Nghiên cứu biến tính than làm từ lõi ngô bằng H3PO4 để xử lý amoni trong nước ngầm trên địa bàn Hà Nội

MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN 1 MỞ ĐẦU 8 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN 11 1.1. Tổng quan về than hoạt tính 11 1.1.1 Giới thiệu chung về than hoạt tính 11 1.1.2 Các phương pháp sản xuất và biến tính than hoạt tính 11 1.1.3 Các lĩnh vực sử dụng than hoạt tính 13 1.2. Tổng quan về amoni 15 1.2.1. Ô nhiễm amoni trong nước ngầm nói chung và trên địa bàn Hà nội nói riêng 15 1.2.2. Các phương pháp xử lý amoni trong nước ngầm 18 1.2.3. Tình hình nghiên cứu xử lý amoni ở nước ta 21 1.3. Tình hình nghiên cứu về chế tạo than hoạt tính 21 1.3.1. Tình hình nghiên cứu chế tạo than ngoài nước 21 1.3.2. Tình hình nghiên cứu chế tạo than trong nước 23 CHƯƠNG 2. THỰC NGHIỆM 26 2.1. Chế tạo than Cacbon 26 2.1.1. Chuẩn bị nguyên vật liệu, thiết bị 26 2.1.2. Chế tạo và biến tính than hoạt tính 26 2.2. Khảo sát các điều kiện tối ưu để chế tạo than hoạt tính sử dụng để hấp phụ amoni trong nước ngầm 31 2.2.1. Bố trí thí nghiệm 31 2.2.2. Phương pháp phân tích amoni trong nước 31 2.3. Xác định cấu trúc của than 33 2.3.1. Phương pháp kính hiển vi điện tử quét (SEM) 33 2.3.2. Phương pháp BET (Brunnauer, Emmett, Teller) 34 2.4. Khảo sát khả năng xử lý amoni trên mô hình động 34 2.4.1. Khảo sát khả năng xử lý amoni 34 2.4.2. Khảo sát khả năng tái sử dụng của vật liệu 35 2.5. Đánh giá khả năng xử lý amoni trong mẫu môi trường 35 CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 36 3.1. Xây dựng đường chuẩn sử dụng phân tích hàm lượng amoni 36 3.2. Khảo sát các điều kiện tối ưu để chế tạo than hoạt tính sử dụng để hấp phụ amoni trong nước ngầm 37 3.2.1. Kết quả khảo sát khả năng hấp phụ amoni (NH4+) của các loại than cacbon hóa làm từ lõi ngô thải trên mẫu chuẩn 37 3.2.2. Khảo sát ảnh hưởng của thời gian lưu (thời gian hấp phụ) amoni của than cacbon hóa 44 3.2.3. Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ amoni đến dung lượng hấp phụ của than cacbon hóa 46 3.3. Kết quả đánh giá cấu trúc bề mặt của than 47 3.3.1. Kết quả chụp SEM 47 3.3.2. Kết quả đo diện tích bề mặt BET 50 3.4. Kết quả khảo sát khả năng hấp phụ amoni trên mô hình động 52 3.4.1. Kết quả hiệu suất hấp phụ amoni trên môi hình động 52 3.4.2. Khảo sát khả năng tái sử dụng của vật liệu 53 3.5. Đánh giá hiệu quả xử lý amoni trên mẫu môi trường 55 KẾT LUẬN – KIẾN NGHỊ 57 TÀI LIỆU THAM KHẢO 58

LỜI CẢM ƠN

Để hoàn thành chương trình đại học và thực hiện tốt đồ án tốt nghiệp,

em đã nhận được sự hướng dẫn, giúp đỡ và góp ý nhiệt tình của quý thầy côkhoa Môi trường cùng các thầy cô Phòng thí nghiệm khoa Môi trường -Trường Đại học Tài nguyên và Môi trường Hà Nội

Đặc biệt, em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến ThS Vũ Thị Mai – giảngviên trường Đại học Tài nguyên và Môi trường Hà Nội đã tận tình giúp đỡ,động viên, chia sẻ, hướng dẫn em trong suốt quá trình làm đồ án tốt nghiệp

Em xin gửi lời cảm ơn tới các thầy cô trong khoa Môi trường đã cho

em những ý kiến, những góp ý, những lời động viên trong suốt thời gian qua

Cuối cùng, tôi xin cảm ơn những người thân trong gia đình, bạn bè đãluôn chia sẻ, động viên, ủng hộ, tạo điều kiện giúp đỡ tôi trong suốt thời gianqua

Mặc dù bản thân đã có nhiều cố gắng nhưng đồ án này không tránhkhỏi những hạn chế, thiếu sót Em rất mong nhận được sự góp ý, chỉ bảo từquý thầy cô những người quan tâm tới nội dung nghiên cứu này để đồ án của

em được hoàn thiện hơn

Em xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, Ngày tháng năm 2015

Sinh viên thực hiện

Nguyễn Văn Long

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN 1

MỞ ĐẦU 8

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 11

1.1 Tổng quan về than hoạt tính 11

1.1.1 Giới thiệu chung về than hoạt tính 11

1.1.2 Các phương pháp sản xuất và biến tính than hoạt tính 11

1.1.3 Các lĩnh vực sử dụng than hoạt tính 13

1.2 Tổng quan về amoni 15

1.2.1 Ô nhiễm amoni trong nước ngầm nói chung và trên địa bàn Hà nội nói riêng 15

1.2.2 Các phương pháp xử lý amoni trong nước ngầm 18

1.2.3 Tình hình nghiên cứu xử lý amoni ở nước ta 21

1.3 Tình hình nghiên cứu về chế tạo than hoạt tính 21

1.3.1 Tình hình nghiên cứu chế tạo than ngoài nước 21

1.3.2 Tình hình nghiên cứu chế tạo than trong nước 23

CHƯƠNG 2 THỰC NGHIỆM 26

2.1 Chế tạo than Cacbon 26

2.1.1 Chuẩn bị nguyên vật liệu, thiết bị 26

2.1.2 Chế tạo và biến tính than hoạt tính 26

2.2 Khảo sát các điều kiện tối ưu để chế tạo than hoạt tính sử dụng để hấp phụ amoni trong nước ngầm 31

2.2.1 Bố trí thí nghiệm 31

2.2.2 Phương pháp phân tích amoni trong nước 31

2.3 Xác định cấu trúc của than 33

2.3.1 Phương pháp kính hiển vi điện tử quét (SEM) 33

2.3.2 Phương pháp BET (Brunnauer, Emmett, Teller) 34

2.4 Khảo sát khả năng xử lý amoni trên mô hình động 34

2.4.1 Khảo sát khả năng xử lý amoni 34

2.4.2 Khảo sát khả năng tái sử dụng của vật liệu 35

2.5 Đánh giá khả năng xử lý amoni trong mẫu môi trường 35

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 36

3.1 Xây dựng đường chuẩn sử dụng phân tích hàm lượng amoni 36

3.2 Khảo sát các điều kiện tối ưu để chế tạo than hoạt tính sử dụng để hấp phụ amoni trong nước ngầm 37

3.2.1 Kết quả khảo sát khả năng hấp phụ amoni (NH 4 + ) của các loại than cacbon hóa làm từ lõi ngô thải trên mẫu chuẩn 37

