NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG LÕI NGÔ LÀM CHẤT HẤP PHỤ ĐỂ LỌC AMONI RA KHỎI NƯỚC

Có nhiều cách khác nhau để biến tính, một trong số đó là hoạt hóa bằng axít như H3PO4 [4,23], HNO3,…nhưng hiện tại những nghiên cứu sử dụng H2SO4 - một chất có hoạt tính axít mạnh để biế

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÀ RỊA-VŨNG TÀU

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG LÕI NGÔ LÀM CHẤT HẤP PHỤ

ĐỂ LỌC AMONI RA KHỎI NƯỚC

Trình độ đào tạo : Đại học chính quy

Ngành : Công nghệ kỹ thuật hóa học

Chuyên ngành : Hóa dầu

Giảng viên hướng dẫn : ThS Diệp Khanh

Bà Rịa-Vũng Tàu, năm 2016

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÀ RỊA-VŨNG TÀU

KHOA HÓA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM

PHIẾU GIAO ĐỀ TÀI

ĐỒ ÁN/ KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP

(Đính kèm Quy định về việc tổ chức, quản lý các hình thức tốt nghiệp ĐH, CĐ ban hành kèm theo Quyết định số 585/QĐ-ĐHBRVT ngày 16/7/2013 của Hiệu trưởng Trường Đại học BR-VT)

Họ và tên sinh viên: Bùi Thị Thùy Dung Ngày sinh: 9/10/1994

MSSV : 12030272 Lớp: DH12HD

Địa chỉ : 106/1A Hàn Thuyên, phường 11, thành phố Vũng Tàu, tỉnh Bà Rịa - Vũng Tàu

E-mail : thuydung94vt@gmail.com

Trình độ đào tạo : Đại học

Hệ đào tạo : Chính quy

Ngành : Công nghệ kỹ thuật hóa học

Chuyên ngành : Hóa dầu

1 Tên đề tài: Nghiên cứu sử dụng lõi ngô làm chất hấp phụ để lọc amoni ra khỏi

nước

2 Giảng viên hướng dẫn: ThS Diệp Khanh

3 Ngày giao đề tài: 22/2/2016

4 Ngày hoàn thành đồ án/ khoá luận tốt nghiệp: 22/6/2016

Bà Rịa-Vũng Tàu, ngày…….tháng… năm GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN SINH VIÊN THỰC HIỆN (Ký và ghi rõ họ tên) (Ký và ghi rõ họ tên)

TRƯỞNG BỘ MÔN TRƯỞNG KHOA

(Ký và ghi rõ họ tên) (Ký và ghi rõ họ tên)

LỜI CAM ĐOAN



Tôi cam đoan đồ án tốt nghiệp này là công trình nghiên cứu của riêng tôi và được sự hướng dẫn khoa học của ThS Diệp Khanh Các nội dung nghiên cứu, kết quả trong đề tài này là trung thực và chưa công bố dưới bất kì hình thức nào trước đây Trong luận văn có sử dụng một số nhận xét, đánh giá cũng như số liệu của các tác giả, cơ quan tổ chức khác nhau đều có trích dẫn và chú thích rõ ràng về nguồn gốc

Nếu phát hiện bất cứ gian lận nào tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm về nội dung luận văn của mình và chịu mọi hình thức kỉ luật theo quy định

Vũng Tàu, ngày tháng năm 2016

Sinh viên thực hiện

Bùi Thị Thùy Dung

LỜI CẢM ƠN



Lời đầu tiên tôi xin gửi lời cảm ơn đến trường Đại học Bà Rịa - Vũng Tàu, khoa Hóa học và Công nghệ thực phẩm đã tạo điều kiện cho tôi mượn dụng cụ và phòng thí nghiệm để hoàn thành đồ án này

Đặc biệt, tôi gửi lời cảm ơn chân thành đến ThS Diệp Khanh đã tận tình hướng dẫn và giúp đỡ tôi trong suốt thời gian để nghiên cứu đề tài

Cảm ơn đến quý Thầy, Cô khoa Hóa học và Công nghệ thực phẩm, trường Đại học Bà Rịa - Vũng Tàu đã dạy dỗ và truyền đạt kiến thức quý báu trong suốt thời gian học tập tại trường

Xin chân thành cảm ơn đến quý Thầy, Cô Hội đồng chấm đồ án tốt nghiệp đã dành thời gian đọc và đưa ra những lời nhận xét giúp tôi hoàn thiện hơn đồ án này Cám ơn gia đình và bạn bè đã tiếp thêm niềm tin, nghị lực và giúp đỡ tôi trong suốt thời gian qua

Xin gửi đến lời cám ơn chân thành và sâu sắc nhất!

Vũng Tàu, ngày tháng năm 2016

Bùi Thị Thùy Dung

MỤC LỤC

MỤC LỤC i

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT iv

DANH MỤC BẢNG v

DANH MỤC HÌNH vi

LỜI MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 4

1.1 Tổng quan về nitơ và sự ô nhiễm amoni 4

1.1.1 Nitơ và tình trạng ô nhiễm các hợp chất có chứa nitơ 4

1.1.2 Sơ lược về amoni 8

1.1.3 Hiện trạng ô nhiễm Amoni ở Việt Nam 8

1.1.4 Tác hại của của amoni và các hợp chất của nitơ 9

1.1.5 Một số phương pháp xử lí Amoni 10

1.2 Giới thiệu về nguyên liệu lõi ngô 14

1.2.1 Tổng quan về cây ngô 14

1.2.2 Thành phần của lõi ngô 16

1.2.3 Ứng dụng của lõi ngô 18

1.3 Than hoạt tính và cách hoạt hóa than 18

1.3.1 Giới thiệu về than hoạt tính 18

1.3.2 Quá trình tạo than hoạt tính 19

1.3.3 Cơ chế làm việc của than hoạt tính 20

1.4 Các lý thuyết về quá trình hấp phụ 20

1.4.1 Hiện tượng hấp phụ 20

1.4.2 Các phương trình hấp phụ đẳng nhiệt 22

CHƯƠNG 2 THỰC NGHIỆM 25

2.1 Nguyên liệu và hóa chất 25

2.2 Thiết bị 25

2.3 Tạo đường chuẩn 25

2.3.1 Lý thuyết của quá trình 25

2.3.2 Pha dung dịch thuốc thử 25

2.3.3 Dung dich chuẩn 26

2.4 Tạo vật liệu 27

2.4.1 Khảo sát nồng độ axít sunfuric dùng để hoạt hóa lõi ngô 29

2.4.2 Khảo sát thời gian ngâm axít sunfuric 30

2.4.3 Khảo sát nhiệt độ xử lí 30

2.5 Hấp phụ amoni và các điều kiện tối ưu cho quá trình hấp phụ 31

2.5.1 Khảo sát quá trình hấp phụ amoni khi thay đổi khối lượng lõi ngô biến tính 31

2.5.2 Khảo sát quá trình hấp phụ amoni khi thay đổi nồng độ ban đầu của amoni 32

2.5.3 Khảo sát quá trình hấp phụ khi thay đổi thời gian hấp phụ 32

2.5.4 Khảo sát quá trình hấp phụ khi thay đổi pH 32

2.6 Khảo sát quá trình tái hấp phụ của lõi ngô đã được hoạt hóa bằng axít 33

2.7 Các phương pháp được dùng trong thí nghiệm 33

2.7.1 Phương pháp xác định hàm lượng amoni 33

2.7.2 Phương pháp phân tích cấu trúc của vật liệu 34

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 36

3.1 Kết quả phân tích cấu trúc vật liệu 36

3.1.1 Kết quả chụp XRD của mẫu vật liệu 36

3.1.2 Kết quả chụp SEM của mẫu vật liệu 37

3.2 Xây dựng đường chuẩn 38

3.3 Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình biến tính lõi ngô 39

