Đồ án tốt nghiệp: Nghiên cứu sử dụng lõi ngô làm chất hấp thụ để lọc Amoni ra khỏi nước

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:73

Thêm vào BST

Báo xấu

58
lượt xem 14
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Nhiệm vụ của đề tài là xây dựng quy trình hoạt hóa lõi ngô nhằm nâng cao khả năng xử lí amoni ở trong nước của vật liệu hấp phụ. Khảo sát một số đặc điểm cấu trúc của vật liệu hấp phụ được tạo từ lõi ngô. Khảo sát khả năng hấp phụ đối với amoni, lựa chọn những điều kiện thuận lợi cho quá trình hấp phụ. Mời các bạn cùng tham khảo!

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Đồ án tốt nghiệp: Nghiên cứu sử dụng lõi ngô làm chất hấp thụ 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 AMONI RA KHỎI NƯỚC Trình độ đào tạo : Đại học chính quy Ngành : Công nghệ kỹ thuật hóa học Chuyên ngành : Hóa dầu Giảng viên hướng dẫn : ThS. Diệp Khanh 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-ĐHBRVT ngày 16/7/2013 của Hiệu trưởng Trường Đại học BR-VT) Họ và tên sinh viên: Bùi Thị Thùy Dung Ngày sinh: 9/10/1994 MSSV : 12030272 Lớp: DH12HD Địa chỉ : 106/1A Hàn Thuyên, phường 11, thành phố Vũng Tàu, tỉnh Bà Rịa - Vũng Tàu E-mail : thuydung94vt@gmail.com Trình độ đào tạo : Đại học Hệ đào tạo : Chính quy Ngành : Công nghệ kỹ thuật hóa học Chuyên ngành : Hóa dầu 1. Tên đề tài: Nghiên cứu sử dụng lõi ngô làm chất hấp phụ để lọc amoni ra khỏi nước 2. Giảng viên hướng dẫn: ThS. Diệp Khanh 3. Ngày giao đề tài: 22/2/2016 4. Ngày hoàn thành đồ án/ khoá luận tốt nghiệp: 22/6/2016 Bà Rịa-Vũng Tàu, ngày…….tháng…..năm ..GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN SINH VIÊN THỰC HIỆN (Ký và ghi rõ họ tên) (Ký và ghi rõ họ tên) TRƯỞNG BỘ MÔN TRƯỞNG KHOA (Ký và ghi rõ họ tên) (Ký và ghi rõ họ tên)
LỜI CAM ĐOAN  Tôi cam đoan đồ án tốt nghiệp này là công trình nghiên cứu của riêng tôi và được sự hướng dẫn khoa học của ThS. Diệp Khanh. Các nội dung nghiên cứu, kết quả trong đề tài này là trung thực và chưa công bố dưới bất kì hình thức nào trước đây. Trong luận văn có sử dụng một số nhận xét, đánh giá cũng như số liệu của các tác giả, cơ quan tổ chức khác nhau đều có trích dẫn và chú thích rõ ràng về nguồn gốc. Nếu phát hiện bất cứ gian lận nào tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm về nội dung luận văn của mình và chịu mọi hình thức kỉ luật theo quy định. Vũng Tàu, ngày tháng năm 2016 Sinh viên thực hiện Bùi Thị Thùy Dung
LỜI CẢM ƠN  Lời đầu tiên tôi xin gửi lời cảm ơn đến trường Đại học Bà Rịa - Vũng Tàu, khoa Hóa học và Công nghệ thực phẩm đã tạo điều kiện cho tôi mượn dụng cụ và phòng thí nghiệm để hoàn thành đồ án này. Đặc biệt, tôi gửi lời cảm ơn chân thành đến ThS. Diệp Khanh đã tận tình hướng dẫn và giúp đỡ tôi trong suốt thời gian để nghiên cứu đề tài. Cảm ơn đến quý Thầy, Cô khoa Hóa học và Công nghệ thực phẩm, trường Đại học Bà Rịa - Vũng Tàu đã dạy dỗ và truyền đạt kiến thức quý báu trong suốt thời gian học tập tại trường. Xin chân thành cảm ơn đến quý Thầy, Cô Hội đồng chấm đồ án tốt nghiệp đã dành thời gian đọc và đưa ra những lời nhận xét giúp tôi hoàn thiện hơn đồ án này. Cám ơn gia đình và bạn bè đã tiếp thêm niềm tin, nghị lực và giúp đỡ tôi trong suốt thời gian qua. Xin gửi đến lời cám ơn chân thành và sâu sắc nhất! Vũng Tàu, ngày tháng năm 2016 Bùi Thị Thùy Dung
MỤC LỤC MỤC LỤC ............................................................................................................... i DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ........................................................................ iv DANH MỤC BẢNG ............................................................................................... v DANH MỤC HÌNH ............................................................................................... vi LỜI MỞ ĐẦU ......................................................................................................... 1 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN ................................................................................... 