3.2.2 Khảo sát ảnh hưởng của thời gian lưu (thời gian hấp phụ) amoni của than cacbon hóa 44

3.2.3 Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ amoni đến dung lượng hấp phụ của than cacbon hóa 46

3.3 Kết quả đánh giá cấu trúc bề mặt của than 47

3.3.1 Kết quả chụp SEM 47

3.3.2 Kết quả đo diện tích bề mặt BET 50

3.4 Kết quả khảo sát khả năng hấp phụ amoni trên mô hình động 52

3.4.1 Kết quả hiệu suất hấp phụ amoni trên môi hình động 52

3.4.2 Khảo sát khả năng tái sử dụng của vật liệu 53

3.5 Đánh giá hiệu quả xử lý amoni trên mẫu môi trường 55

KẾT LUẬN – KIẾN NGHỊ 57

TÀI LIỆU THAM KHẢO 58

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1 Hàm lương NH4+ tại đầu ra của một số nhà máy nước ở Hà Nội 13

Bảng 2.1 Điều kiện và ký hiệu than biến tính với H3PO4 30% 25

Bảng 2.3 Các bước tiến hành xây dựng đường chuẩn NH4+ 28

Bảng 3.1 Kết quả Abs xây dựng đường chuẩn amoni 32

Bảng 3.2 Khả năng hấp phụ của các loại than nung ở nhiệt độ 4000C 34

Bảng 3.3 Khả năng hấp phụ của các loại than nung ở nhiệt độ 5000C 35

Bảng 3.4 Khả năng hấp phụ của các loại than nung ở nhiệt độ 7000C 37

Bàng 3.5 Ảnh hưởng của thời gian lưu - hấp phụ đến hiệu suất hấp phụ 41

Bảng 3.6 Ảnh hưởng của nồng độ amoni đến dung lượng hấp phụ của than .42

Bảng 3.7 Kết quả phân tích amoni bằng mô hình động 48

Bảng 3.8 Kết quả của than sau khi giải hấp 50

Bảng 3.8 Kết quả của quá trình xử lý mẫu môi trường trên mô hình động 51

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT SEM Scanning Electron Microscope

BET Brunnauer, Emmett, Teller

DANH MỤC HÌNH

Hình 2.1 Sơ đồ quy sản xuất và biến tính than hoạt tính 24

Hình 3.1 Phương trình đường chuẩn amoni 32

Hình 3.2 Ảnh hưởng của tỷ lệ than/axit tới hiệu quả xử lý amoni của than 4000C 34

Hình 3.3 Ảnh hưởng của tỷ lệ than/xit đến hiệu quả xử lý của than 5000C 35

Hình 3.4 Ảnh hưởng của tỷ lệ than:axit đến hiệu suất xử lý amoni của than 7000C 37

Hình 3.5 Ảnh hưởng của nhiệt độ nung đến hiệu xuất xử lý amoni 38

Hình 3.6 Ảnh hưởng của nồng độ axit đến hiệu quả xử lý amoni 38

Hình 3.7 Ảnh hưởng của tỷ lệ axit : than đến hiệu quả xử lý amoni 39

Hình 3.8 Đồ thì biểu diễn ảnh hưởng của thời gian đến khả năng hấp phụ amoni 40

Hình 3.9 Ảnh hưởng của nồng độ amoni đầu vào đến hiệu suất xử lý amoni .42

Hình 3.10 Một số ảnh vi quét điện tử của than hoạt tính 44

44

Hình 3.12 Đường đẳng nhiệt hấp phụ khí nito 46

Hình 3.13 Mối tương quan giữa lượng nito hấp phụ với thể tích mao quản và đường kính mao quản 46

Hình 3.14 Mối tương quan giữa thể tích mao quản và đường kính mao quản (dưới dạng vi phân) 47

Hình 3.15 Đồ thị biểu diễn nồng độ ứng với thể tích dung dịch qua cột 48

Hình 3.16 Đồ thị biểu diễn nồng độ ứng với thể tích dung dịch qua cột 49

Hình 3.15 Đồ thị biểu diễn nồng độ ứng với thể tích dung dịch qua cột 51

MỞ ĐẦU

Nước ta có trên 70% dân số sống ở nông thôn và khoảng 80% số dân đóchưa được tiếp cận với nguồn cấp nước sạch Trong khi đó tình trạng ô nhiễmnguồn nước sinh hoạt ở nông thôn và miền núi đang trở nên rất nghiêm trọng.Nguồn nước ngầm (giếng khoan) bị ô nhiễm bởi các kim loại nặng (arsen, sắt,mangan), chất hữu cơ, amoni… Nguồn nước mặt (ao, hồ, sông, suối, kênhrạch, giếng khơi…) cũng bị ô nhiễm nặng bởi các chất hữu cơ, hóa chất từ cáckhu công nghiệp, phân bón hóa học, thuốc bảo vệ thực vật và các vi khuẩngây bệnh,… Nguồn nước mưa cũng không còn được coi là an toàn Nó cũng

đã bị ô nhiễm khá nặng bởi khói bụi từ các khu công nghiệp, do các phươngtiện giao thông vận chuyển, quá trình bốc hơi của các loại thuốc trừ sâu, thuốcbảo vệ thực vật và các loại chất ô nhiễm khác qua các dụng cụ thu gom

Ở Việt Nam hiện có khoảng 17,2 triệu người tương đương khoảng21,5% dân số đang sử dụng nguồn nước sinh hoạt chưa được kiểm nghiệmhay qua xử lý Theo thống kê của Bộ Y tế và Bộ Tài nguyên và Môi trường,trung bình mỗi năm có khoảng 9 nghìn người tử vong vì nguồn nước và điềukiện vệ sinh kém; hàng năm gần 2 trăm nghìn người mắc bệnh ung thư mớiphát hiện mà nguyên nhân chính là từ ô nhiễm môi trường nước [13]

Thành phố Hà Nội là trung tâm của cả nước, nơi người dân có đời sốngcao so với mặt bằng chung của cả nước Song nước sạch vẫn là một vấn đềcần được quan tâm của chính quyền địa phương và các nhà khoa học Phầnlớn người dân ở các vùng nông thôn, ngoại ô vẫn phải sử dụng nước sinh hoạt

từ nước ngầm bằng cách tự đào, khoan giếng Theo kết quả khảo sát của Liênđoàn Địa chất thủy văn - Địa chất công trình miền Bắc vừa công bố, hàmlượng amoni, nitrat, nitrit trong nước ngầm ở Hà Nội vượt chỉ tiêu cho phép

từ 20 - 30 lần [13] Sử dụng nguồn nước ô nhiễm amoni là mối đe dọa chosức khỏe, đời sống của chính những con người tại thủ đô

Bên cạnh đó, phế phẩm nông nghiệp như trấu, vỏ lạc, xơ dừa, lõi ngô,thân cây ngô, vỏ quả măng cụt, vỏ cà phê, thân cây lạc, đỗ, vỏ quả mít, bãmía là nguồn nguyên liệu sẵn có, tiềm năng để sản xuất than hoạt tính, thancacbon hóa úng dụng cho xử lý nước sinh hoạt, xử lý nước thải, xử lý mùi vàlọc không khí Ngoài tính năng hấp phụ và hấp thụ nó còn được sử dụng làmchất mang vi sinh (Bio-film) rất hiệu quả cho các ứng dụng công nghệ về môitrường và năng lượng.

