Tổng quan nghiên cứu

Nước là nguồn tài nguyên thiết yếu cho sự sống, chiếm khoảng 71% bề mặt Trái Đất, trong đó chỉ có khoảng 3% là nước ngọt và chỉ 0,06% trong số đó có thể khai thác sử dụng. Nhu cầu nước sạch ngày càng tăng do sự gia tăng dân số và các hoạt động công nghiệp, nông nghiệp. Trên thế giới, hơn 80 quốc gia với 40% dân số đang đối mặt với tình trạng thiếu nước nghiêm trọng, trong đó khoảng 1,2 tỷ người phải sử dụng nước không an toàn. Ô nhiễm nước, đặc biệt là ô nhiễm amoni trong nước ngầm, đang trở thành vấn đề cấp bách ảnh hưởng đến sức khỏe con người và hệ sinh thái.

Amoni (NH4+) là một trong những chất ô nhiễm phổ biến trong nước ngầm, phát sinh từ các hoạt động chăn nuôi, nông nghiệp, khai khoáng và xử lý rác thải. Nồng độ amoni vượt ngưỡng an toàn gây ra nhiều tác hại như phú dưỡng, giảm oxy trong nước, ảnh hưởng đến sinh vật thủy sinh và sức khỏe con người. Theo Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về chất lượng nước ngầm (QCVN 09-MT:2015/BTNMT), nồng độ amoni tối đa cho phép là 1 mg/L, trong khi Tổ chức Y tế Thế giới (WHO) khuyến cáo mức tối đa là 1,5 mg/L.

Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là chế tạo vật liệu hấp phụ amoni từ xỉ lò cao biến tính và đánh giá khả năng hấp phụ amoni trong nước ngầm bằng phương pháp hấp phụ tĩnh. Nghiên cứu tập trung vào việc biến tính xỉ lò cao bằng HNO3 để nâng cao hiệu quả xử lý amoni, đồng thời khảo sát các điều kiện ảnh hưởng đến quá trình hấp phụ. Phạm vi nghiên cứu thực hiện tại phòng thí nghiệm Viện Công nghệ môi trường, sử dụng xỉ lò cao lấy từ Công ty Gang thép Hưng Nghiệp Formosa Hà Tĩnh.

Ý nghĩa của nghiên cứu không chỉ ở việc tái sử dụng một sản phẩm phụ công nghiệp thành vật liệu hấp phụ giá rẻ, thân thiện môi trường mà còn góp phần giải quyết vấn đề ô nhiễm amoni trong nước ngầm, giảm chi phí xử lý và bảo vệ nguồn nước sạch cho cộng đồng.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

  • Lý thuyết hấp phụ bề mặt: Quá trình hấp phụ amoni diễn ra trên bề mặt vật liệu hấp phụ, bao gồm hấp phụ vật lý và hấp phụ hóa học. Diện tích bề mặt và cấu trúc lỗ xốp của vật liệu ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng hấp phụ.
  • Mô hình hấp phụ Langmuir và Freundlich: Dùng để mô tả đặc tính hấp phụ của xỉ lò cao biến tính đối với amoni, xác định dung lượng hấp phụ tối đa và tính đồng nhất bề mặt hấp phụ.
  • Khái niệm biến tính vật liệu: Sử dụng hóa chất (HNO3) để biến tính xỉ lò cao nhằm tăng diện tích bề mặt, tạo thêm nhóm chức năng hoạt tính, nâng cao hiệu quả hấp phụ amoni.
  • Khái niệm pH và ảnh hưởng đến cân bằng amoni/ammoniac: pH ảnh hưởng đến tỷ lệ tồn tại của NH4+ và NH3 trong dung dịch, từ đó ảnh hưởng đến hiệu suất hấp phụ.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Sử dụng xỉ lò cao thu thập từ Công ty Gang thép Hưng Nghiệp Formosa Hà Tĩnh, dung dịch amoni chuẩn pha từ NH4Cl.
  • Phương pháp biến tính: Xỉ lò cao được nghiền, sàng kích thước 0,25 mm, sau đó ngâm trong dung dịch HNO3 với các nồng độ 0,5M, 1M và 3M trong 24 giờ, rửa sạch, trung hòa bằng NaOH 0,3M, sấy khô để tạo vật liệu biến tính VL2, VL3, VL4 tương ứng.
  • Phương pháp phân tích: Nồng độ amoni được xác định bằng phương pháp trắc phổ quang tại bước sóng 659 nm theo TCVN 6179-1:1996, với đường chuẩn từ 0 đến 1 mg/L.
  • Phương pháp khảo sát hấp phụ tĩnh: Thí nghiệm hấp phụ amoni trong máy lắc điều khiển nhiệt độ, khảo sát ảnh hưởng của thời gian tiếp xúc, pH, khối lượng vật liệu và nồng độ amoni ban đầu đến hiệu suất hấp phụ.
  • Cỡ mẫu và timeline: Thí nghiệm được thực hiện với nhiều mẫu vật liệu biến tính và điều kiện khác nhau trong khoảng thời gian nghiên cứu từ 2020 đến 2021 tại phòng thí nghiệm Viện Công nghệ môi trường.
  • Phân tích số liệu: Sử dụng mô hình Langmuir và Freundlich để tính toán dung lượng hấp phụ, đánh giá hiệu quả và so sánh các điều kiện thí nghiệm.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Hiệu suất hấp phụ amoni của vật liệu xỉ lò cao biến tính VL4 đạt trên 85% trong điều kiện pH 7, thời gian tiếp xúc 120 phút và khối lượng vật liệu 2 g/100 ml dung dịch amoni 10 mg/L. So với vật liệu chưa biến tính (VL1), hiệu suất tăng gần gấp đôi.
  2. Ảnh hưởng của thời gian tiếp xúc: Hiệu suất hấp phụ tăng nhanh trong 60 phút đầu, đạt trạng thái cân bằng sau 120 phút với dung lượng hấp phụ khoảng 12 mg/g.
  3. Ảnh hưởng của pH: Hiệu suất hấp phụ cao nhất ở pH trung tính (6-8), giảm đáng kể khi pH vượt quá 9 do sự chuyển hóa amoni thành ammoniac khí, làm giảm khả năng hấp phụ trên bề mặt vật liệu.
  4. Ảnh hưởng của nồng độ amoni ban đầu: Khi nồng độ amoni tăng từ 5 đến 20 mg/L, dung lượng hấp phụ tăng từ 8 mg/g lên 15 mg/g, tuy nhiên hiệu suất phần trăm giảm nhẹ do bão hòa bề mặt hấp phụ.
  5. Mô hình hấp phụ: Dữ liệu thí nghiệm phù hợp với mô hình Langmuir hơn Freundlich, cho thấy quá trình hấp phụ diễn ra trên bề mặt đồng nhất với dung lượng hấp phụ tối đa khoảng 16 mg/g.

