Nghiên cứu khả năng hấp phụ amoni trong nước của vật liệu hấp phụ chế tạo từ bã mía (2018)

Hoạt động nông nghiệp gắn liền với các loại phân bón trên diện rộng, các loại nước thải nông nghiệp, sinh hoạt giàu hợp chất nitơ thải vào môi trường làm cho nước ngầm ngày càng bị ô nhi

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

Chuyên ngành: Hóa Công nghệ - Môi trường

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

Chuyên ngành: Hóa Công nghệ - Môi trường

Người hướng dẫn khoa học:

ThS ĐỖ THỦY TIÊN

Em xin trân trọng gửi lời cảm ơn tới các thầy, cô giáo trong khoa hoá học

đã nhiệt tình giảng dạy và giúp đỡ em trong suốt quá trình học tập dưới mái trường ĐH sư phạm Hà Nội 2, đặc biệt là sự giúp đỡ của Ths Đỗ Thuỷ Tiên Với lòng biết ơn chân thành nhất, em xin gửi lời cảm ơn Ths Đỗ Thủy Tiên người đã trực tiếp hướng dẫn, dìu dắt, và chỉ bảo những kiến thức chuyên môn thiết thực và những chỉ dẫn khoa học quý báu, giúp đỡ em hoàn thành bài khóa luận tốt nghiệp này

Cuối cùng, em xin chân thành cảm ơn gia đình, bạn bè đã luôn tạo mọi điều kiện, động viên, giúp đỡ em trong quá trình học tập

Do điều kiện thời gian và trình độ còn hạn chế, nên bản thân khóa luận này không tránh khỏi những thiếu sót Em rất mong nhận được sự góp ý của thầy, cô giáo cũng như toàn thể các bạn để khóa luận của em có thể hoàn thiện hơn

Hà Nội, tháng 5 năm 2018

Sinh viên thực hiện

Lê Thị Vân

Em xin cam đoan bài khóa luận tốt nghiệp này là công trình nghiên cứu thực sự của cá nhân em, được thực hiện trên cơ sở nghiên cứu lý thuyết, nghiên cứu khảo sát thực nghiệm dưới sự hướng dẫn khoa học của ThS Đỗ Thuỷ Tiên

Các số liệu và những kết quả đo được trong khóa luận là trung thực, do

cá nhân em tiến hành thí nghiệm

Hà Nội, tháng 5 năm 2018

Sinh viên thực hiện

Lê Thị Vân

Máy đo quang phổ (Ultraviolet Visble)