Hiện nay, tại Việt Nam đã sản xuất than gáo dừa Trà Bắc có chất lượngkhá tốt, tuy nhiên giá thành của nó còn cao và chủ yếu được xuất khẩu sangnước ngoài Một cơ sở tư nhân tại Hòa Bình sản xuất than từ tre (dạng nguyênliệu thô) để xuất khẩu sang Nhật Bản và Hàn Quốc với sản lượng không quá

10 tấn/tháng Đã có nhiều nghiên cứu chế tạo than hoạt tính từ phế phẩm nôngnghiệp: vỏ trấu, gáo dừa … nhưng công trình tạo than hoạt tính làm từ lõi ngôcòn hạn chế

Vậy nên chúng tôi đã chọn và thực hiện đề tài “Nghiên cứu biến tính

than làm từ lõi ngô bằng H 3 PO 4 để xử lý amoni trong nước ngầm trên địa bàn Hà Nội”.

Mục tiêu nghiên cứu của đề tài:

Chế tạo thành công than hoạt tính được biến tính ở các điều kiện khácnhau

Bước đầu thử nghiệm được khả năng hấp phụ amoni của than đã đượcbiến tính, trên mô hình tĩnh và mô hình động

Nội dung nghiên cứu:

- Khảo sát điều kiện tạo than hoạt tính để hấp phụ amoni (ảnh hưởngcủa nhiệt độ, tỉ lệ ngâm than, nồng độ axit)

- Nghiên cứu hấp phụ amoni trên than cacbon hóa biến tính bằng hấpphụ tĩnh và hấp phụ mô hình động (đánh giá các ảnh hưởng của nồng độamoni đầu vào,thời gian tiếp xúc đến hiệu quả xử lý của than).

- Đánh giá tính hóa học của than cacbon hóa biến tính (pH của than, kếtquả đo SEM, BET)

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

- Nghiên cứu chế tạo than hạt tính từ phế liệu nông nghiệp tuy là sảnphẩm không mới, nhưng chưa được chú ý đến như lõi ngô

- Về mặt kinh tế thì đây là phế liệu nông nghiệp sẵn có và tiềm năng ở

Việt Nam, là một dạng vật liệu hấp phụ đặc biệt và giá thành hợp lý, phù hợpvới điều kiện kinh tế của Việt Nam

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan về than hoạt tính

1.1.1 Giới thiệu chung về than hoạt tính

Có rất nhiều định nghĩa về than hoạt tính nhưng có thể hiểu một cáchkhái quát về than hoạt tính như sau: Than hoạt tính có thành phần chủ yếu làcacbon, chiếm từ 85 đến 95% khối lượng Phần còn lại là các nguyên tố khácnhư hydro, nito, lưu huỳnh, oxi, có sẵn trong nguyên liệu ban đầu hoặc mớiliên kiết với cacbon trong quá trình hoạt hóa Thành phần của than hoạt tínhthông thường là: 88% C, 0.5% H, 0.5% N, 1% S và 6-7% O Hàm lượng oxi

có thể thay đổi từ 1 đến 20% tùy thuộc vào nguyên liệu và cách điều chế thanhoạt tính Than hoạt tính có diện tích bề mặt khoảng 800 – 1500 m2/g chủ yếu

là do các lỗ nhỏ có bán kính dưới 2nm tạo ra, thể tích mao quản từ 0,2 – 0,6

cm3/g

Than hoạt tính là một dạng của cacbon đã được xử lý để mang lại mộtcấu trúc rất xốp, do đó có diện tích bề mặt rất lớn và thường được đặc trưngbằng cấu trúc nhiều đường mao dẫn phân tán tạo nên các lỗ với kích thước vàhình dạng khác nhau Tính chất hấp phụ của than hoạt tính phụ thuộc rất nhiềuvào cấu trúc của chúng Các nghiên cứu cho thấy bề mặt riêng, mao quản siêunhỏ quyết định tính chất hấp phụ của than Thêm vào đó, để than có khả nănghấp phụ các các cation như amonium trong nước thì cần phải biến tính bề mặtthan để chúng có khả năng hấp phụ tốt hơn

1.1.2 Các phương pháp sản xuất và biến tính than hoạt tính

Các nguyên liệu thường được dùng để sản xuất than hoạt tính là các câythuộc họ tre, gỗ và gáo dừa, Ưu điểm của các nguyên liệu này là bản thânnguyên liệu đã chứa hệ thống mao quản lớn có kích thước nằm trong khoảng10-50µm Nhưng nhược điểm là giá thành sản phẩm cao nên không phù hợp

để xử lý nước thải Hiện nay, để xử lý nước thải người ta quan tâm đến loại

sợi đay, bã mía có thành phần chủ yếu là cellulose (xơ dừa, sợi đay, bã mía)

và bán cellulose (hemicellulose)

Quá trình sản xuất than hoạt tính gồm hai giai đoạn chính: than hoá vàhoạt hoá Quá trình than hóa chủ yếu được chế tạo phương pháp nhiệt phân ởnhiệt độ từ 8500C - 9500C trong điều kiện yếm khí Sau đó, để tăng cường khảnăng hấp phụ của than, người ta có thể hoạt hóa than bằng hơi nước, khí CO2,kẽm clorua hoặc axit H2SO4 đặc Trong quá trình đó, xảy ra các phản ứnghóa học và các biến đổi vật lý Ví dụ khi dùng CO2 để hoạt hóa và biến tínhthan thì sẽ xảy ra phản ứng:

C + CO2 → COKhi dùng hơi nước: C + H2O → CO + H2

Các phản ứng trên (đốt cháy một phần than đá) đã tạo nên độ xốp với bềmặt chứa các nhóm chức hoạt động và rất lớn, từ 600 đến 1700 m2/g Nhưvậy, quy trình chung để sản xuất than hoạt tính là: từ nguyên liệu ban đầu, quaquá trình hoạt hóa để làm tăng hoạt tính hấp phụ của than Còn từng bước xử

lý với các điều kiện nhiệt độ, áp suất, xúc tác… cụ thể như thế nào để tạo rasản phẩm than hoạt tính phù hợp với mục đích sử dụng và kinh doanh là bímật công nghệ của từng nhà sản xuất Quá trình hoạt hóa tạo nên những lỗnhỏ li ti làm cho than có khả năng hấp phụ và giữ các tạp chất tốt hơn rấtnhiều so với than ban đầu Từ các nguyên liệu có diện tích bề mặt khoảng 10 -

15 m2 /g, sau quá trình hoạt hóa, than đạt diện tích bề mặt lớn hơn cả ngàn lần,trung bình 700-1.200 m2/g Bán kính các lỗ rỗng của than hoạt tính thườngphân ra làm ba khoảng: micropores (< 40Å), mesopores (40 - 5.000Å) vàmacropores (5.000 - 20.000 Å) Trong đó loại có khả năng hấp phụ tốt nhất là

lỗ hổng cỡ micropores.Than hoạt tính có khả năng hấp thụ tốt đối với các chấtkhông phân cực như chất hữu cơ, hấp phụ yếu các chất phân cực như nước,khí amoniac… Khả năng hấp phụ của than hoạt tính tùy thuộc vào kết cấu,kích thước, mật độ khe rỗng, diện tích tiếp xúc của than, tính chất của các loại

tạp chất cần loại bỏ và cả công nghệ của các nhà sản xuất Cấu trúc xốp và độhoạt động phụ thuộc loại nguyên liệu và chế độ hoạt hoá Do đó than có nhiềuloại với phạm vi sử dụng rất khác nhau

