Nghiên cứu sử dụng lõi ngô làm chất hấp phụ để lọc amoni ra khỏi nước

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 (3mgl) 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 mgl 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”.

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 AMINI RA KHỎI NƯỚC

Trình độ đào tạo : Đại học chính quy Ngành : Công nghệ kỹ thuật hóa học

Giảng viên hướng dẫn : ThS Diệp Khanh Sinh viên thực hiện : Bùi Thị Thùy Dung MSSV : 12030272

Lớp : DH12HD

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-ĐHBR VT ngày 16/7/2013 của Hiệu trưởng

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 2016

GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN SINH VIÊN THỰC HIỆN

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

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

LỜI CAM ĐOAN

Toi cam doan do an tot nghiep nay la cöng trinh nghien cuu cua rieng toi va duoc

su huong dan khoa hoc cua ThS Diep Khanh Cac noi dung nghien cuu, ket qua trong

de tai nay la trung thuc va chua cong bo duoi bat ki hinh thuc nao truoc day Trongluan van co su dung mot so nhan xet, danh gia cüng nhu so lieu cua cac tac gia, coquan to chuc khac nhau deu co trich dan va chu thich ro rang ve nguon goc

Neu phat hien bat cu gian lan nao toi xin hoan toan chiu trach nhiem ve noi dungluan van cua minh va chiu moi hinh thuc ki luat theo quy dinh

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, khoaHóa học va Công nghệ thực phẩm đã tạo điều kiền cho tôi mượn dụng cụ và phòng thínghiệm để hoàn thành đồ án này

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

Cảm ơn Quý thầy cô khoa Hóa học va Công nghệ thực phẩm, trường Đại học BàRịa – Vũng Tàu đã dạy dỗ và truyền đạt kiến thức quý báu trong suốt thời gian học tậptại trường

Xin chân thành cảm ơn Quý thầy cô Hội đồng chấm đồ án tốt nghiệp đã dành thờigian đọc và đưa ra những lời nhận xét giúp tôi hoàn thiện đồ án này

Cảm ơn gia đình và bạn bè đã tiếp thêm niềm tin, nghị lực và giúp đỡ tôi trong suốtthời gian qua

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

Vũng Tàu, ngày tháng năm 2016

Sinh viên

Bùi Thị Thùy Dung

MỤC LỤC

38

5

DANH MỤC CÁC TỪ VIÉT TẮT

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

6

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 quannhư tình trạng ô nhiễm môi trường ngày càng trầm trọng Ô nhiễm xuất hiện ở nhiềunơi 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 nhiềunguyên 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 nhữngchất này gây nguy hại không nhỏ đến người và động vật Ô nhiễm nước bởi các hợpchất nitơ nói chung và amoni nói riêng có thể là do quá trình xuyên thấm từ tầng nướcmặt xuống các tầng phía dưới qua các cửa sổ địa chất thủy văn, nếu như nguồn nướcmặt ô nhiễm thì nguồn nước ngầm cũng theo đó mà ô nhiễm Theo đánh giá của nhiềubáo cáo và hội thảo khoa học thì tình trạng ô nhiễm amoni trong nước ngầm đã đượcphát hiện tại nhiều vùng trong cả nước, như ở phần lớn nước ngầm khu vực đồng bằngBắc Bộ gồm các tỉnh: Hà Tây, Hà Nam, Nam Định, Ninh Bình, Hải Dương, HưngYên, Thái Bình và phía nam Hà Nội đều bị nhiễm bẩn amoni rất nặng Xác suất cácnguồn nước ngầm ở các tỉnh này nhiễm amoni có nồng độ cao hơn tiêu chuẩn nướcsinh hoạt (3mg/l) khoảng 70 - 80%, còn nước ngầm ở trạm Đông Thạch (huyện HócMôn, thành phố Hồ Chí Minh) cũng bị ô nhiễm amoni nặng (68,73 mg/l cao gấp 1,9lần 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 nghiêmtrọng rất nhiều vì amoni dễ dàng chuyển hóa thành các chất độc hại khác như nitrit, lạikhó xử lý Chính các sản phẩm chuyển hóa của amoni là chất ảnh hưởng đến sức khỏecon người, khi vào trong cơ thể sẽ chiếm mất oxy Trong khi đó, máu có oxy mới điđến khắp các tế bào trong cơ thể Trẻ em bị nhiễm chất này sẽ xanh xao, ốm yếu, thiếumáu, khó thở Đến một giai đoạn nào đó, bị nhiễm amoni nặng sẽ ngộp thở, nếu khôngcấp cứu kịp thời sẽ tử vong Do đó việc xử lí amoni đang là một trong số vấn đề cấpbách [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 mụcđích nào được thải ra môi trường mỗi năm, đồng thời những phụ phẩm này có thànhphần chủ yếu là xenluloze, có những đặc tính tốt để có thể sản xuất ra vật liệu hấp phụgiúp lọc nước Hướng đi này đã có nhiều người nghiên cứu và đạt được những thànhtựu nhất định Trong các phụ phẩm đó thì lõi ngô - một nguyên liệu khá mới với mục

