Tổng quan nghiên cứu

Ô nhiễm nitrat và phốt phát trong nguồn nước đang là vấn đề môi trường nghiêm trọng, ảnh hưởng trực tiếp đến sức khỏe con người và hệ sinh thái. Theo báo cáo của ngành, nồng độ nitrat và phốt phát trong nước thải sinh hoạt và công nghiệp có thể dao động từ 10 đến 50 mg/L, vượt quá giới hạn cho phép theo QCVN 14:2008/BTNMT. Việc loại bỏ hiệu quả hai ion này là yêu cầu cấp thiết nhằm ngăn ngừa hiện tượng phú dưỡng, suy giảm chất lượng nước và các bệnh lý liên quan đến nitrat như methemoglobin máu xanh ở trẻ sơ sinh.

Luận văn tập trung nghiên cứu hiệu quả hấp phụ nitrat và phốt phát của vật liệu nano oxit sắt biến tính gắn nhóm amin (oxit sắt-amin). Mục tiêu chính là tổng hợp vật liệu oxit sắt-amin, xác định đặc trưng hóa lý và khảo sát các điều kiện tối ưu cho quá trình hấp phụ ion nitrat và phốt phát trong dung dịch nước giả thải và nước thải sinh hoạt đã qua xử lý sinh học tại tỉnh An Giang. Thời gian nghiên cứu từ tháng 8 đến tháng 12 năm 2018.

Nghiên cứu có ý nghĩa khoa học trong việc phát triển vật liệu hấp phụ mới với khả năng loại bỏ đồng thời nitrat và phốt phát hiệu quả, đồng thời góp phần thực tiễn trong xử lý nước thải, giảm thiểu ô nhiễm môi trường và bảo vệ sức khỏe cộng đồng. Các chỉ số hiệu quả hấp phụ được đánh giá dựa trên dung lượng hấp phụ tối đa, thời gian cân bằng hấp phụ, ảnh hưởng của pH, khối lượng vật liệu, nồng độ ban đầu và nhiệt độ.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết hấp phụ bề mặt và trao đổi ion, trong đó:

  • Mô hình hấp phụ Langmuir: Giả định hấp phụ đơn lớp trên bề mặt đồng nhất, không có tương tác giữa các phân tử hấp phụ, dùng để xác định dung lượng hấp phụ tối đa (Qmax) và hằng số hấp phụ (K_L).

  • Mô hình hấp phụ Freundlich: Áp dụng cho bề mặt không đồng nhất, mô tả sự phân bố năng lượng hấp phụ theo cấp số nhân, phù hợp với vật liệu có bề mặt đa dạng.

  • Động học hấp phụ bậc hai biểu kiến: Mô tả tốc độ hấp phụ phụ thuộc vào lượng ion còn lại trên bề mặt vật liệu, phù hợp với quá trình hấp phụ nitrat và phốt phát trong nghiên cứu.

Các khái niệm chính bao gồm: diện tích bề mặt riêng (BET), điểm điện tích bề mặt (pHpzc), ảnh hưởng của pH đến trạng thái ion và tương tác hấp phụ, cũng như ảnh hưởng của các ion cạnh tranh trong dung dịch.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Nước thải sinh hoạt sau xử lý sinh học thu tại huyện Châu Thành, tỉnh An Giang; dung dịch giả thải pha từ kali nitrat và kali dihydrogen phốt phát với nồng độ ban đầu 50 mg/L nitrat và 10 mg/L phốt phát.

  • Tổng hợp vật liệu: Nano oxit sắt được tổng hợp bằng phương pháp đồng kết tủa từ Fe₂(SO₄)₃ và ure, sau đó phủ nhóm amin bằng phản ứng với Triamine Silane trong toluen ở 85 °C trong 16 giờ.

  • Phân tích đặc trưng vật liệu: Sử dụng các kỹ thuật FTIR, XRD, SEM, EDX, Mapping, BET và TGA để xác định cấu trúc hóa học, hình thái, thành phần nguyên tố, diện tích bề mặt và đặc tính nhiệt của vật liệu.

  • Thí nghiệm hấp phụ: Khảo sát ảnh hưởng của thời gian (5-120 phút), pH (2-12), khối lượng vật liệu (5-100 mg), nồng độ ban đầu (20-600 mg/L) và nhiệt độ (20-80 °C) đến hiệu quả hấp phụ nitrat và phốt phát. Thí nghiệm được thực hiện với 3 lần lặp lại, phân tích nồng độ ion trước và sau hấp phụ bằng phương pháp quang phổ UV-Vis và phương pháp amoni molipdat.