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 3

1.1 Ô nhiễm amoni trong nước ngầm 3

1.1.1 Giới thiệu vài nét về nước ngầm ở Việt Nam 3

1.1.2 Ô nhiễm amoni trong nước ngầm 3

1.1.3 Tác hại các nguồn nước nhiễm amoni 4

1.2 Các phương pháp xử lý ô nhiễm amoni trong nước ngầm 6

1.2.1 Một số phương pháp xử lý amoni 6

1.2.2 Phương pháp hấp phụ 10

1.2.3 Các đại lượng đánh giá hệ hấp phụ 14

1.3 Một số hướng nghiên cứu sử dụng phụ phẩm nông nghiệp làm VLHP 16

1.4 Giới thiệu về nguyên liệu bã mía 17

CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM 20

2.1 Đối tượng nghiên cứu 20

2.2 Dụng cụ và hóa chất 20

2.2.1 Dụng cụ 20

2.2.2 Hóa chất 20

2.3 Phương pháp nghiêm cứu 21

2.3.1 Phương pháp nghiên cứu tài liệu 21

2.3.2 Phương pháp phân tích 21

2.3.3 Phương pháp thực nghiệm 21

CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 26

3.1 Kết quả xây dựng đường chuẩn xác định amoni 26

3.3 Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ amoni của

vật liệu hấp phụ từ bã mía 28

3.3.1 Ảnh hưởng của pH đến hiệu suất xử lý amoni 28

3.3.2 Ảnh hưởng của thời gian khuấy đến hiệu suất xử lý amoni 29

3.3.3 Ảnh hưởng của liều lượng của VLHP đến hiệu suất xử lý amoni 31

3.3.4 Ảnh hưởng của nồng độ amoni đến hiệu suất xử lý amoni 32

3.4 Xây dựng đường đẳng nhiệt hấp phụ 33

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 38

TÀI LIỆU THAM KHẢO 39

Bảng 1.1 Thành phần hoá học của bã mía 18

Bảng 2.1 Các thiết bị chính được sử dụng trong khoá luận 20

Bảng 3.1 Kết quả xây dựng đường chuẩn amoni theo phương pháp nessler 26

Bảng 3.2 Kết quả đánh giá khả năng hấp phụ amoni của các loại vật liệu 27

Bảng 3.3 Ảnh hưởng của pH đến hiệu suất xử lý amoni 28

Bảng 3.4 Ảnh hưởng của thời gian khuấy đến hiệu suất xử lý amoni 30

Bảng 3.5 Ảnh hưởng của liều lượng VLHP đến hiệu suất xử lý amoni 31

Bảng 3.6 Ảnh hưởng của nồng độ amoni đến hiệu suất xử lý amoni 32

Bảng 3.7 Các thông số khảo sát sự hấp phụ amoni của VLHP 34

Bảng 3.8 So sánh khả năng hấp phụ amoni của VLHP từ bã mía với các VLHP khác 35

Hình 1.1 Đường đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir 16

Hình 1.2 Sự phụ thuộc của vào Ccb 16

Hình 3.1 Đường chuẩn xác định nồng độ amoni 26

Hình 3.2 Đồ thị biểu diễn hiệu suất hấp phụ của các VLHP từ bã mía 27

Hình 3.3 Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của pH đến hiệu suất xử lý amoni 29

Hình 3.4 Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của thời gian khuấy đến hiệu suất hấp phụ amoni 30

Hình 3.5 Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của liều lượng VLHP đến hiệu suất xử lý amoni 31

Hình 3.6 Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của nồng độ amoni đến hiệu suất xử lý amoni 33

Hình 3.7 Đường đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir 34

Hình 3.8 Đồ thị biểu biễn sự phụ thuộc của Ccb/q và Ccb 34

Hình 3.9 Ảnh SEM của nguyên liệu 36

Hình 3.10 Ảnh SEM của VLHP 36

MỞ ĐẦU

 Lý do chọn đề tài

Chất lượng nước có vai trò hết sức quan trọng trong sự nghiệp bảo vệ và chăm sóc sức khoẻ cộng đồng Các nguồn nước được sử dụng chủ yếu là nước mặt và nước ngầm đã qua xử lý hoặc sử dụng trực tiếp Phần lớn chúng đều bị ô nhiễm bởi các tạp chất với thành phần và mức độ khác nhau tuỳ thuộc vào điều kiện địa lý, đặc thù sản xuất, sinh hoạt của từng vùng và phụ thuộc vào địa hình mà nó chảy qua hay vị trí tích tụ Ngày nay, với sự phát triển của nền công nghiệp, quá trình đô thị hoá và bùng nổ dân số đã làm cho

nguồn nước tự nhiên ngày ngày càng cạn kiệt và ngày càng ô nhiễm

Hoạt động nông nghiệp gắn liền với các loại phân bón trên diện rộng, các loại nước thải nông nghiệp, sinh hoạt giàu hợp chất nitơ thải vào môi trường làm cho nước ngầm ngày càng bị ô nhiễm các hợp chất nitơ mà chủ yếu là amoni

Amoni không gây độc trực tiếp cho con người nhưng sản phẩm chuyển hoá từ amoni là nitrit và nitrat là yếu tố gây độc Các hợp chất nitrit và nitrat hình thành do quá trình oxi hoá của vi sinh vật trong quá trình xử lý, tàng trữ

và chuyển tải nước đến người tiêu dùng Vì vậy việc xử lý amoni trong nước

là đối tượng rất đáng quan tâm

Hiện nay, phương pháp hấp phụ để xử lý amoni bằng việc tận dụng nguồn nguyên liệu là các phế thải trong quá trình sản xuất nông nghiệp đang cho thấy là giải pháp đem lại nhiều ưu điểm nhất như không đưa vào nguồn nước các hóa chất độc hại, xử lý hiệu quả amoni và nguyên liệu em dùng để sản xuất vật liệu hấp phụ ở đây là bã mía có giá thành rẻ, dễ kiếm

