Đồ án tốt nghiệp: Nghiên cứu chế tạo vật liệu bentonite biến tính và ứng dụng xử lý amoni trong nước

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:70

Thêm vào BST

Báo xấu

66
lượt xem 8
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục đích nghiên cứu của đồ án là biến tính thành công khoáng sét thiên nhiên bentonite thành vật liệu đất sét chống. Hấp phụ xử lý amoni với những đặc điểm về cấu trúc hóa học được cải thiện qua quá trình biến tính. Để hiểu rõ hơn, mời các bạn tham khảo chi tiết nội dung đồ án này.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Đồ án tốt nghiệp: Nghiên cứu chế tạo vật liệu bentonite biến tính và ứng dụng xử lý amoni trong nước

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÀ RỊA - VŨNG TÀU VIỆN KỸ THUẬT KINH TÉ BIỂN BARI A V U N G TA U UNIVERSITY C a p Sa in t |A«'(IỊJIS ĐỒ ÁN TÓT NGHIỆP NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU BENTONITE BIẾN TÍNH VÀ ỨNG DỤNG XỬ LÝ AMONI TRONG NƯỚC Trình độ đào tạo: Đại học chính quy Ngành: Công nghệ kĩ thuật hóa học Chuyên ngành: Hóa dầu Giảng viên hướng dẫn: ThS. Diệp Khanh Sinh viên thực hiện: Nguyễn Văn Tuấn MSSV: 13030105 Lớp DH13hd Bà Rịa - Vũng Tàu, 2017
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÀ RỊA - VŨNG TÀU VIỆN KỸ THUẬT - KINH TẾ BIỂN PHIẾU GIAO ĐỀ TÀI ĐỒ ÁN/ KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP (Đính kèm Quy định về việc tổ chức, quản lý các hình thức tốt nghiệp ĐH, CĐ ban hành kèm theo Quyết định số 585/QĐ-ĐHBRVT ngày 16/7/2013 của Hiệu trưởng Trường Đại học BR- VT) Họ và tên sinh viên: Nguyễn Văn Tuấn Ngày sinh: 6/5/1995 MSSV : 13030105 Lớp: DH13hd Địa chỉ : 171/53 Nguyễn An Ninh, p7, Tp Vũng Tàu E-mail : tuannguyenld95@gmail.com Trình độ đào tạo : Đại học Hệ đào tạo : Chính quy Ngành : Công nghệ kĩ thuật hóa hoc Chuyên ngành : Hóa dầu 1. Tên đề tài: “Nghiên cứu chế tạo vật liệu bentonite biến tính và ứng dụng xử lý amoni trong nước”. 2. Giảng viên hướng dẫn: ThS. Diệp Khanh 3. Ngày giao đề tài: 8/2/2017 4. Ngày hoàn thành đồ án/ khoá luận tốt nghiệp: 22/07/2017 Bà Rịa-Vũng Tàu, ngày 22 tháng 7 năm 2017 GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN SINH VIÊN t Hự C h iệ n (Ký và ghi rõ họ tên) (Ký và ghi rõ họ tên) TRƯỞNG NGÀNH PHÓ VIỆN TRƯỞNG (Ký và ghi rõ họ tên) (Ký và ghi rõ họ tên)
Tôi cam đoan đồ án tốt nghiệp này là công trình nghiên cứu của riêng tôi và được sự hướng dẫn khoa học của ThS. Diệp Khanh. Các nội dung nghiên cứu, kết quả trong đề tài này là trung thực và chưa công bố dưới bất kì hình thức nào trước đây. Trong luận văn có sử dụng một số nhận xét, đánh giá cũng như số liệu của các tác giả, cơ quan tổ chức khác nhau đều có trích dẫn và chú thích rõ ràng về nguồn gốc. Nếu phát hiện bất cứ gian lận nào tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm về nội dung luận văn của mình và chịu mọi hình thức kỉ luật theo quy định. Vũng Tàu, ngày, 22 tháng 7 năm 2017 Sinh viên thực hiện
Lời đầu tiên tôi xin gửi lời cảm ơn đến trường Đại học Bà Rịa - Vũng Tàu, Viện kỹ thuật kinh tế biển đã tạo điều kiện cho tôi mượn dụng cụ và phòng thí nghiệm để hoàn thành đồ án này. Đặc biệt, tôi gửi lời cảm ơn chân thành đến ThS. Diệp Khanh đã tận tình hướng dẫn và giúp đỡ tôi trong suốt thời gian để nghiên cứu đề tài. Cảm ơn đến quý Thầy, Cô Viện kỹ thuật kinh tế biển, trường Đại học Bà Rịa - Vũng Tàu đã dạy dỗ và truyền đạt kiến thức quý báu trong suốt thời gian học tập tại trường. Xin chân thành cảm ơn đến quý Thầy, Cô Hội đồng chấm đồ án tốt nghiệp đã dành thời gian đọc và đưa ra những lời nhận xét giúp tôi hoàn thiện hơn đồ án này. Cám ơn gia đình và bạn bè đã tiếp thêm niềm tin, nghị lực và giúp đỡ tôi trong suốt thời gian qua. Xin gửi đến lời cám ơn chân thành và sâu sắc nhất! Vũng Tàu, ngày22 tháng 7 năm 2017
