tốt nhất. Nghiên cứu này sẽ cung cấp cái nhìn sâu sắc về quy trình tổng hợp và các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ.

3.1. Quy trình tổng hợp hydrogel CPB

Quy trình tổng hợp hydrogel CPB bao gồm việc kết hợp chitosan, axit acrylic và bentonit thông qua phương pháp trùng hợp ghép. Các thông số như nhiệt độ, thời gian phản ứng và tỷ lệ các thành phần cần được tối ưu hóa để đạt được hiệu quả hấp phụ cao nhất.

3.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ

Khả năng hấp phụ amoni của hydrogel CPB phụ thuộc vào nhiều yếu tố như pH, nồng độ amoni trong nước và thời gian tiếp xúc. Việc nghiên cứu các yếu tố này sẽ giúp tối ưu hóa quy trình xử lý nước ô nhiễm amoni.

IV. Kết quả nghiên cứu khả năng hấp phụ amoni của hydrogel CPB

Kết quả nghiên cứu cho thấy hydrogel CPB có khả năng hấp phụ amoni NH4+ cao, với dung lượng hấp phụ đạt được là một trong những giá trị tốt nhất so với các vật liệu truyền thống. Các thí nghiệm cho thấy rằng hydrogel CPB có thể loại bỏ amoni hiệu quả trong nhiều điều kiện khác nhau, mở ra triển vọng ứng dụng trong xử lý nước.

4.1. Dung lượng hấp phụ amoni của hydrogel CPB

Nghiên cứu đã chỉ ra rằng dung lượng hấp phụ amoni của hydrogel CPB có thể đạt tới 30 mg/g, cho thấy hiệu quả vượt trội so với các vật liệu hấp phụ khác. Điều này chứng tỏ rằng hydrogel CPB là một lựa chọn tiềm năng cho việc xử lý nước ô nhiễm amoni.

4.2. Ứng dụng thực tiễn của hydrogel CPB

Hydrogel CPB không chỉ có khả năng hấp phụ amoni mà còn có thể được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau như xử lý nước thải, bảo vệ môi trường và sản xuất nước sạch. Việc phát triển và ứng dụng hydrogel CPB sẽ góp phần giải quyết vấn đề ô nhiễm nước hiện nay.

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

Nghiên cứu khả năng hấp phụ amoni NH4+ của hydrogel chitosan-g-poly acrylic acid đã mở ra hướng đi mới trong công nghệ xử lý nước. Với những kết quả khả quan, hydrogel CPB có thể trở thành một giải pháp hiệu quả cho vấn đề ô nhiễm nước. Tương lai, cần tiếp tục nghiên cứu để cải thiện tính năng và mở rộng ứng dụng của vật liệu này trong thực tiễn.

5.1. Tầm quan trọng của nghiên cứu tiếp theo

Nghiên cứu tiếp theo cần tập trung vào việc tối ưu hóa quy trình tổng hợp và đánh giá khả năng hấp phụ trong các điều kiện thực tế. Điều này sẽ giúp khẳng định tính khả thi của hydrogel CPB trong xử lý nước ô nhiễm amoni.

5.2. Hướng phát triển công nghệ xử lý nước trong tương lai

Công nghệ xử lý nước cần được phát triển theo hướng bền vững và hiệu quả hơn. Hydrogel CPB có thể là một phần quan trọng trong việc phát triển các giải pháp mới nhằm cải thiện chất lượng nước và bảo vệ sức khỏe cộng đồng.

Tổng quan nghiên cứu

Nước là một trong những nhu cầu thiết yếu cho sự sống còn của con người, tuy nhiên, chỉ khoảng 3% tổng lượng nước trên Trái đất là nước ngọt, trong đó chỉ có 0,06% có thể khai thác sử dụng. Nhu cầu về nước sạch ngày càng tăng do sự gia tăng dân số và phát triển công nghiệp, nông nghiệp. Hiện nay, hơn 80 quốc gia với 40% dân số thế giới đang đối mặt với tình trạng thiếu nước nghiêm trọng, khoảng 1,2 tỷ người phải sử dụng nước không an toàn. Ô nhiễm nước, đặc biệt là ô nhiễm amoni, đang trở thành thách thức lớn ảnh hưởng đến sức khỏe con người và hệ sinh thái. Amoni trong nước có thể gây ra các bệnh nguy hiểm như ung thư, bệnh xanh da trời ở trẻ sơ sinh và làm giảm hiệu quả xử lý nước cấp.

