00060000700 phát triển công nghệ chế tạo vật liệu Đa chức năng trên cơ sở biến tính tro bay tại các nhà máy nhiệt Điện, Ứng dụng trong xử lý các nguồn thải hữu cơ và khí co2

00060000700 phát triển công nghệ chế tạo vật liệu Đa chức năng trên cơ sở biến tính tro bay tại các nhà máy nhiệt Điện, Ứng dụng trong xử lý các nguồn thải hữu cơ và khí co2

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

BÁO CÁO TỔNG KẾT KẾT QUẢ THỰC HIỆN ĐỀ TÀI KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ

CẤP ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

Tên Đề tài: Phát triển công nghệ chế tạo vật liệu đa chức năng, trên cơ sở

biến tính tro bay tại các nhà máy nhiệt điện, ứng dụng trong xử lý các nguồn thải hữu cơ và khí CO2

Mã số Đề tài: QG.18.08

Chủ nhiệm Đề tài: PGS TS Đào Sỹ Đức

Trường Đại học Khoa học Tự nhiên

Hà Nội – 2021

PHẦN I THÔNG TIN CHUNG

1.1 Tên Đề tài: Phát triển công nghệ chế tạo vật liệu đa chức năng, trên cơ sở

biến tính tro bay nhà máy nhiệt điện, ứng dụng trong xử lý các nguồn thải hữu cơ

Nội dung công việc tham gia

1

PGS TS Đào Sỹ

Đức

Khoa Hóa học, Trường

ĐH KHTN

- Viết Thuyết minh, Chuyên đề; Báo cáo giữa kỳ và Báo cáo tổng kết;

- Tìm hiểu, xây dựng Đề cương, lên

kế hoạch nghiên cứu, biến tính tro bay nhằm mục tiêu xử lý các nguồn thải hữu cơ khó phân hủy sinh học như phẩm màu hữu cơ, thuốc trừ sâu (hoặc thuốc kháng sinh);

- Tìm hiểu, xây dựng Đề cương, lên

kế hoạch nghiên cứu và biến tính tro bay nhằm mục tiêu hấp phụ khí cacbonic (CO2);

- Nghiên cứu cơ chế hấp phụ CO2;

- Tổ chức các seminar, thảo luận về các kết quả khoa học có liên quan tới

đề tài;

- Viết các bài báo khoa học;

- Liên hệ với nhà xuất bản trong và ngoài nước để gửi đăng các kết quả nghiên cứu

2 TS Trịnh Xuân

Đại

Khoa Hóa học, Trường

ĐH KHTN

- Xác định các đặc trưng (đặc tính bề mặt, thành phần hóa học…) của tro bay trước biến tính;

- Khảo sát, tìm điều kiện tối ưu cho quá trình biến tính tro bay nhằm chế tạo xúc tác Fenton dị thể ứng dụng trong phân hủy các hợp chất hữu cơ;

STT Họ và tên

học hàm, học vị

Tổ chức công tác

Nội dung công việc tham gia

- Ứng dụng tro bay biến tính trong mục tiêu phân hủy các hợp chất hữu

cơ có trong nước thải;

- Nghiên cứu ảnh hưởng của một số yếu tố tới hiệu quả hấp phụ CO2 của tro bay biến tính;

- Tham gia bàn luận kết quả, viết bài báo và báo cáo khoa học

3 TS Ngô Hồng

Ánh Thu

Khoa Hóa học, Trường

ĐH KHTN

- Xác định các đặc tính của tro bay sau biến tính, đánh giá hiệu quả của quá trình biến tính;

- Tối ưu hóa điều kiện xử lý các hợp chất hữu cơ trong nước/nước thải sử dụng tro bay biến tính;

- Khảo sát ảnh hưởng của điều kiện hấp phụ tới hiệu quả hấp phụ CO2của tro bay biến tính;

- Bàn luận các kết quả khoa học

4 TS Hà Minh

Ngọc

PTN Trọng điểm Vật liệu tiên tiến trong phát triển xanh, Trường

ĐH KHTN

- Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng và đánh giá khả năng hấp phụ CO2 của tro bay biến tính;

Bàn luận các kết quả khoa học

5 ThS Đỗ Đình

Khải

Khoa Hóa học, Trường

ĐH KHTN

- Đánh giá khả năng hấp phụ khí CO2của tro bay biến tính;

- Đánh giá tiềm năng tái sử dụng của các chế phẩm tro bay biến tính;

- Bàn luận kết quả thu được

1.4 Đơn vị chủ trì: Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQGHN

1.5 Thời gian thực hiện:

1.5.1 Theo hợp đồng: 24 tháng, tháng 01 năm 2018 đến tháng 12 năm 2019 1.5.2 Gia hạn (nếu có): đến hết tháng 01 năm 2021

1.5.3 Thực hiện thực tế: từ tháng 3 năm 2018 đến tháng 01 năm 2021

1.6 Những thay đổi so với thuyết minh ban đầu (nếu có):

(Về mục tiêu, nội dung, phương pháp, kết quả nghiên cứu và tổ chức thực hiện; Nguyên nhân; Ý kiến của Cơ quan quản lý)

1.7 Tổng kinh phí được phê duyệt của đề tài: 400.000.000 đồng (bốn trăm triệu

Về nguyên tắc, người ta có thể áp dụng nhiều kỹ thuật khác nhau để giải quyết các bài toán ô nhiễm nguồn nước, điển hình là các kỹ thuật hóa lý, sinh học

và hóa học Các kỹ thuật có thể sử dụng riêng rẽ, nhưng thường có sự kết hợp nhằm đảm bảo hiệu quả kỹ thuật và kinh tế Với trường hợp các chất hữu cơ khó phân hủy sinh học, trong nhiều trường hợp, các kỹ thuật oxy hóa tiên tiến (AOPs)

là sự lựa chọn duy nhất với mục tiêu xử lý, hoặc tiền xử lý Các kỹ thuật AOPs rất

phong phú, song đều dựa trên sự oxy hóa mạnh và không chọn lọc của gốc tự do hydroxyl Do có nhiều ưu thế so với các phương pháp khác, quá trình Fenton sử dụng sự kết hợp giữa Fe2+ và H2O2 có thể coi là kỹ thuật AOPs được nghiên cứu

và ứng dụng rộng rãi hơn cả Tuy vậy, các kỹ thuật Fenton, nhất là Fenton đồng thể vẫn tồn tại một số nhược điểm mà điển hình là sự hình thành lượng bùn lớn,

khó thu hồi xúc tác, và đặc biệt là chi phí xử lý cao Để khắc phục nhược điểm

trên, một trong những hướng đi tiềm năng là phát triển các hệ xúc tác (dị thể) phù hợp trên cơ sở các vật liệu thải công nghiệp chứa sắt

Tro bay là một chất thải rắn công nghiệp, được hình thành với một khối lượng rất lớn (riêng ở Việt Nam, từ năm 2005, lượng tro bay tạo ra đã lên tới

673600 tấn) trong quá trình sản xuất nhiệt điện với thành phần chủ yếu là các oxit kim loại như SiO2 (58%), Al2O3 (19%), Fe2O3 (8%); TiO2 (2%)… Nếu không được xử lý mà đưa ra môi trường, tro bay có thể gây ảnh hưởng xấu tới môi trường và sức khỏe con người trên nhiều phương diện như gây ô nhiễm nghiêm trọng vùng đất, nước (gần nơi đổ, chứa, đặc biệt là ô nhiễm các kim loại nặng); gây ô nhiễm không khí [9]; gây ảnh hưởng tới an ninh hàng không,… thậm chí có thể tiềm ẩn khả năng nguy hại hơn cả chất thải từ các lò hạt nhân

Do chứa một số kim loại như Ca, K, Mg, Ti… nên tro bay có thể được sử dụng để tổng hợp một số hệ xúc tác Fenton dị thể bằng kỹ thuật “trao đổi ion” [10], hay cố định Fe3+ lên tro bay bằng phương pháp ngâm tẩm [11] Những kết quả nghiên cứu ban đầu của các nhà khoa học Mexico cho thấy, xúc tác Fenton dị thể tổng hợp từ tro bay theo kỹ thuật trao đổi ion cho hiệu quả xúc tác cao hơn

[11] Theo một số công bố khoa học, sắt (III) oxit, titan dioxit sẵn có trong tro bay

càng là một lợi thế trong quá trình tổng hợp xúc tác Fenton dị thể từ loại chất thải nhiệt điện này Việc sử dụng quá trình Fenton dị thể trong xử lý màu nước thải dệt nhuộm cho thấy có nhiều ưu điểm vượt trội, trong đó điển hình là (i) kỹ thuật này có thể giảm thiểu việc hình thành kết tủa hydroxit sắt [11], (ii) môi trường tiến hành gần trung tính hơn so với nhiều kỹ thuật AOPs khác và (iii) xúc tác có thể dễ dàng thu hồi, tái sử dụng [12] Các hệ xúc tác Fenton dị thể có hiệu quả xử lý tốt, với những ưu điểm như đã chỉ ra ở trên bởi cơ chế xử lý diễn ra theo kiểu một chu trình, với ưu thế trong việc tạo ra số lượng lớn các gốc tự do hydroxyl:

sự vào năm 2009 cho thấy ở những điều kiện thực nghiệm phù hợp hệ xúc tác Fe(III) – SiO2 có khả năng phân hủy hoàn toàn polyacrylamide, hiệu quả loại bỏ TOC cũng được khẳng định đạt trên 70% [14] Trong một nghiên cứu khác được công bố vào năm 2011, các nhà khoa học Ấn Độ [15] đã cho thấy hệ xúc tác Fe2O3– SiO2 rất có tiềm năng trong việc phân hủy metyl da cam

Một điều đáng lưu ý, tuy việc biến tính tro bay làm xúc tác ứng dụng trong

xử lý nước thải được nghiên cứu và phát triển chưa lâu, xong ưu điểm không khó nhận ra là quy trình biến tính đơn giản, dễ tiến hành về điều kiện kỹ thuật, mà thể hiện rõ ở nhiệt độ sử dụng trong quá trình chế tạo xúc tác thường dao động trong khoảng 500-800oC [10-12;16] Một số kết quả nghiên cứu mới đây của các nhà khoa học Trung Quốc, Ấn Độ bước đầu đã cho thấy tiềm năng trong việc chuyển hóa tro bay làm xúc tác cho các quá trình xử lý nước [17,18]; trong đó có cả khả năng ứng dụng trong phân hủy phẩm nhuộm [18] Tuy nhiên, hạn chế cơ bản ở đây là việc nghiên cứu mới hoàn toàn là sơ khai, nồng độ phẩm màu sử dụng trong nghiên cứu còn ở mức độ rất thấp (~ 50 mg/L) so với mức trung bình thường gặp