Với các lý do trên em đã chọn đề tài “Nghiên cứu khả năng hấp phụ amoni trong nước của vật liệu hấp phụ chế tạo từ bã mía”

 Mục đích nghiên cứu

Khoá luận được thực hiện nhằm chế tạo ra các vật liệu hấp phụ từ bã mía bằng các phương pháp khác nhau Sau đó sử dụng vật liệu hấp phụ đã chế tạo

để xử lý amoni trong nước

 Nhiệm vụ nghiên cứu

- Chế tạo các vật liệu hấp phụ từ bã mía

- Đánh giá khả năng hấp phụ amoni của các VLHP chế tạo từ bã mía

- Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng (pH, thời gian, liều lượng, nồng độ) tới khả năng hấp phụ amoni của vật liệu hấp phụ đã chọn

- Đánh giá cấu trúc bề mặt của VLHP

 Phương pháp nghiên cứu

- Phương pháp nghiên cứu tài liệu

- Phương pháp phân tích:

+ Phương pháp kính hiển vi điện tử quét (SEM)

+ Phương pháp quang phổ UV-Vis

- Phương pháp thực nghiệm

 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

Điều chế được VLHP từ bã mía để ứng dụng làm vật hấp phụ các ion kim loại, các chất hữu cơ gây ô nhiễm môi trường

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

1.1 Ô nhiễm amoni trong nước ngầm

1.1.1 Giới thiệu vài nét về nước ngầm ở Việt Nam

Ở Việt Nam, nước ngầm là một hợp phần quan trọng của tài nguyên nước, là ngồn cung cấp nước rất quan trọng cho sinh hoạt, nông nghiệp và công nghiệp Nước ngầm tồn tại trong các lỗ hổng và các khe nứt của đất đá, được tạo thành trong giai đoạn trầm tích hoặc do sự thẩm thấu của nguồn nước mặt, nước mưa Nước ngầm có thể tồn tại cách mặt đất vài mét, vài chục mét, hay hàng trăm mét Hiện nay nguồn nước ngầm chiếm 35-50% tổng lượng nước cấp cho sinh hoạt ở các đô thị trên toàn quốc [1],[5]

Các nguồn nước ngầm hầu như không chứa rong tảo, một trong những nguyên nhân gây ô nhiễm nước Thành phần đáng quan tâm trong nước ngầm

là các tạp chất hòa tan do ảnh hưởng của điều kiện địa tầng, thời tiết, các quá trình phong hóa, sinh hóa trong khu vực Ở những vùng có điều kiện phong hóa tốt, có nhiều chất bẩn và lượng mưa lớn thì chất lượng nước ngầm dễ bị ô nhiễm bởi các chất khoáng hòa tan, các chất hữu cơ và mùn lâu ngày theo nước mưa ngấm vào đất Ngoài ra, nước ngầm cũng có thể bị ảnh hưởng do tác động của con người Các chất thải của con người và động vật, chất thải sinh hoạt, chất thải hóa học, công nghiệp và việc sử dụng phân bón hóa học theo thời gian sẽ ngấm vào nguồn nước, tích tụ dần và làm ô nhiễm nguồn nước ngầm

1.1.2 Ô nhiễm amoni trong nước ngầm

 Nguồn gốc ô nhiễm amoni trong nước ngầm ở Việt Nam

Có nhiều nguyên nhân dẫn đến tình trạng ô nhiễm amoni và các chất hữu

cơ trong nước ngầm nhưng một trong những nguyên nhân chính là do việc sử dụng quá mức lượng phân bón hữu cơ, thuốc trừ sâu, hoá chất bảo vệ thực vật

đã gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến nguồn nước, hoặc do quá trình phân huỷ các hợp chất hữu cơ và các chất trên càng làm đẩy nhanh quá trình nhiễm amoni trong nước ngầm Ngoài ra mức độ ô nhiễm còn phụ thuộc vào loại hình canh tác của từng khu vực như: [2]

Do cấu tạo địa chất và lịch sử hình thành địa tầng

Do sự tồn tại của nguồn ô nhiễm nằm ở phía trên mặt đất

Do độ dốc thuỷ lực lớn

* Vài nét về ô nhiễm nước ngầm tại Hà Nội:

Hà Nội do nền kinh tế phát triển lại là trung tâm của đất nước nên dân số tập trung rất đông, vì vậy khiến cho lượng nước dùng cho sinh hoạt và sản xuất tăng nhanh đó là lý do khiến nguồn nước ngầm nơi đây ngày càng cạn kiệt, bên cạnh đó nguồn nước thải công nghiệp, sinh hoạt thải ra môi trường đất, nước làm nguồn nước ngầm ngày càng ô nhiễm Theo nghiên cứu của nhiều nhà khoa học cho biết, nguồn nước ngầm tự nhiên ở Hà Nội hiện có hàm lượng asen, amoni trong nước khá cao Điểm đáng báo động hiện nay là việc nước nhiễm amoni, với hàm lượng cho phép là dưới 1.5 mg/l nhưng nhiều khu vực ở Hà Nội có mức nhiễm amoni nặng, cao hơn 20-30 lần mức cho phép, như ở khu vực Hạ Đình, Pháp Vân, Linh Đàm, khu vực Cầu Giấy,… và đang lan rộng trên toàn thành phố Đáng nguy hại hơn là mức độ

ô nhiễm đang tăng dần theo thời gian [5]

1.1.3 Tác hại các nguồn nước nhiễm amoni

* Tác hại đối với môi trường:

Nước thải chứa nhiều amoni nếu không được xử lý trước khi thải vào môi trường sẽ gây ra những ảnh hưởng sau:

- Gây hiện tượng phú dưỡng trong hệ sinh thái

- Làm cạn kiệt lượng oxi hoà tan trong nước

- Gây độc với hệ sinh vật nước

Hiện tượng phú dưỡng trong nước là do dư thừa chất dinh dưỡng dẫn đến sự phát triển bùng nổ của các loại tảo và vi sinh vật Khi đó, mật độ thuỷ sinh trong hồ rất dày đặc, làm cho nước có độ màu, độ đục cao Ngoài ra khi một lượng lớn tảo chết đi sẽ cần lượng oxi lớn tướng ứng để phân huỷ dẫn đến hàm lượng oxi hoà tan trong nước bị cạn kiệt, làm chết đi các sinh vật sống trong nước

Amoni là nguồn dinh dưỡng để rêu tảo phát triển, vi sinh vật phát triển trong đường ống gây ăn mòn, rò rỉ và mất mỹ quan [1]

* Tác hại đối với sức khoẻ con người

Amoni không gây ảnh hưởng trực tiếp đến sức khoẻ con người, nhưng trong quá trình khai thác, lưu trữ và xử lý amoni được chuyển hoá thành nitrit (NO2-) và nitrat (NO3-) là những chất có tính độc hại, vì nó có thể chuyển hoá thành nitrosamin có khả năng gây ung thư cho con người Chính

vì vậy quy định nồng độ nitrit cho phép trong nước sinh hoạt là khá thấp Như vậy ở trong nước ngầm, amoni không thể chuyển hoá được do thiếu oxy, khi khai thác lên vi sinh vật trong nước nhờ oxy trong không khí chuyển amoni thành nitrit (NO2

Các hợp chất nitơ trong nước có thể gây nên một số bệnh nguy hiểm cho người sử dụng nước Nitrat tạo ra chứng thiếu vitamin và có thể kết hợp với các amin để tạo nên những nitrosamin là nguyên nhân gây ung thư ở người cao tuổi 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

Bên cạnh đó hàm lượng amoni trong nước uống cao có thể gây một số hậu quả như sau:

- Nó có thể kết họp với Clo tạo ra Cloramin là một chất làm cho hiệu quả khử trùng giảm đi rất nhiều so với Clo gốc

- Nó là nguồn Nitơ thứ cấp sinh ra nitrit trong nước, một chất có tiềm năng gây ung thư [1],[7]

1.2 Các phương pháp xử lý ô nhiễm amoni trong nước ngầm

1.2.1 Một số phương pháp xử lý amoni

 Phương pháp kiềm hóa và làm thoáng [8],[3]

Amoni ở trong nước tồn tại dưới dạng cân bằng:

NH4 + NH3 (khí hoà tan) + H+ pKa = 9,25 Như vậy, ở pH gần 7 chỉ có một lượng rất nhỏ khí NH3 so với ion amoni Nếu ta nâng pH tới 9,25 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 Trong thực tế pH phải nâng lên xấp xỉ 11, lượng khí cần để đuổi NH4 ở mức 1600m3

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 amoni xuống dưới 1,5mg/l nên rất hiếm khi được áp dụng để xử lý nước cấp

 Phương pháp Ozon hoá với xúc tác Bromua(Br

-) [3]

Để khắc phục nhược điểm của phương pháp Clo hoá điểm đột biến người ta có thể thay thế một số tác nhân oxi hoá khác là ozon với sự có mặt của Br-

về cơ bản xử lý amoni bằng O3 với sự có mặt của Brom cũng diễn ra theo cơ chế giống như phương pháp xử lý dùng Clo Dưới tác dụng của O3, Br- bị oxi hoá thành BrO theo phản ứng sau đây:

Br-+ O3 + H+ → HBrO + O2

Phản ứng oxy hoá amoni được thực hiện bởi ion BrO

giống như của ion CIO-:

NH3 + HBrO → NH2Br + H2O

NH2Br + HBrO → NHBr2 + H2O

NH2Br + NHBr2 →N2 + 3Br- + 3H+

 Phương pháp trao đổi ion [3]

Phương pháp trao đổi ion được sử dụng rộng rãi trong các quá trình xử lý nước thải cũng như nước cấp Trong xử lý nước cấp, phương pháp trao đổi ion thường được sử dụng để khử các muối, khử cứng, khử khoáng, khử nitrat, khử màu, khử kim loại, các ion kim loại nặng và các ion kim loại khác có trong nước

Trong xử lý nước thải, phương pháp trao đổi ion được sử dụng để loại ra khỏi nước các kim loại (kẽm, đồng, crom, nikel, chì, thủy ngân, cadimi, mangan ) các hợp chất của asen, photpho, xianua, và các chất phóng xạ Phương pháp này cho phép thu hồi các chất có giá trị với độ làm sạch nước cao Nhược điểm chính của phương pháp này là chi phí đầu tư và chi phí vận hành khá cao nên ít được sử dụng cho các công trình lớn và thường sử dụng

cho các trường hợp đòi hỏi chất lượng xử lý cao Ưu điểm của phương pháp

là rất triệt để và xử lý có chọn lựa đối tượng Thực chất của phương pháp này

là quá trình trao đổi ion dựa trên sự tương tác hóa học giữa ion trong pha lỏng

và ion trong pha rắn Trao đổi ion là một quá trình gồm các phản ứng hóa học đổi chỗ (phản ứng thế) giữa các ion trong pha lỏng và các ion trong pha rắn (là nhựa trao đổi) Sự ưu tiên hấp thụ của nhựa trao đổi dành cho các ion trong pha lỏng nhờ đó các ion trong pha lỏng dễ dàng thế chỗ các ion có trên khung mang của nhựa trao đổi Quá trình này phụ thuộc vào từng loại nhựa trao đổi

và các loại ion khác nhau

 Phương pháp sinh học [3]

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

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

+ 2O2 → NO3

+ 2H+ + H2O Đầu tiên, amoni được oxy hóa thành các nitrit nhờ các 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 họp ra các tế bào vi khuẩn mới là cacbon vô cơ (HCO3- là chính) Ngoài ra chúng tiêu thụ mạnh O2

Quá trình trên thường được thực hiện trong bể phản ứng sinh học với lớp bùn dính bám trên các vật liệu mang - giá thể vi sinh Vận tốc quá trình oxy hóa nitơ amoni phụ thuộc vào tuổi thọ bùn (màng vi sinh vật), nhiệt độ, pH của môi trường, nồng độ vi sinh vật, hàm lượng nitơ amoni, oxy hòa tan, vật liệu lọc Các vi khuẩn nitrat hóa có khả năng kết hợp thấp, do vậy việc lựa chọn vật liệu lọc nơi các màng vi sinh vật dính bám cũng có ảnh hưởng quan trọng đến hiệu suất làm sạch và sự tương quan sản phẩm của phản ứng sinh hóa Sử dụng vật liệu mang phù họp làm giá thể cố định vi sinh cho phép giữ được sinh khối trên giá thể, tăng tuổi thọ bùn, nâng cao và ổn định hiệu suất

xử lý trong cùng một khối tích công trình cũng như tránh được những sốc do thay đổi điều kiện môi trường