MỤC LỤC DANH MỤC BẢNG DANH MỤC HÌNH DANH MỤC VIẾT TẮT MỞ ĐẦU Chương 1. TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan về amoni và sự ônhiễm amoni....................................................... 14 1.1.1 Sơ lược về amoni.......................................................................................14 1.1.2 Hiện trạng ô nhiễm amoni.........................................................................14 1.1.3 Tác hại của amoni.....................................................................................15 1.1.4 Một số phương pháp xử lý amoni.............................................................16 1.2 Tổng quan về bentonite................................................................................... 21 1.2.1 Thành phần khoáng và thành phần hoá học............................................. 21 1.2.2 Cấu trúc montmorillonit........................................................................... 22 1.2.3 Tính chất lý - hoá của bentonit................................................................ 23 1.2.4 Biến tính M M T........................................................................................ 25 1.2.5 Một số ứng dụng của bentonite................................................................ 29 1.3 Cơ sở lý thuyết quá trình hấp phụ................................................................... 30 1.3.1 Cơ sở lý thuyết......................................................................................... 30 1.3.2 Động học hấp phụ.................................................................................... 31 Chương 2. THỰC n g h iệ m 2.1 Nguyên liệu và hóa chất.................................................................................. 34 2.2 Thiết b ị............................................................................................................ 34 2.3 Tạo vật liệu...................................................................................................... 35 2.3.1 Tạo mẫu Bentonite.....................................................................................35
2.3.2 Tổng hợp vật liệu Bentonite-Al, Bentonite-H-Al..................................... 35 2.3.3 Tổng hợp vật liệu Bentonite-Fe, Bentonite-H-Fe..................................... 36 2.3.4 Tổng hợp vật liệu Bentonite-Zn, Bentonite-H-Zn....................................37 2.4 Khảo sát hấp phụ amoni..................................................................................39 2.4.1 Lý thuyết quá trình................................................................................... 39 2.4.2 Tạo đường chuẩn...................................................................................... 39 2.4.3 Khảo sát sự hấp phụ amoni trên mẫu....................................................... 41 2.4.4 Các phương pháp phân tích được dùng trong thí nghiệm........................ 41 Chương 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1 Kết quả phân tích cấu trúc vật liệu.................................................................. 45 3.1.1 Kết quả phân tích XRD của các mẫu vật liệu.......................................... 45 3.1.2 Kết quả phân tích IR của các mẫu vật liệu............................................... 49 3.2 Kết quả khảo sát hấp phụ amoni..................................................................... 53 3.2.1 Đường chuẩn............................................................................................ 53 3.2.2 Khảo sát sự hấp phụ khi thay đổi nồng độ................................................55 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ TÀI LIỆU THAM KHẢO