ở các dòng thải thực tế [18], khó phù hợp khi định hướng áp dụng vào sản xuất Thêm vào đó, một điểm cần nhấn mạnh là phần lớn các loại phẩm nhuộm đã được

sử dụng trong các công bố quốc tế gần như không thấy được sử dụng ở Việt Nam Nghiên cứu xử lý các thành phần hữu cơ khó phân hủy sinh học khác trong nước phổ biến ở Việt Nam như hóa chất bảo vệ thực vật, thuốc kháng sinh… bằng các quá trình AOPs sử dụng tro bay biến tính chưa từng được công bố Bên cạnh đó,

công bố của các nhà khoa học tại Trường Đại học Tokyo, Nhật Bản cho thấy, thành phần và chất lượng tro bay ở Việt Nam có sự khác biệt khá lớn so với tro bay ở các nước Nhật Bản, Ấn Độ, Trung Quốc và Thái Lan [9], do đó để định hướng sử dụng tro bay như một nguồn vật liệu có thể biến tính tạo xúc tác có khả năng ứng dụng trong xử lý môi trường ở nước ta thì cần phải đầu tư, nghiên cứu thêm cho phù hợp với tình hình thực tế

Liên quan tới khía cạnh hạn chế sự phát thải của khí CO2, trước hết có thể nói đây còn là bài toán còn bị bỏ ngỏ ở Việt Nam, trong khi nước ta là một trong

số các quốc gia chịu tác động/ảnh hưởng nặng nề nhất của biến đổi khí hậu và ấm lên toàn cầu, với rất nhiều hiện tượng thời tiết cực đoan có liên quan đã, đang và

sẽ xuất hiện ngày càng nhiều Việc nghiên cứu, phát triển các công nghệ, vật liệu thu giữ CO2 đã và đang thu hút được sự quan tâm của nhiều nhà khoa học quốc tế, nhất là các nhà khoa học Nhật Bản, Hoa Kỳ, Anh, Trung Quốc và Hàn Quốc Đây

đã, đang và sẽ còn là bài toán môi trường phải đối mặt của Việt Nam và nhiều quốc gia khác Xét về nguyên lý, kỹ thuật có một số phương pháp khác nhau để có thể thu, giữ CO2, điển hình là các kỹ thuật hấp thụ, hấp phụ, và màng [4,5] Tuy được phát triển từ khá sớm và được thương mại hóa ở một số nơi, nhưng hấp thụ cho thấy nhiều hạn chế trong quá trình triển khai ứng dụng như thiết bị dễ bị ăn mòn, dung môi có thể bị hao hụt trong quá trình sử dụng, đặc biệt là vấn đề chi phí năng lượng cho quá trình giải hấp, bởi hàm lượng nước - tác nhân có nhiệt dung riêng rất lớn, vẫn chiếm tỷ phần lớn (hơn 60%) khối lượng trong các dung dịch hấp thụ [4] Hấp phụ là kỹ thuật được kỳ vọng có thể khắc phục các nhược điểm trong triển khai ứng dụng của phương pháp hấp thụ Trên thực tế, người ta có thể phát triển và sử dụng các loại vật liệu hấp phụ vật lý (không có tương tác hóa học với CO2) hay vật liệu hấp phụ hóa học (có tương tác giữa các hợp phần trong vật liệu hấp phụ và CO2) Một số chất hấp phụ vật lý điển hình được sử dụng hấp phụ

CO2 có thể kể tới các loại zeolite, than hoạt tính, vật liệu khung cơ kim (MOFs) Ở một số điều kiện thực nghiệm, các loại vật liệu hấp phụ vật lý có những ưu điểm nhất định, như dung lượng hấp phụ tương đối cao (nhất là với một số vật liệu thuộc nhóm MOFs), khá thuận lợi trong việc giải hấp Tuy nhiên, nhược điểm cơ bản của các loại vật liệu hấp phụ vật lý là thường phải tiến hành quá trình hấp phụ

ở nhiệt độ rất thấp và áp suất rất cao, đây là những điều kiện khác xa so với điều kiện thực tế, nên khó triển khai ứng dụng Để khắc phục những hạn chế này, các chất mang thông thường được biến tính bằng nitơ (N) hay lưu huỳnh (S), hoặc bổ sung thêm một số thành phần mang tính kiềm mà điển hình hơn cả chính là các loại amin (vật liệu hấp phụ amin rắn) Theo phương pháp chế tạo vật liệu sử dụng amin, các chất mang điển hình được sử dụng phải nói tới ống nano cacbon, vật liệu khung cơ kim MOFs và đặc biệt là vật liệu silica thương mại [4,6-8,19-22] Chủ nhiệm đề tài cũng đã có những thành công nhất định trong việc biến tính silica nhằm mục tiêu hấp phụ CO2, các vật liệu được phát triển hiện vẫn là một trong số các vật liệu có dung lượng hấp phụ rất tốt trên thế giới [6,7] Tuy nhiên, chi phí cho việc chế tạo vật liệu, đặc biệt là chi phí chất mang thương mại vẫn là bài toán lớn, làm giảm khả năng ứng dụng thực tế của các vật liệu đã được phát triển Để tăng khả năng triển khai thực tế của các chất hấp phụ CO2, việc nghiên cứu hạ thấp chi phí vật liệu mang là bài toán then chốt, nhưng chưa được tập trung đầu tư, nghiên cứu trên toàn thế giới Tro bay, như đã trình bày với thành phần chủ yếu là Fe2O3, Al2O3, và đặc biệt là SiO2, hoàn toàn có cơ sở để kỳ vọng vào khả năng biến tính loại vật liệu thải này thành các loại vật liệu hấp phụ, lưu giữ CO2

Tại Việt Nam, có một số nhà khoa học quan tâm tới việc tận thu, sử dụng tro bay cho việc chế tạo các hệ vật liệu có khả năng chống thấm [23,24] hay chế tạo chất hấp phụ nhằm xử lý các chất ô nhiễm trong nước [25] Năm 2012, nhóm nghiên cứu của chủ nhiệm đề tài đã được Văn phòng Các Chương trình Trọng điểm cấp Nhà nước, Bộ Khoa học & Công nghệ quan tâm và cho nghiên cứu, đánh giá, biến tính tro bay làm xúc tác cho quá trình oxy hóa tiên tiến, ứng dụng trong

xử lý màu một số loại phẩm màu hữu cơ Đây cũng là nghiên cứu đầu tiên trong nước triển khai theo hướng biến tính tro bay để chế tạo các hệ xúc tác Fenton dị thể ứng dụng trong xử lý môi trường ô nhiễm và thu được những kết quả khả quan [26,27] Đề tài được nghiệm thu cấp Nhà nước với kết quả Xuất sắc, và các chuyên gia đầu ngành về kỹ thuật môi trường trong nước đã kiến nghị để đề tài tiếp tục cần được đầu tư, phát triển, mở rộng khả năng áp dụng với nhiều đối tượng phẩm màu hữu cơ khác trước khi có thể nghiên cứu, triển khai ứng dụng thực tiễn Các kết quả nghiên cứu là tiền đề để nhóm nghiên cứu tin tưởng rằng có

thể mở rộng quy mô, đối tượng áp dụng sang các hợp chất hữu cơ khó phân hủy sinh học khác có nhiều trong các nguồn thải ở Việt Nam cũng như nhiều quốc gia khác như thuốc bảo vệ thực vật hay thuốc kháng sinh, đây là hai trong số nhiều đối tượng có khá nhiều điểm tương đồng trong kỹ thuật xử lý, nhưng việc nghiên cứu loại bỏ các nguồn thải này trong các đối tượng môi trường nhìn chung còn bị bỏ ngỏ Theo hiểu biết của nhóm nghiên cứu, chưa có công bố nào trong và ngoài nước tập trung phát triển các vật liệu oxy hóa tiên tiến sử dụng vật liệu thải như tro bay nhằm ứng dụng trong phân hủy thuốc kháng sinh và hóa chất bảo vệ thực vật Thêm vào đó, việc nghiên cứu cơ chế phân hủy các đối tượng ô nhiễm hữu cơ trong các nguồn nước/nước thải bằng quá trình oxy hóa tiên tiến sử dụng tro bay biến tính là cực kỳ quan trọng để nắm đầy đủ thông tin, từ đó kiểm soát tốt hơn về quá trình xử lý, nhưng lại là vấn đề chưa được giải quyết trong các công trình đã được công bố Đây là cơ sở khoa học để nhóm nghiên cứu đề xuất nghiên cứu, đánh giá khả năng ứng dụng tro bay biến tính trong mục tiêu loại bỏ nhiều loại phẩm màu hữu cơ khác nhau cũng như thuốc kháng sinh và hóa chất bảo vệ thực vật trong nước, nước thải; đặc biệt, nghiên cứu hướng tới các điều kiện gắn với thực tế nhằm nâng cao khả năng ứng dụng của đề tài - một hướng đi đã và đang được đẩy mạnh trong các đề tài nghiên cứu ở trong và ngoài Đại học Quốc gia Hà Nội

Về khía cạnh phát triển vật liệu và kỹ thuật lưu giữ CO2, đây là nghiên cứu còn rất mới mẻ ở nhiều quốc gia, trong đó có Việt Nam Nghiên cứu tận thu tro bay từ quá trình sản xuất nhiệt điện để chế tạo vật liệu hấp phụ CO2, như đã phân tích ở trên, là bài toán hoàn toàn có cơ sở, nhưng chưa được tiến hành ở Việt Nam

và các quốc gia khác

Xuất phát từ các vấn đề khoa học và thực tiễn trên đây, đề tài này được đề xuất nhằm phát triển các vật liệu đa chức năng trên cơ sở tro bay biến tính có thể góp phần xử lý hiệu quả các nguồn thải hữu cơ khó phân hủy sinh học trong nước thải, đồng thời có khả năng hấp phụ, lưu giữ CO2 nhằm hạn chế sự phát thải khí nhà kính gây vấn đề ấm lên toàn cầu và biến đổi khí hậu Nếu được đầu tư và triển khai thành công, đề tài có thể góp phần giải quyết nhiều vấn đề môi trường ở

nhiều ngành công nghiệp quan trọng khác nhau như dệt nhuộm, sản xuất và sử dụng thuốc trừ sâu, nhiệt điện, khai thác và chế biến dầu khí Đặc biệt, đề tài đi theo hướng sử dụng hợp lý các nguồn tài nguyên thiên nhiên, sử dụng chất thải nguy hại của ngành công nghiệp này để giải quyết các vấn đề môi trường đáng lo ngại của các ngành công nghiệp trọng điểm khác, điều này không những góp phần giải quyết nhiều bài toán môi trường mà còn góp phần làm giảm đáng kể chi phí

xử lý và vận hành

Trên cơ sở phân tích tình hình nghiên cứu ở nước ngoài cũng như các nghiên cứu trong nước có thể thấy rằng việc biến tính tro bay, ứng dụng trong (i) việc phân hủy các hợp chất khó phân hủy sinh học trong nước như phẩm màu, thuốc kháng sinh, hóa chất bảo vệ thực vật hay (ii) hấp phụ khí CO2 là vấn đề có ý nghĩa khoa học và thực tiễn Liên quan tới lĩnh vực này, gần như chỉ có nhóm nghiên cứu của chủ trì đề tài đã khảo sát, nghiên cứu trên một số đối tượng phẩm màu, các nghiên cứu trên các đối tượng ô nhiễm hữu cơ khác, đặc biệt là hóa chất bảo vệ thực vật hay kháng sinh gần như chưa được tiến hành Việc hiện thực hóa ý tưởng đề tài đưa ra có ý nghĩa quan trọng trong việc tận thu các nguồn thải nguy hại như tro bay, giảm thiếu tác hại của chúng, đồng thời có thể sử dụng trong mục đích bảo vệ môi trường với chi phí hợp lý

