MỞ ĐẦU Tính cấp thiết của đề tài Một trong những nhu cầu thiết yếu cho sự sống còn của con người là nước. Trái đất là một hành tinh với 71% bề mặt được bao phủ bởi nước. Tuy nhiên, nước biển chiếm đến 97% và chỉ có 3% là nước ngọt. Trong tổng trữ lượng nước ngọt, chỉ có 0,06% là có thể được khai thác sử dụng số còn lại là băng tuyết và phần nước ngầm không thể khai thác.
Nhu cầu về nước sạch liên tục tăng do sự gia tăng nhanh chóng về dân số và các hoạt động công, nông nghiệp. Hơn 80 quốc gia chiếm 40% dân số thế giới đang phải đối mặt với nạn thiếu nước trầm trọng. Ước tính hiện có khoảng 1,2 tỷ người đang phải uống nước không an toàn. Do đó, việc tìm kiếm các nguồn nước và các công nghệ xử lý nước hiệu quả nhằm khắc phục tình trạng khan hiếm nước đã trở thành một thách thức toàn cầu.
Ô nhiễm nước liên tục gia tăng trên thế giới, cản trở sự phát triển kinh tế, xã hội và ảnh hưởng nghiêm trọng đến sức khỏe con người. Cho đến nay, khan hiếm nước không chỉ do sự khan hiếm về lượng mà còn bởi sự suy giảm về chất lượng nước, giảm lượng nước an toàn để đưa vào sử dụng. Nước bị ô nhiễm có thể chứa nhiều tác nhân ô nhiễm khác nhau. Trong đó ô nhiễm nước do amoni được đánh giá là phổ biến và ngày càng diễn ra trên diện rộng.
Đặc biệt là trong nước ngầm, việc ô nhiễm amoni ngày càng nghiêm trọng hơn từ những hoạt động của con người như sản xuất nông nghiệp, khai khoáng và xử lý chôn lấp rác thải. Nồng độ ion amoni NH4+ vượt ngưỡng an toàn trong nước ngầm là hệ quả của quá trình phân huỷ kị khí của các hợp chất hữu cơ chứa nito từ rác thải chôn lấp và chất thải chăn nuôi và nông nghiệp trong các tầng địa chất. Việc xử lý amoni được giới khoa học quan tâm nghiên cứu, do những ảnh hưởng của chúng đối với hệ sinh thái cũng như đối với sức khỏe con người. Cho đến nay đã có rất nhiều công trình nghiên cứu được thực hiện nhằm tìm kiếm các công nghệ cũng như vật liệu loại bỏ amoni trong nước.
Trong tất cả các kỹ thuật đã được sử dụng, hấp phụ được đánh giá là công nghệ phổ biến, hiệu quả cao trong xử lý nước do hệ thống đơn giản, tốc 2 độ cao, vận hành đơn giản. Tính hiệu quả của công nghệ hấp phụ trong xử lý nước nói chung phụ thuộc vào đặc tính, cấu trúc và chức năng của chất hấp phụ. Trên thực tế thì có rất nhiều vật liệu có khả năng hấp phụ amoni (zeolit, than hoạt tính, bentonit, clinoptilolit) trong nước. Bên cạnh đó, những tiêu chí như giá thành vật liệu, nguồn gốc từ tái sử dụng hay tái chế, thân thiện với môi trường cũng được xem xét để giảm chi phí xử lý và giảm lượng phát thải ra môi trường.
Xỉ lò cao với các tính chất như độ xốp cao, diện tích bề mặt tương đối, và thành phần khoáng từ nhiều oxit kim loại rất có tiềm năng để tái sử dụng trở thành vật liệu hấp phụ. Trên cơ sở các phân tích trên, đề tài được lựa chọn có tên: “Nghiên cứu sử dụng xỉ lò cao biến tính để xử lý amoni trong nước ngầm bằng phương pháp hấp phụ” nhằm mục đích đánh giá khả năng tái sử dụng xỉ lò cao, từ một sản phẩm phụ được coi là chất thải từ quá trình luyện thép, trở thành vật liệu hấp phụ xử lý amoni trong môi trường nước. Mục tiêu và nội dung nghiên cứu Mục tiêu nghiên cứu: - Chế tạo vật liệu hấp phụ amoni từ xỉ lò cao - Khảo sát, đánh giá khả năng hấp phụ amoni của vật liệu xỉ lò cao biến tính bằng kỹ thuật hấp phụ tĩnh. Nội dung nghiên cứu: - Tổng quan về tình hình ô nhiễm amoni và cấc phương pháp xử lý amoni trong môi trường nước.
