Tổng quan nghiên cứu

Ô nhiễm amoni trong nước là một vấn đề môi trường nghiêm trọng tại Việt Nam và nhiều quốc gia khác, ảnh hưởng trực tiếp đến sức khỏe cộng đồng và hệ sinh thái. Theo quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về chất lượng nước sinh hoạt QCVN 02:2009/BYT, hàm lượng amoni trong nước sinh hoạt phải dưới 3,0 mg/L. Tuy nhiên, nhiều khu vực đô thị và nông thôn tại Việt Nam ghi nhận nồng độ amoni vượt mức cho phép, ví dụ như tại Hà Nam, Nam Định, và thành phố Hồ Chí Minh, nồng độ amoni trong nước ngầm có thể vượt tiêu chuẩn từ 30 đến hơn 70 lần. Nguồn gốc ô nhiễm amoni chủ yếu đến từ chất thải sinh hoạt, nước thải công nghiệp, nông nghiệp và các hoạt động khai thác nước ngầm không kiểm soát.

Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là chế tạo vật liệu than sinh học (biochar) từ chất thải nông nghiệp, cụ thể là vỏ cà phê, để xử lý amoni trong nước với nồng độ khoảng 20-50 mg/L. Nghiên cứu tập trung khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả xử lý amoni như pH, thời gian tiếp xúc, tỷ lệ rắn-lỏng và phương pháp biến tính vật liệu bằng hóa chất NaOH và H2SO4 nhằm tăng cường khả năng hấp phụ. Phạm vi nghiên cứu được thực hiện trong phòng thí nghiệm tại Trung tâm Nghiên cứu phát triển công nghệ và quản lý môi trường – INEST thuộc Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội.

Ý nghĩa của nghiên cứu thể hiện qua việc tận dụng nguồn chất thải nông nghiệp dồi dào, giảm thiểu ô nhiễm môi trường và cung cấp giải pháp xử lý amoni hiệu quả, chi phí thấp. Kết quả nghiên cứu góp phần nâng cao hiểu biết về công nghệ xử lý amoni bằng vật liệu sinh học, đồng thời mở ra hướng ứng dụng thực tiễn trong xử lý nước và nước thải tại Việt Nam.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình hấp phụ để nghiên cứu khả năng xử lý amoni bằng than sinh học:

  • Lý thuyết hấp phụ Langmuir: Mô hình hấp phụ đơn lớp, giả định bề mặt vật liệu hấp phụ đồng nhất, không có tương tác giữa các phân tử hấp phụ. Phương trình Langmuir cho phép xác định dung lượng hấp phụ tối đa (Qm) và hằng số cân bằng (b), biểu diễn mối quan hệ giữa nồng độ amoni trong dung dịch và lượng amoni hấp phụ trên vật liệu.

  • Lý thuyết hấp phụ Freundlich: Mô hình hấp phụ đa lớp, mô tả sự không đồng nhất của bề mặt vật liệu hấp phụ. Phương trình Freundlich được sử dụng để đánh giá khả năng hấp phụ và bản chất tương tác giữa amoni và vật liệu.

  • Động học hấp phụ: Sử dụng mô hình động học bậc 1 và bậc 2 để mô tả tốc độ hấp phụ amoni theo thời gian, giúp xác định cơ chế hấp phụ và thời gian cân bằng.

  • Khái niệm biochar và biến tính vật liệu: Biochar là vật liệu than sinh học được chế tạo bằng phương pháp nhiệt phân yếm khí chất thải nông nghiệp ở nhiệt độ 300-800°C. Biến tính hóa học bằng NaOH và H2SO4 nhằm tăng số lượng nhóm chức bề mặt, cải thiện khả năng hấp phụ amoni.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Vật liệu than sinh học được chế tạo từ vỏ cà phê Arabica thu gom tại Nghệ An. Dung dịch amoni chuẩn được pha từ NH4Cl với nồng độ 20 và 50 mg/L.

  • Phương pháp chế tạo vật liệu: Ba loại vật liệu được chế tạo gồm than sinh học nguyên bản (BCFH), than sinh học biến tính bằng NaOH (BCFH-NaOH) và bằng H2SO4 (BCFH-H2SO4). Quá trình nhiệt phân yếm khí diễn ra ở 300°C trong 1-3 giờ, tốc độ gia nhiệt 5°C/phút.

  • Phương pháp thực nghiệm: Thí nghiệm hấp phụ amoni được tiến hành theo mẻ gián đoạn trong bình tam giác 100 mL, điều chỉnh pH bằng HCl hoặc NaOH, lắc ổn nhiệt ở 25°C, tốc độ 120 vòng/phút. Tỷ lệ rắn-lỏng được điều chỉnh từ 1 đến 10 g/L. Nồng độ amoni sau xử lý được phân tích bằng phương pháp chưng cất và chuẩn độ theo TCVN 5988:1995.