Như tên gọi, trong đề tài này nhóm nghiên cứu triển khai hai mảng công việc rất rõ ràng Thứ nhất, chế tạo xúc tác Fenton dị thể trên cơ sở biến tính tro bay

và ứng dụng chúng trong mục tiêu phân hủy các chất hữu cơ độc hại, khó phân hủy sinh học hay gặp trong môi trường nước ở Việt Nam như các loại phẩm màu, hóa chất bảo vệ thực vật và thuốc kháng sinh Thứ hai, nghiên cứu tập trung nghiên cứu, đánh giá tiềm năng biến tính tro bay làm vật liệu hấp phụ khí CO2 Thông qua đề tài, nhóm nghiên cứu đặt ra mục tiêu tối ưu hóa được điều kiện biến tính tro cũng như điều kiện xử lý các nguồn thải hữu cơ và CO2, đồng thời đầu tư nghiên cứu để nắm rõ hơn về cơ chế của các quá trình xử lý Đây là những thông tin quan trọng, đủ tính mới mẻ để có thể công bố trên các tập chí quốc tế Kết quả của đề tài là luận cứ quan trọng để đánh giá khả năng, triển khai sử dụng tro bay

và tro bay biến tính trong công tác xử lý môi trường ô nhiễm nói riêng và bài toán bảo vệ môi trường ở Việt Nam nói chung

2 Mục tiêu

Tổng hợp được vật liệu và phát triển được quy trình chế tạo các hệ vật liệu có khả năng (i) làm xúc tác phân hủy các hợp chất hữu cơ trong nước thải và/hoặc (ii) hấp phụ khí CO2

3 Phương pháp nghiên cứu

Trong các nội dung nghiên cứu của Đề tài QG.18.08, tro bay được lấy tại Công ty Nhiệt điện Uông Bí, Quảng Ninh

Biến tính tro bay nhằm chế tạo xúc tác Fenton dị thể

Tro bay được biến tính bằng muối Fe(NO3)3 theo Quy trình trên hình 1 tại

một số điều kiện khác nhau về hàm lượng tác nhân biến tính, nhiệt độ nung, thời gian nung xúc tác (tùy theo mục tiêu nghiên cứu cụ thể)

Các mẫu tro bay sau biến được thử hoạt tính xúc tác trong mục tiêu phân hủy phẩm nhuộm, xử lý màu nước thải dệt nhuộm Cơ sở khoa học để lựa chọn điều kiện biến tính là hiệu quả xúc tác (chủ yếu dựa trên khả năng loại bỏ monoetanolamin - MEA và/hoặc phẩm màu hữu cơ) và đặc tính của vật liệu

Hình 1. Sơ đồ biến tính tro bay bằng muối Fe(NO 3 ) 3

Biến tính tro bay nhằm chế tạo vật liệu hấp phụ CO 2

Trong nội dung nghiên cứu này, tro bay được biến tính bằng amin theo phương pháp ngâm tẩm ở một số điều kiện khác nhau về chủng loại và hàm lượng tác nhân biến tính Các amin được chọn lựa bao gồm tetraethylenpentamine (TEPA), diethanolamine (DEA) và hỗn hợp của chúng Để có luận cứ chọn lựa

X gam Fe(NO3)3.9H2O hòa tan trong

20 mL H2O

Khuấy Gia nhiệt

ở 100oC

Nung ở

Y oC, Z giờ

10 g tro bay

chủng loại và hàm lượng amin, một số nghiên cứu có tính đề dẫn được tiến hành trên vật liệu silica thương mại (quá trình biến tính tiến hành thuận lợi hơn)

Quy trình cụ thể như sau:

Bổ sung một lượng tro bay vào 45 mL dung môi methanol Tiếp đó, hỗn hợp được rung siêu âm trong thời gian 3 phút Amin hoặc hỗn hợp amin sẽ được

bổ sung tiếp vào hỗn hợp tro bay/methanol Để amin có thể phân tán tốt trong mẫu tro bay, hỗn hợp mới tiếp tục được rung siêu âm trong thời gian 3-5 phút Để thu được vật liệu biến tính, methanol được loại bỏ trong thiết bị cất quay chân không ở nhiệt độ 80 oC

Các mẫu tro bay sau biến được đánh giá khả năng hấp phụ CO2 Kết quả thử khả năng hấp phụ CO2 chính là căn cứ khoa học để chọn lựa điều kiện biến tính, xây dựng quy trình biến tính

Phương pháp xác định đặc trưng vật liệu

Xác định diện tích bề mặt riêng BET và phân bố lỗ xốp

Diện tích bề mặt riêng và phân bố lỗ xốp của bùn thải trước và sau biến tính được xác định bằng phương pháp hấp phụ và giải hấp phụ khí N2 sử dụng thiết bị Micromerictics Tristar 3000 V6.07A tại Khoa Hóa học - Trường Đại học Sư phạm

Hà Nội Trước khi tiến hành xác định, mẫu vật liệu được xử lý chân không với khí

N2 ở 250 oC trong vòng 5 giờ Quá trình hấp phụ được tiến hành ở nhiệt độ 77K Đường đẳng nhiệt hấp phụ trong vùng P/Po nhỏ (0,05 - 0,26) được ứng dụng để đo diện tích bề mặt riêng BET, còn toàn bộ đường đẳng nhiệt hấp phụ dùng để xác định phân bố kích thước lỗ xốp Đường phân bố kích thước lỗ xốp được tính theo công thức Barrett - Joyner - Halenda (BJH)

Kính hiển vi điện tử quét (SEM) kết hợp phổ tán xạ năng lượng tia X (EDX)

Hình thái bề mặt vật liệu được quan sát bằng kính hiển vi điện tử quét SEM với độ phóng đại 1000 lần với thế gia tốc 15 kV Hàm lượng của các thành phần trong mẫu vật liệu được xác định bằng phương pháp phổ tán sắc năng lượng tia EDX bằng thiết bị EDX JEOL-2300

Phương pháp nghiên cứu phân hủy nguồn thải hữu cơ bằng phương pháp Fenton dị thể sử dụng tro bay biến tính

Cho một lượng xúc tác vào mẫu nước chứa thành phần ô nhiễm cần xử lý (phẩm màu, kháng sinh…) đã được điều chỉnh pH bằng H2SO4 1M Cho thêm dung dịch H2O2 (30%) vào dung dịch trên, khuấy đều Sau thời gian xử lý nhất định, dung dịch sau xử lý ở từng thời điểm được điều chỉnh lên pH=11 bằng dung dịch NaOH 1M Hỗn hợp được tách bỏ bùn thải và đun hồi lưu trong 10 phút nhằm đuổi bỏ dư lượng H2O2 và xác định hàm lượng hữu cơ còn lại, để tính toan hiệu suất xử lý Tùy theo đối tượng cần xử lý, hàm lượng hữu cơ được xác định khác nhau Với mục tiêu xử lý phẩm màu, hiệu suất xử lý được đánh giá thông qua

sự giảm độ màu, trong khi COD được dùng để đánh giá khả năng loại bỏ MEA trong nước Với đối tượng xử lý là thuốc kháng sinh, hàm lượng tác nhân ô nhiễm được xác định thông qua phổ tử ngoại

Căn cứ trên khả năng loại bỏ chất ô nhiễm hữu cơ, có thể kết luận về ảnh hưởng của các yếu tố Kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của các yếu tố là cơ sở để

lựa chọn Quy trình biến tính tro bay

Phương pháp xác định khả năng hấp phụ CO 2 của vật liệu

Đánh giá khả năng hấp phụ khí CO2 của vật liệu thu được sau quá trình biến tính Đường đẳng nhiệt hấp phụ CO2 tinh khiết ở các nhiệt độ khác nhau được đo trên ASAP 2020 (Micromeritics) hoặc máy phân tích hấp phụ hóa học (ChemiSorb HTP, Micromeritics) trong phạm vi nhiệt độ hấp phụ từ 20 °C đến 60 °C và dưới

áp suất từ 0,0024 kPa đến 120 kPa Quá trình khử khí được thực hiện trong 6 giờ trong điều kiện chân không trước khi đo hấp phụ-giải hấp để loại bỏ bất kỳ hơi ẩm

và khí được hấp thụ trước

4 Tổng kết kết quả nghiên cứu

Kết quả nghiên cứu của Đề tài Khoa học Công nghệ cấp Đại học Quốc gia Hà Nội mã số QG.18.08 được phân tích tập trung trên ba mảng việc: (i) Tối ưu điều kiện biến tính tro bay, xây dựng quy trình chế tạo xúc tác; (ii) Khảo sát, đánh giá khả năng phân hủy phẩm màu hữu cơ/thuốc kháng sinh và/hoặc mono etanolamin của xúc tác và (iii) Nghiên cứu, đánh giá khả năng hấp phụ, bắt giữ khí cacbonic Đây đều là các công việc lần đầu tiên được triển khai, tiến hành, hoàn thiện, và cho thấy tính khả thi trong công tác bảo vệ môi trường, bởi cùng lúc có thể góp phần (i) mở ra hướng đi cho vấn đề chất thải rắn chứa sắt tro bay, bùn sắt, bùn đỏ, đồng thời (ii) hạ chi phí của các quá trình xử lý các thành phần hữu cơ độc hại trong nước thải hoặc hấp phụ khí nhà kính cacbonic Dưới đây là một số kết quả chính thu được trong quá trình nghiên cứu

Tối ưu điều kiện biến tính tro bay, xây dựng quy trình biến tính, đặc trưng vật liệu trước và sau biến tính

Để biến tính tro bay cho mục đích phân hủy phẩm màu RB182 bao gồm tỷ

lệ muối Fe(NO3)3..9H2O/tro bay là 4/10; nhiệt độ và thời gian nung xúc tác tương ứng là 400 oC và 3 h Với mục tiêu phân hủy kháng sinh cephalexin, điều kiện tối