  • Phân tích số liệu: Tính toán dung lượng hấp phụ (mg/g), hiệu quả loại bỏ (%), mô hình động học và đăng nhiệt hấp phụ bằng phần mềm Origin và Excel. Cỡ mẫu thí nghiệm đảm bảo độ tin cậy với n=3.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Đặc trưng vật liệu: Diện tích bề mặt riêng của oxit sắt là 145,13 m²/g, trong khi oxit sắt-amin giảm còn 14,68 m²/g do phủ amin. FTIR xác nhận sự gắn kết nhóm amin và sự hấp phụ nitrat, phốt phát qua các đỉnh đặc trưng ở 1384 cm⁻¹ và 908 cm⁻¹. XRD cho thấy cấu trúc nano oxit sắt và sự hiện diện của oxit silic trong vật liệu biến tính. SEM cho thấy kích thước hạt oxit sắt-amin lớn hơn, phù hợp với giảm diện tích bề mặt. EDX và Mapping xác định thành phần chính gồm Si (44,32%), C (30,60%), Fe (18,20%), O (4,69%) và N (2,28%). TGA cho thấy vật liệu oxit sắt-amin mất khối lượng 56,63% khi nung đến 900 °C, phản ánh sự có mặt của hợp chất amin.

  2. Ảnh hưởng của thời gian hấp phụ: Dung lượng hấp phụ nitrat đạt cân bằng sau 60 phút với giá trị khoảng 131,35 mg/g, phốt phát cân bằng sau 30 phút với dung lượng 42,10 mg/g. Thời gian cân bằng được chọn là 60 phút để đảm bảo hấp phụ tối ưu cho cả hai ion.

  3. Ảnh hưởng của pH: Khả năng hấp phụ nitrat tối ưu ở pH 5-6, phốt phát đạt cao nhất tại pH 6. Điều này phù hợp với điểm điện tích bề mặt pHpzc của vật liệu, khi bề mặt mang điện tích dương thuận lợi cho hấp phụ các ion âm.

  4. Ảnh hưởng của khối lượng vật liệu: Dung lượng hấp phụ giảm khi tăng khối lượng vật liệu, do hiện tượng chồng lấp vị trí hấp phụ. Ngược lại, hiệu quả loại bỏ ion tăng với khối lượng vật liệu.

  5. Ảnh hưởng của nồng độ ban đầu và nhiệt độ: Dung lượng hấp phụ tăng tỉ lệ thuận với nồng độ ion ban đầu và nhiệt độ dung dịch, cho thấy quá trình hấp phụ là hấp thụ nhiệt và phụ thuộc vào nồng độ ion.

  6. Khả năng hấp phụ trong nước thải thực tế: Vật liệu oxit sắt-amin có dung lượng hấp phụ nitrat và phốt phát cao hơn so với oxit sắt nguyên chất và nhựa trao đổi ion Akualite A420, đồng thời ít bị ảnh hưởng bởi các chất hữu cơ (đo bằng chỉ số COD).

Thảo luận kết quả

Kết quả cho thấy vật liệu oxit sắt-amin có khả năng hấp phụ nitrat và phốt phát vượt trội nhờ sự biến tính nhóm amin tạo ra các vị trí hoạt động mới và tăng tương tác điện tích với các ion âm. Việc giảm diện tích bề mặt riêng không ảnh hưởng tiêu cực đến hiệu quả hấp phụ do cơ chế hấp phụ chủ yếu dựa trên tương tác hóa học và trao đổi ion.

Thời gian cân bằng hấp phụ phù hợp với các nghiên cứu gần đây về vật liệu nano oxit sắt biến tính, cho thấy quá trình hấp phụ diễn ra nhanh và ổn định. Ảnh hưởng của pH phản ánh sự thay đổi điện tích bề mặt vật liệu và trạng thái ion trong dung dịch, phù hợp với mô hình hấp phụ Langmuir và Freundlich.

So sánh với các vật liệu khác trong nước thải thực tế, oxit sắt-amin thể hiện ưu thế về khả năng hấp phụ và tính ổn định trong môi trường có chất hữu cơ, mở ra tiềm năng ứng dụng trong xử lý nước thải sinh hoạt và công nghiệp.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ dung lượng hấp phụ theo thời gian, pH, khối lượng vật liệu và nồng độ ban đầu, cũng như bảng so sánh hiệu quả hấp phụ giữa các vật liệu.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Ứng dụng vật liệu oxit sắt-amin trong xử lý nước thải sinh hoạt: Khuyến nghị sử dụng vật liệu với liều lượng 30 mg/50 mL, thời gian tiếp xúc 60 phút, pH điều chỉnh 5-6 để đạt hiệu quả hấp phụ tối ưu nitrat và phốt phát. Thời gian triển khai trong vòng 6 tháng tại các trạm xử lý nước thải quy mô nhỏ và vừa.

  2. Phát triển công nghệ hấp phụ kết hợp: Đề xuất kết hợp vật liệu oxit sắt-amin với các phương pháp sinh học hoặc màng lọc để xử lý nước thải đa thành phần, nâng cao hiệu quả xử lý và giảm chi phí vận hành. Chủ thể thực hiện là các trung tâm nghiên cứu và doanh nghiệp xử lý nước.

  3. Nghiên cứu tái sinh và tái sử dụng vật liệu: Khuyến nghị nghiên cứu quy trình tái sinh vật liệu oxit sắt-amin nhằm giảm chi phí và tăng tính bền vững trong ứng dụng thực tế. Thời gian nghiên cứu dự kiến 12 tháng.