- Thực nghiệm biến tính xỉ lò cao bằng HNO3. - Thực nghiệm đánh giá, khảo sát khả năng hấp phụ amoni của vật liệu xỉ lò cao biến tính bằng HNO3. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn Ý nghĩa khoa học: Bước đầu nghiên cứu và chế tạo được vật liệu xỉ lò cao biến tính và đánh giá được khả năng hấp phụ amoni của vật liệu xỉ lò cao biến tính. 3 Ý nghĩa thực tiễn: Từ các kết quả của luận văn, có thể chế tạo xỉ lò cao biến tính định hướng ứng dụng xử lý ô nhiễm amoni trong nước.
Nghiên cứu tổng hợp một vật liệu tương đối mới, chi phí thấp, hướng đến giải quyết một vấn đề bức thiết trong xử lý ô nhiễm môi trường. TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1. Ô NHIỄM AMONI TRONG MÔI TRƯỜNG NƯỚC 1. Nguồn gốc, tính chất hoá học và vật lý của amoni Amoni (NH4+) là một hợp chất cấu thành từ một phân tử nito và các phân từ hidro.
Ở dạng khí, amoni tồn tại dưới dạng amoniac (NH3), là một khí không màu và có mùi khai. Trong môi trường nước, hợp chất này là một chất thải phổ biến, cùng với photpho gây nên hiện tượng phú dưỡng gây ô nhiễm môi trường nước mặt. Trong tự nhiên, amoniac được tạo thành từ chất thải của các loài động vật, và một lượng nhỏ trong nước mưa. Muối amoni clorua (NH4Cl) trong tự nhiên cũng có thể được phát hiện tại những khu vực gần núi lửa.
Dù hợp chất này phổ biến trong tự nhiên, nhưng nó có thể trở nên rất nguy hại nếu ở dạng sản phẩm hoá học nồng độ cao. Dựa trên lý thuyết về sức đẩy giữa các cặp electron hoá trị và hình dạng học phân tử (VSEPR), phân tử amoniac có dạng hình chóp tam giác, với tính lưỡng cực tạo nên bởi một một cặp electron đơn độc. Sự phân cực này khiến amoni có khả năng tạo liên kết hidro khiến chúng rất dễ trộn lẫn với nước. Tính chất hoá học và vật lý của amoniac được thể hiện trong bảng 1.
Tính chất vật lý của ammoniac [1]. Công thức hoá học NH3 Hình dáng, mùi và dạng tồn tại Khí không màu có mùi khai mạnh, dễ dàng nhận biết ở nồng độ 20 ppm. Phân tử khối 17.0 Nhiệt độ sôi (1 atm) -28 oF (-33.4 oC) Trọng lượng riêng (air = 1) 0.59 Nhiệt độ đóng băng / nhiệt độ chảy -107.7 oC) 5 Áp suất khí (at 70 oF (21.4 psig Tỉ trọng khí (tại 70 oF (21.045 lb/ft3 atm) Độ tan trong nước (vol.848 Trong môi trường nước, ammoniac tồn tại dưới hai dạng: ammoniac tự do (NH3) và amoni (NH4+). Tỉ lệ tồn tại của hai dạng này được quyết định bởi độ pH và nhiệt độ của dung dịch.
Ở nhiệt độ cao và nồng độ cao, các ammoniac tự do sẽ chiếm tỉ lệ cao trong dung dịch. Điều kiện pH của dung dịch cũng có ảnh hưởng rất lớn tới sự phân chia này. Ở điều kiện pH thấp, các phân tử ammoniac sẽ dịch chuyển về dạng ion amoni, sự dịch chuyển này sẽ xảy ra hoàn toàn khi dung dịch đạt pH dưới 7. Phản ứng cân bằng và biểu đồ dịch chuyển ion của ammoniac/amoni được thể hiện dưới đây ([2], [3]): 𝑁𝐻# + 𝐻%𝑜 ⇌ 𝑁𝐻)* + 𝑂𝐻 , (1.2) 7* 9 7*7;<9: =<8 : 6 Hệ số phân tán Amoniac Amoni Hình 1.