ưu cho quá trình biến tính được xác định cụ thể: tỷ lệ muối Fe2(SO4)3/tro bay, nhiệt độ nung và thời gian nung tối ưu tương ứng là 2,5g/10g; 300 oC và 4 h

Để chế tạo vật liệu hấp phụ CO2, tỷ lệ khối lượng tro bay/TEPA/DEA tối

ưu được xác định tương ứng là 80/15/5; với dung môi sử dụng cho quá trình ngâm tẩm là metanol

Tro bay sử dụng trong nghiên cứu có cấu trúc hình cầu, với nhiều kích thước khác nhau, phân bố trong một khoảng tương đối rộng từ khoảng 6,8m tới xấp xỉ 100 m); bề mặt tro bay khá đặc trắc, diện tích bề mặt riêng thấp (7,59

m2/g) Thành phần hóa học và thành phần pha của tro bay được xác định bằng kỹ thuật EDX, XRD cho thấy tồn tại chín nguyên tố trong tro bay với phần trăm khối lượng giảm dần như sau O > C > Si > Al > Fe > K > Ti > Ca > Mg; xuất hiện các tín hiệu của mulite, quartz (và tín hiệu yếu của hematite) trên giản đồ XRD của tro bay Phổ hồng ngoại cũng ghi nhận sự tồn tại của một số nhóm chức cơ bản trong tro bay, đặc biệt là các liên kết liên quan tới silic, sắt Sau quá trình biến tính bằng

muối sắt, hàm lượng sắt tăng lên đáng kể, điều này được cho là yếu tố làm tăng khả năng xúc tác của mẫu vật liệu Sắt tồn tại chủ yếu ở dạng hematit sau quá trình biến tính

Khảo sát, nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng tới quá trình phân hủy phẩm màu hữu cơ trong nước sử dụng tro bay biến tính

Sau khi được biến tính với muối sắt (III) nitrat, xúc tác điều chế được FA) có khả năng xử lý hiệu quả phẩm nhuộm RB182 (ở nồng độ 200 mg/L) Tại các điều kiện tối ưu bao gồm pH 3, hàm lượng xúc tác 1 g/L, hàm lượng H2O23,92 mM, 94% phẩm RB182 được loại bỏ sau thời gian xử lý 50 phút Thông qua quá trình khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ tới hiệu quả phân hủy RB182, hằng số tốc độ phân hủy RB182 đã được xác định ở các nhiệt độ 25, 30, 40 và 50°C tương ứng 0,030; 0,032; 0,043 và 0,046 phút-1 Quá trình phân hủy RB182 diễn ra tương đối thuận lợi bởi năng lượng hoạt hóa tương đối thấp, giá trị xác định từ thực nghiệm trong nghiên cứu này là 15,2 kJ/mol Xúc tác sau xử lý có khả năng thu hồi dễ dàng và cho hiệu suất tái sử dụng cao, sau 5 chu kỳ, hiệu quả phân hủy gần như không thay đổi, nước thải sau xử lý mất màu hoàn toàn, điều này được chứng minh bằng phổ UV-Vis Tiềm năng ứng dụng của Fe-FA trong khía cạnh xử lý môi trường ô nhiễm các hợp chất hữu cơ khó phân hủy sinh học được kiểm tra thêm qua khả năng phân hủy phẩm nhuộm RB19, RY160, hóa chất bảo vệ thực vật đianizon, thuốc kháng sinh amoxicillin Ở các điều kiện tối ưu, xúc tác Fe-FA được chỉ ra có khả năng xử lý gần như triệt để các loại phẩm màu, hiệu quả xử lý diazinon và amoxicillin cũng đạt 85-87%

(Fe-Các kết quả nghiên cứu trong công trình này khẳng định tiềm năng sử dụng tro bay trong mục tiêu xử lý các nguồn thải hữu cơ khó phân hủy sinh học Bằng cách này, không những chúng ta đã có thêm một giải pháp trong xử lý tro bay mà góp phần hạ thấp chi phí xử lý các nguồn thải khó phân hủy sinh học độc hại và khó xử lý

Khảo sát, nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng tới quá trình phân hủy kháng sinh ampicillin trong nước sử dụng tro bay biến tính

Tro bay sau khi biến tính được sử dụng làm chất xúc tác Fenton dị thể cho quá trình phân hủy kháng sinh Ampicillin Giá trị pH, lượng H2O2 và hàm lượng xúc tác là những yếu tố chính ảnh hưởng đến hiệu quả xử lý Ampicillin Ảnh hưởng của các yếu tố này đã được khảo sát và tối ưu hóa bằng phần mềm Modde Dưới các điều kiện đã được tối ưu: thể tích H2O2 0.52 mL/L, lượng chất xúc tác

1.24 g/L và pH 3.19, khoảng 95% Ampicillin đã được xử lý sau thời gian 120 phút Các nghiên cứu động học chỉ ra rằng, quá trình phân hủy AP tuân theo mô hình phản ứng bậc 2 với hằng số tốc độ k = 0.0061 L.mg-1.phút-1 ở 30 oC và năng lượng hoạt hóa 17.6 kJ/mol

Khảo sát, nghiên cứu, đánh giá khả năng xử lý mono ethanolamin (MEA) sử dụng tro bay biến tính

Tro bay sau khi được biến tính bằng phương pháp ngâm tẩm đơn giản sử dụng tác nhân Fe(NO3)3 có thể sử dụng hiệu quả với vai trò xúc tác Fenton dị thể nhằm phân hủy mono etanolamin trong nước

Hàm lượng H2O2, hàm lượng xúc tác, pH môi trường và thời gian tiến hành

là các yếu tố ảnh hưởng chính đến hiệu suất xử lý MEA của quá trình Fenton dị thể với xúc tác tro bay biến tính Ở điều kiện tối ưu về pH, hàm lượng xúc tác, hàm lượng hydropeoxit tương ứng là 3; 3 g/L và 6 mM, hiệu suất phân hủy (tính theo COD) đạt trên 77% sau 120 phút xử lý

Đã xây dựng được quy trình công nghệ xử lý MEA trong nước sử dụng bùn sắt thải biến tính

Khảo sát, nghiên cứu, đánh giá khả năng hấp phụ khí cacbonic của sản phẩm tro bay biến tính

Đã tối ưu và tổng hợp được vật liệu hấp phụ CO2 (TEPA15-DEA5/FA) bằng quy trình đơn giản, chi phí thấp, tận dụng chất thải công nghiệp là tro bay Các kỹ thuật phân tích hiện đại như SEM, FT-IR, TGA đã chứng minh và chỉ rõ sự sâm nhập của các phân tử amin trong cấu trúc tro bay

Vật liệu tổng hợp được có tiềm năng ứng dụng lớn trong thực tế: có dung lượng hấp phụ CO2 ở 50oC, 100 kPa là 1,12 mmol/g, độ chọn lọc hấp phụ CO2/N2rất tốt

5 Đánh giá về các kết quả đã đạt được và kết luận

Với những kết quả thu được trong quá trình nghiên cứu, triển khai Đề tài,

có thể thấy rằng tro bay dễ dàng được biến tính để chế tạo xúc tác Fenton dị thể nhằm xử lý hiệu quả nhiều nguồn ô nhiễm hữu cơ khác nhau trong nước hay hấp phụ khí CO2 nhằm hạn chế phát thải khí nhà kính, gây ô nhiễm môi trường và biến

đổi khí hậu Bằng việc sử dụng xúc tác/hấp phụ đi từ nguồn thải công nghiệp rẻ tiền, có khả năng thu hồi và tái sử dụng, đồng thời có khả năng ứng dụng rộng rãi trong mục tiêu phân hủy nhiều thành phần ô nhiễm khác nhau, cho thấy các kết quả của Đề tài có khả năng ứng dụng trong thực tiễn tại các cơ sở sản xuất có phát thải tro bay hoặc các nguồn thải rắn chứa sắt khác như bùn sắt, bùn đỏ và/hoặc các đơn vị sản xuất có xả thải các nguồn ô nhiễm hữu cơ, cũng như phát thải khí

CO2

Kết quả của Đề tài Khoa học Công nghệ cấp ĐHQGHN mã số QG.18.08 cho thấy ý nghĩa khoa học và thực tiễn trong công tác xử lý ô nhiễm, bảo vệ môi trường, đặc biệt ở khía cạnh sử dụng hợp lý tài nguyên thiên nhiên, xử lý vùng ô nhiễm

6 Tóm tắt kết quả (tiếng Việt và tiếng Anh)

Tiếng Việt: Trong thời gian thực hiện Đề tài Khoa học & Công nghệ cấp Đại học

Quốc gia Hà Nội, nhóm nghiên cứu đã chế tạo thành công xúc tác Fenton dị thể bằng cách biến tính tro bay sử dụng phương pháp ngâm tẩm đơn giản, dễ triển khai Bằng quy trình biến tính hai bước, tăng cường độ xốp vật liệu bằng cách ngâm tẩm tro bay trong dung dịch xút, rồi bổ sung tổ hợp amin tetrathylenepentamine (TEPA) và diethanolamine (DEA) vào cấu trúc của tro bay

để, vật liệu thu được cho thấy khả năng ứng dụng tốt nhằm bắt giữ khí cacbonic Vật liệu được đặc trưng bằng một số kỹ thuật tiên tiến như hiển vi điện tử quét (SEM), phổ hồng ngoại (FT-IR), giản đồ nhiễu xạ tia X (XRD), phổ tán xạ năng lượng tia X (EDS), hấp phụ và giải hấp nitơ (BET) Xúc tác được chỉ ra là có khả năng xử lý rất tốt một số nguồn thải hữu cơ khó phân hủy sịnh học như phẩm màu Reactive Blue 182, kháng sinh ampicillin và monoetanolamin (hợp chất hữu cơ được sử dụng rộng rãi trong mục tiêu bắt giữ CO2) Các điều kiện biến tính, xử lý

đã được khảo sát, nghiên cứu và tối ưu Tại những điều kiện phù hợp, hơn 80% COD (từ MEA) và hơn 90% phẩm mảu Reactive Blue 182 160 được loại bỏ hoàn

thu hồi và tái sử dụng tốt, cho thấy tiềm năng ứng dụng thực tế xử lý nước thải

Vật liệu hấp phụ khí cacbonic được tổng hợp trong nghiên cứu này cũng cho thấy tiềm năng ứng dụng lớn trong thực tế, bởi với chi phí chế tạo thấp, đi từ các thành phần thải, vật liệu hấp phụ chọn lọc khí CO2/N2 và có dung lượng hấp phụ CO2 lên tới 1,12 mol/kg ở 50oC, 100 kPa