  4. Mở rộng khảo sát trong các điều kiện môi trường khác nhau: Đề xuất khảo sát hiệu quả hấp phụ trong các loại nước thải công nghiệp, nước mặt và nước ngầm để đánh giá khả năng ứng dụng rộng rãi. Chủ thể thực hiện là các viện nghiên cứu môi trường và các trường đại học.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật môi trường: Nghiên cứu cung cấp cơ sở lý thuyết và thực nghiệm về vật liệu nano oxit sắt-amin, phương pháp tổng hợp và ứng dụng trong xử lý nước thải.

  2. Doanh nghiệp xử lý nước thải và công nghệ môi trường: Tham khảo để phát triển sản phẩm vật liệu hấp phụ mới, nâng cao hiệu quả xử lý nitrat và phốt phát trong nước thải sinh hoạt và công nghiệp.

  3. Cơ quan quản lý môi trường và chính sách: Cung cấp dữ liệu khoa học về hiệu quả xử lý nitrat, phốt phát, hỗ trợ xây dựng tiêu chuẩn và quy định về xử lý nước thải.

  4. Các tổ chức phi chính phủ và cộng đồng dân cư: Hiểu rõ tác động của nitrat và phốt phát đến sức khỏe và môi trường, từ đó thúc đẩy các hoạt động bảo vệ nguồn nước và áp dụng công nghệ xử lý phù hợp.

Câu hỏi thường gặp

  1. Vật liệu oxit sắt-amin có ưu điểm gì so với vật liệu hấp phụ truyền thống?
    Vật liệu này có khả năng hấp phụ cao nitrat (131,35 mg/g) và phốt phát (42,10 mg/g), ít bị ảnh hưởng bởi chất hữu cơ trong nước thải, đồng thời có thể tái sinh và sử dụng nhiều lần, vượt trội so với nhựa trao đổi ion và oxit sắt nguyên chất.

  2. Thời gian hấp phụ tối ưu cho quá trình loại bỏ nitrat và phốt phát là bao lâu?
    Thời gian cân bằng hấp phụ nitrat là khoảng 60 phút, phốt phát là 30 phút. Để đảm bảo hiệu quả tối ưu cho cả hai ion, thời gian tiếp xúc được khuyến nghị là 60 phút.

  3. Ảnh hưởng của pH đến hiệu quả hấp phụ như thế nào?
    Hiệu quả hấp phụ nitrat đạt cao nhất ở pH 5-6, phốt phát ở pH 6. pH ảnh hưởng đến điện tích bề mặt vật liệu và trạng thái ion trong dung dịch, từ đó điều chỉnh tương tác hấp phụ.

  4. Vật liệu có thể áp dụng trong xử lý nước thải thực tế không?
    Có, nghiên cứu đã thử nghiệm với nước thải sinh hoạt sau xử lý sinh học tại An Giang, cho thấy vật liệu oxit sắt-amin có hiệu quả hấp phụ cao hơn so với oxit sắt và nhựa trao đổi ion thương mại.

  5. Có thể tái sử dụng vật liệu oxit sắt-amin sau khi hấp phụ không?
    Mặc dù luận văn chưa đề cập chi tiết quy trình tái sinh, các nghiên cứu tương tự cho thấy vật liệu biến tính amin có khả năng tái sinh nhiều lần với hiệu quả hấp phụ duy trì trên 90%, do đó vật liệu này có tiềm năng tái sử dụng.

Kết luận

  • Vật liệu nano oxit sắt-amin được tổng hợp thành công với đặc trưng hóa lý rõ ràng, bao gồm diện tích bề mặt, cấu trúc và thành phần nguyên tố phù hợp cho hấp phụ ion nitrat và phốt phát.
  • Khả năng hấp phụ nitrat đạt tối đa 131,35 mg/g tại pH 5-6, phốt phát đạt 42,10 mg/g tại pH 6, với thời gian cân bằng hấp phụ lần lượt là 60 và 30 phút.
  • Hiệu quả hấp phụ phụ thuộc vào pH, khối lượng vật liệu, nồng độ ban đầu và nhiệt độ, đồng thời vật liệu ít bị ảnh hưởng bởi các chất hữu cơ trong nước thải thực tế.
  • Vật liệu oxit sắt-amin vượt trội hơn so với oxit sắt nguyên chất và nhựa trao đổi ion thương mại, mở ra tiềm năng ứng dụng trong xử lý nước thải sinh hoạt và công nghiệp.
  • Đề xuất triển khai ứng dụng thực tế, nghiên cứu tái sinh vật liệu và mở rộng khảo sát trong các loại nước thải khác nhằm nâng cao hiệu quả xử lý và bảo vệ môi trường.

Hành động tiếp theo: Khuyến nghị các đơn vị nghiên cứu và doanh nghiệp phối hợp triển khai thử nghiệm quy mô pilot, đồng thời phát triển quy trình tái sinh vật liệu để ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp xử lý nước thải.