Nghiên cứu ứng dụng trấu và bùn nhôm để thu hồi amoni và phốt phát từ nước thải

• Người hướng dẫn: PGS.TS Lê Hoàng Nghiêm
• Trường học: Học viện Kỹ thuật Mật mã
• Chuyên ngành: Môi Trường
• Đề tài: Nghiên Cứu Ứng Dụng Trấu Và Bùn Nhôm Trong Sản Xuất Vật Liệu Thu Hồi Amoni Và Phốt Phát Từ Nước Thải
• Loại tài liệu: luận văn
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Tp. HCM

• MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÝ LUẬN VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 1.4. Phạm vi nghiên cứu
• 1.5. Đặc điểm nghiên cứu và tiến triển tài liệu
• 1.6. Tính mới của tài liệu
• 2. CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN
• 2.1. Thành phần và tác hại vi sinh vật
• 2.1.1. Lợi ích của vi sinh vật
• 2.1.2. Ảnh hưởng của vi sinh vật trong xử lý môi trường
• 2.2. Than sinh học
• 2.3. Yếu tố ảnh hưởng quá trình hợp chất than sinh học
• 2.4. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước
• 3. CHƯƠNG 3: NGUYÊN LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 3.1. Thu thập sinh khối và bùn thải
• 3.2. Vật liệu nghiên cứu
• 3.3. Mô hình thí nghiệm
• 3.4. Phương pháp phân tích
• 4. CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 4.1. Khảo sát tính vật liệu than sinh học trấu và bùn
• 4.2. Khảo sát khả năng hợp chất ion amoni và phốt phát của vật liệu than kết hợp bùn
• 4.3. Phân tích cấu trúc vật liệu
• 4.3.1. Phân tích nhiễu xạ tia X - XRD
• 4.3.2. Phân tích SEM-EDX-Mapping
• 4.3.3. Phân tích phổ hồng ngoại FT-IR
• 4.3.4. Phân tích bề mặt riêng của vật liệu - BET
• 4.4. Ứng dụng vật liệu 80T/20% xử lý ô nhiễm thực tế
• 5. CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• 5.1. Kết luận
• 5.2. Kiến nghị
• PHỤ LỤC
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

I. Giới thiệu

Nghiên cứu này tập trung vào việc ứng dụng trấu và bùn nhôm để sản xuất vật liệu thu hồi amoni và phốt phát từ nước thải. Trấu là một loại chất thải nông nghiệp có khả năng hấp thụ tốt, trong khi bùn nhôm là sản phẩm phụ từ quá trình xử lý nước thải. Việc sử dụng hai loại nguyên liệu này không chỉ giúp giảm thiểu ô nhiễm môi trường mà còn tạo ra sản phẩm có giá trị. Các nghiên cứu trước đây đã chỉ ra rằng việc kết hợp trấu và bùn nhôm có thể tạo ra vật liệu hấp thụ hiệu quả cho các ion amoni và phốt phát trong nước thải.

II. Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu được thực hiện thông qua các bước chuẩn bị và phân tích vật liệu. Trấu được xử lý nhiệt để cải thiện khả năng hấp thụ, trong khi bùn nhôm được thu thập từ các nhà máy xử lý nước thải. Phương pháp xử lý nước thải được áp dụng nhằm tối ưu hóa khả năng thu hồi amoni và phốt phát. Các phương pháp phân tích như SEM, EDX, và BET được sử dụng để đánh giá cấu trúc và tính chất của vật liệu thu hồi. Kết quả cho thấy rằng vật liệu thu hồi có khả năng hấp thụ cao với hiệu suất lên tới 90% cho cả amoni và phốt phát.

III. Kết quả và thảo luận

Kết quả nghiên cứu cho thấy rằng vật liệu thu hồi từ trấu và bùn nhôm có khả năng hấp thụ amoni và phốt phát hiệu quả. Cụ thể, khả năng hấp thụ tối đa đạt được là 185,53 mgNH4+/g và 63,78 mgPO43-/g. Điều này chứng tỏ rằng việc sử dụng trấu và bùn nhôm không chỉ làm giảm ô nhiễm mà còn mang lại giá trị kinh tế cho việc xử lý nước thải. Hơn nữa, việc tái chế các chất thải này góp phần vào việc bảo vệ môi trường và phát triển bền vững.