Tiếng Anh: In this work, the effective heterogeneous Fenton catalyst and CO2adsorbents were succesfully prepared by the modification of fly ash using the simple impregnation techniques The materials were characterized by some mordern techniques such us SEM, FT-IR, XRD, EDS, BET The prepared catalyst can be effective used for the degration of some organic pollutants in wastewater such as Reactive Blue 182 dye (RB182), ampicillin, and monoethanolamine (MEA) The modification and treatment conditions were conducted and optimized Under the suitable conditions, more than 80% COD (as calculated from MEA) and higher than 90% RB182 were removed after of about 60-120 min of treatment, depending on the organic pollutants The catalyst can be separated and reused, indicating the potential for practical application of wastewater treatment

Carbon dioxide adsorbents synthesized in this study also show great potential for practical applications, with (i) low preparation costs, (ii) good CO2/N2selectivity, and (iii) a high CO2 adsorption capacity of up to 1.12 mol / kg at 50 oC,

100 kP

Tài liệu tham khảo

1 Badawy, M.I.; Ghaly, M.Y.; Gad-Allah, T.A Desalination 194 (2006) 166

2 Holkar, C.R.; Jadhav, A.J.; Pinjari, D.V.; Mahamuni, N.M Journal of

Environmental Management 182 (2016) 351

3 Klavarioti, M.; Mantzavinos, D.; Kassinos, D Environment International 35

(2009) 402

4 Sumida, K.; Rogow, D L.; Mason, J A.; McDonald, T M.; Bloch, E D.;

Herm, Z R.; Bae, T.-H.; Long, J R Chemical Review 112 (2012) 724

5 Rochelle, G T Science 325 (2009) 1652

6 Dao, S.D.; Yamada, H.; Yogo, K Energy Fuels 29 (2015) 985

7 Dao, S.D.; Yamada, H.; Yogo, K Industrial & Engineering Chemistry

Research 52 (2013) 13810

8 Yamada, H.; Dao, S.D.; Fujiki, J.; Yogo, K Separation Science &

Technology 50 (2015) 2948

9 Quốc, P.H.D Phân tích việc sử dụng tro xỉ than thải ra từ các nhà máy nhiệt

điện ở Việt Nam Trường Đại học Tokyo, Nhật Bản, 2005

10 Soon, A.N.; Soon, A.N.; Hameed, B.H Desalination 269 (2011) 1

11 Flores, Y.; Flores, R.; Alberto Alvarez Gallegos, A.A Journal of Molecular

14 Liu, T.; You, H.; Chen, Q Journal of Hazardous Materials 162 (2009) 860

15 Panda, N.; Sahoo, H.; Mohapatra, S Journal of Hazardous Materials 185

(2011) 359

16 Shi, J.-W.; Chen, S.-H.; Wang, S.-M.; Wu, P.; Xu, G.-H Journal of

Molecular Catalysis A: Chemical 303 (2009) 141

17 Wang, B.; Li, Q.; Wang, W.; Li, Y.; Zhai, J Applied Surface Science 257

(2011) 3473

18 Li, Y.; Zhang, F.-S Chemical Engineering Journal 158 (2010) 148

19 Lin, Y.; Yan, Q.; Kong, C.; Chen, L Scientific Report 3 (2013)

20 Yazaydin, A Ö.; Snurr, R Q.; Park, T.-H.; Koh, K.; Liu, J.; LeVan, M D.; Benin, A I.; Jakubczak, O.; Lanuza, M.; Galloway, D B.; Low, J J.; Willis,

R R Journal of American Chemical Society 131 (2009) 18198

21 Liu, J.; Thallapally, P K.; McGrail, B P.; Brown, D R.; Liu, J Chemical

25 Chuy, N.Đ.; Mây, T.T.; Thu, N.T Tạp chí Khoa học, Trường Đại học Sư

PHẦN III SẢN PHẨM, CÔNG BỐ VÀ KẾT QUẢ ĐÀO TẠO CỦA NHIỆM VỤ

3.1 Kết quả nghiên cứu

thải tro bay có khả năng

xử lý hiệu quả các nguồn

thải giàu hữu cơ khó

phân hủy sinh học và

hấp phụ khí CO2

Vật liệu xúc tác phát triển được có khả năng

xử lý ít nhất 80% (so với tổng lượng hữu cơ ban đầu) các nguồn thải giàu hữu cơ khó phân hủy sinh học Vật liệu hấp phụ có khả năng hấp phụ CO2 với dung lượng khoảng 1 mmol/g (ở 50 oC và 100 kPa)

▪ Các mẫu xúc tác/vật liệu hấp phụ đạt đủ theo đăng ký, đã được

sử dụng trong quá trình nghiên cứu

▪ Xúc tác Fenton dị thể chế tạo từ tro bay có khả năng phân hủy (i) 94% phẩm màu Reactive Blue 182 sau

50 phút xử lý, (ii) 87% diazinon và amoxicillin sau 50 phút xử lý; (iii) 95% kháng sinh ampicillin sau 120 phút xử lý Xúc tác cũng loại bỏ được 77% MEA (tính theo COD) sau 120 phút xử lý

85-▪ Vật liệu hấp phụ (TEPA15-DEA5/FA-NaOH) chế tạo từ tro bay có khả năng hấp phụ tốt CO2, với dung lượng hấp phụ ở 50 oC

và 100 kPa đạt 1,12 mmol/g (mol/kg)

Quy trình biến tính tro bay tạo ra xúc tác có khả năng xử lý tốt nhiều loại phẩm màu, kháng sinh, hóa chất bảo vệ thực vật, như: phẩm màu Reactive Blue 182, kháng sinh amoxicillin, kháng sinh ampicillin, thuốc bảo vê thực vật diazinon, hay mono etanolamin (amine được sử dụng cho mục đích hấp thụ khí CO2)

3 Quy trình công nghệ xử

lý các nguồn thải hữu cơ

khó phân hủy sinh học

sử dụng xúc tác được

điều chế

Hiệu suất xử lý chất hữu cơ đạt 80% trở lên

so với tổng lượng ban đầu

Đã xây dựng được 03 Quy trình xử lý các chất hữu cơ ô nhiễm trong nước Cụ thể:

▪ Quy trình xử lý phẩm màu hữu cơ: phân hủy 94% phẩm màu Reactive Blue 182 sau

50 phút xử lý Xúc tác cũng loại bỏ 85-87%

amoxicillin sau 50 phút xử lý;

▪ Quy trình xử lý kháng sinh ampicillin, đạt hiệu suất xử lý 95% sau 120 phút xử lý;

▪ Quy trình xử lý mono etanolamin; hiệu suất loại bỏ (tính theo COD) đạt xấp xỉ 80% MEA sau 120 phút xử

lý

4 Quy trình công nghệ chế

tạo vật liệu có khả năng

hấp phụ CO2 từ tro bay

Vật liệu hấp phụ phát triển được có dung lượng hấp phụ CO2khoảng 1 mol/kg ở điều kiện nhiệt độ ~ 50 oC

và 100 kPa CO2

Quy trình biến tính tro bay bằng phương pháp ngâm tẩm với amin chế tạo được vật liệu hấp

(TEPA15-DEA5/FA-NaOH) có khả năng hấp phụ tốt

CO2, với dung lượng hấp phụ ở 50 oC và 100 kPa đạt 1,12 mmol/g (mol/kg)

đã được cấp giấy xác nhận SHTT/ xác nhận

sử dụng sản phẩm)

Ghi địa chỉ và cảm

ơn sự tài trợ của ĐHQGHN đúng quy định

Đánh giá chung

(Đạt, không đạt)

1 Công trình công bố trên tạp chí khoa học quốc tế theo hệ thống ISI/Scopus

1.1 Duc Sy Dao et al Enhancement of

ACS Omega của Hội

Hóa học Hoa Kỳ

(Q1)

1.2 Dao Sy Duc và các cộng sự Removal

of cephalexin antibiotic in aqueous

solution using modified fly ash as a

heterogeneous Fenton catalyst Đã gửi

đăng Tạp chí Asian Journal of

Chemistry (Scopus)

1.3 Dao Sy Duc và các cộng sự

Degradation of monoethanolamine by

heterogeneous Fenton process using

modified iron-rich sludge:

characteristic and mechanism Đã gửi

đăng Tạp chí Journal of Chemical

3.1 Đăng ký Sáng chế “Phương pháp phân

hủy mono ethanolamin bằng kỹ thuật

Fenton dị thể sử dụng bùn sắt thải biến

tính”

Đã có Quyết định Chấp nhận Đơn hợp

lệ

3.2 Đăng ký Sáng chế “Phương pháp biến

tính tro bay làm vật liệu hấp phụ khí

cacbonic”

Đã nộp Đơn, đang chờ Quyết định Chấp nhận Đơn hợp lệ

5.1 Vũ Thanh Liêm, Đào Sỹ Đức, Nguyễn

Ngọc Tùng, Lê Vũ Tiến Xử lý kháng

sinh ampicillin trong nước bằng kỹ

thuật Fenton dị thể sử dụng tro bay

biến tính Tạp chí Phân tích Hóa, Lý

và Sinh học 25 (2020) 87-93

Đã in trên Tạp chí Phân tích Hóa, Lý và Sinh học của Hội

Phân tích Hóa, Lý và Sinh học Việt Nam

5.2 Dao Sy Duc, Ngo Van Hoanh, Trinh

Xuan Dai, Ha Minh Ngoc, Dang Van

Doan, Ngo Hong Anh Thu, Do Dinh

monoethanolamine by heterogeneous

Fenton-like process using modified fly

ash Vietnam Journal of Chemistry 56

(6E1) (2018) 81-84

Đã in trên Tạp chí Hóa học của Viện

Hàn lâm Khoa học &

Công nghệ Việt Nam

6 Báo cáo khoa học kiến nghị, tư vấn chính sách theo đặt hàng của đơn vị sử dụng

6.1 Báo cáo khoa học “CO2 adsorption on

amine-impregnated solid sorbents”

Báo cáo tại 2 nd

RoHan DAAD SDG

Sustainable Chemical Industry”

Hanoi, Vietnam, September 17-29,

2018

vượt

6.2 Báo cáo khoa học “Treatment of

Cephalexin by heterogeneous Fenton

technique using modified fly ash”

Báo cáo tại 2 nd

RoHan DAAD SDG Workshop 2018

vượt

“Catalysis toward Sustainable Chemical Industry”

Hanoi, Vietnam, September 17-29,

2018 6.3 Báo cáo khoa học “Thu giữ CO2 bằng

kỹ thuật hấp phụ”

Báo cáo tại Hội nghị Công nghệ Phân tích

và Công nghệ Môi trường phục vụ cho

Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQGHN, Tiểu ban Công nghệ Môi trường và Phát triển