3.3.1 Khảo sát nồng độ axít dùng hoạt hóa lõi ngô 39

3.3.2 Khảo sát thời gian ngâm lõi ngô 41

3.3.3 Khảo sát nhiệt độ xử lí 42

3.4 Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hấp phụ amoni của vật liệu hấp phụ 46

3.4.1 Khảo sát khả năng hấp phụ amoni khi thay đổi khối lượng chất hấp phụ 46 3.4.2 Khảo sát khả năng hấp phụ amoni khi thay đổi nồng độ của chất bị hấp phụ 48

3.4.3 Khảo sát khả năng hấp phụ amoni khi thay đổi thời gian hấp phụ 50

3.4.4 Khảo sát khả năng hấp phụ amoni khi thay đổi độ pH 52

3.5 Khảo sát quá trình tái hấp phụ của vật liệu 53

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 55

TÀI LIỆU THAM KHẢO 57

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

SEM: Scanning Electron Microscope (Kính hiển vi điện tử truyền qua) XRD: X-ray Diffraction (Nhiễu xạ tia X)

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1: Các tiêu chuẩn Việt Nam và quốc tế đối với các hợp chất Nitơ 10

Bảng 1.2: Thành phần hóa học của lõi ngô 16

Bảng 1.3: Các phương trình hấp phụ đẳng nhiệt 23

Bảng 2.1: Các bước thiết lập mẫu chuẩn 26

Bảng 3.1: Các số liệu xây dựng đường chuẩn amoni 38

Bảng 3.2: Ảnh hưởng của nồng độ axít H 2 SO 4 dùng để ngâm đến quá trình hấp phụ amoni của lõi ngô biến tính 40

Bảng 3.3: Ảnh hưởng của thời gian ngâm lõi ngô với axít H 2 SO 4 đến quá trình hấp phụ amoni của lõi ngô biến tính 41

Bảng 3.4: Ảnh hưởng của nhiệt độ xử lí lõi ngô đã được hoạt hóa đến quá trình hấp phụ amoni của lõi ngô biến tính 42

Bảng 3.5: Ảnh hưởng khối lượng chất hấp phụ đến quá trình hấp phụ amoni của lõi ngô biến tính 46

Bảng 3.6: Ảnh hưởng nồng độ của chất bị hấp phụ đến quá trình hấp phụ amoni của lõi ngô biến tính 48

Bảng 3.7: Ảnh hưởng của thời gian hấp phụ đến quá trình hấp phụ Amoni của lõi ngô biến tính 51

Bảng 3.8: Ảnh hưởng của độ pH đến quá trình hấp phụ Amoni của lõi ngô biến tính 52

Bảng 3.9: Các thông số của quá trình tái hấp phụ 53

DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1: Chu trình Nitơ trong tự nhiên 4

Hình 1.2: Cây ngô 14

Hình 1.3: Cấu trúc lõi ngô 16

Hình 1.4: Thành phần hóa học của vi sợi xenlulozơ (cellulose) 17

Hình 2.1: Quy trình tạo vật liệu hấp phụ từ lõi ngô 27

Hình 2.2: Lõi ngô nguyên liệu 28

Hình 2.3: Lõi ngô sau khi xử lý với H 2 SO 4 và NaHCO 3 28

Hình 2.4: Vật liệu hấp phụ được tạo từ lõi ngô 29

Hình 3.1: Giản đồ XRD của lõi ngô nguyên liệu 36

Hình 3.2: Giản đồ XRD của lõi ngô đã được biến tính 36

Hình 3.3: Ảnh SEM của mẫu vật liệu 37

Hình 3.4: Đường chuẩn của Amoni 39

Hình 3.5: Ảnh hưởng nồng độ axít H 2 SO 4 dùng để hoạt hóa lõi ngô đến độ hấp phụ của lõi ngô biến tính 40

Hình 3.6: Ảnh hưởng của thời gian ngâm lõi ngô với axít H 2 SO 4 đến độ hấp phụ của lõi ngô biến tính 42

Hình 3.7: Ảnh hưởng của nhiệt độ xử lí lõi ngô đã được hoạt hóa đến độ hấp phụ của lõi ngô biến tính 43

Hình 3.8: Sơ đồ tạo vật liệu hấp phụ từ lõi ngô 45

Hình 3.9: Ảnh hưởng của khối lượng chất hấp phụ đến độ hấp phụ của lõi ngô biến tính 47

Hình 3.10: Ảnh hưởng của nồng độ chất bị hấp phụ đến độ hấp phụ của lõi ngô biến tính 49

Hình 3.11: Đồ thị thể hiện phương trình Langmuir của lõi ngô biến tính 49

Hình 3.12: Đồ thị thể hiện phương trình Freundlich của lõi ngô được biến tính 50

Hình 3.13: Ảnh hưởng thời gian hấp phụ đến độ hấp phụ của lõi ngô biến tính 51

Hình 3.14: Ảnh hưởng của độ pH đến độ hấp phụ của lõi ngô biến tính 53

Hình 3.15: Đồ thị thể hiện thông số của quá trình tái hấp phụ 54

LỜI MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Nền kinh tế phát triển và dân số tăng nhanh phát sinh rất nhiều hệ lụy liên quan như tình trạng ô nhiễm môi trường ngày càng trầm trọng Ô nhiễm xuất hiện ở nhiều nơi cả trong môi trường đất, nước lẫn không khí Một trong những hình thức phổ biến và dễ nhận thấy nhất đó là ô nhiễm nước Ô nhiễm nước được gây ra bởi rất nhiều nguyên nhân khác nhau như các ion vô cơ hòa tan (SO42-, Cl-, PO43-), các muối nitơ (NH4+, NO3-, NO2), các kim loại nặng (Hg, Pb, As, Cr), các vi sinh vật….chính những chất này gây nguy hại không nhỏ đến người và động vật Ô nhiễm nước bởi các hợp chất nitơ nói chung và amoni nói riêng có thể là do quá trình xuyên thấm từ tầng nước mặt xuống các tầng phía dưới qua các cửa sổ địa chất thủy văn, nếu như nguồn nước mặt ô nhiễm thì nguồn nước ngầm cũng theo đó mà

ô nhiễm Theo đánh giá của nhiều báo cáo và hội thảo khoa học thì tình trạng ô nhiễm amoni trong nước ngầm đã được phát hiện tại nhiều vùng trong cả nước, như

ở phần lớn nước ngầm khu vực đồng bằng Bắc Bộ gồm các tỉnh: Hà Tây, Hà Nam, Nam Định, 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 ở các tỉnh này nhiễm amoni có nồng độ cao hơn tiêu chuẩn nước sinh hoạt (3mg/l) khoảng 70 - 80%, còn nước ngầm ở trạm Đông Thạch (huyện Hóc Môn, thành phố Hồ Chí Minh) cũng bị

ô nhiễm amoni nặng (68,73 mg/l cao gấp 1,9 lần so với năm 2005) [1] Hợp chất của Nitơ ở trong trường nước ngầm có pH từ 6 đến 8 thì nitơ nằm chủ yếu dưới dạng NH4+ (Amoni) [2] Nước ô nhiễm amoni nghiêm trọng rất nhiều vì amoni dễ dàng chuyển hóa thành các chất độc hại khác như nitrit, lại khó xử lý Chính các sản phẩm chuyển hóa của amoni là chất ảnh hưởng đến sức khỏe con người, khi vào trong cơ thể sẽ chiếm mất oxy Trong khi đó, máu có oxy mới đi đến khắp các tế bào trong cơ thể Trẻ em bị nhiễm chất này sẽ xanh xao, ốm yếu, thiếu máu, khó thở Đến một giai đoạn nào đó, bị nhiễm amoni nặng sẽ ngộp thở, nếu không cấp cứu kịp thời sẽ tử vong Do đó việc xử lí amoni đang là một trong số vấn đề cấp bách [3]

