Nghiên cứu thử nghiệm than sinh học biến tính từ vỏ trấu để thu hồi dinh dưỡng trong nước thải

• Tác giả: Trần Đặng Lan Vân
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Thị Thủy
• Trường học: Đại học Bách Khoa
• Chuyên ngành: Kỹ thuật môi trường
• Đề tài: Nghiên cứu thử nghiệm than sinh học biến tính từ vỏ trấu để thu hồi dinh dưỡng trong nước thải
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2021
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

• LỜI CẢM ƠN
• TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ
• SUMMARY OF MASTER THESIS
• LỜI CAM ĐOAN
• 1. CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU
• 1.1. Mục tiêu, nội dung nghiên cứu
• 1.1.1. Mục tiêu nghiên cứu
• 1.1.2. Nội dung nghiên cứu
• 1.1.2.1. Nội dung 1: Khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng Mg lên hiệu quả xử lý của MCRH
• 1.1.2.2. Nội dung 2: Khảo sát các muối kim loại ảnh hưởng đến hiệu suất xử lý của biochar biến tính
• 1.1.2.3. Nội dung 3: Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất xử lý của MCRH
• 1.1.2.4. Nội dung 4: Khảo sát hiệu suất xử lý của MCRH trên nước giả thải, nước thải thực
• 1.2. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
• 1.2.1. Đối tượng nghiên cứu
• 1.2.2. Phạm vi nghiên cứu
• 1.3. Ý nghĩa của đề tài
• 1.3.1. Ý nghĩa khoa học
• 1.3.2. Ý nghĩa thực tiễn
• 1.4. Giới thiệu về biochar
• 1.4.1. Khái niệm về biochar
• 1.4.2. Đặc tính của biochar
• 1.4.2.1. Tỷ lệ dinh dưỡng trong biochar
• 1.4.2.2. Diện tích bề mặt riêng và vi lỗ trong biochar
• 3. CHƯƠNG 3: NỘI DUNG PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 3.1. Sơ đồ nội dung nghiên cứu
• 3.2. Hóa chất, thiết bị và dụng cụ nghiên cứu
• 3.3. Quy trình tổng hợp biochar
• 3.4. Phương pháp nghiên cứu
• 3.4.1. Phương pháp lý thuyết
• 3.4.2. Phương pháp thực nghiệm
• 3.4.3. Phương pháp tính toán và xử lý số liệu
• 3.4.4. Phương pháp xác định các đặc trưng của vật liệu
• 3.4.5. Phương pháp phân tích
• 3.4.5.1. Phân tích Nitrat
• 3.4.5.2. Phân tích Photphat
• 3.4.5.3. Phân tích Amoni
• 3.4.6. Tính hiệu suất hấp phụ và dung lượng hấp phụ
• 3.4.7. Mô hình động học quá trình hấp phụ và đẳng nhiệt hấp phụ
• 3.5. Nội dung nghiên cứu
• 3.5.1. Nội dung 1: Khảo sát hàm lượng Mg ảnh hưởng đến hiệu suất hấp phụ
• 3.5.2. Nội dung 2: Khảo sát các muối kim loại ảnh hưởng đến hiệu suất xử lý
• 3.5.3. Nội dung 3: Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất xử lý của biochar biến tính
• 3.5.4. Nội dung 4: Khảo sát hiệu suất xử lý của biochar biến tính trên NTSH
• 4. CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 4.1. Một số đặc trưng của vật liệu MCRH
• 4.1.1. Hình thái bề mặt vật liệu
• 4.1.2. Thành phần nguyên tố của MCRH
• 4.1.3. Kết quả phân tích XRD của vật liệu
• 4.2. Ảnh hưởng của hàm lượng Mg đến sự hấp phụ
• 4.3. So sánh sự hấp phụ amoni giữa MCRH và RHB
• 4.4. Ảnh hưởng của hàm lượng Mg đến sự hấp phụ amoni, photphat, nitrat
• 4.5. Ảnh hưởng các muối kim loại khác nhau
• 4.6. Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng
• 4.6.1. Ảnh hưởng của nồng độ ban đầu
• 4.6.2. Ảnh hưởng lượng chất hấp phụ
• 4.6.3. Thay đổi pH và điểm không điện tích
• 4.6.4. Ảnh hưởng của thời gian hấp phụ
• 4.7. Khả năng hấp phụ của MCRH trên hỗn hợp nước giả thải
• 4.8. Đánh giá khả năng hấp phụ của MCRH
• 4.8.1. Nghiên cứu đẳng nhiệt hấp phụ
• 4.8.2. Nghiên cứu động học hấp phụ
• 4.9. Khả năng hấp phụ của MCRH trên nước thải sinh hoạt
• 5. CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• DANH MỤC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

