Nghiên cứu vật liệu mới từ tro trấu để xử lý nước thải hiệu quả

LỜI CAM ĐOAN

TÓM TẮT LUẬN ÁN

ABSTRACT

LỜI CẢM ƠN

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH

DANH MỤC BẢNG BIỂU

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

1. CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU

1.1. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

1.1.1. Đối tượng nghiên cứu

1.1.2. Phạm vi nghiên cứu

2. CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU, MỤC TIÊU, Ý NGHĨA VÀ TÍNH MỚI

2.1. Tổng quan về tro trấu và vật liệu hấp phụ chế tạo từ tro trấu

2.1.1. Sơ lược về trấu và tro trấu

2.1.2. Hiện trạng phát sinh và xử lý tro trấu thải trên địa bàn tỉnh An Giang

2.1.2.1. Nguồn phát sinh và khối lượng tro trấu thải từ các cơ sở sản xuất

2.1.2.2. Ảnh hưởng của tro trấu đến sức khỏe con người và môi trường

2.1.2.3. Các biện pháp xử lý và tái sử dụng tro trấu thải hiện nay

2.1.3. Tình hình nghiên cứu ứng dụng tro trấu trong và ngoài nước

2.1.4. Thành phần, đặc tính của tro trấu

2.1.5. Vật liệu hấp phụ chế tạo từ tro trấu ứng dụng trong xử lý nước và nước thải

2.1.5.1. Hấp phụ các thành phần hữu cơ

2.1.5.2. Hấp phụ các thành phần vô cơ

2.2. Tổng quan phương pháp xử lý các hợp chất hữu cơ, nitrat và phốt phát trong nước thải

2.2.1. Sơ lược về các hợp chất hữu cơ azo và metyl da cam

2.2.2. Sơ lược về ô nhiễm nitrat và phốt phát

2.2.3. Sơ lược về nước thải chăn nuôi

2.2.4. Các phương pháp xử lý ô nhiễm hữu cơ, nitrat và phốt phát

2.2.5. Phương pháp hấp phụ và ứng dụng quá trình hấp phụ để xử lý ô nhiễm hữu cơ, nitrat, phốt phát

2.2.5.1. Khái niệm và bản chất quá trình hấp phụ

2.2.5.2. Phân loại và cơ chế hấp phụ

2.2.5.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hấp phụ

2.2.5.4. Ứng dụng quá trình hấp phụ để xử lý các thành phần ô nhiễm hữu cơ, nitrat và phốt phát trong nước thải

2.3. Phương pháp hoạt hóa và biến tính bề mặt tro trấu làm vật liệu hấp phụ

2.3.1. Phương pháp hoạt hóa tro trấu

2.3.2. Phương pháp biến tính bề mặt

2.3.2.1. Tẩm với kim loại/oxit kim loại

2.3.2.2. Ghép các nhóm amin

2.3.3. Một số vật liệu biến tính amin trên nền silica và các chất thải nông nghiệp

2.4. Phần mềm Gaussian 16 và các ứng dụng phần mềm Gaussian trong nghiên cứu mô phỏng các quá trình trong kỹ thuật hấp phụ

2.4.1. Phần mềm Gaussian và phiên bản Gaussian 16

2.4.2. Phần mềm GaussView 6

2.4.3. Một số nghiên cứu ứng dụng phương pháp hóa tính toán trong hấp phụ

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

2.5.1. Mục tiêu tổng quát

2.5.2. Mục tiêu cụ thể

2.5.3. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

2.5.3.1. Ý nghĩa khoa học

2.5.3.2. Ý nghĩa thực tiễn

2.5.4. Những đóng góp mới của luận án

3. CHƯƠNG 3: NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

3.1. Nội dung nghiên cứu

3.1.1. Nội dung 1: Chế tạo vật liệu hấp phụ mới có khả năng loại bỏ hiệu quả các thành phần hữu cơ, nitrat và phốt phát từ nguồn tro trấu thải