Bên cạnh đó nước ta là một nước nông nghiệp, những phụ phẩm nông nghiệp như vỏ trấu, vỏ dừa, bã đậu nành, lỗi ngô… Với số lượng lớn không được sử dụng vào mục đích nào được thải ra môi trường mỗi năm, đồng thời những phụ phẩm này

có thành phần chủ yếu là xenluloze, có những đặc tính tốt để có thể sản xuất ra vật liệu hấp phụ giúp lọc nước Hướng đi này đã có nhiều người nghiên cứu và đạt được những thành tựu nhất định Trong các phụ phẩm đó thì lõi ngô - một nguyên liệu khá mới với mục đích tạo vật liệu hấp phụ Tuy lõi ngô trước khi biến tính cũng

đã có khả năng lọc nước (theo Lalita Prasida - người đoạt giải thưởng Google Science Fair với đề tài “Hấp phụ sinh học với chi phí thấp” năm 2011) nhưng hiệu suất không cao do đó chúng ta cần biến tính nó làm vật liệu hấp phụ giúp cho quá trình lọc nước tốt hơn Có nhiều cách khác nhau để biến tính, một trong số đó là hoạt hóa bằng axít như H3PO4 [4,23], HNO3,…nhưng hiện tại những nghiên cứu sử dụng H2SO4 - một chất có hoạt tính axít mạnh để biến tính lõi ngô làm vật liệu hấp phụ lọc amoni trong nước còn hạn chế đây là hướng nghiên cứu mới đáng mong đợi

Dựa trên những cơ sở trên tôi thực hiện đề tài: “Nghiên cứu sử dụng lõi ngô

làm chất hấp phụ để lọc amoni ra khỏi nước”

 Khảo sát một số đặc điểm cấu trúc của vật liệu hấp phụ được tạo từ lõi ngô

 Khảo sát khả năng hấp phụ đối với amoni, lựa chọn những điều kiện thuận lợi cho quá trình hấp phụ

4 Phương pháp nghiên cứu

 Phương pháp nghiên cứu lý thuyết:

 Thu thập, tổng hợp, nghiên cứu và phân tích các tài liệu, tư liệu, sách báo trong và ngoài nước có liên quan đền đề tài

 Xử lí thông tin lý thuyết và đưa ra các vấn đề cần thực hiện trong quá trình thực nghiệm

 Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm:

 Thu gom và xử lý mẫu lõi ngô

 Hoạt hóa lõi ngô bằng axít sunfuric

 Xác định nồng độ amoni bằng phương pháp phân tích trắc quang

 Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD): xác định cấu trúc vật liệu

 Phương pháp kính hiển vi điện tử quét (SEM): xác định vi cấu trúc và hình thái bề mặt của mẫu vật liệu hấp phụ

5 Bố cục của bài

Trong đồ án này chúng ta sẽ được tìm hiều về các lý thuyết liên quan và quy trình tạo vật liệu hấp phụ từ lõi ngỗ, khảo sát các yếu tố để tạo được vật liệu hấp phụ tốt nhất, bên cạnh đó chúng ta cũng khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hấp phụ amoni được trình bày qua 3 chương chính của bài:

Chương 1 Tổng quan;

Chương 2 Thực nghiệm;

Chương 3 Kết quả và thảo luận

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan về nitơ và sự ô nhiễm amoni

1.1.1 Nitơ và tình trạng ô nhiễm các hợp chất có chứa nitơ

Nitơ trong môi trường tự nhiên tồn tại ở nhiều dạng hóa học khác nhau bao gồm nitơ hữu cơ như amoni (NH4+), nitrit (NO2-), nitrat (NO3-), nitơ oxit (N2O), nitric oxit (NO), hoặc nitơ vô cơ như khí nitơ (N2) Nitơ hữu cơ có thể tồn tại trong các sinh vật sống, đất mùn, hoặc các sản phẩm trung gian của quá trình phân hủy các vật chất hữu cơ Các quá trình trong chu trình nitơ chuyển đổi nitơ từ dạng này sang dạng khác Một số quá trình này được tiến hành bởi các vi khuẩn, qua quá trình đó hoặc để chúng lấy năng lượng hoặc để tích tụ nitơ thành một dạng cần thiết cho sự phát triển của chúng Sơ đồ bên dưới thể hiện các quá trình này tương thích với nhau để tạo ra chu trình nitơ [1]

Hình 1.1: Chu trình Nitơ trong tự nhiên [1]

Đầu tiên Nitơ trong khí quyển do khá trơ về mặt hóa học nhờ quá trình cố định nitơ mà nitơ dạng phân tử được phân giải về dạng nguyên tử dưới tác dụng của sấm sét, quá trình cố định này còn có thể theo con đường sinh học, một số vi khuẩn và

tảo cũng có khả năng cố định nitơ như Azotobacter, vi khuẩn sống cộng sinh trên

nốt sần rễ cây họ đậu, tảo lam…nhờ quá trình cố định đạm mà nitơ trong khí quyển được chuyển đổi thành amoni, thành phần này trong đất còn được bổ sung bằng phân bón hóa học Thực vật lấy nitơ trong đất bằng cách hấp thu chúng quá rễ cây dưới dạng ion nitrat hoặc amoni, các amoni này sẽ bước vào quá trình khử để tổng hợp nên amino axít, nucleic axít và diệp lục quá trình này được gọi là quá trình đồng hóa nitơ Thực vật sẽ là nguồn thức ăn của động vật, cung cấp cho động vật một nguồn nitơ dưới dạng chất hữu cơ Sau khi động vật và thực vật chết đi, thì dạng ban đầu của nitơ đó là chất hữu cơ, trong một số trường hợp vi khuẩn hoặc nấm sẽ chuyển đổi nitơ trong xác thực vật và động vật thành amoni, quá trình này được gọi là quá trình amoni hóa hay khoáng hóa Sau đó là quá trình chuyển đổi amoni thành nitrat, quá trình này được tiến hành đầu tiên bởi các vi khuẩn sống trong đất và các loại vi khuẩn nitrat hóa khác Trong giai đoạn nitrat hóa đầu tiên,

sự oxy hóa amoni được tiến hành bởi các vi khuẩn Nitrosomonas, quá trình này

chuyển đổi amoniac thành nitrit (NO2-) Các loại vi khuẩn khác như Nitrobacter có

nhiệm vụ oxy hóa nitrit thành nitrat (NO3-) Việc biến đổi nitrit thành nitrat là một quá trình quan trọng vì sự tích tụ của nitrit sẽ gây ngộ độc cho thực vật Giai đoạn cuối cùng trong chu trình nitơ đó là quá trình khử nitrat, quá trình này giúp khử nitrat thành khí nitơ hoàn thành chu trình nitơ Quá trình này được thực hiện bởi một số vi khuẩn [1]

 Sự tồn tại của các chất nitơ trong nước

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 Nitrat là muối nitơ vô cơ trong môi trường được sục khí đầy đủ và liên tục Nitrit (NO2-) tồn tại trong điều kiện đặc biệt, còn amoniac (NH3) tồn tại ở dạng cơ bản trong điều kiện kỵ khí Amoni hòa tan trong nước tạo thành dạng hyđrôxit amoni (NH4OH) và

sẽ phân ly thành ion amoni (NH4+) và ion hyđrôxit (OH-) Quá trình oxi hóa có thể

chuyển tất cả các dạng nitơ vô cơ thành ion nitrat, còn quá trình khử sẽ chuyển hóa chúng thành dạng nitơ [5]

Nguồn ô nhiễm nitơ trong nước mặt có thể từ nhiều nguồn khác nhau nhưng chủ yếu do hoạt động của con người tạo ra như: Sinh hoạt, đô thị, công nghiệp, nông nghiệp, giao thông vận tải thủy…[6]