I. Than Sinh Học Biến Tính Vỏ Trấu Giải Pháp Thu Hồi Dinh Dưỡng

Nước thải sinh hoạt đang ngày càng gia tăng, mang theo nhiều chất ô nhiễm, đặc biệt là các chất dinh dưỡng như nitơ (N) và photpho (P). Nồng độ cao của các chất này gây ra hiện tượng phú dưỡng hóa, ảnh hưởng tiêu cực đến môi trường và sức khỏe con người. Đồng thời, Việt Nam có lượng lớn phế phẩm nông nghiệp, đặc biệt là vỏ trấu, thường bị bỏ phí hoặc đốt, gây ô nhiễm môi trường. Than sinh học biến tính, đặc biệt là từ vỏ trấu, nổi lên như một giải pháp tiềm năng để giải quyết cả hai vấn đề này. Nó có khả năng thu hồi dinh dưỡng từ nước thải và tận dụng nguồn phế phẩm nông nghiệp, hướng tới phát triển bền vững. Theo nghiên cứu của Viện khoa học Kỹ thuật Nông Lâm nghiệp Tây Nguyên (2018), việc tận dụng các chất dinh dưỡng từ nguồn nước thải sinh hoạt mang lại lợi ích kinh tế và bảo vệ môi trường.

1.1. Tổng Quan Về Than Sinh Học Biochar và Ứng Dụng

Than sinh học (biochar) là sản phẩm của quá trình nhiệt phân sinh khối trong điều kiện yếm khí. Nó có cấu trúc xốp, diện tích bề mặt lớn và khả năng hấp phụ cao, làm cho nó trở thành một vật liệu tiềm năng để xử lý ô nhiễm môi trường. Biochar có thể cải thiện đặc tính đất, tăng khả năng giữ nước và dinh dưỡng, và giảm phát thải khí nhà kính. Theo tổ chức IBI, biochar có thể bổ sung vào đất với mục đích cải thiện các chức năng của đất và giảm sự phát thải các khí nhà kính. Chúng có ý nghĩa lớn trong việc cố định cacbon theo chu trình tuần hoàn vật chất cacbon trong khí quyển (Obi el al, 2016). Vì vậy, việc nghiên cứu biochar mang đến giá trị to lớn.

1.2. Vỏ Trấu Nguồn Nguyên Liệu Tiềm Năng Sản Xuất Biochar

Vỏ trấu là một phế phẩm nông nghiệp phổ biến ở Việt Nam, với số lượng lớn được tạo ra hàng năm từ các nhà máy xay xát gạo. Việc sử dụng vỏ trấu để sản xuất biochar không chỉ giúp giảm thiểu ô nhiễm môi trường do đốt hoặc thải bỏ, mà còn tạo ra một sản phẩm có giá trị gia tăng cao. Quá trình sản xuất biochar từ vỏ trấu có thể thực hiện bằng phương pháp trộn và ủ đơn giản như nghiên cứu của Trần Đặng Lan Vân cho thấy, làm tăng tính khả thi về mặt kinh tế. Đặc biệt, vỏ trấu có giá thành rẻ và dễ kiếm, là nguồn tài nguyên dồi dào.