IV. Ứng dụng thực tiễn

Vật liệu thu hồi từ trấu và bùn nhôm có tiềm năng ứng dụng cao trong lĩnh vực xử lý nước thải. Việc áp dụng công nghệ này không chỉ giúp giảm thiểu ô nhiễm mà còn có thể tạo ra nguồn tài nguyên tái chế từ các chất thải nông nghiệp và công nghiệp. Nghiên cứu này mở ra hướng đi mới cho việc phát triển các phương pháp xử lý nước thải hiệu quả và thân thiện với môi trường, đồng thời góp phần vào việc bảo vệ tài nguyên nước và môi trường sinh thái.

Tổng quan nghiên cứu

Ô nhiễm ammonium (NH4+) và phosphate (PO43-) trong nước thải là vấn đề môi trường nghiêm trọng, ảnh hưởng đến chất lượng nước và hệ sinh thái. Theo báo cáo ngành, nồng độ ammonium trong nước thải sinh hoạt và công nghiệp có thể dao động từ 12 đến 600 mg/L, trong khi phosphate dao động từ 1 đến 700 mg P/L. Việc xử lý hiệu quả các ion này góp phần giảm thiểu hiện tượng phú dưỡng và ô nhiễm nguồn nước. Mục tiêu nghiên cứu là phát triển vật liệu hấp phụ composite từ trấu gạo và bùn phèn nhôm nhằm thu hồi ammonium và phosphate từ nước thải, với phạm vi nghiên cứu tại TP. Hồ Chí Minh trong khoảng thời gian gần đây. Nghiên cứu tập trung đánh giá khả năng hấp phụ, đặc tính vật lý hóa học và hiệu quả xử lý của vật liệu composite 80T/20B (80% trấu, 20% bùn phèn) trên các mẫu nước thải có nồng độ ammonium và phosphate đa dạng. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc ứng dụng vật liệu sinh học tái chế, góp phần bảo vệ môi trường và phát triển bền vững.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết hấp phụ bề mặt và mô hình hấp phụ Langmuir, Freundlich để mô tả quá trình hấp phụ ammonium và phosphate. Mô hình Langmuir giả định hấp phụ xảy ra trên bề mặt đồng nhất với số lượng vị trí hấp phụ cố định, trong khi mô hình Freundlich mô tả hấp phụ trên bề mặt không đồng nhất. Các khái niệm chính bao gồm:

• Than sinh học (biochar): vật liệu carbon được tạo ra từ quá trình nhiệt phân sinh khối hữu cơ, có cấu trúc xốp và diện tích bề mặt lớn.
• Bùn phèn nhôm (alum sludge): chất thải từ quá trình xử lý nước, chứa các oxit kim loại như Al2O3, CaO, MgO có khả năng hấp phụ ion.
• pHpzc (điểm điện tích bề mặt bằng không): giá trị pH tại đó bề mặt vật liệu không mang điện tích, ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ ion.
• Hiệu suất hấp phụ (%): tỷ lệ phần trăm ion được loại bỏ khỏi dung dịch so với nồng độ ban đầu.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu thu thập từ phòng thí nghiệm phân tích và công nghệ môi trường tại TP. Hồ Chí Minh. Vật liệu composite 80T/20B được tổng hợp bằng cách kết hợp than sinh học từ trấu gạo xử lý MgCl2 4% và bùn phèn nhôm theo tỷ lệ khối lượng 80:20. Phương pháp phân tích bao gồm:

• XRD, XRF để xác định thành phần khoáng vật và oxit kim loại.
• SEM-EDX-Mapping để khảo sát cấu trúc bề mặt và phân bố nguyên tố.
• BET để đo diện tích bề mặt riêng và cấu trúc xốp.
• FT-IR để phân tích nhóm chức năng bề mặt.
• Phân tích hấp phụ ammonium và phosphate theo mô hình Langmuir và Freundlich, với cỡ mẫu 0,1 g vật liệu trong 100 mL dung dịch ion ammonium và phosphate nồng độ 50 ppm, thời gian hấp phụ tối ưu 8 giờ.
• Thí nghiệm được lặp lại 3 lần để đảm bảo độ tin cậy, sử dụng phương pháp chọn mẫu ngẫu nhiên và phân tích số liệu bằng phần mềm thống kê chuyên dụng.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Hiệu suất hấp phụ ammonium và phosphate cao: Vật liệu composite 80T/20B đạt khả năng hấp phụ tối đa lần lượt là 185,53 mg NH4+/g và 63,78 mg PO43-/g, với hiệu suất loại bỏ trên 90%. Nồng độ ban đầu của ammonium và phosphate tỷ lệ thuận với khả năng hấp phụ, cho thấy vật liệu phù hợp với nhiều mức ô nhiễm khác nhau.

2. Diện tích bề mặt lớn: Phân tích BET cho thấy vật liệu composite có diện tích bề mặt riêng khoảng 142 m²/g, cao hơn nhiều so với than sinh học hoặc bùn phèn đơn lẻ, tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình hấp phụ.

3. Ảnh hưởng của pH: Giá trị pHpzc của vật liệu khoảng 7, cho thấy vật liệu mang điện tích âm ở pH môi trường tự nhiên, thuận lợi cho việc hấp phụ các ion dương ammonium và ion âm phosphate. Hiệu suất hấp phụ giảm khi pH vượt quá 8 do sự cạnh tranh của ion OH- với phosphate.

4. Cấu trúc vật liệu ổn định: Kết quả SEM-EDX và FT-IR cho thấy vật liệu composite có cấu trúc xốp, phân bố đồng đều các nguyên tố Mg, Al, Si, giúp tăng cường khả năng hấp phụ và ổn định hóa ion ammonium và phosphate.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân hiệu quả hấp phụ cao của vật liệu composite là do sự kết hợp giữa than sinh học có diện tích bề mặt lớn và bùn phèn chứa oxit kim loại có khả năng tạo liên kết hydro và phản ứng hóa học với ammonium, phosphate. So với các nghiên cứu trước đây sử dụng than sinh học đơn lẻ hoặc bùn phèn, vật liệu composite 80T/20B cho hiệu suất hấp phụ ammonium cao hơn khoảng 20-30%, phosphate cao hơn khoảng 10-15%. Biểu đồ hấp phụ theo mô hình Langmuir và Freundlich minh họa rõ sự phù hợp của vật liệu với quá trình hấp phụ đồng nhất và không đồng nhất. Bảng so sánh hiệu suất hấp phụ với các vật liệu khác cũng cho thấy ưu thế vượt trội của composite. Kết quả này có ý nghĩa quan trọng trong việc ứng dụng xử lý nước thải sinh hoạt và công nghiệp, góp phần giảm thiểu ô nhiễm môi trường và tái sử dụng tài nguyên.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Triển khai ứng dụng xử lý nước thải: Áp dụng vật liệu composite 80T/20B trong các hệ thống xử lý nước thải sinh hoạt và công nghiệp tại TP. Hồ Chí Minh, với mục tiêu giảm ammonium và phosphate xuống dưới ngưỡng cho phép trong vòng 6 tháng, do các đơn vị xử lý nước và cơ quan quản lý môi trường thực hiện.

2. Nâng cao hiệu quả vật liệu: Nghiên cứu tối ưu tỷ lệ trấu và bùn phèn, cũng như điều kiện xử lý MgCl2 để tăng diện tích bề mặt và khả năng hấp phụ, tiến hành trong 12 tháng tại các phòng thí nghiệm chuyên ngành.

3. Phát triển quy trình tái sinh vật liệu: Xây dựng quy trình tái sinh vật liệu hấp phụ để giảm chi phí và tăng tuổi thọ sử dụng, thử nghiệm quy trình tái sinh bằng dung dịch kiềm hoặc axit trong 3 tháng, do các trung tâm nghiên cứu môi trường đảm nhiệm.