Nước thải sinh hoạt: Là nước thải từ các khu dân cư, các cơ sở hoạt động

thương mại xã hội như công sở, trường học…trong nước thải sinh hoạt thường chứa nhiều tạp chất dưới dạng protein, cacbon hydrat, lipid, các chất bẩn từ người, động vật, thực vật, các loại rác, giấy, gỗ, các chất hoạt động bề mặt,… ngoài ra còn có các loại vi khuẩn như: trứng giun, virut, vi trùng, siêu vi trùng Hợp chất nitơ trong nước thải là các hợp chất amoniac, protein, peptit, axít amin cũng như các thành phần khác trong chất thải rắn và lỏng Các hợp chất chứa nitơ, đặc biệt là protein và urin trong nước tiểu phân hủy rất nhanh thành amoniac/amoni Trong nước thải sinh hoạt, nitrit và nitrat có hàm lượng thấp do nồng độ oxy hòa tan và mật độ vi sinh vật

tự dưỡng thấp Thành phần nmoni chiếm 60 - 80% hàm lượng nitơ tổng trong nước thải [6]

Nước thải đô thị: Là nước thải trong hệ thống thoát nước của một thành phố,

một khu đô thị Trong nước thải đô thị, ngoài nước thải sinh hoạt còn có thể có nước thải của một số nước thải của một số cơ sở sản xuất công nghiệp, nước thải của bệnh viện, trạm y tế [6]

Nước thải công nghiệp: Là nước thải từ các nhà máy, xí nghiệp sản xuất hoặc

từ các cơ sở sản xuất tiểu thủ công nghiệp đang hoạt động Các tạp chất trong nước thải công nghiệp rất đa dạng, phức tạp tùy thuộc vào đặc thù của sản xuất như nguyên liệu sử dụng, các quy trình sản xuất, các biện pháp kỹ thuật được áp dụng… Thường các tạp chất thường là từ các nguyên liệu sản xuất và từ các chất được hình thành trong công đoạn sản xuất khi thực hiện các biện pháp kỹ thuật khác nhau Các ngành công nghiệp sử dụng nitrat trong sản xuất là nguồn chủ yếu gây ô nhiễm nguồn nước Nitrat được thải qua nước thải hay rác thải Trong hệ thống ống khói của các nhà máy này còn chứa nhiều oxit nitơ thải vào khí quyển, gặp mưa và một

số quá trình biến đổi hóa học khác, chúng rơi xuống đất dưới dạng HNO3, HNO2

Do đó hàm lượng của các ion này trong nước tăng lên [6]

Nước thải nông nghiệp: Là loại nước thải trong quá trình sản xuất nông

nghiệp Tạp chất chủ yếu có trong nước thải nông nghiệp là các loại phân bón vô

cơ, hữu cơ, các hóa chất, thuốc bảo vệ thực vật, các chất kích thích sinh trưởng dư thừa hoặc bị rửa trôi Hàm lượng các tạp chất phụ thuộc vào chế độ canh tác, mùa

vụ sản xuất Nông nghiệp hiện đại là nguồn ô nhiễm lớn cho nước Việc sử dụng phân bón hóa học chứa nitơ với số lượng lớn, thành phần không hợp lí, sử dụng bừa bãi thuốc trừ sâu, diệt cỏ… thông qua quá trình rửa trôi, thấm lọc lượng nitrat hóa, amoni trong nước bề mặt và nước ngầm ngày càng cao [6]

Nước thải do giao thông vận tải thủy: Nước trên các dòng sông, hồ, biển có

thể bị ô nhiễm do các phương tiện tàu, thuyền trên sông, biển thải ra, các tàu chở dầu, hóa chất bị rò rỉ làm ảnh hưởng đến môi trường nước, làm chết các loại động vật, thực vật sống trong môi trường sông biển [6]

Nước rác: Bãi chôn lấp rác là lò ủ vi sinh vật yếm khí, trong đó có một tập

đoàn vi sinh vật hoạt động phân hủy một phần chất hữu cơ trong chất rắn

Quá trình phân hủy chất hữu cơ của vi sinh vật yếm khí bao gồm ba giai đoạn nối tiếp nhau Thủy phân các phân tử hữu có lớn như polymer, lipit, protein, hydrat cacbon thành các phân tử nhỏ như monosacarit, amino axít… chúng là nguyên liệu thích hợp cho việc tổng hợp tế bào Giai đoạn 2 là giai đoạn chúng chuyển hóa các sản phẩm thủy phân thành các axít, như axít axetic, crotonic, adipic, puruvic

Giai đoạn tạo khí metan và CO2 được thực hiện bới chính nhóm vi sinh vật

Methanogens

Trong quá trình phân hủy yếm khí, protein và các hợp chất chứa nitơ bị thủy phân bởi enzyme và tiếp tục thành amoni và CO2 cùng với các axít dễ bay hơi Một lượng lớn amino axít, amoni được vi sinh vật sử dụng để cấu tạo tế bào, lượng dư sẽ còn lại trong nước rác Sau một chu kì hoạt động, các vi sinh vật yếm khí chết và bị phân hủy như xác động vật

Trong hồ yếm khí, các hợp chất aitơ tồn tại chủ yếu dưới dạng amoni, một phần nằm trong tế bào của vi sinh vật yếm khí Do không tách được sinh khối ra

khỏi nước nên khi phân hủy, amoni được trả lại hầu như nguyên vẹn vào môi trường nước [6]

1.1.2 Sơ lược về amoni [6]

Amoni bao gồm có 2 dạng: trung hòa (NH3) và ion (NH4+) Amoni có mặt trong môi trường có nguồn gốc từ các quá trình chuyển hóa nông nghiệp, công nghiệp và từ sự khử trùng nước bằng cloramin

Tác hại của amoni chỉ xuất hiện khi tiếp xúc với liều lượng khoảng trên 200mg/kg trọng lượng

1.1.3 Hiện trạng ô nhiễm Amoni ở Việt Nam [1]

Theo đánh giá của nhiều báo cáo và hội thảo khoa học thì tình trạng ô nhiễm amoni trong nước ngầm đã được phát hiện tại nhiều vùng trong cả nước Chẳng hạn như tại thành phố Hồ Chí Minh, kết quả quan trắc nước ngầm gần đây cho thấy lượng nước ngầm ở khu vực ngoại thành đang diễn biến ngày càng xấu đi Cụ thể nước ngầm ở trạm Đông Thạch (huyện Hóc Môn) bị ô nhiễm amoni (68,73 mg/l cao gấp 1,9 lần so với năm 2005)

Ngoài ra còn có một số khu vực khác cũng bi ô nhiễm trong nước ngầm nhưng khu vực bị ô nhiễm trong nước ngầm nặng nề nhất trong cả nước là khu vực đồng bằng Bắc Bộ Theo kết quả khảo sát của trung tâm nghiên cứu thuộc trung tâm khoa học tự nhiên và công nghệ quốc gia và trường Đại Học Mỏ - Địa Chất thì phần lớn nước ngầm khu vực đồng bằng Bắc Bộ gồm các tỉnh: Hà Tây, Hà Nam, Nam Định, 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 có nồng độ cao hơn tiêu chuẩn nước sinh hoạt (3mg/l) khoảng 70 - 80% Trong nhiều nguồn nước ngầm còn nhiều hợp chất hữu cơ, độ oxi hóa có nguồn đạt 30 - 40mg O2/l Có thể cho rằng phần lớn các nguồn nước ngầm đang sử dụng không đạt tiêu chuẩn về amoni và các hợp chất hữu cơ

Theo kết quả khảo sát của các nhà khoa học Viện Địa Lý thuộc Viện Khoa Học và Công Nghệ Việt Nam thì hầu như các mẫu nước từ các huyện của tỉnh Hà Nam đều có tỷ lệ nhiễm amoni ở mức đáng báo động Chẳng hạn như tại Lý Nhân

có mẫu nước với hàm lượng lên tới 11,8mg/l gấp 74 lần so với tiêu chuẩn Bộ Y Tế ,

còn ở Duy Tiên là 93,8mg/l gấp 63 lần… Trong khi đó, các kết quả khảo sát của trường Đại Học Mỏ - Địa Chất Hà Nội cũng cho biết chất lượng nước ngầm ở tầng mạch nông và mạch sâu tại các địa phương này cũng có hàm lượng Nitơ trung bình