1.1.3 Các lĩnh vực sử dụng than hoạt tính

1 Lọc khí:

Có hai hệ thống lọc khí đặc trưng Một ứng dụng lọc khí ở những nơiđông người như văn phòng, bệnh viện, phòng thí nghiệm, nhà hàng và máychế biến thực phẩm, những nơi cần khí tự do sạch Một hệ thống khác dùng

để hạn chế khí ô nhiễm môi trường từ khí thải của các hoạt động công nghiệpnhư: sản xuất thuốc súng, nhựa, chất dẻo tổng hợp, thuộc da, trong những quytrình công nghiệp như: Công nghiệp cao su, công nghiệp sơn, vec ni, tơ sợi,chất dẻo kết dính…

Than hoạt tính dùng cho quá trình lọc khí ở những nơi công cộng cần cócấu trúc xốp vi mô cao mới có hiệu quả lớn đối với việc hấp phụ ở độ đậmđặc thấp Trong trường hợp than hoạt tính dùng để kiểm soát việc ô nhiễmmôi trường, lổ phải có khả năng hấp phụ lớn hơn trong nồng độ ô nhiễm 10-500ppm Rất khó để xác định được chính xác đường kính nhưng, nhưng thôngthường lổ có đường kính, có mật độ vi lổ cao và dãi trung gian được ưa dùngbởi vì hấp phụ độ ô nhiễm này

2 Than hoạt tính dùng trong mặt nạ phòng độc:

Có hai dạng mặt nạ phòng độc, trong đó đặc tính tự nhiên của than hoạttính được yêu cầu khác nhau Mặt nạ phòng độc dùng trong công nghiệp hóachất có chứa các chất hoá học độc tương đối thấp và thông thường có trọnglượng phân tử cao, những hoá chất này được than hoạt tính hấp phụ rất nhanh

và mạnh Nhưng than hoạt tính được dùng trong quân đội yêu cầu có sự bảo

vệ triệt để các chất hóa học và hơi độc mạnh Hơn nữa, một số hoá chất có

hấp phụ hóa tính (Chloropicrin, cyanogen, chloride) Do đó đối với trườnghợp sau được quan tâm dùng than hoạt tính tẩm, với những tác nhân tẩm cótính tương tác đến những hóa chất khác nhau.

3 Than hoạt tính dùng trong nhà máy nguyên tử:

Hệ thống lọc than hoạt tính được dùng trong các nhà máy nguyên tử đểhạn chế sự thoát ra những hơi khí phóng xạ và một số chất khí như: Krupton,xenon thải ra môi trường Mối quan tâm chính trong các phản ứng hạt nhân làmethyl iodide và khí trong điều kiện phản ứng không thành Mặt khác, thanhoạt tính được dùng để khử helium được dùng như hơi khí bảo vệ trong phảnứng lạnh và điều tiết bằng nước

4 Thu hồi Gasoline, Propane và Butane từ khí tự nhiên:

Khí tự nhiên có chứa khoảng 3% propane và 4-5% hydrocarbon đượcthu hồi bằng hấp phụ của than hoạt tính Khoảng 35% propane và 70%Butane và 98-99% Pentane và hydrocarbon được thu hồi bàng than hoạt tính

5 Than hoạt tính dùng trong nước giải khát:

Rượu và rượu mạnh lọc qua than hoạt tính dạng hạt để thu hồi nguyên tố

có trong mẫu và dầu Đối với rượu Brandy được lọc qua than hoạt tính thu hồinhững hương vị không mong muốn, được loại ra trong suốt quá trình sản xuất

và bảo quản Than hoạt tính làm giảm lượng Aldehyde trong quá trình chưngcất thô và làm tăng sự kết tụ Trong sản xuất bia, than hoạt tính làm tăng chấtlượng ủ bia, cải tiến màu và tách hương vị làm tăng phênol và màu

6 Lọc đường, dầu, mỡ:

Than hoạt tính được dùng trong công nghiệp đường chủ yếu để khử màucho đường có màu tốt hơn và cải tiến đáng kể những đặc tính của quá trìnhsản xuất Xử lý bằng than hoạt tính giúp cho việc tách những tác nhân trên bềmặt và chất keo (chất đực trong phân tử lớn) làm tăng sức căng của bề mặt và

giảm độ nhớt Điều này làm tăng tỷ lệ kết tinh của đường và tăng sự phân tách

si rô và chất kết tinh bằng phương pháp ly tâm

Đối với dầu và mỡ, than hoạt tính được dùng trong quá trình liên kết chấttẩy trắng để tách màu không mong muốn Sự bổ sung của than hoạt tính chothấy chất tẩy trắng làm giảm lượng hổn hợp hấp phụ để thu được hiệu quảmong muốn

7 Than hoạt tính dùng trong y dược:

Một ứng dụng đặc biệt của than hoạt tính được dùng trong quá trình trịbệnh khó thở, trong hệ tiêu hóa khử vi khuẩn, rất dễ được hấp phụ và hấp phụrất nhanh bằng than hoạt tính bởi vì trọng lượng phân tử cao

Ngoài ra than hoạt tính còn được dùng để trị bệnh dịch vị và viêm ruột,dùng làm thuốc giải độc trong những trường hợp ngộ độc từ nấm rơm, thựcphẩm, chất hoá học có nguồn gốc từ thực vật, dùng làm thuốc, phospho,phenol… Than hoạt tính dùng để lọc thuốc lá khử nicotine và khí độc kháctrong khói thuốc

1.2 Tổng quan về amoni

1.2.1 Ô nhiễm amoni trong nước ngầm nói chung và trên địa bàn Hà nội nói riêng

a, Nguồn gốc ô nhiễm amoni trong nước ngầm

Amoni thật ra không quá độc đối với sức khỏe con người song do quátrình khai thác, xử lý, lưu trữ NH4+ chuyển hóa thành nitrit (NO2-) và nitrat(NO3-) Nitrit là chất độc rất có hại cho sức khỏe con người do nó chuyển hóathành Nitrosamin, là một chất có khả năng gây ung thư

Nitơ tồn tại trong hệ thủy sinh ở nhiều dạng hợp chất vô cơ và hữu cơ.Các dạng vô cơ cơ bản với tỷ lệ khác nhau tùy thuộc vào môi trường nước và

nguồn gây ô nhiễm Nitrat là muối Nitơ vô cơ tồn tại trong môi trường ở điềukiện được sục khí đầy đủ là liên tục Nitrit (NO2-) tồn tại trong điều kiện đặcbiệt, còn amoniac (NH3-) tồn tại chủ yếu trong điều kiện kỵ khí Amoni hòatan trong nước tạo thành dạng hyđroxit amoni (NH4OH) và sẽ phân ly thànhion amoni (NH4+) và ion hydroxit (OH-) Qúa trình oxi hóa có thể chuyển tất

cả các dạng Nito vô cơ thành ion nitrat, còn quá trình khử sẽ chuyển hóachúng thành dạng Nitơ