Hà Nội, 28/10/2018

vượt

6.5 Báo cáo khoa học “Degradation of

persistent organic pollutants by

advanced oxidation process using iron-

modified fly ash”

Báo cáo tại Taiwan

-Vietnam Environmental Technology Workshop

“Industrial Fly Ash

(invited speaker)

6.6 Báo cáo khoa học “Development of

amine-impregnated solid sorbents for

CO2 capture”

Báo cáo tại

vượt

6.7 Báo cáo khoa học “CCS technologies

for mitigating CO2 emission”

Báo cáo tại 50 Student

Environmental

Hanoi, Vietnam, 6 November 2020 (Invited speaker)

Nghiên cứu sinh

Học viên cao học

Vũ Thanh Liêm 2018-2020 Bài báo: Vũ Thanh Liêm,

Đào Sỹ Đức, Nguyễn Ngọc Tùng, Lê Vũ Tiến Xử lý kháng sinh ampicillin trong nước bằng kỹ thuật Fenton dị thể sử dụng tro bay biến tính

Đã bảo

vệ và nhận Bằng

Tạp chí Phân tích Hóa, Lý và Sinh học 25 (2020) 87-93 Luận văn: Vũ Thanh Liêm

Tối ưu hóa quá trình xử lý kháng sinh ampicillin trong nước bằng kỹ thuật Fenton dị

thể sử dụng tro bay biến tính

PHẦN IV TỔNG HỢP KẾT QUẢ CÁC SẢN PHẨM KH&CN VÀ ĐÀO TẠO CỦA

ĐỀ TÀI

lượng đăng ký

Số lượng đã hoàn thành

1 Bài báo công bố trên tạp chí khoa học quốc tế theo hệ

thống ISI/Scopus

(+ 02 bản thảo đã gửi)

2 Sách chuyên khảo được xuất bản hoặc ký hợp đồng xuất

4 Bài báo quốc tế không thuộc hệ thống ISI/Scopus - -

5 Số lượng bài báo trên các tạp chí khoa học của

ĐHQGHN, tạp chí khoa học chuyên ngành quốc gia hoặc

báo cáo khoa học đăng trong kỷ yếu hội nghị quốc tế

7 Kết quả dự kiến được ứng dụng tại các cơ quan hoạch

định chính sách hoặc cơ sở ứng dụng KH&CN

PHẦN V TÌNH HÌNH SỬ DỤNG KINH PHÍ

Kinh phí được duyệt

(triệu

đồng)

Kinh phí thực hiện

(triệu

đồng)

Ghi chú

2 Nguyên, nhiên vật liệu, cây con 170 170

• Kết quả nghiên cứu cũng có thể sử dụng trong việc tư vấn chính sách, quản

lý nhà nước liên quan tới lĩnh vực tài nguyên và môi trường

PHẦN VII PHỤ LỤC (minh chứng các sản phẩm nêu ở Phần III)

Kết quả nghiên cứu

• 01 Báo cáo Quy trình công nghệ biến tính tro bay với vai trò làm xúc tác

Fenton dị thể (trong Báo cáo kết quả thực hiện Hợp đồng nghiên cứu khoa

học & công nghệ 01.2018 HĐ/CLĐ);

• 01 Báo cáo kết quả khảo sát, nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng tới quá trình phân hủy phẩm màu hữu cơ trong nước sử dụng xúc tác chế tạo từ tro bay

(trong Báo cáo kết quả thực hiện Hợp đồng nghiên cứu khoa học & công

nghệ 01.2018 HĐ/CLĐ);

• 01 Báo cáo Quy trình công nghệ xử lý phẩm màu hữu cơ sử dụng xúc tác

Fenton dị thể chế tạo từ tro bay (trong Báo cáo kết quả thực hiện Hợp đồng

nghiên cứu khoa học & công nghệ 01.2018 HĐ/CLĐ);

• 01 Báo cáo kết quả khảo sát, nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng tới quá trình phân hủy monoetanolamin trong nước sử dụng xúc tác chế tạo từ tro bay;

• 01 Báo cáo Quy trình công nghệ xử lý monoetanolamin sử dụng xúc tác Fenton dị thể chế tạo từ tro bay;

• 01 Báo cáo kết quả khảo sát, nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng tới quá trình phân hủy kháng sinh ampicilin sử dụng xúc tác chế tạo từ tro bay;

• 01 Báo cáo Quy trình công nghệ xử lý kháng sinh ampicilin sử dụng xúc tác Fenton dị thể chế tạo từ tro bay;

• 01 Báo cáo Quy trình chế tạo vật liệu hấp phụ CO2 từ tro bay (trong Báo

cáo kết quả thực hiện Hợp đồng nghiên cứu khoa học & công nghệ 01.2019 HĐ/CLĐ)

Công bố khoa học

• Nội dung bài báo Enhancement of CO2 adsorption/desorption properties of solid sorbents using tetraethylenepentamine/diethanolamine blends đăng

trên Tạp chí ACS Omega (SCI, Q1);

• Nội dung bài báo “Phân hủy mono etanolamin bằng quá trình Fenton dị thể

sử dụng tro bay biến tính” đăng trên Tạp chí Hóa học;

• Nội dung bài báo “Phân hủy kháng sinh ampixilin bằng kỹ thuật Fenton dị

thể sử dụng tro bay biến tính” đăng trên Tạp chí Phân tích Hóa, Lý và Sinh

học

Sản phẩm Sở hữu trí tuệ

02 Quyết định Chấp nhận Đơn Hợp lệ cho Đơn đăng ký Sáng chế với các nội dung:

▪ Phương pháp phân hủy mono ethanolamin bằng kỹ thuật Fenton dị thể sử

dụng bùn sắt thải biến tính;

▪ Phương pháp biến tính tro bay làm vật liệu hấp phụ khí cacbonic

Sản phẩm Đào tạo

Bản sao Quyết định giao đề tài, phân công người hướng dẫn, Bằng Thạc sĩ

có liên quan tới sự hỗ trợ của Đề tài

Thuyết minh Nhiệm vụ Khoa học & Công nghệ cấp ĐHQGHN

Hà Nội, ngày tháng năm 2021

PHỤ LỤC SẢN PHẨM VÀ THUYẾT MINH

ĐỀ TÀI KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ CẤP ĐHQGHN

Kết quả nghiên cứu:

• 01 Báo cáo Quy trình công nghệ biến tính tro bay với vai trò làm xúc tác Fenton

dị thể (trong Báo cáo kết quả thực hiện Hợp đồng nghiên cứu khoa học & công

nghệ 01.2018 HĐ/CLĐ);

• 01 Báo cáo kết quả khảo sát, nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng tới quá trình phân

hủy phẩm màu hữu cơ trong nước sử dụng xúc tác chế tạo từ tro bay (trong Báo

cáo kết quả thực hiện Hợp đồng nghiên cứu khoa học & công nghệ 01.2018 HĐ/CLĐ);

• 01 Báo cáo Quy trình công nghệ xử lý phẩm màu hữu cơ sử dụng xúc tác Fenton

dị thể chế tạo từ tro bay (trong Báo cáo kết quả thực hiện Hợp đồng nghiên cứu

khoa học & công nghệ 01.2018 HĐ/CLĐ);

• 01 Báo cáo kết quả khảo sát, nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng tới quá trình phân hủy mono etanolamin trong nước sử dụng xúc tác chế tạo từ tro bay;

• 01 Báo cáo Quy trình công nghệ xử lý mono etanolamin sử dụng xúc tác Fenton

dị thể chế tạo từ tro bay;

• 01 Báo cáo kết quả khảo sát, nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng tới quá trình phân hủy kháng sinh ampicilin sử dụng xúc tác chế tạo từ tro bay;

• 01 Báo cáo Quy trình công nghệ xử lý kháng sinh ampicilin sử dụng xúc tác Fenton dị thể chế tạo từ tro bay;

• 01 Báo cáo Quy trình chế tạo vật liệu hấp phụ CO2 từ tro bay (trong Báo cáo kết

quả thực hiện Hợp đồng nghiên cứu khoa học & công nghệ 01.2019 HĐ/CLĐ).

Công bố khoa học

• Nội dung bài báo Enhancement of CO2 adsorption/desorption properties of solid sorbents using tetraethylenepentamine/diethanolamine blends đăng trên Tạp chí

ACS Omega (SCI, Q1);

• Nội dung 02 bài báo đăng trên Tạp chí Hóa học (Phân hủy mono etanolamin bằng quá trình Fenton dị thể sử dụng tro bay biến tính) và Tạp chí Phân tích Hóa,

Lý và Sinh học (Phân hủy kháng sinh Ampixilin bằng kỹ thuật Fenton dị thể sử

dụng tro bay biến tính);

Sản phẩm Sở hữu trí tuệ

• 01 Quyết định Chấp nhận Đơn Hợp lệ cho Đơn đăng ký Sáng chế với nội dung

“Phương pháp phân hủy mono ethanolamin bằng kỹ thuật Fenton dị thể sử dụng

bùn sắt thải biến tính” và nội dung Bản Mô tả của Đơn;

• 01 Bản Mô tả đăng ký Sáng chế với nội dung “Phương pháp biến tính tro bay

làm vật liệu hấp phụ khí cacbonic” (đang chờ Quyết định Chấp nhận Đơn Hợp

lệ của Cục Sở hữu Trí tụe, Bộ Khoa học & Công nghệ);

MỤC LỤC Mục lục i Giới thiệu 1 Chương 1 Tổng quan 2

Tài liệu tham khảo 8

Chương 2 Xây dựng quy trình biến tính tro bay làm xúc tác Fenton dị thể ứng dụng trong xử lý các hợp chất hữu cơ khó phân hủy sinh học trong nước

thải 12

2.1 Giới thiệu 12 2.2 Quy trình thực nghiệm 12 2.3 Kết quả và thảo luận 13

Chương 3 Biến tính tro bay làm chất hấp phụ khí cacbonic 24

3.1 Giới thiệu 24 3.2 Quy trình thực nghiệm 24 3.3 Kết quả và thảo luận 24

Chương 4 Đặc tính của tro bay trước và sau biến tính 28

4.1 Đặt vấn đề 28 4.2 Thực nghiệm 28 4.3 Kết quả và thảo luận 29 4.4 Kết luận 35 Tài liệu tham khảo 36

Chương 5 Xử lý nước thải chứa phẩm nhuộm và kháng sinh 38

5.1 Giới thiệu chung 38 5.2 Đối tượng, phương pháp nghiên cứu 44 5.3 Kết quả và thảo luận 45 5.4 Kết luận 60 Tài liệu tham khảo 60