4 1.1 Tổng quan về nitơ và sự ô nhiễm amoni ......................................................... 4 1.1.1 Nitơ và tình trạng ô nhiễm các hợp chất có chứa nitơ ............................... 4 1.1.2 Sơ lược về amoni .................................................................................... 8 1.1.3 Hiện trạng ô nhiễm Amoni ở Việt Nam .................................................... 8 1.1.4 Tác hại của của amoni và các hợp chất của nitơ ...................................... 9 1.1.5 Một số phương pháp xử lí Amoni .......................................................... 10 1.2 Giới thiệu về nguyên liệu lõi ngô.................................................................. 14 1.2.1 Tổng quan về cây ngô ............................................................................ 14 1.2.2 Thành phần của lõi ngô .......................................................................... 16 1.2.3 Ứng dụng của lõi ngô ............................................................................. 18 1.3 Than hoạt tính và cách hoạt hóa than ........................................................... 18 1.3.1 Giới thiệu về than hoạt tính .................................................................... 18 1.3.2 Quá trình tạo than hoạt tính .................................................................... 19 1.3.3 Cơ chế làm việc của than hoạt tính ......................................................... 20 1.4 Các lý thuyết về quá trình hấp phụ ............................................................... 20 1.4.1 Hiện tượng hấp phụ ................................................................................ 20 1.4.2 Các phương trình hấp phụ đẳng nhiệt ..................................................... 22 CHƯƠNG 2. THỰC NGHIỆM ............................................................................. 25 i
2.1 Nguyên liệu và hóa chất ............................................................................... 25 2.2 Thiết bị ......................................................................................................... 25 2.3 Tạo đường chuẩn .......................................................................................... 25 2.3.1 Lý thuyết của quá trình........................................................................... 25 2.3.2 Pha dung dịch thuốc thử ......................................................................... 25 2.3.3 Dung dich chuẩn .................................................................................... 26 2.4 Tạo vật liệu .................................................................................................. 27 2.4.1 Khảo sát nồng độ axít sunfuric dùng để hoạt hóa lõi ngô ........................ 29 2.4.2 Khảo sát thời gian ngâm axít sunfuric .................................................... 30 2.4.3 Khảo sát nhiệt độ xử lí ........................................................................... 30 2.5 Hấp phụ amoni và các điều kiện tối ưu cho quá trình hấp phụ ...................... 31 2.5.1 Khảo sát quá trình hấp phụ amoni khi thay đổi khối lượng lõi ngô biến tính ................................................................................................................. 31 2.5.2 Khảo sát quá trình hấp phụ amoni khi thay đổi nồng độ ban đầu của amoni. ............................................................................................................. 32 2.5.3 Khảo sát quá trình hấp phụ khi thay đổi thời gian hấp phụ ..................... 32 2.5.4 Khảo sát quá trình hấp phụ khi thay đổi pH ............................................ 32 2.6 Khảo sát quá trình tái hấp phụ của lõi ngô đã được hoạt hóa bằng axít ......... 33 2.7 Các phương pháp được dùng trong thí nghiệm ............................................. 33 2.7.1 Phương pháp xác định hàm lượng amoni................................................ 33 2.7.2 Phương pháp phân tích cấu trúc của vật liệu ........................................... 34 CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN.......................................................... 36 3.1 Kết quả phân tích cấu trúc vật liệu ................................................................ 36 3.1.1 Kết quả chụp XRD của mẫu vật liệu....................................................... 36 3.1.2 Kết quả chụp SEM của mẫu vật liệu ....................................................... 37 ii