>20mg/l vượt mức tiêu chuẩn Việt Nam cho phép rất nhiều lần

1.1.4 Tác hại của của amoni và các hợp chất của nitơ [3]

Ở trong nước ngầm, amoni không thể chuyển hóa được do thiếu oxy Khi khai thác lên, vi sinh vật trong nước nhờ oxy trong không khí chuyển amoni thành các nitrat (NO2-), nitrit (NO3-) tích tụ trong nước ăn Chính các hợp chất khi vào cơ thể

sẽ vô cùng nguy hiểm nếu ở liều lượng cao Nitrat tạo ra chứng thiếu vitamin và có thể kết hợp với các amin để tạo nên những nitrosamine là nguyên nhân gây nên ung thư cho con người Trẻ sơ sinh đặc biệt nhạy cảm với nitrat lọt vào sữa mẹ, hoặc qua nước dùng để pha sữa Sau khi lọt vào cơ thể, nitrat được chuyển hóa nhanh thành nitrit nhờ vi khuẩn đường ruột, ion nitrit còn nguy hiểm hơn nitrat đối với sức khỏe con người Khi tác dụng với các amin hay alkyl cacbonat trong cơ thể người chúng có thể tạo thành các hợp chất chứa nitơ gây ung thư Các nitrit tác động lên huyết sắc tố Hemoglobin (Hb) có nhiệm vụ vận chuyển oxy, biến nó thành methamoglobin (Met-Hb) không có khả năng vận chuyển được oxy Nhờ hệ men đặc biệt, Met-Hb có thể chuyển thành Oxy-Hemoglobin (Oxy-Hb) Ở trẻ nhỏ, Met-

Hb không thẻ chuyển thành Oxy-Hb vì ở trẻ sơ sinh hệ men cần thiết chưa phát triển đầy đủ Ở trẻ sơ sinh, nước dạ dày ít, các vi khuẩn tạo ra nhiều nitrit Mặt khác

dạ dày trẻ sơ sinh kém axít nên không ngăn cản được nitrat chuyển hóa thành nitrit Kết quả là một lượng lớn nitrit chiếm lấy huyết sắc tố và biến thành Met-Hb, mất khả năng vận chuyển oxy đến mô, làm trẻ xanh xao, bệnh tật (Bệnh Blue Baby) Nitơ amôn có mặt trong nước ngầm có thể gây ra một số hậu quả như có có thể làm giảm hiệu quả của khâu khử trùng bằng clo, do nó có thể phản ứng tạo thành cloramins, có tác dụng sát khuẩn yếu hơn so với clo (khoảng 1.000 lần) Ngoài ra nó còn làm giảm khả năng xử lý sắt, mangan bằng công nghệ truyền thống

Nitơ amôn là nguồn dinh dưỡng, tạo điều kiện cho các vi sinh vật nước, kể cả tảo, phát triển nhanh, làm ảnh hưởng đến chất lượng nước thương phẩm, đặc biệt là

độ trong, mùi, vị, nhiễm khuẩn, do đó amoni cũng được xem xét trong bảng tiêu chuẩn đối với các hợp chất chứa Nitơ

Trước năm 2002, Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN yêu cầu nồng độ amoni trong nước cấp cho sinh hoạt < 3mg/l Từ 4/2002, quyết định 1329/2002 của Bộ Y tế quy định NH4+ < 1,5mg/l, tương đương Hướng dẫn của Tổ chức Y tế thế giới (WHO) Tiêu chuẩn của các nước Cộng đồng châu Âu (EC) yêu cầu NH4+ < 0,5mg/l

Bảng 1.1: Các tiêu chuẩn Việt Nam và quốc tế đối với các hợp chất Nitơ

Chỉ tiêu Đơn

vị

Tiêu chuẩn EPA

Tiêu chuẩn EC (80/778/EEC)

Hướng dẫn WHO (1993)

1.1.5 Một số phương pháp xử lí Amoni [3,7]

 Phương pháp clo hóa

Clo gần như là chất oxi hóa mạnh có khả năng oxi hóa amoni/amoniac ở nhiệt

độ phòng có thể nằm dạng N2 Khi hòa tan clo trong nước tùy theo pH của nước mà clo có thể nằm dạng HClO hay ion ClO- do có phản ứng theo phương trình:

Cl2 + H2O  HCl + HClO (1.1)

Khi trong nước có NH4+ sẽ xảy ra các phản ứng sau:

HClO + NH3  H2O + NH2Cl (Monicloramin) (1.3) HClO + NH2Cl  H2O + NHCl2 (Dicloramin) (1.4) HClO +NH2Cl  H2O + NCl3 (Tricloramin) (1.5) Nếu có clo dư sẽ xảy ra phản ứng phân hủy các cloramin

Lúc này lượng clo dư trong nước sẽ giảm tới số lượng nhỏ nhất vì xảy ra phản ứng phân hủy cloramin

Những nghiên cứu trước đây cho thấy, tốc độ phản ứng của clo với các hợp chất hữu cơ bằng một nửa so với phản ứng với amoni Khi amoni phản ứng gần hết, Clo dư sẽ phản ứng với các hợp chất hữu cơ có trong nước để hình thành nhiều hợp chất clo có mùi đặc trưng khó chịu Trong đó khoảng 15% là các hợp chất nhóm THM-trihalometan và HAA-axít axetic halogen đều là các chất có khả năng gây ung thư và bị hạn chế nồng độ nghiêm ngặt

Ngoài ra với lượng clo cần dùng rất lớn, vấn đề an toàn trở nên khó giải quyết đối với các nhà máy lớn Đây là những lý do khiến phương pháp clo hóa mặc dù đơn giản về mặt thiết bị, rẻ về mặt kinh tế và chi phí xây dựng nhưng rất khó áp dụng

 Phương pháp kiềm hóa và làm thoáng

Amoni trong nước tồn tại dưới dạng cân bằng:

Như vậy, ở pH = 7 chỉ có một lượng rất nhỏ khí NH3 so với ion amoni Nếu ta nâng pH thành 9,5 tỷ lệ [NH3]/[NH4+] = 1, và càng tăng pH cân bằng càng chuyển

về phía tạo thành NH3 Khi đó nếu áp dụng các kỹ thuật sục khí hoặc thổi khí thì

NH3 sẽ bay hơi theo định luật Henry, làm chuyển cân bằng về phía phải

Trong thực tế pH phải nâng lên xấp xỉ 11, lượng khí cần để đuổi ở mức 16000m3 không khí/m3 nước và quá trình phụ thuộc vào nhiệt độ của môi trường

Phương pháp này áp dụng được cho nước thải, khó có thể đưa được nồng độ NH4+xuống dưới 1,5mg/l nên rất hiếm khi được áp dụng để xử lí nước cấp

 Phương pháp Ozon hóa với xúc tác Bromua (Br-)

Để khắc phục nhược điểm của phương pháp clo hóa điểm đột biến là người ta

có thể thay thế bằng một số tác nhân oxi hóa khác như là ozon với sự có mặt của xúc tác Br- Về cơ bản xử lí NH4+ bằng O3 với sự có mặt của Br- cũng diễn ra theo

cơ chế giống nhưng phương pháp xử lí bằng clo Dưới tác dụng của O3, Br- bị oxi hóa thành BrO- theo phản ứng sau đây:

 Phương pháp trao đổi ion

Quá trình trao đổi ion là một quá trình hóa lý thuận nghịch trong đó xảy ra phản ứng trao đổi giữa các ion trong dung dịch điện ly với các ion trên bề mặt hoặc bên trong của pha rắn tiếp xúc với nó Quá trình trao đổi ion tuân theo những định luật bảo toàn điện tích, phương trình trao đổi ion được mô tả một cách tổng quát như sau:

Trong đó AX là chất trao đổi anion, CY là chất trao đổi cation

Phản ứng trao đổi là một phản ứng thuận nghịch, chiều thuận được gọi là chiều trao đổi, chiều nghịch được gọi là chiều phản ứng tái sinh

Ví dụ về phản ứng sử dụng nhựa trao đổi ion:

 Phương pháp sinh học

Ở phương pháp sinh học gồm có hai quá trình nối tiếp nhau là nitrat hóa và khử nitrat hóa như sau:

- Quá trình nitrat hóa:

Quá trình chuyển hóa về mặt hóa học được viết như sau:

lượng sinh ra từ phản ứng nitrat hóa được vi khuẩn sử dụng trong quá trình tổng hợp tế bào Nguồn cacbon để sinh tổng hợp ra các tế bào vi khuẩn mới là cacbon vô

cơ Ngoài ra chúng còn tiêu thụ mạnh O2

Quá trình trên thường được thực hiện trong bể phản ứng sinh học với lớp bùn dính trên các vật liệu mang - giá thể vi sinh

- Quá trình khử nitrat hóa: Để loại bỏ nitrat trong nước, sau công đoạn nitrat hóa amoni là khâu khử nitrat sinh hóa nhờ các vi sinh vật dị dưỡng trong điều kiện thiếu không khí Nitrit và nitrat sẽ chuyển hóa thành dạng khí N2

 Phương pháp hấp phụ

Phương pháp hấp phụ dựa vào lực tương tác giữa chất hấp phụ và chất bị hấp phụ (amoni) trong đó các chất bị hấp phụ được giữ lại trên bề mặt chất hấp phụ nhờ

đó mà quá trình lọc được thực hiện

Thường khi sử dụng phương pháp này thì nồng độ của amoni trong nước thấp

sẽ đem lại hiệu quả tốt hơn tuy nhiên nó có thể lọc amoni trong nước xuống nồng

độ dưới 1,5mg/l nên có thể sử dụng phương pháp này để sản xuất nước cấp được

Để có thể cải thiện khả năng lọc của chất hấp phụ có nồng độ lớn ta có thể sử dụng phương pháp sử dụng nhiều lớp chất hấp phụ với các kích thước khác nhau giúp cải thiện khả năng lọc nước

1.2 Giới thiệu về nguyên liệu lõi ngô

1.2.1 Tổng quan về cây ngô

1.2.1.1 Giới thiệu chung

Ngô là cây nông nghiệp một lá mầm thuộc chi Zea, họ hòa thảo Các bộ phận của cây ngô bao gồm: rễ, thân, lá, hoa và hạt…

Hình 1.2: Cây ngô

Ngô là cây lương thực quan trọng trên toàn thế giới bên cạnh lúa mì và lúa gạo Ở các nước thuộc Trung Mỹ, Nam Á và Châu Phi, người ta sử dụng ngô làm lương thực chính cho người với phương thức rất đa dạng theo vùng địa lí và tập quán từng nơi

Ngô là cây thức ăn chăn nuôi quan trọng nhất hiện nay: 70% chất tinh trong thức ăn tổng hợp của gia súc là từ lõi ngô, ngô còn là thức ăn ủ xanh và ủ chua lí tưởng cho đại gia súc đặc biệt là bò sữa Gần đây cây ngô còn là cây thực phẩm: Người ta sử dùng bắp ngô bao tử làm rau cao cấp vì nó sạch và có hàm lượng dinh

dưỡng cao; Ngô nếp, ngô đường (ngô ngọt) được dùng làm hoa quả ăn tươi (luộc, nước) hoặc đóng hộp làm thực phẩm xuất khẩu Ngô còn là nguyên liệu của ngành công nghiệp lương thực - thực phẩm và công nghiệp nhẹ để sản xuất rượu, cồn, tinh bột, dầu, glucozơ, bánh kẹo… [8]

1.2.1.2 Tình hình sản xuất ngô trên thế giới và ở Việt Nam [9]

Trên thế giới, ngô là một trong những cây ngũ cốc quan trọng, diện tích đứng thứ 3 sau lúa mì và lúa nước, sản lượng thứ hai và năng suất cao nhất trong các cây ngũ cốc Năm 1961, diện tích ngô toàn thế giới đạt 105,5 triệu ha, năng suất 19,4 tạ/ha, sản lượng 205 triệu tấn, đến năm 2009, diện tích trồng ngô thế giới đạt khoảng 159,5 triệu ha, năng suất bình quân 51,3 tạ/ha, sản lượng 817,1 triệu tấn Trong đó Mỹ, Trung Quốc, Braxin là những nước đứng đầu về diện tích và sản lượng

Ở Việt Nam, ngô là cây lương thực quan trọng thứ hai sau cây lúa và cây hoa màu quan trọng nhất được trồng ở nhiều vùng sinh thái khác nhau, đa dạng về mùa

vụ gieo trồng và hệ thống canh tác Cây ngô không chỉ cung cấp lương thực cho người, vật nuôi mà còn là cây trồng xóa đói giảm nghèo tại các tỉnh có điều kiện kinh tế khó khăn Sản xuất ngô cả nước qua các năm không ngừng tăng về diện tích, năng suất, sản lượng: năm 2001 tổng diện tích ngô là 730.000 ha, đến năm 2005 đã tăng trên 1 triệu ha; năm 2010, diện tích ngô cả nước 1126,9 nghìn ha, năng suất 40,9 tạ/ha, sản lượng trên 4,6 triệu tấn Tuy vậy, cho đến nay sản xuất ngô ở nước ta phát triển chưa tương xứng với tiềm năng, chưa đáp ứng được nhu cầu tiêu dùng trong nước, hàng năm nước ta vẫn phải nhập khẩu treehn dưới 1 triệu tấn ngô hạt Chính vì lượng sản xuất của ngô lớn như vậy nên lượng lõi ngô sau khi đã tuốt hạt ngô là rất lớn Lõi ngô sau khi loại ra một phần là làm chất đốt, một phần nhỏ là làm bột sản xuất nấm còn phần lớn là thải ra ngoài môi trường gây ô nhiễm, mất mĩ quan sinh thái Đây chính là một nguyên liệu tốt cho ta nghiên cứu và ứng dụng nó cho đời sống

1.2.2 Thành phần của lõi ngô

Hình 1.3: Cấu trúc lõi ngô [29]

Lõi ngô về mặt hình thái thì ở phía ngoài được bao bọc bởi một lớp trấu ngô (chaff), phần lõi (pith) ở trung tâm xốp mềm và vòng gỗ (woody ring) cứng được hình thành ở giữa [28]

Thành phần chủ yếu của lõi ngô là xenlulozơ, hemixenlulozơ và lignin, nên rất khó bị vi sinh vật phân hủy Lõi ngô được nghiên cứu cho thấy có khả năng tách các amoni hòa tan trong nước nhờ vào cấu trúc nhiều lỗ xốp và thành phần gồm các polyme nhờ xenluloza, hemixenluloza, pectin, lignin và protein [10,24,25]

Bảng 1.2: Thành phần hóa học của lõi ngô [10]

hemixenlulozơ áo quanh gắn nó gắn kết với các vi sợi khác [12] Các mạch xenlulozơ được liên kết với nhau nhờ liên kết hydro và liên kết Van Der Waals Do thiếu chuỗi bên hoặc chuỗi nhánh, xenlulozơ là một polyme bán tinh thể, chứa cả pha tinh thể và pha vô định hình Liên kết hydro giữa các chuỗi xenlulozơ và lực Van Der Waals giữa các phân tử glucozơ dẫn đến sự hình thành vùng tinh thể liên kết chặt chẽ với nhau Ngược lại, trong vùng vô định hình, xenlulozơ liên kết không chặt chẽ với nhau nên dễ bị tấn công [19]