Chương 6 Kết luận chung 65

Giới thiệu

Báo cáo này được xây dựng dựa trên kết quả nghiên cứu (i) xây dựng quy trình biến tính tro bay làm xúc tác phân hủy các hợp chất hữu cơ độc hại trong nước, (ii) xây dựng quy trình biến tính tro bay làm chất hấp phụ khí cacbonic (CO2), (iii) đặc trưng tính chất cơ bản của tro bay trước và sau biến tính, (iv) đánh giá khả năng phân hủy các hợp chất hữu cơ độc hại trong nước sử dụng tro bay biến tính, thuộc Đề tài QG.18.08 “Phát triển công nghệ chế tạo vật liệu đa chức năng trên cơ sở biến tính tro bay tại các nhà máy nhiệt điện, ứng dụng trong xử lý các nguồn thải hữu cơ và khí

CO2 ” do Đại học Quốc gia Hà Nội tài trợ

Báo cáo được chia thành 06 Chương: Chương 1 trình bày các thông tin tổng quan về

đề tài và các nội dung có liên quan; Chương 2 trình bày kết quả nghiên cứu xây dựng quy trình biến tính tro bay làm xúc tác phân hủy các hợp chất hữu cơ độc hại trong nước; Chương 3 trình bày các kết quả (ii) xây dựng quy trình biến tính tro bay làm chất hấp phụ khí cacbonic (CO2); các kết quả đặc trưng tính chất cơ bản của tro bay trước và sau biến tính được trình bày trong Chương 4; Chương 5 đánh giá khả năng phân hủy các hợp chất hữu cơ độc hại trong nước sử dụng tro bay biến tính Các kết luận có liên quan tới nội dung nghiên cứu được trình bày ngắn gọn trong Chương 6 của Báo cáo này

Chương 1 Tổng quan

Ngày nay, sự phát triển không ngừng của khoa học & công nghệ đã và đang đem đến sự đổi thay rõ nét về chất lượng cuộc sống của con người Tuy nhiên, cũng chính sự phát triên công nghiệp đã kéo theo sự xuống cấp trầm trọng về môi trường sống, trong đó đặc biệt đáng báo động là sự ô nhiễm môi trường nước và không khí Điển hình trong các bài toán môi trường ở Việt Nam cũng như nhiều quốc gia khác là vấn đề ô nhiễm các nguồn nước do các hợp chất hữu cơ khó phân hủy sinh học như phẩm nhuộm, hóa chất bảo vệ thực vật, thuốc kháng sinh hay bài toán biến đổi khí hậu, ấm lên toàn cầu với nguyên nhân quan trọng nhất là sự phát thải một hàm lượng lớn các khí nhà kính, điển hình là CO2 [1-8] Việc phát triển các loại vật liệu tiềm năng, quy trình công nghệ phù hợp với điều kiện Việt Nam góp phần giải quyết các bài toán môi trường nêu trên là cực kỳ cần thiết và có ý nghĩa sống còn trong chiến lược phát triển bền vững các ngành công nghiệp ở nước ta

Về nguyên tắc, người ta có thể áp dụng nhiều kỹ thuật khác nhau để giải quyết các bài toán ô nhiễm nguồn nước, điển hình là các kỹ thuật hóa lý, sinh học và hóa học Các kỹ thuật có thể sử dụng riêng rẽ, nhưng thường có sự kết hợp nhằm đảm bảo hiệu quả kỹ thuật và kinh tế Với trường hợp các chất hữu cơ khó phân hủy sinh học, trong nhiều trường hợp, các kỹ thuật oxy hóa tiên tiến (AOPs) là sự lựa chọn duy nhất

với mục tiêu xử lý, hoặc tiền xử lý Các kỹ thuật AOPs rất phong phú (hình 1), song

đều dựa trên sự oxy hóa mạnh và không chọn lọc của gốc tự do hydroxyl Do có nhiều

ưu thế so với các phương pháp khác, quá trình Fenton sử dụng sự kết hợp giữa Fe2+ và

H2O2 có thể coi là kỹ thuật AOPs được nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi hơn cả Tuy vậy, các kỹ thuật Fenton, nhất là Fenton đồng thể vẫn tồn tại một số nhược điểm mà

điển hình là sự hình thành lượng bùn lớn, khó thu hồi xúc tác, và đặc biệt là chi phí xử

lý cao Để khắc phục nhược điểm trên, một trong những hướng đi tiềm năng là phát

triển các hệ xúc tác (dị thể) phù hợp trên cơ sở các vật liệu thải công nghiệp chứa sắt

Tro bay là một chất thải rắn công nghiệp, được hình thành với một khối lượng rất lớn (riêng ở Việt Nam, từ năm 2005, lượng tro bay tạo ra đã lên tới 673600 tấn) trong quá trình sản xuất nhiệt điện với thành phần chủ yếu là các oxit kim loại như SiO2 (58%), Al2O3 (19%), Fe2O3 (8%); TiO2 (2%)… Nếu không được xử lý mà đưa ra môi trường, tro bay có thể gây ảnh hưởng xấu tới môi trường và sức khỏe con người trên nhiều phương diện như gây ô nhiễm nghiêm trọng vùng đất, nước (gần nơi đổ, chứa, đặc biệt là ô nhiễm các kim loại nặng); gây ô nhiễm không khí [9]; gây ảnh hưởng tới an ninh hàng không,… thậm chí có thể tiềm ẩn khả năng nguy hại hơn cả chất thải từ các lò hạt nhân

Hình 1 Các kỹ thuật oxy hóa tiên tiến (AOPs) điển hình

Do chứa một số kim loại như Ca, K, Mg, Ti… nên tro bay có thể được sử dụng

để tổng hợp một số hệ xúc tác Fenton dị thể bằng kỹ thuật “trao đổi ion” [10], hay cố định Fe3+ lên tro bay bằng phương pháp ngâm tẩm [11] Những kết quả nghiên cứu ban đầu của các nhà khoa học Mexico cho thấy, xúc tác Fenton dị thể tổng hợp từ tro

bay theo kỹ thuật trao đổi ion cho hiệu quả xúc tác cao hơn [11] Theo một số công bố

khoa học, sắt (III) oxit, titan dioxit sẵn có trong tro bay càng là một lợi thế trong quá trình tổng hợp xúc tác Fenton dị thể từ loại chất thải nhiệt điện này Việc sử dụng quá trình Fenton dị thể trong xử lý màu nước thải dệt nhuộm cho thấy có nhiều ưu điểm vượt trội, trong đó điển hình là (i) kỹ thuật này có thể giảm thiểu việc hình thành kết tủa hydroxit sắt [11], (ii) môi trường tiến hành gần trung tính hơn so với nhiều kỹ thuật AOPs khác và (iii) xúc tác có thể dễ dàng thu hồi, tái sử dụng [12] Các hệ xúc tác Fenton dị thể có hiệu quả xử lý tốt, với những ưu điểm như đã chỉ ra ở trên bởi cơ chế xử lý diễn ra theo kiểu một chu trình, với ưu thế trong việc tạo ra số lượng lớn các gốc tự do hydroxyl:

Chất hữu cơ + OH• ⎯⎯ → các sản phẩm trung gian ⎯⎯ → CO2 + H2O

Câu hỏi đặt ra là với 58%, 19% tương ứng là phần trăm khối lượng của SiO2 và

Al2O3 thì các thành phần này sẽ có vai trò gì trong quá trình biến tính và liệu có ảnh hưởng gì tới hiệu quả xúc tác? Với những nghiên cứu không phải trên tro bay, nhưng Inbasekaran Muthuvel, Meenakshisundaram Swaminathan [13] đã cho thấy hệ xúc tác

H2O2/O3/UV

OH

UV/TiO2/

H2O2

UV/Fe3+/ H2O2

Fe 2+ /

Fe(III) – Al2O3 có hoạt tính cao với vai trò như một loại xúc tác Fenton dị thể Tương

tự như vậy, những nghiên cứu của Ting Liu và các cộng sự vào năm 2009 cho thấy ở những điều kiện thực nghiệm phù hợp hệ xúc tác Fe(III) – SiO2 có khả năng phân hủy hoàn toàn polyacrylamide, hiệu quả loại bỏ TOC cũng được khẳng định đạt trên 70% [14] Trong một nghiên cứu khác được công bố vào năm 2011, các nhà khoa học Ấn

Độ [15] đã cho thấy hệ xúc tác Fe2O3 – SiO2 rất có tiềm năng trong việc phân hủy metyl da cam

Một điều đáng lưu ý, tuy việc biến tính tro bay làm xúc tác ứng dụng trong xử

lý nước thải được nghiên cứu và phát triển chưa lâu, xong ưu điểm không khó nhận ra

là quy trình biến tính đơn giản, dễ tiến hành về điều kiện kỹ thuật, mà thể hiện rõ ở nhiệt độ sử dụng trong quá trình chế tạo xúc tác thường dao động trong khoảng 500-

800oC [10-12;16] Một số kết quả nghiên cứu mới đây của các nhà khoa học Trung Quốc, Ấn Độ bước đầu đã cho thấy tiềm năng trong việc chuyển hóa tro bay làm xúc tác cho các quá trình xử lý nước [17,18]; trong đó có cả khả năng ứng dụng trong phân hủy phẩm nhuộm [18] Tuy nhiên, hạn chế cơ bản ở đây là việc nghiên cứu mới hoàn toàn là sơ khai, nồng độ phẩm màu sử dụng trong nghiên cứu còn ở mức độ rất thấp (~ 50 mg/L) so với mức trung bình thường gặp ở các dòng thải thực tế [18], khó phù hợp khi định hướng áp dụng vào sản xuất Thêm vào đó, một điểm cần nhấn mạnh là phần lớn các loại phẩm nhuộm đã được sử dụng trong các công bố quốc tế gần như không thấy được sử dụng ở Việt Nam Nghiên cứu xử lý các thành phần hữu

cơ khó phân hủy sinh học khác trong nước phổ biến ở Việt Nam như hóa chất bảo vệ thực vật, thuốc kháng sinh… bằng các quá trình AOPs sử dụng tro bay biến tính chưa từng được công bố Bên cạnh đó, công bố của các nhà khoa học tại Trường Đại học Tokyo, Nhật Bản cho thấy, thành phần và chất lượng tro bay ở Việt Nam có sự khác biệt khá lớn so với tro bay ở các nước Nhật Bản, Ấn Độ, Trung Quốc và Thái Lan [9],

do đó để định hướng sử dụng tro bay như một nguồn vật liệu có thể biến tính tạo xúc tác có khả năng ứng dụng trong xử lý môi trường ở nước ta thì cần phải đầu tư, nghiên cứu thêm cho phù hợp với tình hình thực tế