DANH MỤC BẢNG Bảng 1. 1: Tiêu chuẩn một số quốc gia về các hợp chất nitơ trong cấp nước.............16 Bảng 1. 2: Các phương trình hấp phụ đẳng nhiệt....................................................... 32 Bảng 2. 1: Các mẫu bentonite biến tín h ..................................................................... 39 Bảng 2. 2: Số liệu thiết lập đường chuẩn................................................................... 41 Bảng 3. 1: Các vùng hấp thụ đặc trưng trong phổ hồng ngoại của các mẫu...............52 Bảng 3. 2: Số liệu đường chuẩn................................................................................. 53 Bảng 3. 3: Khảo sát hấp phụ amoni của Bent-Al.................................................55 Bảng 3. 4: Khảo sát hấp phụ amoni của Bent-Fe.................................................57 Bảng 3. 5: Khảo sát hấp phụ amoni của Bent-Zn.................................................59 Bảng 3. 6 : Khảo sát hấp phụ amoni của Bent-H-Al.............................................61 Bảng 3. 7: Khảo sát hấp phụ amoni của Bent-H-Fe.............................................63 Bảng 3. 8 : Khảo sát hấp phụ amoni của Bent-H-Zn............................................65
DANH MỤC HÌNH Hình 1. 1: Đường cong Clo hóa tới điểm đột biến đối với nước có amoni..................18 Hình 1. 2: Cấu trúc lớp của Montmorillonite............................................................... 22 Hình 1. 3: Cấu trúc 2:1 của MMT................................................................................ 23 Hình 1. 4: Các dạng nhóm hidroxi trên bề mặt khoáng sét.......................................... 26 Hình 1. 5: Một số polioxocation kim loại..................................................................... 27 Hình 1. 6 : Sơ đồ hình thành sét chống bằng Pillar nhôm............................................ 28 Hình 1. 7: Sơ đồ hấp phụ............................................................................................. 30 Hình 2. 1: Bentonite Di Linh........................................................................................34 Hình 2. 2: Quy trình điều chế vật liệu Bent-Al.......................................................36 Hình 2. 3: Quy trình điều chế vật liệu Bent-H-Al...................................................36 Hình 2. 4: Quy trình điều chế vật liệu Bent-Fe.......................................................37 Hình 2. 5: Quy trình điều chế vật liệu Bent-H-Fe...................................................37 Hình 2. 6 : Quy trình điều chế vật liệu Bent-Zn.......................................................38 Hình 2. 7: Quy trình điều chế vật liệu Bent-H-Zn...................................................38 Hình 3. 1: Giản đồ nhiễu xạ tia X của vật liệu Bent-DL.............................................. 45 Hình 3. 2: Giản đồ nhiễu xạ tia X của vật liệu Bent-Al............................................... 46 Hình 3. 3: Giản đồ nhiễu xạ tia X của vật liệu Bent-H-Al........................................... 46 Hình 3. 