Để loại bỏ nitrat trong nước, sau công đoạn nitrat hóa amoni là khầu khử nitrat sinh hóa nhờ các vi sinh vật dị dưỡng trong điều kiện thiếu khí (anoxic) Nitrit và nitrat sẽ chuyển thành dạng khí N2

Quá trình khử nitrat hoá là tổng hợp của bốn phản ứng nối tiếp nhau:

NO3 → NO2 → NO → N2O → N2

Vi khuẩn khử tham gia vào quá trình khử nitrat bao gồm Bacilus,

Pseudomnas, Methanomonas, Paracocas, Spiritum, Thiobacilus,

Để thực hiện phương pháp này, người ta cho nước qua bể lọc kỵ khí với vật liệu lọc, nơi dính bám và sinh trưởng của vi sinh vật khử nitrat Quá trình này đòi hỏi nguồn cơ chất - chất cho điện tử Chúng có thể là chất hữu cơ,

H2S, Nếu trong nước không có oxy nhưng có mặt các hợp chất hữu cơ mà

vi sinh hấp thụ được, trong môi trường anoxic, khi đó vi khuẩn dị dưỡng sẽ sử dụng NO3- như nguồn oxy để oxy hóa chất hữu cơ (chất nhường điện tử), còn

NO3

(chất nhận điện tử) bị khử thành khí N2

Vi khuẩn thu năng lượng để tăng trưởng từ quá trình chuyển hoá NO3

thành khí N2 và cần có nguồn cacbon để tổng hợp tế bào Do đó khi khử NO3

-sau quá trình nitrat hóa mà thiếu các hợp chất hữu cơ chứa cacbon thì phải đưa thêm các chất này vào nước Hiện nay, người ta thường sử dụng khí tự nhiên (chứa metan), rượu, đường, cồn, dấm, axetat natri, Axetat natri là một trong những hoá chất thích hợp nhất

Mặc dù có nhiều phương pháp xử lý amoni, nhưng phương pháp hấp phụ amoni là phương pháp hiệu quả và đơn giản về kĩ thuật nhất hiện nay

- Chất bị hấp phụ: là chất bị hút khỏi pha thể tích đến tập trung trên bề mặt chất hấp phụ

- Pha mang: hỗn hợp tiếp xúc với chất hấp phụ

Hấp phụ là một quá trình tỏa nhiệt Ngược với sự hấp phụ là quá trình đi

ra khỏi bề mặt chất hấp phụ của các phần tử bị hấp phụ Tùy theo bản chất lực tương tác giữa các phân tử của chất hấp phụ và chất bị hấp phụ người ta phân biệt thành hấp phụ vật lý và hấp phụ hóa học [3]

 Hấp phụ vật lý

Định nghĩa: Hấp phụ vật lý là quá trình hấp phụ gây ra bởi lực Vander Walls giữa phân tử chất bị hấp phụ và bề mặt chất hấp phụ (bao gồm cả ba loại lực: cảm ứng, định hướng, khuếch tán), liên kết này yếu dễ bị phá vỡ Vì vậy hấp phụ vật lý có tính thuận nghịch cao

Hấp phụ vật lý không có tính chọn lọc Quá trình hấp phụ vật lý là một quá trình thuận nghịch tức là có cân bằng động giữa chất hấp phụ và bị hấp phụ Nhiệt lượng tỏa ra khi hấp phụ vật lý khoảng 2÷6 kcal/mol Sự hấp phụ vật lý ít phụ thuộc vào bản chất hóa học của bề mặt, không có sự biến đổi cấu trúc của các phân tử chất hấp phụ và bị hấp phụ [3]

 Hấp phụ hóa học

Định nghĩa: Hấp phụ hóa học được gây ra bởi các liên kết hóa học (liên kết cộng hóa trị, lực ion, lực liên kết phối trí) Trong hấp phụ hóa học có sự trao đổi electron giữa chất hấp phụ và chất bị hấp phụ Cấu trúc electron phân

tử các chất tham gia quá trình hấp phụ có sự biến đổi rất lớn dẫn đến hình thành liên kết hóa học Nhiệt lượng tỏa ra khi hấp phụ hóa học thường lớn hơn 22 kcal/mol