II. Thách Thức Trong Thu Hồi Dinh Dưỡng Nước Thải Bằng Biochar

Mặc dù biochar có nhiều ưu điểm, nhưng hiệu quả thu hồi dinh dưỡng từ nước thải của biochar thông thường có thể bị hạn chế. Biochar nguyên bản thường có diện tích bề mặt và khả năng hấp phụ các chất dinh dưỡng, đặc biệt là nitrat, phosphate, ammonium, ở mức trung bình. Để nâng cao hiệu quả xử lý nước thải, cần phải cải thiện các đặc tính của biochar thông qua quá trình biến tính. Các yếu tố như pH, nhiệt độ, thời gian tiếp xúc cũng ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ, cần được xem xét và tối ưu hóa.

2.1. Giới Hạn Về Khả Năng Hấp Phụ Của Than Sinh Học Nguyên Bản

Than sinh học chưa biến tính thường có khả năng hấp phụ hạn chế đối với một số chất ô nhiễm, đặc biệt là các ion dinh dưỡng như nitrat, phosphate, và ammonium. Điều này là do diện tích bề mặt riêng và số lượng các nhóm chức năng trên bề mặt than còn thấp. Do đó, cần phải có các biện pháp biến tính để cải thiện khả năng hấp phụ của than sinh học. Việc cải thiện sẽ mang đến tiềm năng lớn để làm sạch nước thải.

2.2. Các Yếu Tố Môi Trường Ảnh Hưởng Đến Hiệu Quả Hấp Phụ

Hiệu quả hấp phụ của than sinh học trong xử lý nước thải bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố môi trường, bao gồm pH, nhiệt độ, thời gian tiếp xúc, và nồng độ các chất ô nhiễm. pH ảnh hưởng đến điện tích bề mặt của than sinh học và khả năng ion hóa của các chất ô nhiễm. Nhiệt độ ảnh hưởng đến tốc độ phản ứng hấp phụ. Thời gian tiếp xúc cần đủ để đạt được trạng thái cân bằng hấp phụ. Nồng độ các chất ô nhiễm ảnh hưởng đến dung lượng hấp phụ của than sinh học. Do đó, cần phải kiểm soát và tối ưu hóa các yếu tố này để đạt được hiệu quả xử lý cao nhất.

III. Phương Pháp Biến Tính Than Sinh Học Vỏ Trấu Tối Ưu Hóa Hấp Phụ

Để tăng cường khả năng thu hồi dinh dưỡng của than sinh học từ vỏ trấu, quá trình biến tính là vô cùng quan trọng. Có nhiều phương pháp biến tính, bao gồm biến tính hóa học (sử dụng axit, bazơ, muối kim loại) và biến tính vật lý (sử dụng nhiệt độ cao, bức xạ). Biến tính giúp tăng diện tích bề mặt, tạo ra các nhóm chức năng trên bề mặt biochar, từ đó tăng khả năng hấp phụ các chất dinh dưỡng.

3.1. Biến Tính Hóa Học Than Sinh Học Bằng Muối Kim Loại MgCl2

Biến tính hóa học bằng muối kim loại như MgCl2 là một phương pháp hiệu quả để cải thiện khả năng hấp phụ của than sinh học. MgCl2 giúp tạo ra các phức chất trên bề mặt than sinh học, tăng cường khả năng trao đổi ion và hấp phụ các ion dinh dưỡng như ammonium và phosphate. Nghiên cứu của Trần Đặng Lan Vân đã chứng minh rằng than sinh học từ vỏ trấu biến tính MgCl2 (MCRH) có khả năng hấp phụ amoni và photphat tốt hơn so với than sinh học nguyên bản (RHB).

3.2. Quy Trình Sản Xuất Than Sinh Học Biến Tính MgCl2 MCRH

Quy trình sản xuất MCRH bao gồm các bước: (1) Chuẩn bị vỏ trấu và dung dịch MgCl2; (2) Trộn vỏ trấu với dung dịch MgCl2 theo tỷ lệ nhất định; (3) Ủ hỗn hợp trong một khoảng thời gian nhất định; (4) Nhiệt phân hỗn hợp trong điều kiện yếm khí ở nhiệt độ tối ưu (450-550°C); (5) Rửa sạch than sinh học sau nhiệt phân để loại bỏ các tạp chất; (6) Sấy khô và nghiền MCRH để sử dụng. Nghiên cứu cũng chỉ ra rằng hàm lượng Mg trong than sinh học dao động từ 0-20% đã được tổng hợp và nghiên cứu.