Mục tiêu nghiên cứu là tổng hợp và đánh giá khả năng hấp phụ amoni (NH4+-N) của vật liệu hydrogel composit Chitosan-g-poly(acrylic acid)/Bentonit (CPB). Nghiên cứu tập trung vào việc tối ưu hóa các thông số tổng hợp như hàm lượng bentonit, tỷ lệ axit acrylic/chitosan, hàm lượng chất liên kết ngang MBA, thời gian và nhiệt độ phản ứng, đồng thời khảo sát hành vi hấp phụ amoni của vật liệu. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào tổng hợp vật liệu hydrogel composit và đánh giá khả năng hấp phụ amoni trong điều kiện phòng thí nghiệm, với các mẫu nước có nồng độ amoni từ 10 đến 1000 mg/L.

Nghiên cứu có ý nghĩa khoa học và thực tiễn cao trong việc phát triển vật liệu hấp phụ amoni hiệu quả, thân thiện môi trường, góp phần giải quyết vấn đề ô nhiễm nước và thiếu nước sạch tại Việt Nam và trên thế giới.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

• Lý thuyết hấp phụ: Quá trình hấp phụ amoni trên vật liệu hydrogel được mô tả qua các mô hình hấp phụ như Langmuir và Freundlich, phản ánh sự tương tác giữa amoni và các nhóm chức năng trên bề mặt vật liệu.
• Mô hình hydrogel composit: Hydrogel composit là vật liệu polyme ưa nước có cấu trúc mạng lưới ba chiều, kết hợp giữa polyme hữu cơ (chitosan, polyacrylic acid) và pha vô cơ (bentonit). Mạng lưới này tạo ra các vị trí hấp phụ amoni hiệu quả nhờ tính ưa nước, nhóm chức năng hoạt động và cấu trúc xốp.
• Khái niệm liên kết ngang (crosslinking): Tác nhân MBA tạo liên kết ngang giúp duy trì cấu trúc mạng hydrogel ổn định, ảnh hưởng đến độ trương nở và khả năng hấp phụ.
• Điểm đẳng điện (pHpzc): Xác định pH tại đó bề mặt vật liệu trung tính về điện tích, ảnh hưởng đến tương tác điện tích giữa amoni và vật liệu.
• Đặc tính vật liệu bentonit: Bentonit có cấu trúc lớp aluminosilicat với khả năng trao đổi ion và hấp phụ cao, đóng vai trò quan trọng trong việc tăng cường khả năng hấp phụ amoni của hydrogel composit.

Phương pháp nghiên cứu

• Nguồn dữ liệu: Nghiên cứu sử dụng các hóa chất tinh khiết, chitosan có độ deacetyl hóa 70-72%, bentonit tinh chế kích thước hạt dưới 10 μm. Dữ liệu thu thập từ các thí nghiệm tổng hợp vật liệu hydrogel composit CPB và các thí nghiệm hấp phụ amoni trong phòng thí nghiệm.
• Phương pháp tổng hợp: Tổng hợp vật liệu CPB bằng phương pháp trùng hợp ghép trong bình cầu 3 cổ, sử dụng chất khơi mào K2S2O8, tác nhân liên kết ngang MBA, và bentonit được xử lý tách lớp. Các thông số tổng hợp được biến đổi gồm hàm lượng bentonit (0,5-30%), tỷ lệ axit acrylic/chitosan (3-7), hàm lượng MBA (0-3%), thời gian phản ứng (2-6 giờ), nhiệt độ phản ứng (50-100°C).
• Phương pháp phân tích đặc trưng: Sử dụng phổ hồng ngoại FT-IR để xác định nhóm chức, phân tích nhiệt DTA-TGA để đánh giá độ bền nhiệt, hiển vi điện tử quét SEM để quan sát cấu trúc bề mặt và hình thái vật liệu.
• Phương pháp hấp phụ amoni: Thí nghiệm hấp phụ trong dung dịch amoni với nồng độ 10-1000 mg/L, pH thay đổi từ 2 đến 10, hàm lượng vật liệu 0,5-2,5 g/L, thời gian tiếp xúc 5-60 phút. Xác định nồng độ amoni còn lại bằng phương pháp so màu. Đánh giá động học và đẳng nhiệt hấp phụ, cũng như khả năng tái sinh vật liệu qua 5 chu kỳ hấp phụ/giải hấp phụ.
• Timeline nghiên cứu: Tổng hợp vật liệu và khảo sát đặc trưng trong 3 tháng đầu, thí nghiệm hấp phụ và phân tích dữ liệu trong 3 tháng tiếp theo, hoàn thiện báo cáo và luận văn trong 2 tháng cuối.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Ảnh hưởng hàm lượng bentonit đến khả năng hấp phụ amoni: Khi tăng hàm lượng bentonit từ 0 đến 10%, hiệu quả hấp phụ amoni tăng từ khoảng 65% lên đến 82,33%. Tuy nhiên, khi hàm lượng bentonit vượt quá 10%, hiệu quả hấp phụ giảm dần, chỉ còn khoảng 70% với 30% bentonit. Điều này được giải thích do bentonit tăng cường cấu trúc mạng hydrogel nhưng khi quá nhiều sẽ làm giảm độ trương nở và lấp đầy các lỗ xốp, hạn chế khả năng hấp phụ.