Biểu đồ thể hiện sự dịch chuyển ion của ammoniac/amoni dưới tác động của pH [2]. Amoni là thành phần ô nhiễm thường gặp trong nước thải. Amoni trong nước thải đến từ các hoạt động sinh hoạt của con người, hoạt động chăn nuôi, và các hoạt động sản xuất nông nghiệp và công nghiệp. Các hoạt động công nghiệp sản xuất kim loại, cao su, dệt nhuộm và phân bón thường có hàm lượng amoni trong nước thải rất cao [4].
Chu trình nitơ trong tự nhiên [5] Trong nước ngầm, amoni chủ yếu tồn tại dưới dạng ion NH4+. Sự tồn tại này là kết quả của quá trình phân huỷ kị khí của các chất hữu cơ bắt nguồn từ việc chôn lấp các rác thải hữu cơ [6]. Amoni là một trong những thành phần ô nhiễm hoà tan chính trong môi trường nước ngầm. Các hệ thống tự hoại và các hoạt động nông nghiệp cũng là nguyên nhân dẫn đến việc gia tăng hàm lượng amoni trong nước ngầm.
Hiện trạng ô nhiễm amoni môi trường nước Trên thế giới, việc đối mặt với vấn đề ô nhiễm amoni trong nguồn nước đã không còn xa lạ. Một trong những nguyên nhân gây nên vấn đề này trên nhiều quốc gia đó là sự xâm nhập của amoni từ nước rỉ rác từ bãi chôn lấp rác thải sinh hoạt sau xử lý ra môi trường nước mặt. Các chất hữu cơ trong nước thải sau quá trình xử lý sẽ thấm vào nguồn nước ngầm từ đó phân huỷ thành các dẫn chất nhỏ hơn chứa phần tử nito dẫn đến ô nhiễm amoni. Quá trình xâm nhập này thường xảy ra ở những khu vực có bề mặt có khả năng thấm đẫm tốt như đồng bằng, đất phù sa [7].
Tại Trung Quốc, nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng hiện tượng ô nhiễm amoni trong nước ngầm là hệ quả của các hoạt 8 động nông nghiệp sử dụng phân bón và chăn nuôi, cùng với các hoạt động sinh hoạt và khai khoáng khác. Tại các khu vực kênh đào tây bắc Trung Quốc, đã có hiện tượng ô nhiễm nito nặng trong nguồn nước từ các dẫn chất nito hữu cơ trong đất xâm nhập vào nước ngầm dẫn đến nguy cơ ung thư cao cho người dân lân cận [8]. Năm 2013, tại các giếng nướng ngầm tại khu vực Hemlock Crossing Park, hạt Ottawa, bang Michigan, Mỹ, đã ghi nhận nồng độ amoni tăng lên đáng kể [9]. Hàm lượng amoni cao trong nước ngầm này là hệ quả của các tác động nhân tạo như nước rỉ rác hay các hoạt động nông nghiệp.
Tại Việt Nam, với hình thức sản xuất chủ yếu là nông nghiệp với diện tích đồng bằng canh tác lớn, các hoạt động chăn nuôi gia súc và với các khu xử lý rác thải với hình thức chôn lấp thì việc ô nhiễm amoni trong nguồn nước ngầm là điều tất yếu. Nồng độ amoni cao trong nước ngầm khu vực nam Hà Nội đã là vấn đề tồn tại trong suốt 25 năm qua. Nghiên cứu của Norrman và cộng sự (2015) chỉ ra rằng nguyên nhân dẫn đến sự gia tăng nồng độ NH4+ tại khu vực phía nam Hà Nội không chỉ đến từ các nguồn chất thải từ hoạt động của con người, mà còn từ các tầng địa chất sâu dưới lòng đất quanh khu vực đồng bằng sông Hồng. Họ kết luận rằng với điều kiện khử trong môi trường nước ngầm tại khu vực Nam Du này sẽ duy trì nitơ dưới dạng NH4+.