3.2 Xây dựng đường chuẩn ................................................................................ 38 3.3 Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình biến tính lõi ngô ..................... 39 3.3.1 Khảo sát nồng độ axít dùng hoạt hóa lõi ngô .......................................... 39 3.3.2 Khảo sát thời gian ngâm lõi ngô ............................................................. 41 3.3.3 Khảo sát nhiệt độ xử lí ........................................................................... 42 3.4 Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hấp phụ amoni của vật liệu hấp phụ ..................................................................................................................... 46 3.4.1 Khảo sát khả năng hấp phụ amoni khi thay đổi khối lượng chất hấp phụ 46 3.4.2 Khảo sát khả năng hấp phụ amoni khi thay đổi nồng độ của chất bị hấp phụ .................................................................................................................. 48 3.4.3 Khảo sát khả năng hấp phụ amoni khi thay đổi thời gian hấp phụ........... 50 3.4.4 Khảo sát khả năng hấp phụ amoni khi thay đổi độ pH. ........................... 52 3.5 Khảo sát quá trình tái hấp phụ của vật liệu. .................................................. 53 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ............................................................................... 55 TÀI LIỆU THAM KHẢO ..................................................................................... 57 iii
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT SEM: Scanning Electron Microscope (Kính hiển vi điện tử truyền qua) XRD: X-ray Diffraction (Nhiễu xạ tia X) iv
DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1: Các tiêu chuẩn Việt Nam và quốc tế đối với các hợp chất Nitơ.............. 10 Bảng 1.2: Thành phần hóa học của lõi ngô .......................................................... 16 Bảng 1.3: Các phương trình hấp phụ đẳng nhiệt. .................................................. 23 Bảng 2.1: Các bước thiết lập mẫu chuẩn ............................................................... 26 Bảng 3.1: Các số liệu xây dựng đường chuẩn amoni ............................................. 38 Bảng 3.2: Ảnh hưởng của nồng độ axít H2SO4 dùng để ngâm đến quá trình hấp phụ amoni của lõi ngô biến tính ................................................................................... 40 Bảng 3.3: Ảnh hưởng của thời gian ngâm lõi ngô với axít H2SO4 đến quá trình hấp phụ amoni của lõi ngô biến tính............................................................................. 41 Bảng 3.4: Ảnh hưởng của nhiệt độ xử lí lõi ngô đã được hoạt hóa đến quá trình hấp phụ amoni của lõi ngô biến tính............................................................................. 42 Bảng 3.5: Ảnh hưởng khối lượng chất hấp phụ đến quá trình hấp phụ amoni của lõi ngô biến tính.......................................................................................................... 46 Bảng 3.6: Ảnh hưởng nồng độ của chất bị hấp phụ đến quá trình hấp phụ amoni của lõi ngô biến tính .............................................................................................. 48 Bảng 3.7: Ảnh hưởng của thời gian hấp phụ đến quá trình hấp phụ Amoni của lõi ngô biến tính.......................................................................................................... 51 Bảng 3.8: Ảnh hưởng của độ pH đến quá trình hấp phụ Amoni của lõi ngô biến tính .............................................................................................................................. 52 Bảng 3.9: Các thông số của quá trình tái hấp phụ ................................................. 53 v