8

đích tạo vật liệu hấp phụ Tuy lõi ngô trước khi biến tính cũng đã có khả năng lọcnước (theo Lalita Prasida - người đoạt giải thưởng Google Science Fair với đề tài “Hấpphụ sinh học với chi phí thấp” năm 2011) nhưng hiệu suất không cao do đó chúng tacần 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 lợicho 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

9

❖ Xử lí thông tin lý thuyết và đưa ra các vấn đề cần thực hiện trong quá trình thựcnghiệm.

> 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 trìnhtạo vật liệu hấp phụ từ lõi ngỗ, khảo sát các yếu tố để tạo được vật liệu hấp phụ tốtnhất, bên cạnh đó chúng ta cũng khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hấp phụamoni 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

Nitơ trong môi trường tự nhiên tồn tại ở nhiều dạng hóa học khác nhau bao gồmnitơ 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 vậtsống, 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 chúnglấy năng lượng hoặc để tích tụ nitơ thành một dạng cần thiết cho sự phát triển củachúng Sơ đồ bên dưới thể hiện các quá trình này tương thích với nhau để tạo ra chutrình 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 đổithành 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 nitrathoặc 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 chấthữu 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 khoánghóa Sau đó là quá trình chuyển đổi amoni thành nitrat, quá trình này được tiến hànhđầu tiên bởi các vi khuẩn sống trong đất và các loại vi khuẩn nitrat hóa khác Tronggiai 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 (NO 2 -) Các loại vi khuẩn

khác như Nitrobacter có nhiệm vụ oxy hóa nitrit thành nitrat (NO3 -) Việc biến đổinitrit thành nitrat là một quá trình quan trọng vì sự tích tụ của nitrit sẽ gây ngộ độc chothực vật Giai đoạn cuối cùng trong chu trình nitơ đó là quá trình khử nitrat, quá trìnhnày giúp khử nitrat thành khí nitơ hoàn thành chu trình nitơ Quá trình này được thựchiện 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 điềukiện 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 hóachúng thành dạng nitơ [5]

Nguồn ô nhiễm nitơ trong nước mặt có thể từ nhiều nguồn khác nhau nhưng chủyếu do hoạt động của con người tạo ra như: Sinh hoạt, đô thị, công nghiệp, nôngnghiệp, 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 tạpchất 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 khuẩnnhư: trứng giun, virut, vi trùng, siêu vi trùng, Hợp chất nitơ trong nước thải là các hợpchất 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 phânhủy rất nhanh thành amoniac/amoni, Trong nước thải sinh hoạt, nitrit và nitrat có hàmlượng thấp do nồng độ oxy hòa tan và mật độ vi sinh vật tự dưỡng thấp, Thành phầnnmoni chiếm 60 - 80% hàm lượng nitơ tống 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 thảicủa 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 thảicông 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 hìnhthành trong công đoạn sản xuất khi thực hiện các biện pháp kỹ thuật khác nhau, Cácngành công nghiệp sử dụng nitrat trong sản xuất là nguồn chủ yếu gây ô nhiễm nguồnnước Nitrat được thải qua nước thải hay rác thải, Trong hệ thống ống khói của các nhàmáy này còn chứa nhiều oxit nitơ thải vào khí quyển, gặp mưa và một số quá trìnhbiến đổi hóa học khác, chúng rơi xuống đất dưới dạng HNO3, HNO2 Do đó hàm lượngcủa 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 bịrửa 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 họcchứa 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 bềmặt 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, hóachất bị rò rỉ làm ảnh hưởng đến môi trường nước, làm chết các loại động vật, thực vậtsống 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 nốitiếp nhau Thủy phân các phân tử hữu có lớn như polymer, lipit, protein, hydrat cacbonthành các phân tử nhỏ như monosacarit, amino axít chúng là nguyên liệu thích hợpcho việc tổng hợp tế bào Giai đoạn 2 là giai đoạn chúng chuyển hóa các sản phẩm thủ

y 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 thủ y phânbởi enzyme và tiếp tục thành amoni và CO2 cùng với các axít dễ bay hơi Một lượnglớn amino axít, amoni được vi sinh vật sử dụng để cấu tạo tế bào, lượng dư sẽ còn lạitrong nước rác Sau một chu kì hoạt động, các vi sinh vật yếm khí chết và bị phân hủynhư xác động vật