4: Giản đồ nhiễu xạ tia X của vật liệu Bent-Fe............................................... 47 Hình 3. 5: Giản đồ nhiễu xạ tia X của vật liệu Bent-H-Fe........................................... 47 Hình 3. 6 : Giản đồ nhiễu xạ tia X của vật liệu Bent-Zn............................................... 48 Hình 3. 7: Giản đồ nhiễu xạ tia X của vật liệu Bent-H-Zn........................................... 48 Hình 3. 8 : Phổ hồng ngoại IR của Bent-DL................................................................. 49 Hình 3. 9: Phổ hồng ngoại IR của Bent-Al.................................................................. 49 Hình 3. 10: Phổ hồng ngoại IR của Bent-H-Al............................................................50
Hình 3. 11: Phổ hồng ngoại IR của Bent-Fe.......................................................50 Hình 3. 12: Phổ hồng ngoại IR của Bent-H-Fe...................................................51 Hình 3. 13: Phổ hồng ngoại IR của Bent-Zn.......................................................51 Hình 3. 14: Phổ hồng ngoại IR của Bent-H-Zn...................................................52 Hình 3. 15: Đường chuẩn amoni..................................................................................54 Hình 3. 16: Ảnh hưởng của nồng độ chất bị hấp phụ đến độ hấp phụ của Bent-Al....55 Hình 3. 17: Đồ thị phươngtrìnhhấp phụ đẳng nhiệt Langmuir của Bent-Al.............. 56 Hình 3. 18: Đồ thị phươngtrìnhhấp phụ đẳng nhiệt Freundlich của Bent-Al............ 56 Hình 3. 19: Ảnh hưởng của nồng độ chất bị hấp phụ đến độ hấp phụ của Bent-Fe....57 Hình 3. 20: Đồ thị phươngtrìnhhấp phụ đẳng nhiệt Langmuir của Bent-Fe.............. 58 Hình 3. 21: Đồ thị phươngtrìnhhấp phụ đẳng nhiệt Freundlich của Bent-Fe............ 58 Hình 3. 22: Ảnh hưởng của nồng độ chất bị hấp phụ đến độ hấp phụ của Bent-Zn....59 Hình 3. 23: Đồ thị phươngtrìnhhấp phụ đẳng nhiệt Langmuir của Bent-Zn.............. 60 Hình 3. 24: Đồ thị phươngtrìnhhấp phụ đẳng nhiệt Freundlich của Bent-Zn............ 60 Hình 3. 25: Ảnh hưởng của nồng độ chất bị hấp phụ đến độ hấp phụ của Bent-H-Al . 61 Hình 3. 26: Đồ thị phươngtrìnhhấp phụ đẳng nhiệt Langmuir của Bent-H-Al.......... 62 Hình 3. 27: Đồ thị phươngtrìnhhấp phụ đẳng nhiệt Freundlich của Bent-H-Al........ 62 Hình 3. 28: Ảnh hưởng của nồng độ chất bị hấp phụ đến độ hấp phụ của Bent-H-Fe .63 Hình 3. 29: Đồ thị phươngtrìnhhấp phụ đẳng nhiệt Langmuir của Bent-H-Fe.......... 64 Hình 3. 30: Đồ thị phươngtrìnhhấp phụ đẳng nhiệt Freundlich của Bent-H-Fe........ 64 Hình 3. 31: Ảnh hưởng của nồng độ chất bị hấp phụ đến độ hấp phụ của Bent-H-Zn .65 Hình 3. 32: Đồ thị phươngtrìnhhấp phụ đẳng nhiệt Langmuir của Bent-H-Zn......... 66 Hình 3. 33: Đồ thị phươngtrìnhhấp phụ đẳng nhiệt Freundlich của Bent-H-Zn........ 66
DANH MỤC VIẾT TẮT XRD : Phương pháp nhiễu xạ tia X(X - Ray Diffraction) IR : Phổ hồng ngoại(Infrared spectroscopy) UV - VIS : Tử ngoại khả kiến(Ultra Violet-Visible) MMT : Montmorillonit CEC : Dung lượng trao đổi cation(Cation exchange capacity) Bent : Bentonite Bent-DL : Bentonite Di Linh Bent-H : Bentonite hoạt hóa axit HCl Bent-Al: Bentonite biến tính nhôm Bent-Fe: Bentonite biến tính sắt Bent-Zn: Bentonite biến tính kẽm Bent-H-Al: Bentonite hoạt hóa biến tính nhôm Bent-H-Fe: Bentonite hoạt hóa biến tính sắt Bent-H-Zn: Bentonite hoạt hóa biến tính kẽm
MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Hiện nay, nhu cầu nước sạch ngày càng tăng, nhất là tại các thành phố lớn. Bên cạnh đó là tình trạng ô nhiễm nước bởi các nghành công nghiệp và sinh hoạt hằng ngày ngày càng gia tăng. Các nguyên nhân chủ yếu là do các ion vô cơ hòa tan ( SO42-, Cl-, PO43-), các muối nitơ (NH4+, NO3-, NO2), các kim loại nặng (Hg, Pb, As,...), các vi sinh vật ... và chúng ảnh hưởng lớn đến sức khỏe con người và các loài sinh vật. Trong đó ô nhiễm nước ngầm bởi các hợp chất nitơ nới chung và amoni nói riêng đang gia tăng đáng kể. Việc ô nhiễm đó là do quá trình thẩm thấu từ nguồn nước bị ô nhiễm trên bề mặt xuống phía dưới qua các cửa sổ địa chất thủy văn. Theo nhiều báo cáo địa chất và thủy văn trên cả nước thì tình trạng ô nhiễm nước ngầm bởi amoni đã được phát hiện trên nhiều vùng, trong đó 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 đã bị nhiễm amoni rất nặng. Nước nhiễm amoni nặng dễ chuyển hóa thành các chất độc hại như nitrit, nitrat và chúng tích tụ dần trong thức ăn. Khi ăn uống nước có chứa nitrit, cơ thể sẽ hấp thu nitrit vào máu và chất này sẽ tranh oxy của hồng cầu làm hêmoglobin mất khả năng lấy oxy, dẫn đến tình trạng thiếu máu, xanh da. Vì vậy, nitrit đặc biệt nguy hiểm cho trẻ mới sinh dưới sáu tháng, 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 bệnh ung thư. Do đó việc xử lý amoni trong nước là vấn đề cấp bách. Bên cạnh đó các vật liệu hấp phụ đang được nghiên cứu mạnh mẽ với nhiều ứng dụng trong thực tế. Một trong những hướng đi đó là vật liệu hấp phụ xử lý nước ô nhiễm. Trong đó betonite đang được sử dụng rộng rãi hiện nay, với giá thành rẻ, tính trương nở lớn, khả năng trao đổi ion cao, dễ dàng biến tính các đặc điểm cấu trúc để phù hợp với nhu cầu sử dụng. Những nghiên cứu về biến tính bentonite đã có từ khá lâu và được ứng dụng nhiều trong xử lý chất thải, chất phóng xạ, chất độn, chất màu, chất hấp phụ trong một số ngành công nghiệp. Một trong những hướng đi chính của vật liệu bentonite là trao đổi các cation xen giữa các lớp đất sét với polyoxocation vô
cơ có kích thước lớn. Polyoxocation chèn vào làm gia tăng khoảng cách cơ bản của các lớp sét và khi nung nóng, chúng chuyển thành các oxit kim loại do đề hyđrat và đề hyđroxyl. Các oxit kim loại này kết nhóm với nhau hình thành nên các cột chống (pillar) xen giữa các lớp sét, có khả năng chịu nhiệt, giữ cố định khoảng cách giữa các lớp sét, ngăn cho các lớp này không bị sụp đổ. Như vậy sẽ có một vùng rỗng xuất hiện giữa các lớp, sét trở nên xốp hơn. Sau khi chống, sự xuất hiện của cấu trúc lỗ xốp mới và tăng cường một số tâm hoạt động làm cho chúng được ứng dụng nhiều hơn trong hoạt động xúc tác và hấp phụ. Dựa trên những cơ sở trên tôi thực hiện đề tài: “Nghiên cứu chế tạo vật liệu bentonite biến tính và ứng dụng xử lý amoni trong nước”. 2. Mục đích nghiên cứu Biến tính thành công khoáng sét thiên nhiên bentonite thành vật liệu đất sét chống. Hấp phụ xử lý amoni với những đặc điểm về cấu trúc hóa học được cải thiện qua quá trình biến tính. 3. Nhiệm vụ Chế tạo vật liệu bentonite biến tính với các kim loại. Phân tích đặc điểm cấu trúc của vật liệu. Khảo sát khả năng hấp phụ amoni trong nước. 4. Phương pháp nghiên cứu ♦♦♦ Nghiên cứu lý thuyết Tìm kiếm, tổng hợp, phân tích các tài liệu trên mạng, trên báo, sách trong và ngoài nước có liên quan đến đề tài. Xử lý thông tin, đặt vấn đề, đưa ra các điều cần làm trong quá trình thực nghiệm. ♦♦♦ Nghiên cứu thực nghiệm: Hoạt hóa bentonite bằng axit. Biến tính vật liệu bentonite bằng kim loại. Xác định nồng độ amoni bằng phương pháp phân tích trắc quang theo Theo SMEWW 4500-NH3 F :2012. Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD): xác định cấu trúc vật liệu.