DANH MỤC HÌNH Hình 1.1: Chu trình Nitơ trong tự nhiên ................................................................. 4 Hình 1.2: Cây ngô. ................................................................................................ 14 Hình 1.3: Cấu trúc lõi ngô ..................................................................................... 16 Hình 1.4: Thành phần hóa học của vi sợi xenlulozơ (cellulose) ............................. 17 Hình 2.1: Quy trình tạo vật liệu hấp phụ từ lõi ngô ............................................... 27 Hình 2.2: Lõi ngô nguyên liệu ............................................................................... 28 Hình 2.3: Lõi ngô sau khi xử lý với H2SO4 và NaHCO3 ......................................... 28 Hình 2.4: Vật liệu hấp phụ được tạo từ lõi ngô ...................................................... 29 Hình 3.1: Giản đồ XRD của lõi ngô nguyên liệu. ................................................... 36 Hình 3.2: Giản đồ XRD của lõi ngô đã được biến tính .......................................... 36 Hình 3.3: Ảnh SEM của mẫu vật liệu. .................................................................... 37 Hình 3.4: Đường chuẩn của Amoni ....................................................................... 39 Hình 3.5: Ảnh hưởng nồng độ axít H2SO4 dùng để hoạt hóa lõi ngô đến độ hấp phụ của lõi ngô biến tính .............................................................................................. 40 Hình 3.6: Ảnh hưởng của thời gian ngâm lõi ngô với axít H2SO4 đến độ hấp phụ của lõi ngô biến tính .................................................................................................... 42 Hình 3.7: Ảnh hưởng của nhiệt độ xử lí lõi ngô đã được hoạt hóa đến độ hấp phụ của lõi ngô biến tính .............................................................................................. 43 Hình 3.8: Sơ đồ tạo vật liệu hấp phụ từ lõi ngô ..................................................... 45 Hình 3.9: Ảnh hưởng của khối lượng chất hấp phụ đến độ hấp phụ của lõi ngô biến tính ........................................................................................................................ 47 Hình 3.10: Ảnh hưởng của nồng độ chất bị hấp phụ đến độ hấp phụ của lõi ngô biến tính ................................................................................................................ 49 Hình 3.11: Đồ thị thể hiện phương trình Langmuir của lõi ngô biến tính............... 49 Hình 3.12: Đồ thị thể hiện phương trình Freundlich của lõi ngô được biến tính .... 50 Hình 3.13: Ảnh hưởng thời gian hấp phụ đến độ hấp phụ của lõi ngô biến tính ..... 51 Hình 3.14: Ảnh hưởng của độ pH đến độ hấp phụ của lõi ngô biến tính ................ 53 Hình 3.15: Đồ thị thể hiện thông số của quá trình tái hấp phụ............................... 54 vi
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP KHÓA 2012 - 2016 LỜI MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Nền kinh tế phát triển và dân số tăng nhanh phát sinh rất nhiều hệ lụy liên quan như tình trạng ô nhiễm môi trường ngày càng trầm trọng. Ô nhiễm xuất hiện ở nhiều nơi cả trong môi trường đất, nước lẫn không khí. Một trong những hình thức phổ biến và dễ nhận thấy nhất đó là ô nhiễm nước. Ô nhiễm nước được gây ra bởi rất nhiều nguyên nhân khác nhau như các ion vô cơ hòa tan (SO42-, Cl-, PO43-), các muối nitơ (NH4+, NO3-, NO2), các kim loại nặng (Hg, Pb, As, Cr), các vi sinh vật….chính những chất này gây nguy hại không nhỏ đến người và động vật. Ô nhiễm nước bởi các hợp chất nitơ nói chung và amoni nói riêng có thể là do quá trình xuyên thấm từ tầng nước mặt xuống các tầng phía dưới qua các cửa sổ địa chất thủy văn, nếu như nguồn nước mặt ô nhiễm thì nguồn nước ngầm cũng theo đó mà ô nhiễm. Theo đánh giá của nhiều báo cáo và hội thảo khoa học thì tình trạng ô nhiễm amoni trong nước ngầm đã được phát hiện tại nhiều vùng trong cả nước, như ở phần lớn nước ngầm khu vực đồng bằng Bắc Bộ gồm các tỉnh: Hà Tây, Hà Nam, Nam Định, Ninh Bình, Hải Dương, Hưng Yên, Thái Bình và phía nam Hà Nội đều bị nhiễm bẩn amoni rất nặng. Xác