Thảo luận kết quả

Hiệu quả hấp phụ amoni của xỉ lò cao biến tính được cải thiện rõ rệt nhờ quá trình biến tính bằng HNO3, làm tăng diện tích bề mặt và tạo thêm nhóm chức năng hoạt tính. Kết quả phù hợp với các nghiên cứu về biến tính vật liệu hấp phụ khác như than hoạt tính biến tính axit nitric, cho thấy hiệu suất hấp phụ tăng gấp đôi so với vật liệu gốc.

Ảnh hưởng của pH đến hiệu suất hấp phụ phản ánh sự cân bằng hóa học giữa NH4+ và NH3 trong dung dịch, phù hợp với lý thuyết cân bằng ion amoni/ammoniac. Ở pH cao, sự chuyển đổi sang NH3 làm giảm khả năng hấp phụ do NH3 ít tích điện hơn.

So sánh với các vật liệu hấp phụ khác như zeolite và than hoạt tính, xỉ lò cao biến tính có dung lượng hấp phụ tương đương nhưng chi phí thấp hơn nhiều do tận dụng phế thải công nghiệp. Kết quả này mở ra tiềm năng ứng dụng thực tiễn trong xử lý nước ngầm ô nhiễm amoni, đặc biệt tại các khu vực có nguồn xỉ lò cao dồi dào.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ hiệu suất hấp phụ theo thời gian, pH và nồng độ amoni, cũng như bảng so sánh dung lượng hấp phụ giữa các vật liệu. Các biểu đồ này giúp minh họa rõ ràng xu hướng và hiệu quả của quá trình hấp phụ.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Ứng dụng xỉ lò cao biến tính trong xử lý nước ngầm ô nhiễm amoni: Khuyến nghị các cơ sở xử lý nước ngầm tại các vùng nông nghiệp và công nghiệp sử dụng vật liệu VL4 với liều lượng 2-3 g/100 ml, thời gian tiếp xúc tối thiểu 120 phút để đạt hiệu quả xử lý trên 85%. Thời gian triển khai trong vòng 6-12 tháng.
  2. Phát triển quy trình biến tính xỉ lò cao quy mô công nghiệp: Đề xuất xây dựng dây chuyền biến tính xỉ lò cao bằng HNO3 và trung hòa NaOH nhằm sản xuất vật liệu hấp phụ với công suất lớn, giảm chi phí đầu vào và tăng tính ổn định sản phẩm. Chủ thể thực hiện là các doanh nghiệp luyện thép phối hợp với viện nghiên cứu, thời gian 1-2 năm.
  3. Nghiên cứu mở rộng ứng dụng vật liệu hấp phụ tái chế: Khuyến khích nghiên cứu thêm về khả năng hấp phụ các chất ô nhiễm khác như kim loại nặng, photpho để đa dạng hóa ứng dụng của xỉ lò cao biến tính trong xử lý nước thải công nghiệp và sinh hoạt.
  4. Xây dựng tiêu chuẩn kỹ thuật cho vật liệu hấp phụ từ xỉ lò cao: Cần có sự phối hợp giữa cơ quan quản lý môi trường và viện nghiên cứu để ban hành tiêu chuẩn về chất lượng, an toàn và hiệu quả của vật liệu hấp phụ tái chế nhằm đảm bảo tính đồng nhất và an toàn khi ứng dụng thực tế.
  5. Tuyên truyền và đào tạo kỹ thuật cho các đơn vị xử lý nước: Tổ chức các khóa đào tạo, hội thảo về công nghệ hấp phụ sử dụng xỉ lò cao biến tính để nâng cao nhận thức và kỹ năng vận hành, bảo trì thiết bị xử lý nước.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật môi trường: Luận văn cung cấp cơ sở lý thuyết và thực nghiệm chi tiết về xử lý amoni bằng vật liệu hấp phụ tái chế, hỗ trợ phát triển đề tài nghiên cứu mới.
  2. Doanh nghiệp sản xuất gang thép và xử lý chất thải công nghiệp: Tham khảo để phát triển công nghệ biến tính và tái sử dụng xỉ lò cao, giảm chi phí xử lý chất thải và tăng giá trị sản phẩm phụ.
  3. Các đơn vị quản lý và xử lý nước ngầm, nước thải: Áp dụng kết quả nghiên cứu để lựa chọn vật liệu hấp phụ hiệu quả, thân thiện môi trường, phù hợp với điều kiện thực tế tại Việt Nam.
  4. Cơ quan quản lý môi trường và chính sách: Sử dụng luận văn làm tài liệu tham khảo để xây dựng chính sách khuyến khích tái chế chất thải công nghiệp và phát triển công nghệ xử lý nước bền vững.

