Nghiên cứu vật liệu lưỡng chức năng từ nước nhiễm phèn để xử lý nước hiệu quả

LỜI CAM ĐOAN

LỜI CẢM ƠN

MỤC LỤC

DANH MỤC HÌNH ẢNH

DANH MỤC BẢNG BIỂU

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

1. CHƢƠNG 1: MỞ ĐẦU

1.1. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu

1.2. Mục tiêu, ý nghĩa và tính mới của luận án

1.2.1. Mục tiêu của luận án

1.2.1.1. Mục tiêu tổng quát

1.2.1.2. Mục tiêu cụ thể

1.2.2. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

1.2.2.1. Ý nghĩa khoa học

1.2.2.2. Ý nghĩa thực tiễn

1.2.3. Những đóng góp của luận án và khả năng áp dụng

2. CHƢƠNG 2: TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU

2.1. Tổng quan về nƣớc nhiễm phèn và các phƣơng pháp xử lý nƣớc phèn

2.1.1. Sơ lƣợc về đất phèn

2.1.2. Sơ lƣợc về nƣớc nhiễm phèn

2.1.3. Thực trạng và sự ảnh hƣởng của nguồn nƣớc nhiễm phèn ở các khu vực thuộc tỉnh An Giang

2.1.3.1. Thực trạng nƣớc nhiễm phèn

2.1.3.2. Ảnh hƣởng của nƣớc nhiễm phèn đến ngƣời dân địa phƣơng

2.1.4. Các phƣơng pháp xử lý nƣớc phèn

2.1.5. Ứng dụng của nƣớc phèn trong xử lý môi trƣờng

2.2. Tổng quan về độ cứng

2.2.1. Sơ lƣợc về độ cứng trong nƣớc

2.2.2. Các phƣơng pháp xử lý độ cứng

2.3. Ô nhiễm phosphorus trong nƣớc và phƣơng pháp xử lý

2.3.1. Ô nhiễm phosphate ảnh hƣởng đến con ngƣời và môi trƣờng

2.3.2. Các phƣơng pháp xử lý ô nhiễm phosphate

2.3.3. Các vật liệu xử lý phosphate đƣợc ứng dụng trong xử lý nƣớc thải

2.4. Tổng quan về quá trình hấp phụ và vật liệu hấp phụ

2.4.1. Khái niệm và bản chất quá trình hấp phụ

2.4.2. Phân loại quá trình hấp phụ

2.4.3. Vật liệu hấp phụ phosphate

2.4.4. Các phƣơng pháp tổng hợp vật liệu oxide/hydroxide iron

2.4.5. Đặc điểm của nƣớc thải sinh hoạt và nƣớc thải nhà máy (cơ sở) chế biến thủy sản

3. CHƢƠNG 3: NỘI DUNG VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

3.1. Nội dung nghiên cứu của luận án

3.1.1. Nội dung 1: Tổng hợp vật liệu từ ion iron trên nền hạt nhựa trao đổi ion

3.1.2. Nội dung 2: Tổng hợp vật liệu từ ion iron và các ion kim loại trong nƣớc phèn trên nền hạt nhựa trao đổi ion

3.2. Hóa chất và thiết bị nghiên cứu

3.3. Phƣơng pháp nghiên cứu

3.3.1. Thu mẫu và bảo quản mẫu

3.3.1.1. Nƣớc nhiễm phèn

3.3.1.2. Hạt nhựa sử dụng

3.3.2. Quy trình tổng hợp các loại vật liệu hấp phụ

3.3.2.1. Tổng hợp vật liệu FeOOH/225H trên nền hạt nhựa trao đổi cation quy mô phòng thí nghiệm

3.3.2.2. Tổng hợp vật liệu HIAO/225H trên nền hạt nhựa trao đổi cation quy mô phòng thí nghiệm

3.3.3. Xác định các đặc trƣng của các vật liệu

3.3.4. Đánh giá khả năng hấp phụ phosphate của vật liệu đƣợc tổng hợp từ ion iron và các ion kim loại khác trên nền hạt nhựa trao đổi cation