Liên quan tới khía cạnh hạn chế sự phát thải của khí CO2, trước hết có thể nói đây còn là bài toán bỏ ngỏ ở Việt Nam, trong khi nước ta là một trong số các quốc gia chịu tác động/ảnh hưởng nặng nề nhất của biến đổi khí hậu và ấm lên toàn cầu, với rất nhiều hiện tượng thời tiết cực đoan có liên quan đã, đang và sẽ xuất hiện ngày càng

nhiều Việc nghiên cứu, phát triển các công nghệ, vật liệu thu giữ CO2 đã và đang thu hút được sự quan tâm của nhiều nhà khoa học quốc tế, nhất là các nhà khoa học Nhật Bản, Hoa Kỳ, Anh, Trung Quốc và Hàn Quốc Đây đã, đang và sẽ còn là bài toán môi trường phải đối mặt của Việt Nam và nhiều quốc gia khác Xét về nguyên lý, kỹ thuật

có một số phương pháp khác nhau để có thể thu, giữ CO2, điển hình là các kỹ thuật hấp thụ, hấp phụ, và màng [4,5] Tuy được phát triển từ khá sớm và được thương mại hóa ở một số nơi, nhưng hấp thụ cho thấy nhiều hạn chế trong quá trình triển khai ứng dụng như thiết bị dễ bị ăn mòn, dung môi có thể bị hao hụt trong quá trình sử dụng, đặc biệt là vấn đề chi phí năng lượng cho quá trình giải hấp, bởi hàm lượng nước - tác nhân có nhiệt dung riêng rất lớn, vẫn chiếm tỷ phần lớn (hơn 60%) khối lượng trong các dung dịch hấp thụ [4] Hấp phụ là kỹ thuật được kỳ vọng có thể khắc phục các nhược điểm trong triển khai ứng dụng của phương pháp hấp thụ Trên thực tế, người

ta có thể phát triển và sử dụng các loại vật liệu hấp phụ vật lý (không có tương tác hóa học với CO2) hay vật liệu hấp phụ hóa học (có tương tác giữa các hợp phần trong vật liệu hấp phụ và CO2) Một số chất hấp phụ vật lý điển hình được sử dụng hấp phụ

CO2 có thể kể tới các loại zeolite, than hoạt tính, vật liệu khung cơ kim (MOFs) Ở một số điều kiện thực nghiệm, các loại vật liệu hấp phụ vật lý có những ưu điểm nhất định, như dung lượng hấp phụ tương đối cao (nhất là với một số vật liệu thuộc nhóm MOFs), khá thuận lợi trong việc giải hấp Tuy nhiên, nhược điểm cơ bản của các loại vật liệu hấp phụ vật lý là thường phải tiến hành quá trình hấp phụ ở nhiệt độ rất thấp

và áp suất rất cao, đây là những điều kiện khác xa so với điều kiện thực tế, nên khó triển khai ứng dụng Để khắc phục những hạn chế này, các chất mang thông thường được biến tính bằng nitơ (N) hay lưu huỳnh (S), hoặc bổ sung thêm một số thành phần mang tính kiềm mà điển hình hơn cả chính là các loại amin (vật liệu hấp phụ amin rắn) Theo phương pháp chế tạo vật liệu sử dụng amin, các chất mang điển hình được

sử dụng phải nói tới ống nano cacbon, vật liệu khung cơ kim MOFs và đặc biệt là vật liệu silica thương mại [4,6-8,19-22] Chủ nhiệm đề tài cũng đã có những thành công nhất định trong việc biến tính silica nhằm mục tiêu hấp phụ CO2, các vật liệu được phát triển hiện vẫn là một trong số các vật liệu có dung lượng hấp phụ rất tốt trên thế giới [6,7] Tuy nhiên, chi phí cho việc chế tạo vật liệu, đặc biệt là chi phí chất mang thương mại vẫn là bài toán lớn, làm giảm khả năng ứng dụng thực tế của các vật liệu

đã được phát triển Để tăng khả năng triển khai thực tế của các chất hấp phụ CO2, việc nghiên cứu hạ thấp chi phí vật liệu mang là bài toán then chốt, nhưng chưa được tập trung đầu tư, nghiên cứu trên toàn thế giới Tro bay, như đã trình bày với thành phần

chủ yếu là Fe2O3, Al2O3, và đặc biệt là SiO2, hoàn toàn có cơ sở để kỳ vọng vào khả năng biến tính loại vật liệu thải này thành các loại vật liệu hấp phụ, lưu giữ CO2

Tại Việt Nam, có một số nhà khoa học quan tâm tới việc tận thu, sử dụng tro bay cho việc chế tạo các hệ vật liệu có khả năng chống thấm [23,24] hay chế tạo chất hấp phụ nhằm xử lý các chất ô nhiễm trong nước [25] Năm 2012, nhóm nghiên cứu của chủ nhiệm đề tài đã được Văn phòng Các Chương trình Trọng điểm cấp Nhà nước, Bộ Khoa học & Công nghệ quan tâm và cho nghiên cứu, đánh giá, biến tính tro bay làm xúc tác cho quá trình oxy hóa tiên tiến, ứng dụng trong xử lý màu một số loại phẩm màu hữu cơ Đây cũng là nghiên cứu đầu tiên trong nước triển khai theo hướng biến tính tro bay để chế tạo các hệ xúc tác Fenton dị thể ứng dụng trong xử lý môi trường ô nhiễm và thu được những kết quả khả quan [26,27] Đề tài được nghiệm thu cấp Nhà nước với kết quả Xuất sắc, và các chuyên gia đầu ngành về kỹ thuật môi trường trong nước đã kiến nghị để đề tài tiếp tục cần được đầu tư, phát triển, mở rộng khả năng áp dụng với nhiều đối tượng phẩm màu hữu cơ khác trước khi có thể nghiên cứu, triển khai ứng dụng thực tiễn Các kết quả nghiên cứu là tiền đề để nhóm nghiên cứu tin tưởng rằng có thể mở rộng quy mô, đối tượng áp dụng sang các hợp chất hữu

cơ khó phân hủy sinh học khác có nhiều trong các nguồn thải ở Việt Nam cũng như nhiều quốc gia khác như thuốc bảo vệ thực vật hay thuốc kháng sinh, đây là hai trong

số nhiều đối tượng có khá nhiều điểm tương đồng trong kỹ thuật xử lý, nhưng việc nghiên cứu loại bỏ các nguồn thải này trong các đối tượng môi trường nhìn chung còn

bị bỏ ngỏ Theo hiểu biết của nhóm nghiên cứu, chưa có công bố nào trong và ngoài nước tập trung phát triển các vật liệu oxy hóa tiên tiến sử dụng vật liệu thải như tro bay nhằm ứng dụng trong phân hủy thuốc kháng sinh và hóa chất bảo vệ thực vật Thêm vào đó, việc nghiên cứu cơ chế phân hủy các đối tượng ô nhiễm hữu cơ trong các nguồn nước/nước thải bằng quá trình oxy hóa tiên tiến sử dụng tro bay biến tính là cực kỳ quan trọng để nắm đầy đủ thông tin, từ đó kiểm soát tốt hơn về quá trình xử lý, nhưng lại là vấn đề chưa được giải quyết trong các công trình đã được công bố Đây là

cơ sở khoa học để nhóm nghiên cứu đề xuất nghiên cứu, đánh giá khả năng ứng dụng tro bay biến tính trong mục tiêu loại bỏ nhiều loại phẩm màu hữu cơ khác nhau cũng như thuốc kháng sinh và hóa chất bảo vệ thực vật trong nước, nước thải; đặc biệt, nghiên cứu hướng tới các điều kiện gắn với thực tế nhằm nâng cao khả năng ứng dụng của đề tài - một hướng đi đã và đang được đẩy mạnh trong các đề tài nghiên cứu ở

trong và ngoài Đại học Quốc gia Hà Nội

Về khía cạnh phát triển vật liệu và kỹ thuật lưu giữ CO2, đây là nghiên cứu còn rất mới mẻ ở nhiều quốc gia, trong đó có Việt Nam Nghiên cứu tận thu tro bay từ quá trình sản xuất nhiệt điện để chế tạo vật liệu hấp phụ CO2, như đã phân tích ở trên, là bài toán hoàn toàn có cơ sở, nhưng chưa được tiến hành ở Việt Nam và các quốc gia khác

Xuất phát từ các vấn đề khoa học và thực tiễn trên đây, đề tài này được đề xuất nhằm phát triển các vật liệu đa chức năng trên cơ sở tro bay biến tính có thể góp phần

xử lý hiệu quả các nguồn thải hữu cơ khó phân hủy sinh học trong nước thải, đồng thời có khả năng hấp phụ, lưu giữ CO2 nhằm hạn chế sự phát thải khí nhà kính gây vấn đề ấm lên toàn cầu và biến đổi khí hậu Nếu được đầu tư và triển khai thành công,

đề tài có thể góp phần giải quyết nhiều vấn đề môi trường ở nhiều ngành công nghiệp quan trọng khác nhau như dệt nhuộm, sản xuất và sử dụng thuốc trừ sâu, nhiệt điện, khai thác và chế biến dầu khí Đặc biệt, đề tài đi theo hướng sử dụng hợp lý các nguồn tài nguyên thiên nhiên, sử dụng chất thải nguy hại của ngành công nghiệp này

để giải quyết các vấn đề môi trường đáng lo ngại của các ngành công nghiệp trọng điểm khác, điều này không những góp phần giải quyết nhiều bài toán môi trường mà còn góp phần làm giảm đáng kể chi phí xử lý và vận hành

Trên cơ sở phân tích tình hình nghiên cứu ở nước ngoài cũng như các nghiên cứu trong nước có thể thấy rằng việc biến tính tro bay, ứng dụng trong (i) việc phân hủy các hợp chất khó phân hủy sinh học trong nước như phẩm màu, thuốc kháng sinh, hóa chất bảo vệ thực vật hay (ii) hấp phụ khí CO2 là vấn đề có ý nghĩa khoa học và thực tiễn Liên quan tới lĩnh vực này, gần như chỉ có nhóm nghiên cứu của chủ trì đề tài đã khảo sát, nghiên cứu trên một số đối tượng phẩm màu, các nghiên cứu trên các đối tượng ô nhiễm hữu cơ khác, đặc biệt là hóa chất bảo vệ thực vật hay kháng sinh gần như chưa được tiến hành Việc hiện thực hóa ý tưởng đề tài đưa ra có ý nghĩa quan trọng trong việc tận thu các nguồn thải nguy hại như tro bay, giảm thiếu tác hại của chúng, đồng thời có thể sử dụng trong mục đích bảo vệ môi trường với chi phí hợp lý

Như tên gọi, trong đề tài này nhóm nghiên cứu triển khai hai mảng công việc rất rõ ràng Thứ nhất, chế tạo xúc tác Fenton dị thể trên cơ sở biến tính tro bay và ứng dụng chúng trong mục tiêu phân hủy các chất hữu cơ độc hại, khó phân hủy sinh học