Quá trình oxi hóa các dạng Nitơ vô cơ thành NO3- được gọi là quá trìnhNitrat hóa Quá trình khử nitrat là quá trình chuyển NO3- thành khí Nitơ hoặcoxi Nitơ Quá trình cố định Nitơ là quá trình Nitơ trong không khí được cốđịnh vào hệ sinh học thông qua dạng amoni Quá trình này đòi hỏi một nănglượng đáng kể để chuyển hóa Nitơ không khí thành dạng Amon Các proteintrong mùn động vật và thực vật sau đó có thể bị phân ly thành các amoni axitrồi tiếp đên phân hủy thành amoni và các dạng Nitơ vô cơ trong nước đi vào

hệ sinh thái, cuối cùng chuyển hóa về dạng Nitơ vô cơ

Có nhiều nguyên nhân dẫn đến tình trạng nhiễm bẩn amoni và các chấthữu cơ trong nước ngầm nhưng một trong những nguyên nhân chính là doviệc sử dụng quá mức lượng phân bón hữu cơ, thuốc trừ sâu, hóa chất, thựcvật, đãgây ảnh hưởng nghiêm trọng đên nguồn nước, hoặc do quá trình phânhủy các hợp chất hữu cơ và cá chất trên càng làm đẩy anh quá trình nhiễmamoni trong nước ngầm

Mức độ ô nhiễm phụ thuộc vào loại hình canh tác của từng khu vực, vìvậy mức ô nhiễm amoni của từng khu vực là khác nhau Theo đánh giá củanhiều báo cáo và hội thảo khoa học thì tình trạng ô nhiễm amoni trong nướcngầm đã được phát hiện tại nhiều vùng trong cả nước Nhưng khu vực bị ônhiễm amoni trong nước ngầm nặng nề nhất trong cả nước là khu vự đồngbằng Bắc Bộ Theo khảo sát của trung tâm nghiêm cứu thuộc trung tâm khoahọc tự nhiên và công nghệ quốc gia và trường Đại Học Mỏ-Địa Chất thì phần

lớn nước ngầm khi vực đồng bằng Bắc Bộ gồm các tỉnh như Hà Nam, NamĐịnh, Ninh Bình, Hải Dương, Hưng Yên, Thái Bình và phía nam Hà Nội đều

bị nhiễm bẩn amoni rất nặng Xác suất các nguồn nước ngầm nhiễm amoni cónồng độ cao hơn tiêu chuẩn nước sinh hoạt (3 mg/l) khoảng 70-80% Trongnhiều nguồn nước ngầm còn chứa nhiều hợp chất hữu cơ, độ oxi hóa có nguồnđạt 30-40 mgO2/l Có thể cho rằng phần lớn các nguồn nước ngầm đang sửdụng không đạt tiêu chuẩn về amoni và các hợp chất hữu cơ

b, Ô nhiễm amoni trong nước ngầm tại Hà Nội

Theo kết quả khảo sát của các nhà khoa học, Viện Địa lý thuộc Viện Hànlâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam thì hầu như các mẫu nước ngầm sửdụng trên địa bàn Hà Nội ở mức đáng báo động về tình trạng ô nhiễm amoni

Hà Nội là nơi duy nhất của cả nước gần như sử dụng hoàn toàn nước ngầmlàm nguồn nước cấp cho sinh hoạt Mặc dù quy định hàm lượng các chất Nitơtrong nước là rất nghiêm ngặt song nước ngầm Hà Nội đang bị ô nhiễmnghiên trọng đặc biệt là khu vực phía nam Hà Nội Dưới đây là kết quả phântích hàm lượng amoni trong nước ngầm ở một số khu vực trên địa bàn HàNội

Bảng 1.1 Hàm lương NH 4 + tại đầu ra của một số nhà máy nước ở Hà Nội

6 Tương Mai 8,09

Từ bảng 1.1 chúng ta có thể nhận thấy được hầu như nguồn nước ngầm

Hà Nội đều bị ô nhiễm amoni Riêng các nhà máy phía nam thì bị ô nhiễmnặng chẳng hạn như: Tương Mai, Hạ Đình riêng Pháp Vân thì rất nặng Dovậy, sau khi qua hệ thống xử lý nước ở các nhà máy để cấp cho người dân thìhàm lượng amoni trong nước vẫn còn ở mức cao, vượt tiêu chuẩn cho phépnhiều lần

1.2.2 Các phương pháp xử lý amoni trong nước ngầm

Trong nước ngầm các hợp chất nitơ có thể tồn tại dưới dạng các hợp chấthữu cơ là: Nitrit, Nitrat và amoni Có rất nhiều phương pháp xử lý amonitrong nước ngầm đã được các nước trên thế giới thử nghiệm và đưa vào ápdụng dưới đây là một số phương pháp xử lý amoni trong nước ngầm thườngđược sử dụng

a, Phương pháp Clo hóa nước đến điểm đột biến

Khi cho Clo vào nước, trong nước tạo ra axit hypoclorit

Cl2 + H2O ⇔ HCl + HOClAxit hypoclorit kết hợp với NH4+ tạo thành Cloramin Khi nhiệt độ nước

≥200C, pH ≥7 phản ứng diễn ra như sau:

OH- + NH4+→ NH4OH ⇔ NH3 + H2O

NH3 + HOCl → NH2Cl + H2O monocloramin

NH2Cl + HOCl → NHCl2 + H2O dicloraminNHCl2 + HOCl → NCl3 + H2O tricloramin

Quá trình kết thúc sau 3 phút khuậy trộn nhẹ Tại điểm oxy hóa hếtCloramin và trong nước xuất hiện Clo tự do gọi là điểm đột biến Sau khi khửhết NH4+ trong nước còn lại lượng clo dư lớn, phải khử clo dư trước khi cấpcho người tiêu thụ.

- Khử Clo dư trong nước sau khi lọc bằng Natrisunfit (Na2SO3)

b, Phương pháp làm thoáng

Muốn khử NH4+ ra khỏi nước bằng phương pháp làm thoáng, phải đưa

pH của nước nguồn lên 10.5 – 11.0 để biến 99% NH4+ thành khí NH3 hòa tantrong nước

- Nâng pH của nước thô: Để nâng pH của nước thô lên 10.5 – 11.0thường dùng vôi hoặc xút Sau bể lọc pha axit vào nước để đưa pH từ 10.5 –11.0 xuống còn 7.5

- Tháp làm thoáng khử khí amoniac NH3 thường được thiết kế để khửkhí amoniac có hàm lượng đầu vào 20 – 40 mg/l, đầu ra khỏi giàn hàm lượngcòn lại 1 – 2mg/l, như vậy hiệu quả khử khí của tháp phải đạt 90 – 95% Hiệuquả khử khí NH3 của tháp làm thoáng khi pH ≥11 phụ thuộc nhiều nhiệt độcủa nước.Khi nhiệt độ nước tăng, tốc độ và số lượng ion NH4+ chuyển hóathành NH3 tăng nhanh

c, Phương pháp sinh học

Lọc nước đã được khử hết sắt và cặn bẩn qua bể lọc chậm hoặc bể lọcnhanh, thổi khí liên tục từ dưới lên Do quá trình hoạt động vi khuẩn

Nitrosomonas oxi hóa NH4+ thành NO2- và vi khuẩn Nitrobacter oxy hóa NO2thành NO3- Quá trình diễn ra theo phương trình:

-NH4+ + 2O2 → NO3- + 2H+ + H2O1.02NH4++ 1.89O2 + 2.02HCO3- → 0.21C5H7O2N + 1.0NO3- + 1.92 H2CO3 +

1.06H2O

d, Phương pháp trao đổi ion

Để khử NH4+ ra khỏi nước có thể áp dụng phương pháp lọc qua bể lọccationit Qua bể lọc cationit, lớp lọc sẽ giữ lại ion NH4+ hòa tan trong nướctrên bề mặt hạt và cho vào nước ion Na+