3.3.4.1. Nghiên cứu khả năng hấp phụ phosphate của vật liệu FeOOH/225H

3.3.4.2. Nghiên cứu khả năng hấp phụ phosphate của vật liệu HIAO/225H

3.3.5. Ảnh hƣởng của các ion cùng tồn tại trong dịch đến khả năng hấp phụ phosphate của vật liệu FeOOH/225H và HIAO/225H

3.3.6. Thử nghiệm khả năng xử lý nƣớc thải thực tế

3.3.7. Phân tích mẫu, tính toán và xử lý số liệu

3.3.7.1. Phƣơng pháp phân tích và tính toán khả năng hấp phụ của vật liệu

3.3.7.2. Cơ chế hấp phụ

3.3.7.3. Phƣơng pháp xử lý số liệu

4. CHƢƠNG 4: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU, PHÂN TÍCH VÀ BÀN LUẬN

4.1. Kết quả, đặc điểm và đặc trƣng của các loại vật liệu sau khi tổng hợp

4.1.1. Tổng hợp vật liệu từ ion iron trên nền hạt nhựa trao đổi ion (FeOOH/225H)

4.1.1.1. Kết quả của quá trình tổng hợp vật liệu FeOOH/225H

4.1.1.2. Đặc điểm của vật liệu FeOOH/225H sau khi tổng hợp

4.1.1.3. Các đặc trƣng của vật liệu FeOOH/225H

4.1.1.4. Cơ chế tổng hợp vật liệu FeOOH/225H

4.1.2. Tổng hợp vật liệu từ ion iron và các ion kim loại trong nƣớc phèn trên nền hạt nhựa trao đổi ion (HIAO/225H)

4.1.2.1. Kết quả của quá trình tổng hợp vật liệu HIAO/225H

4.1.2.2. Đặc điểm của vật liệu sau khi tổng hợp

4.1.2.3. Đặc trƣng của vật liệu của vật liệu HIAO/225H

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

4.2.1. Tính chất hấp phụ của vật liệu FeOOH/225H

4.2.1.1. Ảnh hƣởng của thời gian hấp phụ

4.2.1.2. Ảnh hƣởng của pH đến khả năng hấp phụ

4.2.1.3. Ảnh hƣởng của liều lƣợng chất hấp phụ đến khả năng hấp phụ

4.2.1.4. Ảnh hƣởng của nồng độ phosphate và nhiệt độ đến khả năng hấp phụ

4.2.1.5. Phƣơng trình động học, nhiệt động lực học và đẳng nhiệt của quá trình hấp phụ

4.2.1.6. Độ bền vật liệu

4.2.1.7. So sánh khả năng hấp phụ phosphate của vật liệu FeOOH/225H so với các vật liệu khác

4.2.2. Tính chất hấp phụ của vật liệu HIAO/225H

4.2.2.1. Ảnh hƣởng của thời gian hấp phụ

4.2.2.2. Ảnh hƣởng của pH đến quá trình hấp phụ

4.2.2.3. Ảnh hƣởng của liều lƣợng chất hấp phụ

4.2.2.4. Ảnh hƣởng của nồng độ phosphate và nhiệt độ đến quá trình hấp phụ

4.2.2.5. Phƣơng trình nhiệt động lực học và đẳng nhiệt của quá trình hấp phụ

4.2.2.6. Độ bền của vật liệu HIAO/225H

4.2.2.7. So sánh khả năng hấp phụ phosphate của vật liệu HIAO/225H so với các vật liệu khác

4.3. Ảnh hƣởng của các ion cùng tồn tại trong dung dịch đến khả năng hấp phụ phosphate của vật liệu FeOOH/225H và HIAO/225H

4.3.1. Ảnh hƣởng cạnh tranh hấp phụ giữa ion phosphate với một số anion tồn tại phổ biến trong môi trƣờng nƣớc (Cl-, HCO3-, SO42- và NO3-)

4.3.1.1. Ảnh hƣởng cạnh tranh hấp phụ giữa ion phosphate với một số anion tồn tại phổ biến trong môi trƣờng nƣớc (Cl-, HCO3-, SO42- và NO3-) khi sử dụng vật liệu FeOOH/225H