Câu hỏi thường gặp

  1. Xỉ lò cao biến tính có ưu điểm gì so với than hoạt tính trong xử lý amoni?
    Xỉ lò cao biến tính có chi phí thấp hơn nhiều do tận dụng phế thải công nghiệp, đồng thời có khả năng hấp phụ amoni tương đương nhờ diện tích bề mặt và nhóm chức năng được tăng cường qua biến tính hóa học.

  2. Quá trình biến tính xỉ lò cao bằng HNO3 có ảnh hưởng thế nào đến cấu trúc vật liệu?
    Biến tính bằng HNO3 làm tăng diện tích bề mặt, tạo thêm nhóm chức năng hoạt tính trên bề mặt vật liệu, giúp tăng khả năng hấp phụ amoni hiệu quả hơn so với vật liệu gốc.

  3. Ảnh hưởng của pH đến hiệu suất hấp phụ amoni như thế nào?
    Hiệu suất hấp phụ cao nhất ở pH trung tính (6-8) do amoni tồn tại chủ yếu dưới dạng ion NH4+. Ở pH cao hơn, amoni chuyển thành NH3 khí làm giảm hiệu quả hấp phụ.

  4. Thời gian tiếp xúc tối ưu để đạt hiệu quả hấp phụ cao là bao lâu?
    Thí nghiệm cho thấy thời gian tiếp xúc khoảng 120 phút là đủ để đạt trạng thái cân bằng hấp phụ với hiệu suất trên 85%.

  5. Có thể tái sử dụng vật liệu xỉ lò cao biến tính sau khi hấp phụ amoni không?
    Vật liệu có thể được tái chế hoặc xử lý tiếp để tái sử dụng, đồng thời amoni hấp phụ có thể tận dụng làm phân bón giàu nitơ, góp phần giảm phát thải và tăng giá trị kinh tế.

Kết luận

  • Luận văn đã thành công trong việc chế tạo vật liệu hấp phụ amoni từ xỉ lò cao biến tính bằng HNO3, với hiệu suất hấp phụ đạt trên 85% trong điều kiện tối ưu.
  • Quá trình hấp phụ amoni phù hợp với mô hình Langmuir, cho thấy bề mặt vật liệu đồng nhất và dung lượng hấp phụ tối đa khoảng 16 mg/g.
  • Các yếu tố như pH, thời gian tiếp xúc, khối lượng vật liệu và nồng độ amoni ban đầu ảnh hưởng rõ rệt đến hiệu quả hấp phụ.
  • Nghiên cứu mở ra hướng đi mới trong việc tái sử dụng phế thải công nghiệp làm vật liệu xử lý ô nhiễm nước, góp phần bảo vệ môi trường và giảm chi phí xử lý.
  • Đề xuất triển khai ứng dụng thực tế và phát triển quy trình biến tính quy mô công nghiệp trong vòng 1-2 năm tới nhằm nâng cao hiệu quả xử lý nước ngầm ô nhiễm amoni.

Hành động tiếp theo: Các đơn vị nghiên cứu và doanh nghiệp nên phối hợp để thử nghiệm quy mô pilot, đồng thời xây dựng tiêu chuẩn kỹ thuật cho vật liệu hấp phụ từ xỉ lò cao biến tính nhằm thúc đẩy ứng dụng rộng rãi trong thực tế.