IV. Nghiên Cứu Thực Nghiệm Hiệu Quả Thu Hồi Dinh Dưỡng Của MCRH

Nghiên cứu của Trần Đặng Lan Vân đã đánh giá khả năng hấp phụ amoni và photphat từ nước thải giả lập và nước thải sinh hoạt bằng MCRH. Kết quả cho thấy MCRH có khả năng xử lý nước thải tốt, với hiệu suất loại bỏ amoni và photphat cao. Các yếu tố như nồng độ ban đầu, lượng chất hấp phụ, và thời gian hấp phụ ảnh hưởng đến hiệu quả xử lý.

4.1. Ảnh Hưởng Của Nồng Độ Ban Đầu Đến Khả Năng Hấp Phụ

Nghiên cứu cho thấy rằng khả năng hấp phụ amoni và photphat của MCRH giảm khi nồng độ ban đầu của các chất này tăng lên. Điều này là do khi nồng độ ban đầu cao, các vị trí hấp phụ trên bề mặt MCRH nhanh chóng bị bão hòa. Do đó, cần phải điều chỉnh lượng MCRH sử dụng hoặc pha loãng nước thải để đảm bảo hiệu quả xử lý.

4.2. Đánh Giá Hiệu Quả Xử Lý Nước Thải Sinh Hoạt Thực Tế Bằng MCRH

Nghiên cứu cũng đánh giá hiệu quả xử lý nước thải sinh hoạt thực tế bằng MCRH. Kết quả cho thấy MCRH có khả năng loại bỏ amoni và photphat từ nước thải sinh hoạt, đáp ứng các tiêu chuẩn xả thải theo QCVN 14:2008/BTNMT (cột B). Cụ thể, nồng độ amoni, photphat của nước thải đầu ra đạt giá trị cho phép (10 mg/l) theo QCVN 14:2008 / BTNMT (column b) - National technical regulation on domestic wastewater.

V. Ứng Dụng Thực Tiễn và Tiềm Năng Tái Chế Than Sinh Học

Sau khi hấp phụ các chất dinh dưỡng, MCRH có thể được sử dụng làm phân bón nhả chậm, cung cấp dinh dưỡng cho cây trồng. Điều này giúp tái chế các chất dinh dưỡng đã được thu hồi từ nước thải, giảm thiểu lãng phí và ô nhiễm môi trường. Nghiên cứu trong tương lai có thể tập trung vào khả năng làm phân bón nhả chậm, bổ sung chất dinh dưỡng cho cây trồng.

5.1. Than Sinh Học Biến Tính Giải Pháp Nông Nghiệp Bền Vững

Việc sử dụng than sinh học biến tính làm phân bón nhả chậm mang lại nhiều lợi ích cho nông nghiệp, bao gồm: (1) Cung cấp dinh dưỡng cho cây trồng một cách từ từ, giảm thiểu nguy cơ mất dinh dưỡng do rửa trôi; (2) Cải thiện đặc tính đất, tăng khả năng giữ nước và dinh dưỡng; (3) Giảm thiểu ô nhiễm môi trường do sử dụng phân bón hóa học; (4) Tăng năng suất cây trồng và chất lượng sản phẩm. Đây là một hướng đi quan trọng để phát triển nông nghiệp bền vững.

5.2. Phân Tích Chi Phí Lợi Ích và Khả Năng Thương Mại Hóa MCRH

Việc phân tích chi phí - lợi ích của việc sản xuất và sử dụng MCRH là cần thiết để đánh giá tính khả thi về mặt kinh tế của giải pháp này. Cần xem xét các chi phí sản xuất MCRH, chi phí vận hành và bảo trì hệ thống xử lý nước thải, và các lợi ích kinh tế do giảm chi phí xử lý nước thải, tăng năng suất cây trồng, và giảm ô nhiễm môi trường. Nếu chi phí sản xuất giảm nhờ vào quy trình đơn giản và nguồn vỏ trấu dồi dào, MCRH có tiềm năng thương mại hóa lớn.