3.1.2. Nội dung 2: Nghiên cứu khả năng hấp phụ các thành phần hữu cơ (metyl da cam), nitrat và phốt phát của vật liệu đã tổng hợp trong điều kiện phòng thí nghiệm

3.2. Hóa chất và thiết bị nghiên cứu

3.3. Phương pháp nghiên cứu

3.3.1. Chế tạo vật liệu hấp phụ chất hữu cơ, nitrat và phốt phát từ tro trấu

3.3.1.1. Hoạt hoá tro trấu

3.3.1.2. Ghép amin trên chất mang tro trấu hoạt hoá

3.3.1.3. Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình tổng hợp vật liệu

3.3.1.4. Tối ưu hoá quy trình tổng hợp vật liệu bằng quy hoạch thực nghiệm

3.3.5. Phân tích các đặc trưng hoá lý của vật liệu

3.3.2. Nghiên cứu khả năng hấp phụ chất hữu cơ, nitrat và phốt phát của vật liệu tổng hợp từ tro trấu

3.3.2.1. Khảo sát khả năng hấp phụ chất hữu cơ (metyl da cam)

3.3.2.2. Khảo sát khả năng hấp phụ nitrat

3.3.2.3. Khảo sát khả năng hấp phụ phốt phát

3.3.2.4. Khảo sát khả năng hấp phụ đồng thời chất hữu cơ, nitrat và phốt phát của vật liệu tổng hợp từ tro trấu

3.3.2.5. Thử nghiệm khả năng xử lý nước thải thực tế

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

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

4.1. Chế tạo vật liệu mới từ tro trấu có khả năng hấp phụ đồng thời chất hữu cơ, nitrat và phốt phát

4.1.1. Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình tổng hợp vật liệu

4.1.1.1. Ảnh hưởng của nồng độ axit HF trong quá trình hoạt hoá tro trấu

4.1.1.2. Ảnh hưởng của tỷ lệ thể tích triamin silan và chất mang ARHA

4.1.1.3. Ảnh hưởng của nhóm amin ghép trên chất mang ARHA

4.1.2. Tối ưu hoá quy trình tổng hợp vật liệu TRI-ARHA

4.1.3. Các đặc trưng cơ bản của vật liệu ARHA và TRI-ARHA

4.1.3.1. Diện tích bề mặt riêng

4.1.3.2. Phổ hồng ngoại biến đổi (FTIR)

4.1.3.3. Ảnh chụp hiển vi điện tử quét (SEM)

4.1.3.4. Phổ tán sắc năng lượng tia X (EDX) và ảnh SEM-mapping

4.1.3.5. Phổ nhiễu xạ tia X (XRD)

4.1.3.6. Phổ nhiệt trọng trường (TGA-DTG)

4.1.3.7. Điểm đẳng điện (pHpzc)