Phương pháp phân tích phổ hồng ngoại (IR): xác định liên kết (dao động) đặc trưng của vật liệu. 5. Bố cục bài báo cáo Trong bài báo cáo đồ án đề cập đến lý thuyết về bentonite, quy trình chế tạo vật liệu đất sét chống, khảo sát quá trình hấp phụ amoni của vật liệu đất sét chống được trình bày qua 3 chương. Chương 1: Tổng quan Chương 2: Thực nghiệm Chương 3: Kết quả và thảo luận
Chương 1. TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan về amoni và sự ô nhiễm amoni 1.1.1 Sơ lược về amoni Amoni bao gồm có 2 dạng: không ion hóa (NH3) và ion hóa (NH4+). Amoni có trong môi trường có nguồn gốc từ quá trình chuyển hóa, nông nghiệp, công nghiệp và từ sự khử trùng nước bằng cloramin. Lượng amoni tự nhiên trong nước bề mặt và nước ngầm thường thấp hơn 0,2mg/l. Các nguồn nước hiếm khí có thể có nồng độ amoni lên đến 3mg/l[3]. Lượng amoni trong môi trường so với sự tổng hợp bên trong cơ thể là không đáng kể. Tác hại của nó chỉ xuất hiện khi tiếp xúc với liều lượng khoảng trên 200mg/kg thể trọng[3]. 1.1.2 Hiện trạng ô nhiễm amoni Theo khảo sát của các nhà khoa học, phần lớn nước ngầm ở vùng đồng bằng Bắc bộ như Hà Nội, Hà Tây, Ninh Bình, Hải Dương,... đều bị ô nhiễm amoni rất nặng và vượt tiêu chuẩn nhiều lần[1]. Tại Hà Nội, Hà Tây, Hà Nam, Nam Định, Ninh Bình, Hải Dương, Hưng Yên, Thái Bình xác xuất các nguồn nước ngầm nhiễm amoni với nồng độ cao hơn tiêu chuẩn là khoảng 70-80%. Ngoài amoni, không ít nguồn còn chứa nhiều chất hữu cơ[1]. Tại Miền Nam cũng có một vài nơi nhiễm amoni nặng. Chẳng hạn như tại thành phố Hồ Chí Minh: Theo chi cục bảo vệ môi trường thành phố Hồ Chí Minh (TP Hồ Chí Minh), kết quả quan trắc nước ngầm tầng nông gần đây cho thấy lượng nước ngầm ở khu vực ngoại thành đang diễn biến ngày càng xấu đi. Cụ thể nước ngầm ở trạm Đông Thạch (huyện Hóc Môn) bị ô nhiễm amoni (68,73 mg/l cao gấp 1,9 lần so với năm 2005) và có hàm lượng nhôm cao, độ mặn tăng và mức độ ô mhiễm chất hữu cơ cũng tăng nhanh trong những năm gần đây; nồng độ sắt trong nước ngầm của một số khu vực khác như Linh Trung, Trường Thọ (Thủ Đức), Tân Tạo (Bình Chánh)...cũng khá cao (11,76 đến 27,83 mg/l) vượt tiêu chuẩn cho phép gần 50 lần[2 ].
Trong đó, có một vài nơi nồng độ amoni trong nước đang ở tình trạng báo động như: tại Lý Nhân tỉnh Hà Nam có hàm lượng lên đến 111,8mg/l gấp 74 lần so với tiêu chuẩn của bộ y tế, còn ở Duy Tiên là 93,8mg/l gấp 63 lần. Ngoài ra các kết quả khảo sát của trường Đại Học Mỏ - Địa Chất Hà Nội cũng cho biết chất lượng nước ngầm ở tầng mạch nông và mạch sâu tại các địa phương này cũng có hàm lượng Nitơ trung bình >20mg/l vượt mức tiêu chuẩn Việt Nam cho phép rất nhiều lần[1]. 1.1.3 Tác hại của amoni Amoni thật ra không ảnh hưởng trực tiếp đến sức khỏe con người, nhưng trong quá trình khai thác, lưu trữ, xử lý... amoni được chuyển hóa thành nitrit (NO2-) và nitrat (NO3-) là những chất có tính độc hại với con người, vì nó có thể chuyển hóa thành nitrosamin có khả năng gây ung thư cho con người. Do vậy theo quy định nồng độ nitrit và nitrat khá thấp[2 ]. Do trong nước ngầm thiếu khí oxy nên không thể chuyển hóa, khi khai thác lên vi sinh vật trong nước nhờ oxy trong không khí chuyển hóa thành nitrit và nitrat 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 tranh oxy của hồng cầu làm hemoglobin mất khả năng lấy oxy, dẫn đến trình 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 nitrosami. Nitrosamin có thể gây tổn thương duy truyền tế bào, nguyên nhân gây ung thư[2 ]. 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 nghiên 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[2 ].