VI. Kết Luận Than Sinh Học Biến Tính Mở Ra Hướng Đi Mới

Than sinh học biến tính từ vỏ trấu (MCRH) là một vật liệu tiềm năng để thu hồi dinh dưỡng từ nước thải. Biến tính bằng MgCl2 giúp tăng cường khả năng hấp phụ của biochar, làm cho nó trở thành một giải pháp hiệu quả và bền vững để xử lý nước thải và tái chế các chất dinh dưỡng. Nghiên cứu cần tập trung vào tối ưu hóa quy trình sản xuất MCRH và đánh giá hiệu quả của nó trong điều kiện thực tế.

6.1. Tóm Tắt Ưu Điểm Vượt Trội Của Than Sinh Học Biến Tính

Than sinh học biến tính từ vỏ trấu nổi bật với nhiều ưu điểm: (1) Khả năng hấp phụ dinh dưỡng cao hơn so với biochar thông thường; (2) Nguyên liệu dễ kiếm và giá rẻ (vỏ trấu); (3) Quy trình sản xuất đơn giản; (4) Khả năng tái sử dụng làm phân bón; (5) Góp phần vào kinh tế tuần hoàn và phát triển bền vững. Đây là những yếu tố quan trọng để biochar biến tính trở thành một giải pháp được ứng dụng rộng rãi.

6.2. Hướng Nghiên Cứu Tương Lai Về Thu Hồi Dinh Dưỡng và Tái Chế

Các hướng nghiên cứu tương lai có thể tập trung vào: (1) Tối ưu hóa quy trình biến tính để tăng hiệu quả hấp phụ; (2) Nghiên cứu khả năng hấp phụ các chất ô nhiễm khác trong nước thải; (3) Đánh giá hiệu quả của MCRH trong điều kiện thực tế (quy mô lớn); (4) Nghiên cứu các phương pháp tái chế MCRH sau hấp phụ; (5) Phát triển các ứng dụng khác của MCRH trong nông nghiệp và môi trường. Việc tiếp tục nghiên cứu sẽ giúp khai thác tối đa tiềm năng của than sinh học biến tính.

Tổng quan nghiên cứu

Nước thải sinh hoạt tại Việt Nam ngày càng gia tăng về lượng và thành phần ô nhiễm, đặc biệt là các chất dinh dưỡng như nitơ (N) và photpho (P) gây ra hiện tượng phú dưỡng hóa, ảnh hưởng nghiêm trọng đến môi trường nước và sức khỏe cộng đồng. Theo báo cáo, nồng độ amoni trong nước thải sinh hoạt có thể lên đến 45,86 mg/l, photphat khoảng 9,56 mg/l, vượt xa giới hạn cho phép theo Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về nước thải sinh hoạt (QCVN 14:2008/BTNMT). Việc thu hồi và xử lý các chất dinh dưỡng này không chỉ góp phần bảo vệ môi trường mà còn tận dụng nguồn tài nguyên quý giá cho nông nghiệp.

Luận văn thạc sĩ này tập trung nghiên cứu than sinh học (biochar) biến tính từ vỏ trấu, một phế phẩm nông nghiệp dồi dào tại Việt Nam, nhằm thu hồi dinh dưỡng trong nước thải sinh hoạt. Mục tiêu chính là tổng hợp biochar biến tính với muối MgCl2, đánh giá khả năng hấp phụ amoni, photphat và nitrat từ nước giả thải và nước thải thực tế, đồng thời khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất hấp phụ. Nghiên cứu được thực hiện trong năm 2020 tại phòng thí nghiệm Đại học Bách Khoa, TP. Hồ Chí Minh.

Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa khoa học trong việc phát triển vật liệu hấp phụ thân thiện môi trường, đồng thời mang lại giá trị thực tiễn trong xử lý nước thải sinh hoạt và tái sử dụng chất dinh dưỡng, góp phần thúc đẩy phát triển bền vững ngành kỹ thuật môi trường và nông nghiệp 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 sau:

• Lý thuyết hấp phụ bề mặt: Quá trình hấp phụ diễn ra khi các phân tử amoni, photphat bám lên bề mặt vật liệu biochar thông qua các lực tĩnh điện và tương tác hóa học. Biochar có cấu trúc xốp với diện tích bề mặt lớn, chứa các nhóm chức cacbon-oxy (carboxyl, phenol) giúp tăng khả năng hấp phụ.