Trong hồ yếmkhí, các hợp chất aitơ tồn tại chủ yếu dưới dạng amoni, mộtphần nằm trong tế bào của vi sinh vật yếm khí Do không tách được sinh khối ra khỏinước nên khi phân hủy, amoni được trả lại hầu như nguyên vẹn vào môi trường nước[6]

Amoni bao gồm có 2 dạng: trung hòa (NH3) và ion (NH4+) Amoni có mặt trongmôi 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/kgtrọng lượng

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

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

Theo kết quả khảo sát của các nhà khoa học Viện Địa Lý thuộc Viện Khoa Học vàCông 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 vớihàm lượng lên tới 11,8mg/l gấp 74 lần so với tiêu chuẩn Bộ Y Tế , còn ở Duy Tiên là93,8mg/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 sâutại các địa phương này cũng có hàm lượng Nitơ trung bình >20mg/l vượt mức tiêuchuẩn Việt Nam cho phép rất nhiều lần

Ở trong nước ngầm, amoni không thể chuyển hóa được do thiếu oxy Khi khai tháclên, 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 vôcùng nguy hiểm nếu ở liều lượng cao Nitrat tạo ra chứng thiếu vitamin và có thể kếthợp với các amin để tạo nên những nitrosamine là nguyên nhân gây nên ung thư chocon người Trẻsơ sinh đặc biệt nhạy cảm với nitratlọt vào sữa mẹ, hoặc

qua nước dùng để pha sữa Sau khi lọt vào cơ thể, nitrat được chuyển hóa nhanh thànhnitrit nhờ vi khuẩn đường ruột, ion nitrit còn nguy hiểm hơn nitrat đối với sức khỏecon người Khi tác dụng với các amin hay alkyl cacbonat trong cơ thể người chúng cóthể tạo thành các hợp chất chứa nitơ gây ung thư Các nitrit tác động lên huyết sắc tốHemoglobin (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 thểchuyển thành Oxy-Hemoglobin (Oxy-Hb) Ở trẻ nhỏ, Met- Hb không thẻ chuyểnthành 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 axítnên không ngăn cản được nitrat chuyển hóa thành nitrit Kết quả là một lượng lớnnitrit 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 làmgiảm hiệu quả của khâu khử trùng bằng clo, do nó có thể phản ứng tạo thànhcloramins, có tác dụng sát khuẩn yếu hơn so với clo (khoảng 1.000 lần) Ngoài ra nócòn 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 độtrong, mùi, vị, nhiễm khuẩn, do đó amoni cũng được xem xét trong bảng tiêu chuẩnđối với các hợp chất chứa Nitơ

Trước năm 2002, Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN yêu cầu nồng độ amoni trong nướccấp 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 Đơnvị

TiêuchuẩnEPA

Tiêu chuẩn EC(80/778/EEC)

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

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 ứngphân hủy cloramin

Những nghiên cứu trước đây cho thấy, tốc độ phản ứng của clo với các hợp chấthữu 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 trihalometan và HAA-axít axetic halogen đều là các chất có khả năng gây ung thư và

THM-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 đốivới 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:

NH4 + NH 3 + H + ; pKa = 9,5 (1.6)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

NH4+ + OH - NH3 + H2O (1.7)

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 cóthể 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 thànhBrO- 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 phảnứng trao đổi giữa các ion trong dung dịch điện ly với các ion trên bề mặt hoặc bêntrong của pha rắn tiếp xúc với nó Quá trình trao đổi ion tuân theo những định luật bảotoàn điện tích, phương trình trao đổi ion được mô tả một cách tổng quát như sau:

AX + B- AB + X- (1.12)

CY + D+ CD + Y+ (1.13)

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 làchiều trao đổi, chiều nghịch được gọi là chiều phản ứng tái sinh

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

R-H + NH4+ R-NH4 + H+ (1.14)

❖ Phương pháp sinh học

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

- Quá trình nitrat hóa:

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

NH4+ + 1,5O2 NO 2 - + 2H+ + H2O (1.15)

Phương trình tổng:

NH4+ + 2O2 NO 3 - + 2H+ + H2O (1.17)

Đầu tiên, amoni được oxy hóa thành các nitrit nhờ vi khuẩn Nitrosomonas,

Nitrosospire, Nitrosococcus, Nitrosolobus Sau đó các ion nitrit bị oxy hóa thành nitrat

nhờ các vi khuẩn Nitrobacter, Nitrospina, Nitrococcus Các vi khuẩn nitrat hóa

Nitrosomonas và Nitrobacter thuộc loại vi khuẩn tự dưỡng hóa năng Năng 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 rachúng còn tiêu thụ mạnh O2.