4.2. Khả năng hấp phụ chất hữu cơ, nitrat và phốt phát của vật liệu TRI-ARHA ở điều kiện phòng thí nghiệm

4.2.1. Khả năng hấp phụ chất hữu cơ của vật liệu TRI-ARHA

4.2.1.1. Ảnh hưởng của pH và liều lượng TRI-ARHA đến khả năng hấp phụ MO

4.2.1.2. Động học hấp phụ metyl da cam của vật liệu TRI-ARHA

4.2.1.3. Cân bằng hấp phụ metyl da cam của vật liệu TRI-ARHA

4.2.1.4. Các đại lượng nhiệt động của hấp phụ metyl da cam trên vật liệu TRI-ARHA

4.2.1.5. Quá trình tái sinh và độ bền hấp phụ MO

4.2.1.6. So sánh khả năng hấp phụ chất hữu cơ của TRI-ARHA và các vật liệu khác

4.2.2. Khả năng hấp phụ nitrat của vật liệu TRI-ARHA

4.2.2.1. Ảnh hưởng của pH và liều lượng TRI-ARHA đến khả năng hấp phụ nitrat

4.2.2.2. Động học hấp phụ nitrat của vật liệu TRI-ARHA

4.2.2.3. Cân bằng hấp phụ nitrat của vật liệu TRI-ARHA

4.2.2.4. Các đại lượng nhiệt động của hấp phụ nitrat trên vật liệu TRI-ARHA

4.2.2.5. Quá trình tái sinh và độ bền hấp phụ nitrat

4.2.2.6. So sánh khả năng hấp phụ nitrat của TRI-ARHA và các vật liệu khác

4.2.3. Khả năng hấp phụ phốt phát của vật liệu TRI-ARHA

4.2.3.1. Ảnh hưởng của pH và liều lượng TRI-ARHA đến khả năng hấp phụ phốt phát

4.2.3.2. Động học hấp phụ phốt phát của vật liệu TRI-ARHA

4.2.3.3. Cân bằng hấp phụ phốt phát của vật liệu TRI-ARHA

4.2.3.4. Các đại lượng nhiệt động của hấp phụ phốt phát trên vật liệu TRI-ARHA

4.2.3.5. Quá trình tái sinh và độ bền hấp phụ phốt phát

4.2.3.6. So sánh khả năng hấp phụ phốt phát của TRI-ARHA và các vật liệu khác

4.2.4. Khả năng hấp phụ đồng thời chất hữu cơ, nitrat và phốt phát của vật liệu TRI-ARHA

4.2.5. Kết quả tính toán hóa lý thuyết

4.2.6. Cơ chế quá trình tổng hợp và hấp phụ của vật liệu TRI-ARHA

4.2.7. Thử nghiệm ứng dụng vật liệu TRI-ARHA và đề xuất quy trình công nghệ xử lý nước thải thực tế

5. CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ

TÀI LIỆU THAM KHẢO

I. Tổng quan về nghiên cứu vật liệu mới từ tro trấu

Nghiên cứu vật liệu mới từ tro trấu đang trở thành một xu hướng quan trọng trong lĩnh vực xử lý nước thải. Tro trấu, một sản phẩm phụ từ nông nghiệp, chứa nhiều thành phần hữu ích như oxit silic và cacbon. Việc tận dụng nguồn tài nguyên này không chỉ giúp giảm thiểu ô nhiễm mà còn tạo ra các vật liệu hấp phụ hiệu quả cho quá trình xử lý nước thải. Nghiên cứu này sẽ trình bày các phương pháp chế tạo và ứng dụng của vật liệu mới từ tro trấu trong xử lý nước thải.

1.1. Đặc điểm và thành phần của tro trấu

Tro trấu chủ yếu bao gồm oxit silic và cacbon, với cấu trúc đặc biệt giúp tăng cường khả năng hấp phụ. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng tro trấu có thể được sử dụng như một chất mang cho các nhóm chức năng, tạo ra vật liệu hấp phụ hiệu quả cho các chất ô nhiễm trong nước thải.

1.2. Tình hình nghiên cứu ứng dụng tro trấu

Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc sử dụng tro trấu trong xử lý nước thải có thể mang lại hiệu quả cao. Các ứng dụng này không chỉ giúp giảm thiểu ô nhiễm mà còn tạo ra giá trị kinh tế từ nguồn tài nguyên sẵn có.

II. Vấn đề ô nhiễm nước thải và thách thức hiện tại

Ô nhiễm nước thải đang trở thành một vấn đề nghiêm trọng tại nhiều địa phương, đặc biệt là ở các khu vực nông thôn. Nước thải chứa nhiều chất ô nhiễm như chất hữu cơ, nitrat và phốt phát, gây ảnh hưởng đến sức khỏe con người và môi trường. Việc tìm kiếm các giải pháp hiệu quả để xử lý nước thải là rất cần thiết.