4.3.1.2. Ảnh hƣởng cạnh tranh hấp phụ giữa ion phosphate với một số anion tồn tại phổ biến trong môi trƣờng nƣớc (Cl-, HCO3-, SO42- và NO3-) khi sử dụng vật liệu HIAO/225H

4.3.2. Kiểm tra khả năng xử lý phosphate trong dung dịch giả thải có mặt Ca2+, Mg2+

4.3.2.1. Kiểm tra khả năng xử lý phosphate trong dung dịch giả thải có mặt Ca2+, Mg2+ khi sử dụng vật liệu FeOOH/225H

4.3.2.2. Kiểm tra khả năng xử lý phosphate trong dung dịch giả thải có mặt Ca2+, Mg2+ khi sử dụng vật liệu HIAO/225H

4.4. Thử nghiệm khả năng xử lý nƣớc thải thực tế

4.4.1. Đánh giá khả năng xử lý phosphate với mẫu nƣớc thải sinh hoạt và nƣớc giả thải của vật liệu FeOOH/225H

4.4.2. Đánh giá khả năng xử lý các loại nƣớc thải của HIAO/225H với FeOOH/225H và vật liệu thị trƣờng

4.4.2.1. Đánh giá khả năng xử lý phosphate trong nƣớc giả thải của vật liệu HIAO/225H với FeOOH/225H và vật liệu thị trƣờng

4.4.2.2. Đánh giá khả năng xử lý phosphate trong nƣớc thải sinh hoạt của vật liệu HIAO/225H với FeOOH/225H và vật liệu thị trƣờng

4.4.2.3. Đánh giá khả năng xử lý phosphate trong nƣớc thải nhà máy (cơ sở) chế biến thủy sản của vật liệu HIAO/225H với FeOOH/225H và vật liệu thị trƣờng

4.5. Cơ chế quá trình tổng hợp, hấp phụ và tái sinh của vật liệu HIAO/225H

4.5.1. Cơ chế tổng hợp vật liệu

4.5.2. Cơ chế hấp phụ và tăng cƣờng hấp phụ của vật liệu

4.5.3. Cơ chế tái sinh của vật liệu

4.6. Đề xuất quy trình công nghệ cho quá trình hấp phụ xử lý nƣớc thải thực tế

5. CHƢƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ

TÀI LIỆU THAM KHẢO

PHỤ LỤC I: BẢNG SỐ LIỆU VÀ HÌNH CHƢƠNG 2

PHỤ LỤC II: XÂY DỰNG BẢNG MÀU XÁC ĐỊNH NỒNG ĐỘ ION IRON TỔNG TRONG NƢỚC NHIỄM PHÈN

PHỤ LỤC III: PHƢƠNG PHÁP TỐI ƢU HÓA CÁC YẾU TỐ ẢNH HƢỞNG ĐẾN QUÁ TRÌNH THU HỒI

PHỤ LỤC IV: BẢNG SỐ LIỆU VÀ HÌNH CHƢƠNG 4

I. Tổng quan về nghiên cứu vật liệu lưỡng chức năng từ nước nhiễm phèn

Nước nhiễm phèn là một vấn đề nghiêm trọng tại nhiều khu vực, đặc biệt là ở An Giang. Nguồn nước này chứa nhiều kim loại nặng như sắt, nhôm, canxi và magiê, gây ô nhiễm môi trường và ảnh hưởng đến sức khỏe con người. Nghiên cứu này tập trung vào việc tận dụng nước nhiễm phèn để tổng hợp vật liệu lưỡng chức năng, nhằm xử lý hiệu quả các chất ô nhiễm trong nước.

1.1. Đặc điểm của nước nhiễm phèn và tác động đến môi trường

Nước nhiễm phèn thường chứa các ion kim loại nặng, gây ra ô nhiễm nghiêm trọng. Các ion này không chỉ ảnh hưởng đến chất lượng nước mà còn tác động xấu đến sức khỏe con người và hệ sinh thái.