Để khử NH4+ phải giữ pH của nước nguồn lớn hơn 4 và nhỏ hơn 8 Vìkhi pH ≤ 4, hạt lọc cationit sẽ giữ lại cả ion H+ làm giảm hiệu quả khử NH4+ Khi pH > 8 một phần ion NH4+ chuyển thành NH3 dạng khí hòa tan không cótác dụng với hạt cationit

e, Phương pháp sử dụng màng lọc

Màng lọc thẩm thấu ngược RO có thể được sử dụng để loại bỏAmoni.Khi sử dụng màng RO yêu cầu phải xử lý nước trước khi lọc, làmmềm, khử clo Nước sau khi qua màng RO cần được điều chỉnh pH, bổ sungchất ức chế ăn mòn và khử trùng

f, Các công nghệ khử amoni mới

+ Bể lọc sinh học: Bể lọc sinh học đồng thơig loại bỏ amoni, sắt, mangan,nồng độ amoni nước cấp khoảng 0,5 – 3 mg/l có thể được giảm lên đến 82%trong một số điều kiện hoạt động

+ Khử ion bằng điện: Quá trình này sử dụng một hấp phụ của các ion trên bềmặt của hai điện cực tích điện trái dấu, quá trình loại bỏ amoni lên đến 88% ởnồng độ 1mg/l

+ Màng phản ứng sinh học: Màng phản ứng sinh học được áp dụng chủ yếutrong xử lý nước thái nhưng gần đây đã được coi là công nghệ mới trong xử

lý nước cấp Hiệu quả xử lý đạt được trong khoảng 89 – 98%

1.2.3 Tình hình nghiên cứu xử lý amoni ở nước ta

Trong những năm gần đây chúng ta có một số công trình nghiên cứu xử

lý các hợp chất hữu cơ chứa Nitơ trong nước cấp cũng như nước thải Cácnghiên cứu còn hạn chế chưa đầy đủ nhưng có thể liệt kê một số công trìnhnghiên cứu sau đây:

- Nghiên cứu xử lý N-Amoni trong nước ngầm Hà Nội Nguyễn Văn

Khôi, Cao thế Hà (2002) – Đề tài cấp thành phố 01C-09/11-2002

- Các đề tài xử lý Amoni quy mô nhỏ của viện khoa học và công nghệ

Việt Nam bằng phương pháp vi sinh, chủ trì đề tài Nguyễn Văn Nhị.

- Đề tài xử lý Nitơ quy mô nhỏ bằng phương pháp trao đôi ion với vật liệu Zeolit, chủ trì Nguyễn Hưu Phú- Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam.

- Nghiên cứu xử lý amoni trong nước ngầm bằng điện thẩm tách (EDR),

chủ trì đề tài Nguyễn Thị Hà, đề tài cấp Đại học quốc gia Hà Nội, mã sốQT.05.36,2005

Phần lớn các đề tài trên đều khẳng định có thể xử lý tốt amoni trongnước ngầm cũng như trong nước thải Đối với quy mô vừa và nhỏ thì phươngpháp trao đổi ion được sử dụng hiệu quả và dễ dàng hơn

1.3 Tình hình nghiên cứu về chế tạo than hoạt tính

1.3.1 Tình hình nghiên cứu chế tạo than ngoài nước

a, Với nguyên liệu lõi ngô

Than lõi ngô có thành phần khối lượng 63,13 % C; 4,41% H; 0,46% N;31,74% O và 0,21% tro Than xốp được than hóa ở 8000C trong 1 giờ, hoạthóa bởi KOH/vật liệu = 4:1 thu được than có thành phần khối lượng là 92,73

% C; 0,63 % H; 0,41 % N; 5,72 % O và 0,51% tro.Khi tăng thời gian hoạt hóa

và nhiệt độ thìđộ xốp sẽ tăng với hiệu suất cacbon xốp từ 27 - 46% Mẫu đượchoạt hóa tốt nhất ở tỉ lệ KOH : vật liệu = 6 : 1 ở 800 0C trong 1 giờ

Các chất biến tính (hoạt hóa) lõi ngô có thể sử dụng là axit phosphoric,axit sunfuric, KOH, Na2CO3

b, Với nguyên liệu trấu

Tác giả Vlaev và cộng sự (2011) đã nghiên cứu và chế tạo được hai loạitro trấu đen ký hiệu BRHA (than hóa trong điều kiện có khí trơ, nitơ) và trotrấu trắng ký hiệu WRHA (than hóa trong điều kiện có không khí)

Với nguyên liệu này tác giả đã nghiên cứu làm sạch nguồn nước có ônhiễm chất hữu cơ như dầu thô và nhiên liệu diesel bằng kỹ thuật huyền phù

sử dụng tro trấu làm chất mang vi sinh Do đặc tính tro đen có tính chất khôngphân cực, còn tro trắng phân cực nên dung lượng hấp phụ của tro đen cao hơntro trắng (vì dầu không phân cực)

Kết quả nghiên cứu chỉ ra rằng, dung lượng hấp phụ của vật liệu cao vàgiá thành thấp, rất có thể thành công cho việc xử lý các nguồn nước loang dầu

từ đáy thuyền Cả hai loại vật liệu này có độ xốp cao và diện tích bề mặt lớn,diện tích bề mặt của tro trắng và tro đen lần lượt là 228 và 241 m2/g, thể tíchxốp là 0,22-0,25 cm3/g, bán kính mao quản trung bình 1,8 – 2,0 nm Do vậy,diện tích bề mặt của tro trắng là: 228 m2/g và của tro đen là 241 m2/g

c, Với nguyên liệu cám gạo

Tác giả R.M Suzuki và cộng sự người Brazil cũng đã nghiên cứu chếtạo than hoạt tính từ cám gạo có diện tích bề mặt 652 m2/g và thể tích xốp0,137 cm3/g

Cám thô được hoạt hóa bởi hai loại là nước và axit, với nước (tỷ lệ 2:1)làm khô ở 1000C trong 3 giờ ký hiệu là RRBAC và hoạt hóa với axit (tỷ lệ1:1) trong vòng 24 tiếng ở nhiệt độ 1500C được ký hiệu là ARBAC

Cả hai loại vật liệu được hoạt hóa ở 40-1200C, với hiệu suất than hóa củaRRBAC thấp (khoảng 13-14%), nhưng hiệu suất than hóa của ARBAC caohơn khoảng 20-24%.