2.1. Nguyên nhân gây ô nhiễm nước thải

Các hoạt động nông nghiệp, công nghiệp và sinh hoạt đều góp phần vào ô nhiễm nước thải. Chất hữu cơ, nitrat và phốt phát từ các nguồn này thường vượt quá giới hạn cho phép, gây ra các vấn đề về môi trường.

2.2. Hệ thống xử lý nước thải hiện tại

Hệ thống xử lý nước thải hiện tại thường gặp nhiều khó khăn trong việc loại bỏ đồng thời các chất ô nhiễm. Các phương pháp truyền thống như lắng, lọc và hóa lý không đủ hiệu quả để xử lý triệt để các thành phần ô nhiễm.

III. Phương pháp chế tạo vật liệu mới từ tro trấu

Nghiên cứu đã phát triển một phương pháp chế tạo vật liệu mới từ tro trấu có khả năng hấp phụ hiệu quả các chất ô nhiễm trong nước thải. Vật liệu này được tổng hợp thông qua quá trình hoạt hóa và ghép các nhóm chức năng lên bề mặt tro trấu.

3.1. Quy trình hoạt hóa tro trấu

Tro trấu được hoạt hóa bằng axit flohidric (HF) để tạo ra bề mặt có khả năng hấp phụ cao. Quy trình này giúp tăng diện tích bề mặt và cải thiện tính chất hóa lý của vật liệu.

3.2. Ghép nhóm chức năng amin

Sau khi hoạt hóa, các nhóm triamin được ghép lên bề mặt tro trấu, tạo ra vật liệu TRI-ARHA. Vật liệu này cho thấy khả năng hấp phụ cao đối với các chất hữu cơ, nitrat và phốt phát.

IV. Kết quả nghiên cứu và ứng dụng thực tiễn

Kết quả nghiên cứu cho thấy vật liệu TRI-ARHA có khả năng hấp phụ vượt trội so với các vật liệu khác như than hoạt tính và nhựa trao đổi ion. Vật liệu này có thể xử lý hiệu quả nước thải từ nhiều nguồn khác nhau, bao gồm nước thải sinh hoạt và công nghiệp.

4.1. Khả năng hấp phụ của vật liệu TRI ARHA

Vật liệu TRI-ARHA cho thấy khả năng hấp phụ cao với Qmax đạt khoảng 172 mgMO/g, 132 mgNO3--N/g và 84,4 mgPO43--P/g. Thời gian đạt cân bằng hấp phụ nhanh chóng, chỉ từ 10-20 phút.

4.2. Ứng dụng trong xử lý nước thải thực tế

Nghiên cứu đã thực hiện thử nghiệm xử lý nước thải thực tế và cho thấy TRI-ARHA có khả năng loại bỏ hiệu quả các thành phần ô nhiễm, góp phần giảm thiểu ô nhiễm môi trường.

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

Nghiên cứu đã chứng minh rằng việc sử dụng tro trấu để chế tạo vật liệu hấp phụ là một giải pháp hiệu quả cho vấn đề ô nhiễm nước thải. Vật liệu TRI-ARHA không chỉ có khả năng hấp phụ cao mà còn thân thiện với môi trường.

5.1. Tầm quan trọng của việc tái chế tro trấu

Việc tái chế tro trấu không chỉ giúp giảm thiểu ô nhiễm mà còn tạo ra giá trị kinh tế từ nguồn tài nguyên sẵn có. Điều này mở ra nhiều cơ hội cho các nghiên cứu và ứng dụng trong tương lai.

5.2. Định hướng nghiên cứu tiếp theo

Các nghiên cứu tiếp theo có thể tập trung vào việc tối ưu hóa quy trình chế tạo và mở rộng ứng dụng của vật liệu TRI-ARHA trong các lĩnh vực khác nhau, từ xử lý nước thải đến các ứng dụng trong công nghiệp.

Luận án tiến sĩ: Nghiên cứu chế tạo vật liệu mới từ tro trấu để hấp phụ chất hữu cơ và nitrat phốt phát trong nước thải