Trong thực tế sự phân biệt giữa hấp phụ hóa học và hấp phụ vật lý chỉ là tương đối vì ranh giới giữa chúng không rõ rệt Một số trường hợp tồn tại cả quá trình hấp phụ vật lý và hấp phụ hóa học Ở vùng nhiệt độ thấp xảy ra quá trình hấp phụ vật lý, khi tăng nhiệt độ khả năng hấp phụ vật lý giảm và khả

năng hấp phụ hóa học tăng lên

Rất khó phân biệt rõ ràng hấp phụ hóa học và hấp phụ vật lý Tốc độ của quá trình hấp phụ vật lý thường cao còn hấp phụ hóa học thì ngược lại và được xác định theo công thức:

Khpc= k0.z.e –E/RTTrong đó: Khpc: hằng số tốc độ của hấp phụ hóa học

K0 : hệ số hấp phụ E: năng lượng hoạt hóa z: số va chạm của phần tử chất bị hấp phụ trên một đơn vị

bề mặt trong một đơn vị thời gian

 Đặc điểm chung của hấp phụ trong môi trường nước [7]

Hấp phụ trong môi trường nước là hấp phụ hỗn hợp, vì trong hệ có ít nhất ba thành phần gây tương tác là: nước - chất hấp phụ - chất bị hấp phụ

Do sự có mặt của nước nên trong hệ sẽ xảy ra quá trình hấp phụ cạnh tranh và

có chọn lọc giữa chất bị hấp phụ và nước tạo ra các cặp hấp phụ là: chất bị hấp phụ - chất hấp phụ; nước - chất hấp phụ, cặp nào có tương tác mạnh hơn thì hấp phụ xảy ra với cặp đó

Tính chọn lọc của các cặp hấp phụ phụ thuộc vào các yếu tố: độ tan của chất bị hấp phụ trong nước, tính ưa nước hoặc kị nước của chất hấp phụ, mức

độ kị nước của chất bị hấp phụ trong nước Vì vậy, khả năng hấp phụ của chất hấp phụ đối với chất bị hấp phụ trước tiên phụ thuộc vào tính tương đồng về

độ phân cực giữa chúng: chất bị hấp phụ không phân cực được hấp phụ tốt trên chất hấp phụ không phân cực và ngược lại Đối với các chất có độ phân cực cao, ví dụ các ion kim loại hay một số dạng phức oxy anion như SO4

2-,

PO43- ,CrO42-… thì quá trình hấp phụ xảy ra do tương tác tĩnh điện thông qua lớp điện kép Các ion hoặc các phân tử có độ phân cực cao trong nước bị bao bọc bởi một lớp vỏ là các phân tử nước, do đó bán kính (độ lớn) của các ion, các phân tử chất bị hấp phụ có ảnh hưởng nhiều đến khả năng hấp phụ của hệ

do tương tác tĩnh điện Với các ion cùng hóa trị, ion nào có bán kính lớn hơn

sẽ được hấp phụ tốt hơn do độ phân cực cao hơn và lớp vỏ hyđrat nhỏ hơn Hấp phụ trong môi trường nước còn bị ảnh hưởng nhiều bởi pH của dung dịch Sự biến đổi pH dẫn đến sự biến đổi bản chất của chất bị hấp phụ

và chất hấp phụ Các chất bị hấp phụ và các chất hấp phụ có tính axit yếu, bazơ yếu hoặc lưỡng tính sẽ bị phân li, tích điện âm, dương hoặc trung hoà tùy thuộc giá trị pH Tại giá trị pH bằng điểm đẳng điện thì điện tích bề mặt chất hấp phụ bằng không, trên giá trị đó bề mặt chất hấp phụ tích điện âm và dưới giá trị đó bề mặt chất hấp phụ tích điện dương Đối với các chất trao đổi

ion diễn biến của hệ cũng phức tạp do sự phân li của các nhóm chức và các cấu tử trao đổi cũng phụ thuộc vào pH của môi trường, đồng thời trong hệ cũng xảy ra cả quá trình hấp phụ và tạo phức chất

Ngoài ra, độ xốp, sự phân bố lỗ xốp, diện tích bề mặt, kích thước mao quản cũng ảnh hưởng tới sự hấp phụ