Chỉ số iod của ARBAC cao hơn RRBAC, chúng dao động từ 100-250mg/g.Diện tích bề mặt của ARBAC (652 m2/g), độ xốp 0,137 cm3/g cao hơnRRBAC (260 m2/g) độ xốp 0,025 cm3/g, diện tích bề mặt than hóa ở 90 phútcao hơn 60 phút Chỉ số iod cao hơn có thể chỉ ra rằng diện tích bề mặt củacác vi mao quản và mao quản trung bình cao hơn, chủ yếu thể tích lỗ vi maoquản (40%) và mao quản trung bình, mao quản lớn chỉ chiếm 3,7 %, vật liệu

đã được bán với giá 20 USD/kg

1.3.2 Tình hình nghiên cứu chế tạo than trong nước

a, Với nguyên liệu mụn dừa

Tại Việt Nam, than hoạt tính được nghiên cứu từ những năm 60 của thếkỷ trước và được sản xuất từ nguyên liệu than đá + dầu cốc hay từ bã mía(Nhà máy phân đạm Bắc Giang) theo công nghệ của Trung Quốc Các loạisản phẩm trên có chất lượng không cao, sản lượng thấp vì không đáp ứngđược chất lượng

Vào thập kỷ 90, nhà máy than hoạt tính Trà Bắc (liên kết giữa Trà Vinh

và Bắc Giang) được đưa vào hoạt động, sản phẩm được sản xuất từ sọ dừa vớichất lượng tốt (diện tích bề mặt ~ 1000 m2/g) Sản phẩm có nhiều dạng: xử lýnước, nước thải (TW1, TW2) hay xử lý khí (TA1, TA2, TA3) Sản lượnghàng năm của nhà máy đạt xấp xỉ 1000 tấn, phần lớn dành cho xuất khẩu (sangNhật, Đài Loan)

Hiện nay đã có một cơ sở tư nhân tại Hòa Bình sản xuất than từ tre (dạngnguyên liệu thô) để xuất khẩu sang Nhật và Hàn Quốc với sản lượng khôngquá 10 tấn/tháng

b, Với nguyên liệu lõi ngô

Việt Nam có diện tích trồng ngô rất lớn, theo số liệu thống kê sơ bộ củaTổng cục Thống kê năm 2007 thì nước ta có tổng diện tích trồng ngô là1067,9 nghìn ha, với sản lượng 4107,5 nghìn tấn, tỷ lệ hạt/bắp đạt trung bình

75 – 80%, như vậy mỗi vụ thải ra khoảng 821,5 - 1026,9 nghìn tấn lõi ngô, lõingô nhiều không có chỗ đổ nên các chủ lò sấy chút ra ven đường, gây ônhiễm môi trường Một số nơi đã sử dụng lõi ngô để làm nguyên liệu trồngnấm, tuy nhiên với một lượng rất nhỏ Một số nơi bà con nông dân đã lấy vềlàm củi đun, nhưng do một số nhược điểm như nhiệt lượng thấp, cồng kềnh(tốn nhiều diện tích để tích trữ), lửa nhanh tàn, nên chỉ được dùng rất ít; phầnlớn vẫn thải bỏ ra môi trường

Ngày nay, người ta đã phát hiện ra rất nhiều công dụng của lõi ngô: cóthể được chế tạo làm thức ăn cho gia súc, có thể lên men lõi ngô để thu đượcancol etylic hoặc axit lactic, người ta còn phối trộn lõi ngô với bê tông để trởthành bê tông lõi ngô có đặc tính rất nhẹ Đặc biệt, đã có nhiều công trìnhnghiên cứu chế tạo than hoạt tính từ lõi ngô Lõi ngô cũng được ứng dụnghiệu quả trong việc chế tạo vật liệu hấp phụ trong xử lý môi trường với giáthành rẻ, quy trình chế tạo vật liệu đơn giản nên việc nghiên cứu và đưa raquy trình hoàn chỉnh nhằm tận dụng những nguồn nguyên liệu sẵn có ở ViệtNam trong việc xử lý môi trường là rất có ý nghĩa Thành phần chủ yếu củalõi ngô là cellulose (khoảng 80%) và lignin (khoảng 18%), nên rất khó bị visinh vật phân hủy Các nghiên cứu cũng cho thấy lõi ngô có khả năng tách cáckim loại nặng hòa tan trong nước nhờ vào cấu trúc nhiều lỗ xốp và thành phầngồm các polyme như xenluloza, hemixenluloza, pectin, lignin và protein Cáchợp chất polyphenol như tanin, lignin trong gỗ được cho là thành phần hoạtđộng có thể hấp phụ các kim loại nặng Than hoạt tính chế tạo từ lõi ngô cócấu trúc dạng sợi, hệ thống xốp bao gồm hệ mao quản lớn có kích thước 10 -50µm và hệ mao quản nhỏ

Có thể thấy lõi ngô rất thích hợp để làm vật liệu cacbon hóa, vừa tiếtkiệm được chi phí đáng kể, đồng thời tận dụng được lượng lõi ngô thải ra Hiện nay, phương pháp hấp phụ được sử dụng rộng rãi để xử lý nướcthải vì phương pháp này đơn giản dễ thực hiện, tiến hành được ở quy mô lớn

và chi phí hợp lý Phương pháp này cho phép xử lý nước thải chứa một hoặcnhiều loại chất bẩn khác nhau, kể cả khi nồng độ trong nước rất thấp, trongkhi đó dùng các phương pháp khác để xử lý không cho kết quả mong muốnhoặc cho hiệu suất rất thấp

Như vậy, phương pháp hấp phụ còn có thể dùng để xử lý triệt để nướcthải sau khi đã xử lý bằng phương pháp khác mà cụ thể với đề tài tốt nghiệptôi đã chọn là “ xử lý amoni trong nước ngầm bằng than cacbon hóa ” là rấtphù hợp

CHƯƠNG 2 THỰC NGHIỆM 2.1 Chế tạo than Cacbon

2.1.1 Chuẩn bị nguyên vật liệu, thiết bị

Nguồn nguyên liệu cho sản xuất than hoạt tính là những nguyên liệu cóhàm lượng cacbon cao nhưng lại chứa ít các thành phần vô cơ khác như gỗ,than non, than bùn, than đá, Bên cạnh đó, rất nhiều loại chất thải nôngnghiệp như vỏ trấu, vỏ dừa, lõi ngô, có thể chuyển thành than hoạt tính vớigiá thành phù hợp bởi nguồn nguyên liệu này có sẵn, rẻ tiền, hàm lượngcacbon cao và thành phần vô cơ thấp

Trong đề tài này chúng tôi đã chọn lõi ngô làm nguyên liệu để chế tạothan hoạt tính dùng cho xử lý amoni trong nước ngầm tại khu vực Hà Nội.Các thiết bị được sử dụng trong quá trình chế tạo than bao gồm, tủ sấy,máy nghiền, bộ sàng rây kích thước của lõi ngô sau khi nghiền, lò nung, vàmột số vật dụng khác

2.1.2 Chế tạo và biến tính than hoạt tính

Chế tạo than hoạt tính bằng cách kết hợp hai giai đoạn, giai đoạn thanhóa và hoạt hóa được tiến hành đồng thời Lõi ngô sau khi nghiền sẽ đượcnhiệt phân với sự tham gia của các chất hoạt hóa trong điều kiện không cóoxy

Than hoá là quá trình phân huỷ nhiệt - tách loại các chất có khả năng bayhơi, tạo ra khối than có cấu trúc xốp ban đầu Than hoá được thực hiện trongmôi trường không có oxy nhằm ngăn chặn hiện tượng hao hụt carbon bay hơi(CO, CO2) Chất lượng và hiệu suất than hoá phụ thuộc vào các thông số: tốcđộ nâng nhiệt độ, nhiệt độ và thời gian ủ cuối cùng cũng như nguyên liệu để

sử dụng Tốc độ nâng nhiệt chậm gây ra quá trình bốc hơi chậm và hiệu suấtthu hồi than cao

Trong giai đoạn than hoá, các thành phần không phải là cacbon trongnguyên liệu, ví dụ: oxy, hydro, lưu huỳnh được tách loại dưới dạng sản phẩmkhí qua quá trình phân huỷ nhiệt (nhiệt phân) của nguyên liệu Thành phầncacbon còn lại sẽ “nhóm lại” tạo ra các lớp có cấu trúc vòng thơm với mộtmức độ nào đó của cấu trúc phẳng Sự sắp xếp các lớp vòng thơm thường làkhông theo trật tự, dẫn đến tạo ra các khoảng không gian trống giữa các lớp.Các khoảng không gian trống tạo ra sẽ là nơi tích tụ các sản phẩm hắc ín, cácsản phẩm phân huỷ nhiệt hoặc chính bởi các nguyên tử cacbon không nằmtrong vòng thơm Khoảng không gian trống chính là các mao quản, quy địnhtính năng hấp phụ của than hoạt tính.