• Mô hình đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir và Freundlich: Mô hình Langmuir giả định hấp phụ xảy ra trên bề mặt đồng nhất với số vị trí hấp phụ cố định, trong khi mô hình Freundlich mô tả hấp phụ trên bề mặt không đồng nhất. Kết quả nghiên cứu cho thấy quá trình hấp phụ amoni và photphat phù hợp với mô hình Langmuir (R² lần lượt 0,9247 và 0,9343).

• Mô hình động học hấp phụ: Bao gồm động học biểu kiến bậc nhất, bậc hai và mô hình khuếch tán trong hạt. Quá trình hấp phụ amoni và photphat được mô tả tốt nhất bằng mô hình khuếch tán trong hạt với hệ số tương quan từ 0,8456 đến 0,9596, cho thấy hấp phụ chủ yếu là vật lý.

Các khái niệm chính bao gồm biochar, hấp phụ, amoni, photphat, nitrat, và các chỉ tiêu môi trường nước thải.

Phương pháp nghiên cứu

• Nguồn dữ liệu: Vỏ trấu thu thập từ nhà máy xay xát gạo hộ gia đình, nước thải sinh hoạt lấy từ ký túc xá khu A và B, Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh, cùng với nước giả thải chuẩn bị trong phòng thí nghiệm.

• Quy trình tổng hợp biochar biến tính (MCRH): Vỏ trấu được xử lý với dung dịch MgCl2 20%, sấy, nung ở 550°C trong 1 giờ để tạo than sinh học biến tính. Các mẫu biochar với hàm lượng Mg từ 0 đến 30% được tổng hợp để khảo sát.

• Phương pháp phân tích vật liệu: Sử dụng phổ tán xạ năng lượng tia X (EDS) để xác định thành phần nguyên tố, nhiễu xạ tia X (XRD) để phân tích cấu trúc tinh thể, và kính hiển vi điện tử quét (SEM) để quan sát hình thái bề mặt.

• Phương pháp phân tích nước thải: Xác định nồng độ amoni theo TCVN 5988:1995, photphat theo TCVN 6202:2008, nitrat theo TCVN 6180:1996 bằng các phương pháp chuẩn độ, đo quang phổ.

• Phân tích hiệu suất hấp phụ: Tính hiệu suất hấp phụ và dung lượng hấp phụ dựa trên nồng độ đầu vào và đầu ra của các chất dinh dưỡng. Áp dụng mô hình đẳng nhiệt và động học hấp phụ để mô tả quá trình.

• Timeline nghiên cứu: Thực hiện từ tháng 01/2020 đến 12/2020 tại phòng thí nghiệm Đại học Bách Khoa, TP. Hồ Chí Minh.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Đặc trưng vật liệu MCRH: Biochar biến tính MgCl2 có bề mặt xốp với các hạt MgO phân bố đều, diện tích bề mặt tăng so với biochar không biến tính. Thành phần Mg chiếm khoảng 13,75% trọng lượng, tỷ lệ mol Mg/C là 0,22. Phổ XRD xác nhận sự hình thành tinh thể MgO trên bề mặt biochar.

2. Ảnh hưởng hàm lượng Mg đến khả năng hấp phụ: Biochar biến tính với 10-15% MgCl2 đạt hiệu suất hấp phụ amoni cao nhất, khoảng 90-92%, dung lượng hấp phụ lên đến 70,5 mg/g. Hiệu suất hấp phụ photphat đạt 66% ở 10% MgCl2, trong khi biochar không biến tính gần như không hấp phụ được các chất này. Hiệu suất hấp phụ nitrat thấp dưới 10%.

3. So sánh các muối kim loại biến tính: Biochar biến tính FeCl3 có hiệu suất hấp phụ photphat cao nhất (98,5%), tiếp theo là MnCl2 (97,8%), trong khi MgCl2 vượt trội về hấp phụ amoni (88,6%). Các muối khác như ZnCl2, AlCl3 có hiệu suất thấp hơn đáng kể.