Đối với các hợp chất hữu cơ, trong môi trường nước chúng có độ tan khác nhau do đó khả năng hấp phụ chúng trên VLHP là khác nhau Phần lớn các chất hữu cơ tồn tại trong nước dạng phân tử trung hòa, ít bị phân cực nên quá trình hấp phụ trên VLHP đối với chất hữu cơ chủ yếu theo cơ chế hấp phụ vật lý Khả năng hấp phụ các chất hữu cơ trên VLHP phụ thuộc vào: pH của môi trường, lượng chất hấp phụ, nồng độ chất bị hấp phụ…

Đặc tính của ion kim loại nặng trong môi trường nước: để tồn tại được ở trạng thái bền, các ion kim loại trong môi trường nước bị hydrat hóa tạo ra lớp

vỏ là các phân tử nước, các phức chất hidroxo, các cặp ion hay phức chất khác Tùy thuộc vào bản chất hóa học của các ion, pH của môi trường, các thành phần khác cùng có mặt mà hình thành các dạng tồn tại khác nhau

 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hấp phụ

Quá trình hấp phụ về cơ bản ảnh hưởng bởi các yếu tố sau:

1.2.3 Các đại lượng đánh giá hệ hấp phụ

q = ( ) q: mg/g hoặc mol/g; Co,Ccb: mg/l hoặc mol/l

 Hiệu suất hấp phụ

Hiệu suất hấp phụ là tỷ số giữa nồng độ dung dịch bị hấp phụ và nồng độ dung dịch ban đầu

H = ( ) 100% (1.2) Trong đó: H: Hiệu suất hấp phụ (%)

Co: nồng độ dung dịch ban đầu (mg/l)

Ccb: nồng độ dung dịch khi đạt cân bằng hấp phụ (mg/l)

- Mối quan hệ q = f(C) được gọi là phương trình đẳng nhiệt, nó có thể được xây dựng trên cơ sở lý thuyết hoặc thực nghiệm Các phương trình đẳng nhiệt thường dùng là Langmuir và Freudlich

❖ Phương trình đẳng nhiệt Langmuir

Q = qmax

Trong đó: q - dung lượng hấp phụ tại thời điểm cân bằng

qmax - dung lượng hấp phụ cực đại

Ccb - nồng độ tại thời điểm cân bằng

KL - hằng số đặc trưng tương tác của chất hấp phụ và chất bị hấp phụ

❖ Phương trình đẳng nhiệt Freudlich

q=kF.ccb

1/n

Phương trình được chuyển về dạng phương trình đường thẳng

logq = logkF + logCcb

Trong đó: q - dung lượng hấp phụ tại thời điểm cân bằng (mg/g)

k,n - hằng số liên quan đến nhiệt độ, đặc trưng cho hệ hấp phụ Trong đề tài này, em nghiên cứu cân bằng hấp phụ của các VLHP với ion NH4+ trong môi trường nước theo mô hình đường đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir

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

- Tiểu phân bị hấp phụ liên kết với bề mặt tại những trung tâm xác định

- Mỗi trung tâm chỉ hấp phụ một tiểu phân

- 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 Langmuir được biểu diễn như sau:

- Trong vùng nồng độ cao: KL.Ccb >> 1 thì q = mô tả vùng hấp phụ bão hòa

Khi nồng độ chất bị hấp phụ nằm giữa hai giới hạn trên thì đường đẳng nhiệt biểu diễn là một đoạn cong Để xác định các hằng số trong phương trình

đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir, đưa phương trình (1.3) về dạng phương trình

đường thẳng:

Xây dựng đồ thị sự phụ thuộc của vào C cb sẽ xác định được các hằng

số KL, q m trong phương trình Đường đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir có dạng như Hình 1.1 và Hình 1.2

1.3 Một số hướng nghiên cứu sử dụng phụ phẩm nông nghiệp làm VLHP

Ngày nay, trên thế giới và ở Việt Nam đã có nhiều công trình nghiên cứu, nhiều đề tài khoa học nhằm tìm các giải pháp sử dụng vật liệu hấp phụ từ phụ phẩm nông nghiệp để loại bỏ kim loại nặng trong nước thải Nhiều công

q