Quá trình hoạt hoá về thực chất là sử dụng các tác nhân hoá học phảnứng với carbon tạo ra các sản phẩm bay hơi hoặc có thể hoà tan khi rửa vớinước Lượng than mất đi do phản ứng hoá học tạo ra độ xốp của than Trongquá trình hoạt hoá xảy ra hai quá trình kế tiếp nhau: khuếch tán của các tácnhân hoạt hoá trong hạt than và phản ứng giữa chúng với các nguyên tử thantrên bề mặt Với phần lớn tác nhân hoạt hoá, phản ứng hoá học có tốc độchậm hơn Tạo ra phản ứng xảy ra đều khắp thể tích của hạt than sẽ quyếtđịnh chất lượng của sản phẩm và đó chính là bí quyết công nghệ của các hãngsản xuất than hoạt tính Trong quá trình hoạt hoá, một lượng than bị hao hụt,mức độ hao hụt càng lớn thì độ xốp của than càng tăng Đối với mỗi loạinguyên liệu, khống chế lượng than hao hụt để tạo ra sản phẩm mong muốn làmột trong các thông số kiểm soát của quá trình sản xuất

Trong quá trình nhiệt phân, chất hoạt hoá có tác dụng thúc đẩy phản ứngdehydrat, kìm hãm sự hình thành các tạp chất dễ bay hơi (axit axetic,metanol) để tăng hiệu quả hình thành than

Việc thực hiện ngâm axit trước khi nung với mục đích biến tính thantrong lúc nung than luôn, sẽ giúp gắn các nhóm chức axit lên trên bề mặt củathan giúp cho khả năng xử lý amoni của than tốt hơn

Các bước chế tạo than được thực hiện trong đồ án như sau:

Bước 1: Lõi ngô trước tiên được rửa sạch phơi khô tự nhiên dưới ánhnắng mặt trời hoặc được sấy trong tủ sấy ở nhiệ độ 1050C

Bước 2: Tiếp theo lõi ngô sẽ được nghiền nhỏ bằng máy nghiền về kíchthước hạt phù hợp, và được sàng ray để dạt kích thước hạt từ 0.5-2mm

Bước 3: Ngâm lõi ngô với axit H3PO4 ở các nồng độ khác nhau và tỷ lệkhác nhau để khảo sát điều kiện biến tính than, để trong 24h

Ở phần này chúng tôi thực hiện biến tính than bằng cách ngâm với axit

H3PO4 ở các nồng độ 30%, 50%, 70% Và ứng với mỗi nồng độ trên sẽ đượcngâm theo tỷ lệ 1:1, 1:1,5, 1:3 (nghĩa là ứng với 1g lõi ngô thì tương ứng sẽ

là 1, 1,5, 3ml axit H3PO4)

Bước 4: Tiến hành đem lõi ngô đã ngâm axit đi nung ở trong lò Mẫu sẽđược nhồi vào chén nung và được đậy kín nắp để tránh sự có mặt của khôngkhí trong quá trình nung, đặt chén vào lò và tiến hành cài đặt nhiệt độ trênthiết bị để nung than ở nhiệt độ thích hợp.Trong nghiên cứu này, chúng tôithực hiện nung ở 4000C, 5000C và 7000C Lò sẽ được cài đặt nhiệt độ để nângnhiệt đến nhiệt độ mong muốn trong 1h và khi đạt đủ nhiệt độ thì được giữ ởnhiệt độ đó trong 1h

Bước 5: Sau khi hết thời gian nung thu được than và tôi tiếp tục ngâmvới NaOH 0,4M tỷ lệ 1:20 ( nghĩa là ứng với 1g than thì sẽ là 20ml NaOH)trong 24h, rồi rửa than về pH 6-8 Cụ thể điều kiện biến tính than lõi ngôđược thể hiện trong quy trình và bảng dưới đây

Axit hóa bằng H3PO430, 40, 50% với

tỉ lệ 1:1, 1:1,5, 1:3

Nung trong lò nung ở nhiệt độ 4000C, 5000C và 7000C

Sau đó ngâm NaOH 0,4M (24h) và Rửa than đến PH không đổi

Nghiền lõi ngô 0,5mm – 2mm

Ngâm trong thời gian

24h

Hình 2.1 Sơ đồ quy sản xuất và biến tính than hoạt tính

Bảng 2.1 Điều kiện và ký hiệu than biến tính với H3PO4 30%

TT Lõi ngô/H 3 PO 4

30%(g/ml) ngâm (giờ) Thời gian

Nhiệt độ than hóa ( 0 C)

Ký hiệu mẫu

Thời gian than hóa (giờ)

Bảng 2.2 Điều kiện và ký hiệu than biến tính với H 3 PO 4 50%

TT Lõi ngô/H 50% 3 PO 4

(g/ml)

Thời gian ngâm (giờ)

Nhiệt độ than hóa ( 0 C) Ký hiệu mẫu

Thời gian than hóa (giờ)

Nhiệt độ than hóa ( 0 C) Ký hiệu mẫu

Thời gian than hóa (giờ)

2.2 Khảo sát các điều kiện tối ưu để chế tạo than hoạt tính sử dụng để hấp phụ amoni trong nước ngầm

2.2.1 Bố trí thí nghiệm

Các loại than thu được sau khi đã biến tính sẽ được sử dụng để đánh giákhả năng hấp phụ amoni trong mẫu giả định tại phòng thí nghiệm với nồng độamoni khác nhau

Bước 1: Cân 0,5g than mỗi loại cho vào các cốc 1L, mỗi cốc có chứa250ml dung dịch amoni nồng độ ở các nồng độ khác nhau 20, 40, 80 mg/l.Bước 2: Các cốc đựng dung dịch có than hấp phụ được khuấy trên thiết

bị jartec trong vòng 3h, và cứ sau 30 phút lại lấy ra 1ml dung dịch để xác địnhảnh hưởng của thời gian đến khả năng hấp phụ amoni của than

Bước 3: Tiến hành phân tích hàm lượng amoni còn lại trong mẫu nước ởcác thời gian khác nhau (sau 30 phút, 60 phút, 90 phút, 120 phút, 150 phút và

b, Phạm vi áp dụng

- Phương pháp này áp dụng để xác định amoni trong nước uống, nướcngầm, nước cấp sinh hoạt, nước mặt, nước mặn, nước thải công nghiệp, nướcthải sinh hoạt

- Khoảng xác định của phương pháp: các mẫu nước có hàm lượng NH4+nằm trong khoảng 0,05 mg /l – 1,8 mg/l Mẫu nước có hàm lượng NH4+ lớnhơn 1,8 mg/l cần pha loãng mẫu trước khi phân tích