4. Ảnh hưởng các yếu tố đến hiệu suất hấp phụ:

   • Nồng độ amoni ban đầu tăng từ 20 đến 100 mg/l làm dung lượng hấp phụ tăng từ 13,84 mg/g lên 62,24 mg/g.
   • Nồng độ photphat ban đầu tăng từ 10 đến 100 mg/l cũng làm tăng dung lượng hấp phụ đáng kể.
   • Thời gian hấp phụ tối ưu là khoảng 24 giờ cho amoni và 8 giờ cho photphat.
   • pH ảnh hưởng đến điểm không điện tích của vật liệu, tối ưu trong khoảng pH 6-8 để tăng hấp phụ.
   • Lượng biochar 0,03-0,12 g/l được xác định là phù hợp để đạt hiệu suất cao.

5. Hiệu quả xử lý nước thải sinh hoạt thực tế: Biochar MCRH xử lý nước thải sinh hoạt với nồng độ amoni 45,86 mg/l và photphat 9,56 mg/l đạt hiệu suất loại bỏ 92,8% amoni và 52,6% photphat. Nồng độ đầu ra đạt chuẩn QCVN 14:2008/BTNMT (cột B), đảm bảo an toàn môi trường.

Thảo luận kết quả

Kết quả cho thấy việc biến tính biochar từ vỏ trấu bằng muối MgCl2 tạo ra vật liệu có khả năng hấp phụ amoni và photphat vượt trội so với biochar nguyên thủy. Sự hiện diện của MgO trên bề mặt biochar làm tăng lực hút tĩnh điện và khả năng trao đổi cation, từ đó nâng cao hiệu quả hấp phụ. Các kết quả phù hợp với nghiên cứu quốc tế về biochar biến tính và cơ chế hấp phụ vật lý.

Hiệu suất hấp phụ nitrat thấp do cấu trúc và điện tích bề mặt không thuận lợi cho hấp phụ ion âm này. So sánh với các muối biến tính khác, MgCl2 là lựa chọn tối ưu cho mục tiêu thu hồi amoni và photphat trong nước thải sinh hoạt.

Phân tích động học và đẳng nhiệt hấp phụ cho thấy quá trình hấp phụ diễn ra chủ yếu theo cơ chế vật lý, phù hợp với mô hình Langmuir và khuếch tán trong hạt. Thời gian hấp phụ cân bằng và pH tối ưu được xác định rõ, giúp định hướng ứng dụng thực tế.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ hấp phụ theo thời gian, biểu đồ hiệu suất theo nồng độ MgCl2, và bảng so sánh hiệu suất các muối biến tính, giúp minh họa rõ ràng các phát hiện.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Ứng dụng biochar biến tính MgCl2 trong xử lý nước thải sinh hoạt: Khuyến khích các cơ sở xử lý nước thải áp dụng biochar MCRH với hàm lượng MgCl2 khoảng 10% để thu hồi amoni và photphat, giảm ô nhiễm và tái sử dụng chất dinh dưỡng. Thời gian xử lý đề xuất là 24 giờ, lượng biochar 0,03-0,12 g/l.

2. Phát triển quy trình sản xuất biochar biến tính quy mô công nghiệp: Đề xuất đầu tư nghiên cứu và xây dựng dây chuyền sản xuất biochar biến tính từ vỏ trấu tại các vùng nông nghiệp trọng điểm, tận dụng phế phẩm nông nghiệp, giảm chi phí nguyên liệu và tăng hiệu quả kinh tế.

3. Nghiên cứu ứng dụng biochar sau hấp phụ làm phân bón nhả chậm: Khuyến nghị nghiên cứu tiếp theo tập trung vào khả năng sử dụng biochar đã hấp phụ amoni và photphat làm phân bón hữu cơ vi sinh, góp phần nâng cao năng suất cây trồng và bảo vệ môi trường đất.