Hemixenlulozơ: Về cơ bản, hemicenlulozơ là polisacarit giống xenlulozơ, nhưng số lượng mắt xích nhỏ hơn Hemicenlulozơ thường bao gồm nhiều loại mắt xích và có chứa các nhóm thế axetyl và metyl [11]

Lignin: Lignin là loại polymer được tạo bởi các mắt xích phenylpropan Lignin giữ vai trò là chất kết nối giữa hemixenlulozơ và xenlulozơ [11]

Hình 1.4: Thành phần hóa học của vi sợi xenlulozơ (cellulose) [28]

1.2.3 Ứng dụng của lõi ngô

Ngày nay, người ta đã phát hiện ra rất nhiều công dụng của lõi ngô: có thể được chế tạo làm thức ăn cho gia xúc, có thể lên men lõi ngô để thu được ancol etylic hoặc axít lactic [10], người ta còn phối trộn lõi ngô với bê tông để trở thành

bê tông lõi ngô có đặc tính rất nhẹ Đặc biệt, đã có nhiều công trình nghiên cứu chế tạo than hoạt tính từ lõi ngô Lõi ngô cũng được ứng dụng hiệu quả trong việc chế tạo vật liệu hấp phụ trong xử lý môi trường với giá thành rẻ, quy trình chế tạo vật liệu đơn giản, không đưa thêm vào nước thải tác nhân độc hại nên việc nghiên cứu

và đưa ra quy trình hoàn chỉnh nhằm tận dụng những nguồn nguyên liệu sẵn có ở Việt Nam trong việc xử lý môi trường là rất có ý nghĩa

1.3 Than hoạt tính và cách hoạt hóa than [12,13]

1.3.1 Giới thiệu về than hoạt tính

Có rất nhiều định nghĩa về than hoạt tính, tuy nhiên có thể nói chung rằng, than hoạt tính là một dạng của cacbon đã được xử lý để mang lại một cấu trúc rất xốp, do đó có diện tích bề mặt rất lớn Than hoạt tính ở dạng than gỗ đã hoạt hóa được sử dụng từ nhiều thế kỷ trước Người Ai cập sử dụng than gỗ từ khoảng 1500 trước công nguyên làm chất hấp phụ cho mục đích chữa bệnh Người Hinđu cổ ở

Ấn Độ làm sạch nước uống của họ bằng cách lọc qua than gỗ Việc sản xuất than hoạt tính trong công nghiệp bắt đầu từ khoảng năm 1900 và được sử dụng làm vật liệu tinh chế đường Than hoạt tính này được sản xuất bằng cách than hóa hỗn hợp các nguyên liệu có nguồn gốc từ thực vật trong sự có mặt của hơi nước hoặc CO2 Than hoạt tính được sử dụng suốt chiến tranh thế giới thứ nhất trong các mặt nạ phòng độc bảo vệ binh lính khỏi các khí độc nguy hiểm

Than hoạt tính là chất hấp phụ quý và linh hoạt, được sử dụng rộng rãi cho nhiều mục đích như loại bỏ màu, mùi, vị không mong muốn và các tạp chất hữu cơ,

vô cơ trong nước thải công nghiệp và sinh hoạt, thu hồi dung môi, làm sạch không khí, trong kiểm soát ô nhiễm không khí từ khí thải công nghiệp và khí thải động cơ, trong làm sạch nhiều hóa chất, dược phẩm, sản phẩm thực phẩm và nhiều ứng dụng trong pha khí Chúng được sử dụng ngày càng nhiều trong lĩnh vực luyện kim để thu hồi vàng, bạc, và các kim loại khác, làm chất mang xúc tác Chúng cũng được

biết đến trong nhiều ứng dụng trong y học, được sử dụng để loại bỏ các độc tố và vi khuẩn của một số bệnh nhất định

1.3.2 Quá trình tạo than hoạt tính

Quá trình làm điều chế than hoạt tính thường có 2 bước là than hóa và hoạt hóa Chúng ta có thể than hóa trước sau đó đem than đó đem đi hoạt hóa hoặc cũng

có thể tiến hành quá trình hoạt hóa than trước sau đó đem đi than hóa

Quá trình than hóa là quá trình dùng nhiệt để phân hủy nguyên liệu, đưa nó về dạng cacbon, đồng thời làm bay hơi một số chất hữu cơ nhẹ tạo lỗ xốp ban đầu cho than

Hoạt hóa là quá trình nâng cao hoạt tính của than dưới tác dụng của nhiệt và tác nhân hoạt hóa, tạo độ xốp cho than bằng một hệ thống lỗ có kích thước khác nhau, ngoài ra còn tạo các tâm hoạt động trên bề mặt Có hai cơ chế hoạt hóa đó là: hoạt hóa vật lý và hoạt hóa hóa học

 Hoạt hóa vật lý: Sử dụng hơi nước hoặc khí CO2 làm tác nhân hoạt hóa, ở nhiệt độ cao khoảng (800÷850)oC những tác nhân hoạt hóa này thực hiện các phản ứng với nguyên tử cacbon trong than như sau:

 Hoạt hóa hóa học: Được sử dụng cho tất cả những loại than có nguồn gốc từ

than đá, than bùn, sọ dừa, vỏ lạc, gỗ… Nếu than đá được dùng làm nguyên liệu chế tạo than thì khi hoạt hóa hơi nước quá nhiệt (ở khoảng 130oC) được thổi vào lò hoạt hóa ở nhiệt độ khoảng 1000oC Ngoài cơ chế tạo thành lỗ xốp do lấy đi các nguyên

tử cacbon còn có sự tham gia của các túi khí có sẵn trong than Ở nhiệt độ cao, các túi khí này bị phá vỡ thoát ra ngoài để lại những lỗ xốp trong cấu trúc của than

Ban đầu những lỗ xốp này còn nhỏ, nhưng theo thời gian hoạt hóa, các túi khí xung quanh cũng thoát ra ngoài để lại các lỗ xốp mới Nhiều lỗ xốp kết hợp với nhau tạo thành những lỗ xốp lớn hơn Khi quá trình hoạt hóa diễn ra quá lâu thì tạo thành những lỗ xốp rất lớn làm giảm hoạt tính của than Do đó thời gian hoạt hóa là một trong những thông số rất quan trọng quyết định đến chất lượng của than thu được Hoạt hóa hóa học: Nhân tố hoạt hóa thường dùng là các hợp chất hóa học như ZnCl2, Na2CO3, K2CO3, H3PO4, H2SO4, HNO3 … Hoạt hóa hóa học thường được dùng để nâng cao hoạt tính cho than có nguồn gốc thực vật Quá trình than hóa và hoạt hóa cũng có thể diễn ra đồng thời

Hoạt hóa bằng phương pháp hóa học có ưu điểm là hiệu suất thu hồi than cao hơn, năng suất thấp hơn, việc cơ khí hóa và tự động hóa khó khăn hơn

1.3.3 Cơ chế làm việc của than hoạt tính

Cơ chế làm việc của than hoạt tính bao gồm 2 giai đoạn là lọc thô và hấp phụ

Ở giai đoạn đầu, các tạp chất, các chất hữu cơ kích thước lớn được giữ lại trên bề mặt than do chúng lớn hơn đường kính của lỗ xốp Giai đoạn tiếp theo là giai đoạn hấp phụ, các phân tử hữu cơ nhỏ được hấp phụ vào bề mặt hệ thống lỗ xốp của than Những lỗ xốp có kích thước macro (>50nm) có nhiệm vụ vận chuyển chất hấp phụ tới những lỗ xốp meso và micro Ở những lỗ xốp micro cơ chế hấp thụ là lấp đầy, lực hấp phụ ở đây rất lớn do hiệu ứng nhân đôi của 2 thành ống Còn ở những lỗ xốp meso (2<d<50nm) thì cơ chế hấp phụ là ngưng tụ mao quản