4. Mở rộng nghiên cứu thực địa: Thực hiện các thí nghiệm xử lý nước thải thực tế tại các khu công nghiệp và khu dân cư để đánh giá hiệu quả và tính khả thi của vật liệu trong điều kiện thực tế, tiến hành trong 18 tháng với sự phối hợp của các doanh nghiệp và cơ quan quản lý.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Các nhà nghiên cứu môi trường: Nghiên cứu về vật liệu hấp phụ, xử lý nước thải, phát triển công nghệ sinh học và tái chế chất thải.

2. Doanh nghiệp xử lý nước thải: Tìm kiếm giải pháp mới, hiệu quả và kinh tế để xử lý ammonium và phosphate trong nước thải công nghiệp và sinh hoạt.

3. Cơ quan quản lý môi trường: Đánh giá và xây dựng chính sách, quy chuẩn về xử lý nước thải, bảo vệ nguồn nước và phát triển bền vững.

4. Sinh viên, học viên cao học: Tham khảo phương pháp nghiên cứu, kỹ thuật phân tích vật liệu và ứng dụng thực tiễn trong lĩnh vực công nghệ môi trường.

Câu hỏi thường gặp

1. Vật liệu composite 80T/20B được tổng hợp như thế nào?
   Vật liệu được tạo thành từ than sinh học trấu gạo xử lý bằng dung dịch MgCl2 4% kết hợp với bùn phèn nhôm theo tỷ lệ khối lượng 80:20, sau đó được nung và xử lý hóa học để tăng diện tích bề mặt và khả năng hấp phụ.

2. Hiệu suất hấp phụ ammonium và phosphate của vật liệu ra sao?
   Vật liệu đạt khả năng hấp phụ tối đa 185,53 mg NH4+/g và 63,78 mg PO43-/g, với hiệu suất loại bỏ trên 90% trong điều kiện thí nghiệm.

3. Ảnh hưởng của pH đến quá trình hấp phụ?
   pH ảnh hưởng lớn đến điện tích bề mặt vật liệu và trạng thái ion ammonium, phosphate. Hiệu suất hấp phụ cao nhất ở pH trung tính đến kiềm nhẹ (khoảng 6-8), giảm khi pH quá cao do cạnh tranh ion OH-.

4. Vật liệu có thể tái sử dụng được không?
   Nghiên cứu đề xuất phát triển quy trình tái sinh vật liệu bằng dung dịch kiềm hoặc axit để tái sử dụng, giúp giảm chi phí và tăng tuổi thọ vật liệu.

5. Ứng dụng thực tế của vật liệu này là gì?
   Vật liệu phù hợp để xử lý nước thải sinh hoạt và công nghiệp có chứa ammonium và phosphate, góp phần giảm ô nhiễm nguồn nước và tái sử dụng tài nguyên trong các khu công nghiệp và đô thị.

Kết luận

• Đã phát triển thành công vật liệu composite 80T/20B từ trấu gạo và bùn phèn nhôm có khả năng hấp phụ ammonium và phosphate hiệu quả cao.
• Vật liệu có diện tích bề mặt riêng lớn (142 m²/g) và cấu trúc bề mặt xốp, hỗ trợ quá trình hấp phụ.
• Hiệu suất hấp phụ ammonium đạt 185,53 mg/g, phosphate đạt 63,78 mg/g, với hiệu quả loại bỏ trên 90%.
• pH môi trường ảnh hưởng rõ rệt đến khả năng hấp phụ, tối ưu ở pH trung tính đến kiềm nhẹ.
• Đề xuất mở rộng ứng dụng thực tế và phát triển quy trình tái sinh vật liệu để nâng cao hiệu quả và tính bền vững.

Next steps: Triển khai thí nghiệm thực địa, tối ưu quy trình tổng hợp và tái sinh vật liệu trong 12-18 tháng tới.

Call-to-action: Các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp xử lý nước thải nên hợp tác để ứng dụng và phát triển vật liệu này nhằm nâng cao hiệu quả xử lý môi trường.