Tải bản đầy đủ

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

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2
KHOA HÓA HỌC

LÊ THỊ VÂN

NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG HẤP PHỤ AMONI
TRONG NƯỚC CỦA VẬT LIỆU HẤP PHỤ
CHẾ TẠO TỪ BÃ MÍA

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
Chuyên ngành: Hóa Công nghệ - Môi trường

HÀ NỘI, 2018


TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2
KHOA HÓA HỌC

LÊ THỊ VÂN

NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG HẤP PHỤ AMONI

TRONG NƯỚC CỦA VẬT LIỆU HẤP PHỤ
CHẾ TẠO TỪ BÃ MÍA

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
Chuyên ngành: Hóa Công nghệ - Môi trường

Người hướng dẫn khoa học:

ThS. ĐỖ THỦY TIÊN

HÀ NỘI, 2018


LỜI CẢM ƠN
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


LỜI CAM ĐOAN
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


DANH MỤC VIẾT TẮT
Ký hiệu viết tắt

Tên đầy đủ

VLHP

Vật liệu hấp phụ

SEM

Phương pháp kính hiển vi điện tử quét (Scanning
Electron Microscope)

UV - Vis

Máy đo quang phổ (Ultraviolet Visble)


MỤC LỤC
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


3.2. Kết quả đánh giá khả năng hấp phụ amoni của các vật liệu hấp
phụ từ bã mía............................................................................................ 27
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


DANH MỤC BẢNG
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


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
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


Khoá luận tốt nghiệp

Trường ĐHSP Hà Nội 2
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”.

Lê Thị Vân – K40B sư phạm hoá học

1


 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 ) và nitrat (NO3 ) tích tụ trong thức ăn. Khi ăn uống
nước có chứa nitrit thì cơ thể sẽ hấp thu nitrit vào máu và chất này sẽ chiếm
oxy của hồng cầu làm hemoglobin mất khả năng lấy oxy, dẫn đến tình trạng
thiếu máu, xanh da. Vì vậy, nitrit đặc biệt nguy hiểm đối với trẻ mới sinh
dưới sáu tháng tuổi, nó có thể làm chậm sự phát triển, gây bệnh ở đường hô
hấp. Đối với người lớn, nitrit kết hợp với các axit amin trong thực phẩm làm
thành một họ chất nitrosamin. Nitrosamin có thể gây tổn thương di truyền
tế bào, nguyên nhân gây ung thư. Những thí nghiệm cho nitrit vào trong thức
ăn, thức uống của chuột, thỏ.. . với hàm lượng vượt ngưỡng cho phép thì thấy
sau một
thời gian có những khối u sinh ra trong gan, phổi, vòm họng của chúng.


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
3

3

mức 1600m không khí/m 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:
a) Quá trình nitrat hoá:

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

+

NH4 + 3/2O2 → NO2 - + 2H + H2O
-

NO2 + 1/2O2 → NO3

-

Phương trình tổng:
+

-

+

NH4 + 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 (HCO 3 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.
b) Quá trình khử nitrat hoá:

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 NO 3

-

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.
1.2.2. Phương pháp hấp phụ
 Hấp phụ: là quá trình tích lũy chất trên bề mặt phân cách các pha
(rắn - khí, rắn - lỏng, khí - lỏng, lỏng - lỏng).
Trong đó:
- Chất hấp phụ: là chất mà phần tử ở lớp bề mặt có khả năng hút các
phần tử của pha khác nằm tiếp xúc với nó.
- 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
Trong đó:

–E/RT

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
2-

cực cao, ví dụ các ion kim loại hay một số dạng phức oxy anion như SO4 ,
3-

2-

PO4 ,CrO4 … 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:
- Khối lượng phân tử
- Cấu trúc phân tử
- Loại và số lượng các nhóm chức
- Hàm lượng tro và các hợp chất dễ bay hơi
- Diện tích bề mặt riêng
- Số lượng vi lỗ có trong vật liệu
- pH của môi trường hấp phụ và pH của vật liệu
- Liều lượng vật liệu hấp phụ
- Thời gian hấp phụ
- Nồng độ chất hấp phụ.


1.2.3. Các đại lượng đánh giá hệ hấp phụ
❖ Dung lượng hấp phụ

Dung lượng hấp phụ 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.
Nếu gọi Co và Ccb là nồng độ chất bị hấp phụ tại thời điểm ban đầu và ở
trạng thái cân bằng, V là thể tích dung dịch, m là khối lượng chất bị hấp phụ,
trong thí nghiệm ở trạng thái tĩnh có thể xác định:
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:
(1.3)

=θ=
Trong đó:

q, qm: dung lượng hấp phụ cân bằng, dung lượng hấp phụ cực đại (mg/g)
: độ che phủ
KL: hằng số Langmuir
Ccb: nồng độ chất bị hấp phụ khi đạt trạng thái cân bằng hấp phụ (mg/l)
Phương trình Langmuir chỉ ra hai tính chất đặc trưng của hệ:
- Trong vùng nồng độ nhỏ: KL.Ccb << 1 thì q =
hấp phụ tuyến tính.

. KL. Ccb mô tả vùng


- 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:
Ccb
.C
q



1



K L .qm

1

(1.4)

cb

qm

Ccb
vào Ccb sẽ xác định được các hằng
q
số KL, qm trong phương trình. Đường đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir có dạng
Xây dựng đồ thị sự phụ thuộc của

như Hình 1.1 và Hình 1.2.

Hình 1.1. Đường đẳng nhiệt hấp
phụ Langmuir
Tg α=

=> qm =

Hình 1.2. Sự phụ thuộc của
vào Ccb
KL =

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


Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về

Tải bản đầy đủ ngay

×

×