4. Tăng cường đào tạo và chuyển giao công nghệ: Đề xuất tổ chức các khóa đào tạo, hội thảo cho cán bộ kỹ thuật và doanh nghiệp về công nghệ sản xuất và ứng dụng biochar biến tính trong xử lý nước thải và nông nghiệp bền vững.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật môi trường: Luận văn cung cấp dữ liệu thực nghiệm và phương pháp tổng hợp biochar biến tính, giúp phát triển nghiên cứu về vật liệu hấp phụ và xử lý nước thải.

2. Doanh nghiệp sản xuất và xử lý nước thải: Thông tin về hiệu quả xử lý amoni, photphat bằng biochar biến tính giúp doanh nghiệp lựa chọn công nghệ thân thiện, tiết kiệm chi phí và nâng cao hiệu quả xử lý.

3. Ngành nông nghiệp và phân bón: Kết quả nghiên cứu mở ra hướng ứng dụng biochar hấp phụ dinh dưỡng làm phân bón nhả chậm, tăng năng suất cây trồng và cải tạo đất.

4. Cơ quan quản lý môi trường và chính sách: Cung cấp cơ sở khoa học để xây dựng chính sách khuyến khích sử dụng vật liệu sinh học trong xử lý nước thải, góp phần bảo vệ môi trường và phát triển bền vững.

Câu hỏi thường gặp

1. Biochar biến tính là gì và tại sao chọn MgCl2?
   Biochar biến tính là than sinh học được xử lý với muối kim loại để tăng khả năng hấp phụ. MgCl2 được chọn vì tạo ra MgO trên bề mặt, tăng diện tích bề mặt và lực hút tĩnh điện, giúp hấp phụ amoni và photphat hiệu quả hơn.

2. Hiệu suất hấp phụ amoni và photphat của biochar biến tính đạt bao nhiêu?
   Biochar biến tính MgCl2 10-15% đạt hiệu suất hấp phụ amoni khoảng 90%, photphat khoảng 66% trong nước giả thải, và xử lý nước thải sinh hoạt thực tế đạt 92,8% amoni và 52,6% photphat.

3. Quá trình hấp phụ diễn ra trong bao lâu?
   Thời gian hấp phụ cân bằng là khoảng 24 giờ đối với amoni và 8 giờ đối với photphat, phù hợp để ứng dụng trong xử lý nước thải sinh hoạt.

4. Biochar sau hấp phụ có thể tái sử dụng hay không?
   Biochar sau hấp phụ amoni và photphat có tiềm năng làm phân bón nhả chậm, cung cấp dinh dưỡng cho cây trồng, giúp tái sử dụng chất dinh dưỡng và giảm ô nhiễm môi trường.

5. Biochar biến tính có thể áp dụng ở quy mô lớn không?
   Quy trình tổng hợp biochar biến tính từ vỏ trấu đơn giản, sử dụng nguyên liệu sẵn có, có thể mở rộng quy mô công nghiệp với chi phí thấp, phù hợp cho các vùng nông nghiệp tại Việt Nam.

Kết luận

• Biochar biến tính từ vỏ trấu với muối MgCl2 có khả năng hấp phụ amoni và photphat hiệu quả, đạt hiệu suất trên 90% và 60% tương ứng.
• Quá trình hấp phụ phù hợp với mô hình Langmuir và động học khuếch tán trong hạt, chủ yếu là hấp phụ vật lý.
• Biochar biến tính MgCl2 vượt trội so với các muối kim loại khác về khả năng thu hồi dinh dưỡng trong nước thải sinh hoạt.
• Ứng dụng biochar MCRH trong xử lý nước thải thực tế đạt chuẩn QCVN 14:2008/BTNMT, góp phần bảo vệ môi trường và tái sử dụng tài nguyên.
• Đề xuất nghiên cứu tiếp theo về sử dụng biochar sau hấp phụ làm phân bón nhả chậm, đồng thời phát triển quy trình sản xuất quy mô công nghiệp.

Hành động tiếp theo: Khuyến khích các tổ chức nghiên cứu và doanh nghiệp triển khai ứng dụng biochar biến tính trong xử lý nước thải và nông nghiệp bền vững, đồng thời mở rộng nghiên cứu về tái sử dụng biochar trong sản xuất phân bón.