Bên cạnh đó hàm lượng NH4+ trong nước uống cao có thể gây một số hậu quả như sau[2 ]: - Nó có thể kết hợp 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. - NH4+ 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. Mặc dù bằng chứng về nhiễm độc của các hợp chất Nitơ trong nước chưa đầy đủ nhưng có thể khẳng định rằng nó rất độc với trẻ em vì nguy cơ gây bệnh mất sắc tố máu, xanh da, hôn mê,...và có thể gây ung thư đối với người lớn. Để đề phòng sự nhiễm độc do các hợp chất Nitơ gây ra thì một số quốc gia và tổ chức trên thế giới đưa ra tiêu chuẩn về các hợp chất Nitơ sau đây. Bảng 1. 1: Tiêu chuẩn một số quốc gia về các hợp chất nitơ trong cấp nước (mg/l)[2] Tiêu chuẩn Bộ Châu Âu Chỉ tiêu Hoa Kỳ WHO 1993 Y Tế 80/778/EEC 1392/2002 n h 4+ - 1,5 1,5 1,5 n o 3- 44,3 50 50,0 50,0 NO2- 4,4 0,1 3,0 3,0 1.1.4 Một số phương pháp xử lý amoni Có rất nhiều phương pháp xử lý amoni trong nước ngầm đã được thử nghiệm và đưa vào áp dụng: làm thoáng để khử NH3 ở môi trường pH cao (pH= 10-11), clo hóa với nồng độ cao hơn điểm đột biến (break-point) trên đường cong hấp thụ Clo trong nước tạo cloramin, trao đổi ion NH4+ và NO3- bằng các vật liệu trao đổi cation/anion, nitrat hóa bằng phương pháp sinh học, nitrat hóa kết hợp khử nitrat, công nghệ annamox, phương pháp điện hóa, điện thẩm tách, điện thẩm tách đảo chiều,v.v...
♦♦♦ Phương pháp clo hóa đến điểm đột biến[2] Clo gần như là hóa chất duy nhất có khả năng oxi hóa amoni/amoniac ở nhiệt độ phòng thành N2. Khi hòa tan Clo trong nước tùy theo pH của nước mà Clo có thể nằm dạng HClO hay ion ClO- do đó có phản ứng theo phương trình: Cl2 + H2O ^ HCl+ HClO (pH8) (1.2) Khi trong nước có chứa NH4+ sẽ xảy ra các phản ứng sau: HClO + NH3 ^ H2O + NH2Cl (Monocloramin) (1.3) HClO + NH2Cl ^ H2O + NHCl2 (Dicloramin) (1.4) HClO + NHCl2 ^ H2O + NCl3 (Tricloramin) (1.5) Nếu Clo dư sẽ xảy ra phản ứng phân hủy các Cloramin. HClO + 2NH2Cl ^ N2 + 3Cl- + H2O (1.6) Lúc này lượng Clo dư trong nước sẽ giảm tới số lượng nhỏ nhất vì xảy ra phản ứng phân hủy Cloramin, điểm tương đương ứng với giá trị này gọi là điểm đột biến. Theo lý thuyết để xử lý NH4+ phải dùng tỷ lệ Cl:N=7,6:1 song trên thực tế phải dùng 8:1 hoặc hơn để oxi hóa NH3. Do xảy ra các phản ứng đã nêu, quá trình Clo hóa thực tế xảy ra theo một đường cong đặc biệt, có “ điểm đột biến” như ở Hình 1.1. Những nghiên cứu trước đây cho thấy , tốc độ phản ứng của Clo với các hợp chất hữu cơ bằng một nửa so với phản ứng amoni. Khi amoni phản ứng gần hết, Clo dư sẽ phản ứng với các hợp chất hữu cơ trong nước để hình thành nhiều chất cơ Clo có mùi đặc trưng khó chịu. Trong đó khoảng 15% là các chất nhóm THM- trihalometan và HAA-axit axetic halogen đều là những chất có khả năng gây ung thư nên bị hạn chế nồng độ nghiêm ngặt.