Hiện tượng hấp phụ xảy ra do lực tương tác giữa chất hấp phụ và chất bị hấp phụ Tùy theo bản chất lực tương tác mà người ta phân biệt hai loại là hấp phụ vật

lý và hấp phụ hóa học

 Hấp phụ vật lý

Các phân tử chất bị hấp phụ liên kết với những tiểu phân (nguyên tử, phân tử, các ion…) ở bề mặt phân chia pha bởi lực liên kết Van Der Walls yếu Đó là tổng hợp của nhiều loại lực hút khác nhau: tĩnh điện, tán xạ, cảm ứng và lực định hướng Trong hấp phụ vật lý, các phân tử của chất bị hấp phụ và chất hấp phụ không tạo thành hợp chất hóa học (không hình thành các liên kết hóa học) mà chất bị hấp phụ chỉ bị ngưng tụ trên bề mặt phân chia pha và bị giữ lại trên bề mặt chất hấp phụ Ở hấp phụ vật lý, nhiệt hấp phụ không lớn

 Hấp phụ hóa học

Hấp phụ hóa học xảy ra khi các phân tử chất hấp phụ tạo hợp chất hóa học với các phân tử chất bị hấp phụ Lực hấp phụ hóa học khi đó là lực liên kết hóa học thông thường (liên kết ion, liên kết cộng hóa trị, liên kết phối trí…) Nhiệt hấp phụ hóa học lớn, có thể đạt tới giá trị 800kJ/mol

Trong thực tế sự phân biệt hấp phụ vật lí và hấp phụ hóa học chỉ là tương đối,

vì ranh giới giữa chúng không rõ rệt Trong một số quá trình hấp phụ xảy ra đồng thời cả hấp phụ vật lý và hấp phụ hóa học

 Hấp phụ trong môi trường nước

Trong nước, tương tác giữa một chất hấp phụ và chất bị hấp phụ phức tạp hơn rất nhiều vì trong hệ có ít nhất là ba thành phần gây tưong tác: nước, chất hấp phụ

và chất bị hấp phụ Do sự có mặt của dung môi nên trong hệ sẽ xảy ra quá trình hấp phụ cạnh tranh giữa chất bị hấp phụ và dung môi trên bề mặt chất hấp phụ Cặp nào

có tương tác mạnh thì hấp phụ xảy ra cho cặp đó Tính chọn lọc của cặp tương tác phụ thuộc vào yếu tố: Độ tan của chất bị hấp phụ trong nước, tính ưa hoặc tính kỵ nước của chất bị hấp phụ, mức độ kỵ nước của các chất bị hấp phụ trong môi trường nước

1.4.2 Các phương trình hấp phụ đẳng nhiệt [13]

Quá trình hấp phụ là một quá trình thuận nghịch Các phần tử chất bị hấp phụ khi đã hấp phụ trên bề mặt chất hấp phụ vẫn có thể di chuyển ngược lại pha mang Theo thời gian, lượng chất bị hấp phụ tích tụ trên bề mặt chất rắn càng nhiều thì tốc

độ di chuyển ngược trở lại pha mang càng lớn Đến một thời điểm nào đó, tốc độ hấp phụ bằng tốc độ giải hấp thì quá trình hấp phụ đạt cân bằng Một hệ hấp phụ khi đạt đến trạng thái cân bằng, lượng chất bị hấp phụ là một hàm của nhiệt độ, áp suất hoặc nồng độ của chất bị hấp phụ:

Ở nhiệt độ không đổi (T = const), đường biểu diễn sự phụ thuộc của q vào P

hoặc C (q= f(T, P hoặc C)) được gọi là đường đẳng nhiệt hấp phụ Đường đẳng nhiệt hấp phụ có thể được xây dựng trên cơ sở lý thuyết, kinh nghiệm hoặc bằng kinh nghiệm tùy thuộc vào tiền đề, giả thiết, bản chất và kinh nghiệm xử lý số liệu thực nghiệm

 Dung lượng hấp phụ cân bằng

Dung lượng hấp phụ cân bằng là khối lượng chất bị hấp phụ trên một đơn vị khối lượng chất hấp phụ ở trạng thái cân bằng trong điều kiện xác định về nồng độ

và nhiệt độ

G = ( ). (1.21) Trong đó:

G: Dung lượng hấp phụ cân bằng (mg/g)

V: Thể tích dung dịch chất bị hấp phụ (l)

m: Khối lượng chất bị hấp phụ (g)

Co: Nồng độ của chất bị hấp phụ tại thời điểm ban đầu (mg/l)

Ccb: Nồng độ của chất hấp phụ tại thời điểm cân bằng (mg/l)

 Các phương trình hấp phụ đẳng nhiệt

Trong các phương trình trên, V là thể tích chất bị hấp phụ, Vm là thể tích hấp phụ cực đại, p là áp suất chất bị hấp phụ ở pha khí, po là áp suất hơi bão hòa của chất bị hấp phụ ở trạng thái lỏng tinh khiết ở cùng nhiệt độ Các kí hiệu a, b, k, n là các hằng số

Mô hình tính toán cho quá trình hấp phụ thường sử dụng phương trình Langmuir và phương trình Freundlich

 Phương trình đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir được xây dựng dựa trên các giả thuyết:

1) Tiểu phân bị hấp phụ liên kết với bề mặt tại những trung tâm xác định 2) Mỗi trung tâm chỉ hấp phụ một tiểu phân

3) Bề mặt chất hấp phụ là đồng nhất, nghĩa là năng lượng hấp phụ trên các tiểu phân là như nhau và không phụ thuộc vào sự có mặt của các tiểu phân hấp phụ trên các trung tâm bên cạnh

Phương trình này cũng có thể áp dụng được cho quá trình hấp phụ trong môi trường nước Khi đó có thể biểu diễn phương trình Langmuir như sau:

- Gc: độ hấp phụ bằng lượng chất tan bị hấp phụ bởi một đơn vị khối lượng than hoạt tính ở trạng thái cân bằng

- Cc: nồng độ của chất tan trong pha lỏng ở trạng thái cân bằng

- K và n: các hằng số Freundlich

Phương trình (1.24) còn viết dưới dạng tuyến tính như sau:

lnG = lnK + lnC (1.25)

CHƯƠNG 2 THỰC NGHIỆM 2.1 Nguyên liệu và hóa chất

 Lõi ngô (Giống ngô lai đơn F1 NK67 của hãng Syngenta được trồng ở Lâm Đồng)

 Nước cất (Phòng thí nghiệm trường Đại học Bà Rịa - Vũng Tàu)

 Nước đề ion (Nước cất không đạm) (Hóa chất - thiết bị Hóa Nam)

 H2SO4 97% (National High - Technology Corporation)

 NH4Cl 99,5% (Shantou Xilong Chemical Factory)

 NaHCO3 99,5% (Xilong Chemical Industry Incorparated Co.,Ltd)

 NaClO 8% (Xilong Chemical Industry Incorparated Co.,Ltd)

 Na2[Fe(CN)5NO].2H2O 98% (HiMedia Labotaries Pvt.Ltd.)

 C6H5Na3O7.2H2O 99% (Xilong Chemical Industry Incorparated Co.,Ltd)

 Máy đo quang phổ UV-VIS (GENESYS 10uv)

 Máy lọc chân không (Rocker 300)

 Cân phân tích (Sartorius)

2.3 Tạo đường chuẩn

2.3.1 Lý thuyết của quá trình

Lý thuyết của quá trình xác đinh amoni bằng phương pháp phenat: Ammonia phản ứng với hypochloride và phenol với chất xúc tác sodium nitroprusside sẽ tạo thành phức indophenols có màu xanh, phức này hấp thụ ánh sáng tối đa ở 640nm

2.3.2 Pha dung dịch thuốc thử

Dung dịch PRE 1: Nước cất không đạm

Dung dịch PRE 2: Phenol stock solution: hòa tan 58ml phenol trong ethanol thành 100ml