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

- Quá trình khử nitrat hóa: Để loại bỏ nitrat trong nước, sau công đoạn nitrat hóaamoni là khâu khử nitrat sinh hóa nhờ các vi sinh vật dị dưỡng trong điều kiện thiếukhông 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 màquá trình lọc được thực hiện

Thường khi sử dụng phương pháp này thì nồng độ của amoni trong nước thấp sẽđem lại hiệu quả tốt hơn tuy nhiên nó có thể lọc amoni trong nước xuống nồng độ dưới1,5mg/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 dụngphương pháp sử dụng nhiều lớp chất hấp phụ với các kích thước khác nhau giúp cảithiện 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 củacây 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 Ởcác nước thuộc Trung Mỹ, Nam Á và Châu Phi, người ta sử dụng ngô làm lương thựcchính 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 chođại gia súc đặc biệt là bò sữa Gần đây cây ngô còn là cây thực phẩm: Người ta sửdùng bắp ngô bao tử làm rau cao cấp vì nó sạch và có hàm lượng dinh dưỡng cao; Ngônếp, ngô đường (ngô ngọt) được dùng làm hoa quả ăn tươi (luộc, nước) hoặc đóng hộplàm 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, bánhkẹo [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 3sau 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, sảnlượng 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, TrungQuốc, 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 màuquan trọng nhất được trồng ở nhiều vùng sinh thái khác nhau, đa dạng về mùa vụ gieotrồng và hệ thống canh tác Cây ngô không chỉ cung cấp lương thực cho người, vậtnuôi mà còn là cây trồng xóa đói giảm nghèo tại các tỉnh có điều kiện kinh tế khókhăn 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 1triệu ha; năm 2010, diện tích ngô cả nước 1126,9 nghìn ha, năng suất 40,9 tạ/ha, sảnlượng trên 4,6 triệu tấn Tuy vậy, cho đến nay sản xuất ngô ở nước ta phát triển chưatương xứng với tiềm năng, chưa đáp ứng được nhu cầu tiêu dùng trong nước, hàngnăm 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 tuốthạt 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 hìnhthành 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 amonihòa tan trong nước nhờ vào cấu trúc nhiều lỗ xốp và thành phần gồm các polyme nhờxenluloza, hemixenluloza, pectin, lignin và protein [10,24,25]

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

Thành phần Khối lượng (%)Xenlulozơ 32,3 - 45,6Hemixenlulozơ 39,8

Xenlulozơ: Xenlulozơ là polisacarit các mắt xíc a-glucozơ [C6H7O2(OH)3]n nối vớinhau bằng liên kết 1,4-glicozit tạo nên các vi sợi xenlulozơ Phân tử khối củaxenlulozơ rất lớn, khoảng từ 10.000 đến 150.000u vi sợi xenlulozơ có một lớp

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 Dothiếu chuỗi bên hoặc chuỗi nhánh, xenlulozơ là một polyme bán tinh thể, chứa cả phatinh thể và pha vô định hình Liên kết hydro giữa các chuỗi xenlulozơ và lực Van DerWaals giữa các phân tử glucozơ dẫn đến sự hình thành vùng tinh thể liên kết chặt chẽvới nhau Ngược lại, trong vùng vô định hình, xenlulozơ liên kết không chặt chẽ vớinhau 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 cóchứa các nhóm thế axetyl và metyl [11]

Lignin: Lignin là loại polymer được tạo bởi các mắt xích phenylpropan Lignin giữvai 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 đượcchế tạo làm thức ăn cho gia xúc, có thể lên men lõi ngô để thu được ancol etylic hoặcaxít 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 phụtrong xử lý môi trường với giá thành rẻ, quy trình chế tạo vật liệu đơn giản, không đưathêm vào nước thải tác nhân độc hại nên việc nghiên cứu và đưa ra quy trình hoànchỉnh nhằm tận dụng những nguồn nguyên liệu sẵn có ở Việt Nam trong việc xử lýmôi 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, thanhoạt 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 côngnguyên làm chất hấp phụ cho mục đích chữa bệnh Người Hinđu cổ ở Ân Độ làm sạchnước uống của họ bằng cách lọc qua than gỗ Việc sản xuất than hoạt tính trong côngnghiệp 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 cónguồn gốc từ thực vật trong sự có mặt của hơi nước hoặc CO2 Than hoạttính đượcsử