1.2. Tại sao cần nghiên cứu vật liệu lưỡng chức năng

Vật liệu lưỡng chức năng có khả năng hấp phụ và trao đổi ion, giúp xử lý hiệu quả các chất ô nhiễm như phosphate. Việc phát triển vật liệu này từ nước nhiễm phèn không chỉ tiết kiệm chi phí mà còn giảm thiểu ô nhiễm môi trường.

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

Ô nhiễm nước là một trong những thách thức lớn nhất hiện nay. Nước nhiễm phèn không chỉ chứa các kim loại nặng mà còn có thể chứa các chất ô nhiễm khác như phosphate. Việc xử lý nước nhiễm phèn đòi hỏi các phương pháp hiệu quả và bền vững.

2.1. Các nguồn ô nhiễm chính trong nước nhiễm phèn

Các nguồn ô nhiễm chính bao gồm hoạt động nông nghiệp, công nghiệp và sinh hoạt. Những nguồn này thải ra các chất độc hại, làm tăng nồng độ kim loại nặng trong nước.

2.2. Thách thức trong việc xử lý nước nhiễm phèn

Việc xử lý nước nhiễm phèn gặp nhiều khó khăn do sự hiện diện của nhiều ion kim loại khác nhau. Các phương pháp truyền thống thường không hiệu quả trong việc loại bỏ các chất ô nhiễm này.

III. Phương pháp tổng hợp vật liệu lưỡng chức năng từ nước nhiễm phèn

Nghiên cứu này sử dụng các kim loại trong nước nhiễm phèn để tổng hợp vật liệu lưỡng chức năng hấp phụ - trao đổi ion. Phương pháp này không chỉ hiệu quả mà còn thân thiện với môi trường.

3.1. Quy trình tổng hợp vật liệu HIAO 225H

Quy trình tổng hợp vật liệu HIAO/225H bao gồm việc thu hồi ion kim loại từ nước nhiễm phèn và kết tủa chúng trên nền hạt nhựa. Kết quả cho thấy vật liệu này có khả năng hấp phụ phosphate cao.

3.2. Đặc điểm của vật liệu lưỡng chức năng

Vật liệu HIAO/225H có cấu trúc đặc biệt, cho phép hấp phụ hiệu quả các ion phosphate và trao đổi ion canxi, magiê. Điều này giúp nâng cao hiệu quả xử lý nước.

IV. Ứng dụng thực tiễn và kết quả nghiên cứu

Nghiên cứu đã chỉ ra rằng vật liệu HIAO/225H có khả năng xử lý nước thải hiệu quả hơn so với các vật liệu truyền thống như than hoạt tính. Kết quả cho thấy vật liệu này có thể loại bỏ phosphate và đáp ứng các tiêu chuẩn xả thải.

4.1. Hiệu quả xử lý nước thải sinh hoạt và công nghiệp

Vật liệu HIAO/225H đã được thử nghiệm trên nhiều loại nước thải khác nhau, cho thấy khả năng loại bỏ phosphate vượt trội và đáp ứng các tiêu chuẩn môi trường.

4.2. Khả năng tái sinh của vật liệu

Khả năng tái sinh của vật liệu HIAO/225H sau 10 lần sử dụng vẫn đạt 80% hiệu quả ban đầu, cho thấy tính bền vững và khả năng ứng dụng cao trong thực tiễn.

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

Nghiên cứu đã chứng minh rằng việc sử dụng nước nhiễm phèn để tổng hợp vật liệu lưỡng chức năng là khả thi và hiệu quả. Điều này không chỉ giúp xử lý nước ô nhiễm mà còn góp phần bảo vệ môi trường.

5.1. Tầm quan trọng của nghiên cứu trong xử lý nước

Nghiên cứu này mở ra hướng đi mới trong việc xử lý nước ô nhiễm, giúp giảm thiểu chi phí và nâng cao hiệu quả xử lý.

5.2. Hướng nghiên cứu tiếp theo

Cần tiếp tục nghiên cứu để cải thiện hiệu suất của vật liệu và mở rộng ứng dụng trong các lĩnh vực khác nhau, từ xử lý nước đến bảo vệ môi trường.

Luận án tiến sĩ: Nghiên cứu vật liệu lưỡng chức năng từ nước nhiễm phèn phục vụ xử lý nước