  • Phân tích số liệu: Dữ liệu được xử lý thống kê, biểu diễn bằng các mô hình đẳng nhiệt Langmuir và Freundlich, đồng thời phân tích động học hấp phụ bậc 1 và bậc 2 để xác định cơ chế hấp phụ. Các thông số như dung lượng hấp phụ tối đa, hằng số cân bằng, hằng số tốc độ hấp phụ được tính toán.

  • Timeline nghiên cứu: Quá trình nghiên cứu thực hiện trong khoảng thời gian từ tháng 11/2019 đến tháng 4/2020 tại phòng thí nghiệm INEST/HUST.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Ảnh hưởng của nhiệt độ và thời gian nhiệt phân đến hiệu suất vật liệu: Nhiệt độ nhiệt phân 300°C trong 2 giờ cho hiệu suất thu hồi biochar khoảng 21%, vật liệu có diện tích bề mặt BET đạt 150 m²/g, tối ưu cho hấp phụ amoni. Thời gian nhiệt phân kéo dài trên 3 giờ không làm tăng đáng kể hiệu suất hấp phụ.

  2. Hiệu quả xử lý amoni của các vật liệu: Vật liệu BCFH-NaOH có dung lượng hấp phụ amoni tối đa đạt 22,6 mg/g, cao hơn 35% so với BCFH nguyên bản (16,7 mg/g) và BCFH-H2SO4 (18,3 mg/g). Hiệu suất xử lý amoni đạt trên 90% ở pH 7-9 và tỷ lệ rắn-lỏng 5 g/L.

  3. Ảnh hưởng của pH và thời gian tiếp xúc: Hiệu suất hấp phụ tăng khi pH tăng từ 4 đến 9, đạt đỉnh tại pH 8 với hiệu suất trên 92%. Thời gian tiếp xúc 60 phút là đủ để đạt cân bằng hấp phụ, sau đó hiệu suất không tăng đáng kể.

  4. Mô hình đẳng nhiệt và động học hấp phụ: Dữ liệu hấp phụ phù hợp với mô hình Langmuir (R² > 0,98), xác định dung lượng hấp phụ tối đa Qm là 23,1 mg/g cho BCFH-NaOH. Động học hấp phụ tuân theo mô hình bậc 2 với hằng số tốc độ k2 = 0,015 g/mg.min, cho thấy quá trình hấp phụ chủ yếu là hấp phụ hóa học và trao đổi ion.

Thảo luận kết quả

Kết quả cho thấy biến tính vật liệu bằng NaOH làm tăng số lượng nhóm chức bề mặt mang điện tích âm, tăng cường tương tác tĩnh điện với ion NH4+, từ đó nâng cao hiệu quả hấp phụ. So với các nghiên cứu trước đây sử dụng than sinh học từ lõi ngô hoặc vỏ lạc, dung lượng hấp phụ của vật liệu chế tạo từ vỏ cà phê biến tính tương đương hoặc cao hơn, chứng tỏ tiềm năng ứng dụng trong xử lý nước ô nhiễm amoni.

Ảnh hưởng của pH phù hợp với cơ chế chuyển đổi cân bằng NH3/NH4+ trong dung dịch, khi pH tăng làm tăng tỷ lệ ion NH4+ dễ hấp phụ trên bề mặt vật liệu. Thời gian tiếp xúc tối ưu 60 phút phù hợp với các nghiên cứu tương tự, đảm bảo hiệu quả xử lý và tiết kiệm thời gian vận hành.

Dữ liệu mô hình Langmuir và động học bậc 2 cho thấy quá trình hấp phụ diễn ra chủ yếu qua hấp phụ hóa học và trao đổi ion, phù hợp với cơ chế hấp phụ của biochar biến tính. Các biểu đồ đẳng nhiệt và động học có thể được trình bày dưới dạng đồ thị tuyến tính để minh họa sự phù hợp của mô hình với số liệu thực nghiệm.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Ứng dụng vật liệu BCFH-NaOH trong xử lý nước thải amoni: Khuyến nghị sử dụng than sinh học biến tính từ vỏ cà phê trong các hệ thống xử lý nước thải công nghiệp và sinh hoạt có nồng độ amoni từ 20-50 mg/L, nhằm giảm chi phí và tăng hiệu quả xử lý. Thời gian vận hành đề xuất là 60 phút với tỷ lệ rắn-lỏng 5 g/L.

  2. Mở rộng nghiên cứu biến tính vật liệu: Đề xuất nghiên cứu thêm các phương pháp biến tính khác như hoạt hóa bằng hơi nước hoặc kết hợp axit-bazơ để tăng diện tích bề mặt và nhóm chức bề mặt, nâng cao dung lượng hấp phụ và khả năng tái sinh vật liệu.

  3. Phát triển quy trình sản xuất than sinh học quy mô công nghiệp: Khuyến khích xây dựng dây chuyền sản xuất than sinh học từ chất thải nông nghiệp tại các vùng trồng cà phê lớn như Lâm Đồng, Nghệ An, nhằm tận dụng nguồn nguyên liệu sẵn có, giảm thiểu ô nhiễm môi trường và tạo ra sản phẩm giá trị cao.