Hình 1. 1: Đường cong Clo hóa tới điểm đột biến đối với nước có amoni Ngoài ra với lượng Clo cần dùng rất lớn, vấn đề an toàn trở nên khó giải quyết đối với các nhà máy lớn. Đây là những lý do khiến phương pháp Clo hóa mặc dù đơn giản về mặt thiết bị, rẻ về mặt kinh tế và xây dựng nhưng rất khó áp dụng. ♦♦♦ Phương pháp đuổi khí (Air Stripping)[2] Amoni tồn tại trong nước dưới dạng cân bằng: NH4+ o NH3( khí hòatan) + H+ pka=9,5 (1.7) Như vậy, ở pH gần 7 chỉ có một lượng nhỏ khí NH3 so với ion amoni. Nếu ta nâng pH tới 9,5 thì tỷ lệ [NH3]/[NH4+]=1, và càng tăng pH cân bằng càng chuyển dịch 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 hóa cân bằng dịch về phía phải: NH4+ + OH- ^ NH3 + H2O (1.8) Trong thực tế pH phải nâng xấp xỉ 11, lượng khí cần để đuổi NH3 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 NH4+ xuống dưới 1,5mg/l nên rất hiếm khi áp dụng để xử lý nước cấp. ♦♦♦ Phương pháp Ozon hóa với xúc tác Bromua (Br-)[2] Để khắc phục nhược điểm của phương pháp Clo hóa điểm đột biến người ta có thể thay thế một số tác nhân oxi hóa khác là Ozon với sự có mặt của Br-. Về cơ bản
xử lý NH4+ bằng O3 với sự có mặt của Br" cũng diễn ra theo cơ chế giống như phương pháp xử lý bằng Clo. Dưới tác dụng của O3, Br" vị oxi hóa thành BrO" theo phản ứng sau đây: Br" + O3 + H+ ^ HBrO + O'22 (1.9) Phản ứng oxi hóa NH4+ được thực hiện bởi ion BrO" giống như ion ClO": NH3 + HBrO — NH2Br + H2O ( 1. 10) NH2Br + HbrO — NHBr2 + H2O ( 1. 11) NH2Br + NHBr2 — N2 + 3Br- + H++ - ( 1. 12) Đây chính là điểm tương đồng của hai phương pháp Clo hóa và Ozon hóa với xúc tác Br". ❖ Phương pháp sinh học [2] Đây là phương pháp xử lý amoni được nhiều nhà khoa học trong và ngoài nước quan tâm và nghiên cứu và cũng cho nhiều kết quả khả quan. Mặc dù xử lý sinh học cũng được thực hiện bằng nhiều quá trình vật lý, hóa học và hóa lý nhưng phương pháp sinh học lại mang một ý nghĩa hoàn toàn khác và ngày càng trở nên quan trọng. Phương pháp vi sinh xuất phát từ những tính năng của nó như để xử lý dễ dàng các sản phẩm trong nước, không gây ô nhiễm thứ cấp đồng thời cho ra sản phẩm nước với một chất lượng hoàn toàn đảm bảo sạch về mặt chất độc hại và ổn định về hoạt tính sinh học, chất lượng cao. Ở phương pháp sinh học có thể thực hiện bao gồm hai quá trình nối tiếp nhau là nitrat hóa và khử nitrat hóa như sau: - Quá trình nitrat hóa Quá trình chuyển hóa về mặt hóa học được viết như sau: NH4+ + 1,5O2 — NO2- + 2H+ + H2O ( 1. 13) NO2 + 0 ,5 O2 ——NO3 ( 1. 14) Phương trình tổng: NH4+ + 2O2 — NO3- + 2H+ + H2O (1.15)
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 ra chúng còn tiêu thụ mạnh O2. Quá trình trên thường được thực hiện trong bể phản ứng sinh học với lớp bùn dính trên các vật liệu mang - giá thể vi sinh. - Quá trình khử nitrat hóa Quá trình khử nitrat hóa: Để loại bỏ nitrat trong nước, sau công đoạn nitrat hóa amoni là khâu khử nitrat sinh hóa nhờ các vi sinh vật dị dưỡng trong điều kiện thiếu không khí. Nitrit và nitrat sẽ chuyển hóa thành dạng khí N2. ♦♦♦ Phương pháp trao đổi ion[2] Qúa trình trao đổi ion là một quá trình hóa lý thuận nghịch trong đó xảy ra phản ứng trao đổi giữa các ion trong dung dịch điện ly với các ion trên bề mặt hoặc bên trong của pha rắn tiếp xúc với nó. Quá trình trao đổi ion tuân theo định luật bảo toàn điện tích, phương trình trao đổi ion được mô tả một cách tổng quát như sau: AX + B- ^ AB + X- (1.16) CY + D- ^ CD + Y (1.17) Trong đó AX là chất trao đổi anion, CY là chất trao đổi cation. Phản ứng trao đổi là phản ứng thuận nghịch, chiều thuận được gọi là chiều trao đổi, chiều nghịch được gọi là chiều phản ứng tái sinh. Mức độ trao đổi ion phụ thuộc vào: - Kích thước hóa trị của ion. - Nồng độ ion có trong dung dịch. - Bản chất của chất trao đổi ion. - Nhiệt độ.