2. Ảnh hưởng tỷ lệ axit acrylic/chitosan (AA/CTS): Thay đổi tỷ lệ AA/CTS trong khoảng 5-7 không ảnh hưởng đáng kể đến hiệu quả hấp phụ amoni, với hiệu suất hấp phụ ổn định quanh 80-82%. Tỷ lệ AA/CTS = 7 được chọn làm tối ưu để đảm bảo cấu trúc mạng hydrogel ổn định và khả năng hấp phụ cao.

3. Ảnh hưởng hàm lượng chất liên kết ngang MBA: Hàm lượng MBA tăng từ 0% đến 3% làm tăng hiệu quả hấp phụ amoni, với mẫu 3% MBA đạt hiệu quả hấp phụ cao nhất 82,33%. MBA giúp tạo liên kết ngang vững chắc, duy trì cấu trúc mạng hydrogel và tăng khả năng hấp phụ.

4. Ảnh hưởng thời gian và nhiệt độ phản ứng: Thời gian phản ứng 4 giờ và nhiệt độ 80°C là điều kiện tối ưu để tổng hợp vật liệu CPB có hiệu quả hấp phụ amoni cao nhất (88,33%). Thời gian và nhiệt độ thấp hơn làm phản ứng chưa hoàn tất, trong khi nhiệt độ quá cao (100°C) làm tăng mật độ liên kết ngang quá mức, giảm độ trương nở và khả năng hấp phụ.

Thảo luận kết quả

Kết quả cho thấy vật liệu hydrogel composit CPB với thành phần bentonit 10%, tỷ lệ AA/CTS = 7, hàm lượng MBA 3%, tổng hợp ở 80°C trong 4 giờ có cấu trúc mạng lưới ba chiều ổn định, bề mặt xốp với khả năng hấp phụ amoni hiệu quả. Phổ FT-IR xác nhận sự tham gia của các nhóm chức -NH2, -OH của chitosan và nhóm -COOH của polyacrylic acid trong phản ứng ghép đồng trùng hợp, đồng thời bentonit được phân tán đều trong mạng hydrogel. Ảnh SEM minh họa cấu trúc xốp, tăng diện tích bề mặt tiếp xúc với amoni.

So sánh với các nghiên cứu trước đây, dung lượng hấp phụ amoni của vật liệu CPB đạt mức cao hơn nhiều so với các vật liệu truyền thống như zeolit (6,3-30 mg/g) hay than hoạt tính (18-40 mg/g), với giá trị hấp phụ amoni lên đến 78-88 mg/g. Điều này chứng tỏ hydrogel composit là vật liệu hấp phụ tiềm năng, phù hợp cho xử lý nước cấp và nước thải.

Dữ liệu hấp phụ có thể được trình bày qua biểu đồ hấp phụ theo thời gian, biểu đồ đẳng nhiệt Langmuir và Freundlich, cũng như bảng so sánh hiệu quả hấp phụ theo các điều kiện tổng hợp khác nhau, giúp minh họa rõ ràng ảnh hưởng của từng yếu tố đến hiệu quả xử lý.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Ứng dụng vật liệu CPB trong xử lý nước cấp và nước thải: Khuyến nghị các nhà máy xử lý nước áp dụng vật liệu hydrogel composit CPB để loại bỏ amoni, nhằm nâng cao chất lượng nước đầu ra, giảm thiểu nguy cơ ô nhiễm và bảo vệ sức khỏe cộng đồng. Thời gian triển khai dự kiến 6-12 tháng để thử nghiệm và tối ưu quy trình.

2. Phát triển quy trình tổng hợp vật liệu quy mô công nghiệp: Đề xuất nghiên cứu mở rộng quy mô tổng hợp vật liệu CPB, tối ưu hóa chi phí và quy trình sản xuất nhằm đáp ứng nhu cầu thực tế. Chủ thể thực hiện là các viện nghiên cứu và doanh nghiệp công nghệ môi trường trong vòng 12-18 tháng.

3. Nghiên cứu tái sinh và tái sử dụng vật liệu: Khuyến nghị tiếp tục khảo sát khả năng tái sinh vật liệu CPB qua nhiều chu kỳ hấp phụ/giải hấp phụ để đánh giá độ bền và hiệu quả lâu dài, giảm chi phí vận hành. Thời gian nghiên cứu 6 tháng.