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 nhiềumục đích như loại bỏ màu, mùi, vị không mong muốn và các tạp chất hữu cơ, vô cơtrong nước thải công nghiệp và sinh hoạt, thu hồi dung môi, làm sạch không khí, trongkiểm soát ô nhiễm không khí từ khí thải công nghiệp và khí thải động cơ, trong làmsạch nhiều hóa chất, dược phẩm, sản phẩm thực phẩm và nhiều ứng dụng trong phakhí 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 trongnhiều 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 thểtiến 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 dạngcacbon, 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 tácnhân 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 hóavật lý và hoạt hóa hóa học

♦♦♦ Hoạt hóa vật lý: Sử dụng hơi nước hoặc khí CO2 làm tác nhân hoạt hóa, ởnhiệt độ cao khoảng (800^850)°C những tác nhân hoạt hóa này thực hiện các phản ứngvới nguyên tử cacbon trong than như sau:

Cứ mỗi nguyên tử C bị lấy đi lại tạo thành một lỗ xốp trong cấu trúc của than hoặcphá vỡ những thành liên kết tạo ra hệ thống mạch mao quản làm tăng diện tích bề mặtcủa than

Hoạt hóa bằng phương pháp vật lý mặc dù có thể thu được than hoạt tính có diệntích bề mặt riêng lớn nhưng hiệu suất thu hồi lại không cao do lượng mất mát than lớntrong quá trình hoạt hóa

❖ 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 tạothan thì khi hoạt hóa hơi nước quá nhiệt (ở khoảng 130oC) được thổi vào lò hoạt hóa ởnhiệt độ khoảng 1000oC Ngoài cơ chế tạo thành lỗ xốp do lấy đi các nguyên tử cacboncòn có sự tham gia của các túi khí có sẵn trong than Ở nhiệt độ cao, các túi khí này bịphá 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 xungquanh cũng thoát ra ngoài để lại các lỗ xốp mới Nhiều lỗ xốp kết hợp với nhau tạothành 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 trongnhững 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 nhưZnCl2, 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 hóacũng 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 Ởgiai đoạn đầu, các tạp chất, các chất hữu cơ kích thước lớn được giữ lại trên bề mặtthan do chúng lớn hơn đường kính của lỗ xốp Giai đoạn tiếp theo là giai đoạn hấpphụ, 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 hấpphụ 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.

1.4 Các lý thuyết về quá trình hấp phụ

Hấp phụ là sự tích lũy chất trên bề mặt phân cách các pha (khí - rắn, lỏng - rắn, khí

- lỏng, lỏng - lỏng) Chất có bề mặt mà trên đó xảy ra sự hấp phụ được gọi là chất hấpphụ, còn chất được tích lũy trên bề mặt chất hấp phụ gọi là chất bị hấp phụ

Ngược với quá trình hấp phụ là quá trình giải hấp phụ Đó là quá trình đi ra củachất bị hấp phụ khỏi lớp bề mặt chất hấp phụ

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 hấpphụ hóa học

❖ Hấp phụ vật lý

Các phân tử chất bị hấp phụ liên kết với những tiểu phân (nguyên tử, phân tử, cácion ) ở bề mặt phân chia pha bởi lực liên kết Van Der Walls yếu Đó là tổng hợp củanhiều loại lực hút khác nhau: tĩnh điện, tán xạ, cảm ứng và lực định hướng Trong hấpphụ vật lý, các phân tử của chất bị hấp phụ và chất hấp phụ không tạo thành hợp chấthóa học (không hình thành các liên kết hóa học) mà chất bị hấp phụ chỉ bị ngưng tụtrên 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 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 bềmặt 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.

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 Theothời gian, lượng chất bị hấp phụ tích tụ trên bề mặt chất rắn càng nhiều thì tốc độ dichuyển ngược trở lại pha mang càng lớn Đến một thời điểm nào đó, tốc độ hấp phụbằng tốc độ giải hấp thì quá trình hấp phụ đạt cân bằng Một hệ hấp phụ khi đạt đếntrạng 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 hấpphụ có thể được xây dựng trên cơ sở lý thuyết, kinh nghiệm hoặc bằng kinh nghiệmtùy 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 khốilượng chất hấp phụ ở trạng thái cân bằng trong điều kiện xác định về nồng độ và nhiệtđộ

(1.21)

m

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)

Freundlich V _ k p - ,(n>1) n Vật lí và hóa học

Shlygin Frumkin

-Temkin

V 1 7T = - lnC 0 p V m ữ Hóa học

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 giảthuyết:

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 tiểuphân là như nhau và không phụ thuộc vào sự có mặt của các tiểu phân hấp phụ trêncác trung tâm bên cạnh

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