  4. Đào tạo và chuyển giao công nghệ: Tổ chức các khóa đào tạo kỹ thuật cho các đơn vị xử lý nước thải và doanh nghiệp nông nghiệp về công nghệ chế tạo và ứng dụng than sinh học xử lý amoni, đảm bảo hiệu quả và bền vững trong thực tế.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Kỹ thuật Môi trường: Luận văn cung cấp cơ sở lý thuyết và thực nghiệm về xử lý amoni bằng vật liệu sinh học, hỗ trợ phát triển các đề tài nghiên cứu liên quan.

  2. Doanh nghiệp xử lý nước thải và môi trường: Cung cấp giải pháp vật liệu xử lý amoni hiệu quả, chi phí thấp, phù hợp với các nhà máy chế biến nông sản và khu công nghiệp.

  3. Cơ quan quản lý môi trường và chính sách: Tham khảo để xây dựng các chính sách khuyến khích sử dụng vật liệu thân thiện môi trường trong xử lý nước thải, góp phần bảo vệ nguồn nước.

  4. Nông dân và hợp tác xã nông nghiệp: Hướng dẫn tận dụng chất thải nông nghiệp như vỏ cà phê để sản xuất vật liệu xử lý nước, giảm thiểu ô nhiễm và tăng giá trị kinh tế từ phụ phẩm.

Câu hỏi thường gặp

  1. Biochar là gì và tại sao lại sử dụng biochar từ vỏ cà phê để xử lý amoni?
    Biochar là than sinh học được tạo ra bằng nhiệt phân yếm khí chất thải hữu cơ. Vỏ cà phê là phụ phẩm nông nghiệp dồi dào, có cấu trúc lignocellulose phù hợp để tạo biochar có diện tích bề mặt lớn và nhóm chức bề mặt đa dạng, giúp hấp phụ ion amoni hiệu quả.

  2. Phương pháp biến tính NaOH và H2SO4 có tác dụng gì đối với biochar?
    Biến tính bằng NaOH làm tăng nhóm chức bazơ trên bề mặt biochar, tăng khả năng hấp phụ ion NH4+ qua tương tác tĩnh điện và trao đổi ion. Biến tính bằng H2SO4 tăng nhóm chức axit nhưng hiệu quả hấp phụ amoni thấp hơn so với NaOH.

  3. Thời gian tiếp xúc và pH ảnh hưởng thế nào đến hiệu quả xử lý amoni?
    Thời gian tiếp xúc 60 phút là đủ để đạt cân bằng hấp phụ. pH từ 7 đến 9 tối ưu cho hấp phụ amoni vì ion NH4+ tồn tại chủ yếu ở dạng tích điện dương, dễ hấp phụ trên bề mặt biochar mang điện tích âm.

  4. Dung lượng hấp phụ amoni tối đa của vật liệu là bao nhiêu?
    Vật liệu BCFH-NaOH đạt dung lượng hấp phụ tối đa khoảng 22,6 mg/g, cao hơn so với biochar nguyên bản và biến tính bằng axit, phù hợp để xử lý nước có nồng độ amoni trung bình.

  5. Biochar sau khi hấp phụ amoni có thể tái sử dụng hay xử lý thế nào?
    Biochar đã hấp phụ amoni có thể được tái sinh bằng các phương pháp giải hấp phụ hoặc sử dụng trực tiếp làm phân bón hữu cơ, tận dụng nguồn dinh dưỡng amoni đã hấp phụ, góp phần tuần hoàn tài nguyên.

Kết luận

  • Luận văn đã thành công trong việc chế tạo than sinh học từ vỏ cà phê và biến tính bằng NaOH, H2SO4 để xử lý amoni trong nước với dung lượng hấp phụ tối đa đạt 22,6 mg/g.
  • Các yếu tố môi trường như pH, thời gian tiếp xúc và tỷ lệ rắn-lỏng ảnh hưởng rõ rệt đến hiệu quả hấp phụ amoni.
  • Mô hình hấp phụ Langmuir và động học bậc 2 phù hợp để mô tả quá trình hấp phụ amoni trên vật liệu biochar.
  • Nghiên cứu góp phần phát triển công nghệ xử lý amoni thân thiện môi trường, tận dụng chất thải nông nghiệp tại Việt Nam.
  • Đề xuất mở rộng nghiên cứu biến tính vật liệu và ứng dụng quy mô công nghiệp trong thời gian tới nhằm nâng cao hiệu quả xử lý và tính bền vững.

Hành động tiếp theo: Khuyến khích các đơn vị nghiên cứu và doanh nghiệp phối hợp triển khai thử nghiệm quy mô pilot, đồng thời phát triển các sản phẩm than sinh học biến tính từ phụ phẩm nông nghiệp để ứng dụng rộng rãi trong xử lý nước thải amoni.