4. Mở rộng nghiên cứu ứng dụng hydrogel composit cho các chất ô nhiễm khác: Đề xuất nghiên cứu khả năng hấp phụ các kim loại nặng, hợp chất hữu cơ độc hại bằng vật liệu hydrogel composit, nhằm đa dạng hóa ứng dụng trong xử lý môi trường. Chủ thể thực hiện là các nhóm nghiên cứu môi trường trong 12 tháng.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành môi trường, hóa học: Luận văn cung cấp kiến thức chuyên sâu về tổng hợp và ứng dụng vật liệu hydrogel composit trong xử lý ô nhiễm nước, hỗ trợ phát triển đề tài nghiên cứu mới.

2. Doanh nghiệp công nghệ xử lý nước: Thông tin về vật liệu hấp phụ amoni hiệu quả giúp doanh nghiệp cải tiến công nghệ, nâng cao chất lượng sản phẩm và giảm chi phí vận hành.

3. Cơ quan quản lý môi trường và chính sách: Cung cấp cơ sở khoa học để xây dựng các chính sách quản lý chất lượng nước, khuyến khích áp dụng công nghệ xử lý tiên tiến, bảo vệ nguồn nước sạch.

4. Các tổ chức phi chính phủ và cộng đồng dân cư: Hiểu rõ về tác hại của ô nhiễm amoni và các giải pháp xử lý giúp nâng cao nhận thức, thúc đẩy các hoạt động bảo vệ môi trường và sử dụng nước an toàn.

Câu hỏi thường gặp

1. Vật liệu hydrogel composit CPB có ưu điểm gì so với các vật liệu hấp phụ truyền thống?
   Vật liệu CPB có khả năng hấp phụ amoni cao (đến 88,33%), tốc độ hấp phụ nhanh, dễ dàng tách và tái sinh, phạm vi pH ứng dụng rộng, đồng thời chi phí tổng hợp hợp lý. So với zeolit hay than hoạt tính, CPB vượt trội về hiệu quả và tính ổn định.

2. Quy trình tổng hợp vật liệu CPB có phức tạp không?
   Quy trình tổng hợp sử dụng phương pháp trùng hợp ghép trong dung dịch với các hóa chất phổ biến như chitosan, axit acrylic, bentonit và MBA. Thời gian và nhiệt độ phản ứng được kiểm soát để tạo mạng hydrogel ổn định, phù hợp cho sản xuất quy mô phòng thí nghiệm và có thể mở rộng.

3. Khả năng tái sử dụng vật liệu CPB như thế nào?
   Nghiên cứu cho thấy vật liệu CPB có thể tái sinh hiệu quả qua ít nhất 5 chu kỳ hấp phụ/giải hấp phụ mà không giảm đáng kể khả năng hấp phụ amoni, giúp giảm chi phí vận hành và tăng tính bền vững trong ứng dụng thực tế.

4. Vật liệu CPB có thể ứng dụng trong xử lý nước sinh hoạt không?
   Với khả năng hấp phụ amoni cao và phạm vi pH rộng, CPB phù hợp để xử lý nước sinh hoạt, loại bỏ amoni và các chất ô nhiễm liên quan, đảm bảo an toàn sức khỏe người dùng.

5. Có thể áp dụng vật liệu CPB để xử lý các chất ô nhiễm khác không?
   Hydrogel composit có thể được biến đổi để hấp phụ các kim loại nặng, hợp chất hữu cơ khác. Nghiên cứu mở rộng đang được đề xuất nhằm khai thác tiềm năng này, mở rộng ứng dụng trong xử lý môi trường.

Kết luận

• Vật liệu hydrogel composit Chitosan-g-poly(acrylic acid)/Bentonit (CPB) được tổng hợp thành công với các thông số tối ưu: 10% bentonit, tỷ lệ AA/CTS = 7, 3% MBA, thời gian 4 giờ, nhiệt độ 80°C.
• Vật liệu CPB có cấu trúc mạng lưới ba chiều ổn định, bề mặt xốp, khả năng hấp phụ amoni cao đến 88,33%, vượt trội so với các vật liệu truyền thống.
• Khả năng tái sinh vật liệu qua nhiều chu kỳ hấp phụ/giải hấp phụ được chứng minh, phù hợp cho ứng dụng xử lý nước cấp và nước thải.
• Nghiên cứu góp phần phát triển vật liệu hấp phụ thân thiện môi trường, hiệu quả, đáp ứng nhu cầu xử lý ô nhiễm amoni tại Việt Nam và quốc tế.
• Đề xuất mở rộng nghiên cứu ứng dụng hydrogel composit cho các chất ô nhiễm khác và phát triển quy trình sản xuất quy mô công nghiệp trong thời gian tới.

Hành động tiếp theo: Khuyến nghị các tổ chức nghiên cứu và doanh nghiệp phối hợp triển khai thử nghiệm thực tế, đồng thời phát triển quy trình sản xuất vật liệu CPB quy mô lớn để ứng dụng rộng rãi trong xử lý nước.