suất các nguồn nước ngầm ở các tỉnh này nhiễm amoni có nồng độ cao hơn tiêu chuẩn nước sinh hoạt (3mg/l) khoảng 70 - 80%, còn nước ngầm ở trạm Đông Thạch (huyện Hóc Môn, thành phố Hồ Chí Minh) cũng bị ô nhiễm amoni nặng (68,73 mg/l cao gấp 1,9 lần so với năm 2005) [1]. Hợp chất của Nitơ ở trong trường nước ngầm có pH từ 6 đến 8 thì nitơ nằm chủ yếu dưới dạng NH4+ (Amoni) [2]. Nước ô nhiễm amoni nghiêm trọng rất nhiều vì amoni dễ dàng chuyển hóa thành các chất độc hại khác như nitrit, lại khó xử lý. Chính các sản phẩm chuyển hóa của amoni là chất ảnh hưởng đến sức khỏe con người, khi vào trong cơ thể sẽ chiếm mất oxy. Trong khi đó, máu có oxy mới đi đến khắp các tế bào trong cơ thể. Trẻ em bị nhiễm chất này sẽ xanh xao, ốm yếu, thiếu máu, khó thở. Đến một giai đoạn nào đó, bị nhiễm amoni nặng sẽ ngộp thở, nếu không cấp cứu kịp thời sẽ tử vong. Do đó việc xử lí amoni đang là một trong số vấn đề cấp bách [3]. Khoa Hóa Học Và Công Nghệ Thực Phẩm 1 Sinh viên thực hiện: Bùi Thị Thùy Dung
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP KHÓA 2012 - 2016 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”. 2. Mục đích nghiên cứu Tận dụng nguồn phế phẩm nông nghiệp là lõi ngô làm chất hấp phụ để lọc amoni ra khỏi nước. 3. Nhiệm vụ  Xây dựng quy trình hoạt hóa lõi ngô nhằm nâng cao khả năng xử lí amoni ở trong nước của vật liệu hấp phụ.  Khảo sát một số đặc điểm cấu trúc của vật liệu hấp phụ được tạo từ lõi ngô.  Khảo sát khả năng hấp phụ đối với amoni, lựa chọn những điều kiện thuận lợi cho quá trình hấp phụ. 4. Phương pháp nghiên cứu  Phương pháp nghiên cứu lý thuyết:  Thu thập, tổng hợp, nghiên cứu và phân tích các tài liệu, tư liệu, sách báo trong và ngoài nước có liên quan đền đề tài. Khoa Hóa Học Và Công Nghệ Thực Phẩm 2 Sinh viên thực hiện: Bùi Thị Thùy Dung
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP KHÓA 2012 - 2016  Xử lí thông tin lý thuyết và đưa ra các vấn đề cần thực hiện trong quá trình thực nghiệm.  Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm:  Thu gom và xử lý mẫu lõi ngô  Hoạt hóa lõi ngô bằng axít sunfuric  Xác định nồng độ amoni bằng phương pháp phân tích trắc quang.  Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD): xác định cấu trúc vật liệu.  Phương pháp kính hiển vi điện tử quét (SEM): xác định vi cấu trúc và hình thái bề mặt của mẫu vật liệu hấp phụ. 5. Bố cục của bài Trong đồ án này chúng ta sẽ được tìm hiều về các lý thuyết liên quan và quy trình tạo vật liệu hấp phụ từ lõi ngỗ, khảo sát các yếu tố để tạo được vật liệu hấp phụ tốt nhất, bên cạnh đó chúng ta cũng khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hấp phụ amoni được trình bày qua 3 chương chính của bài: Chương 1. Tổng quan; Chương 2. Thực nghiệm; Chương 3. Kết quả và thảo luận. Khoa Hóa Học Và Công Nghệ Thực Phẩm 3 Sinh viên thực hiện: Bùi Thị Thùy Dung
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP KHÓA 2012 - 2016 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan về nitơ và sự ô nhiễm amoni 1.1.1 Nitơ và tình trạng ô nhiễm các hợp chất có chứa nitơ Nitơ trong môi trường tự nhiên tồn tại ở nhiều dạng hóa học khác nhau bao gồm nitơ hữu cơ như amoni (NH4+), nitrit (NO2-), nitrat (NO3-), nitơ oxit (N2O), nitric oxit (NO), hoặc nitơ vô cơ như khí nitơ (N2). Nitơ hữu cơ có thể tồn tại trong các sinh vật sống, đất mùn, hoặc các sản phẩm trung gian của quá trình phân hủy các vật chất hữu cơ. Các quá trình trong chu trình nitơ chuyển đổi nitơ từ dạng này sang dạng khác. Một số quá trình này được tiến hành bởi các vi khuẩn, qua quá trình đó hoặc để chúng lấy năng lượng hoặc để tích tụ nitơ thành một dạng cần thiết cho sự phát triển của chúng. Sơ đồ bên dưới thể hiện các quá trình này tương thích với nhau để tạo ra chu trình nitơ [1]. Hình 1.1: Chu trình Nitơ trong tự nhiên [1] Khoa Hóa Học Và Công Nghệ Thực Phẩm 4 Sinh viên thực hiện: Bùi Thị Thùy Dung
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP KHÓA 2012 - 2016 Đầu tiên Nitơ trong khí quyển do khá trơ về mặt hóa học nhờ quá trình cố định nitơ mà nitơ dạng phân tử được phân giải về dạng nguyên tử dưới tác dụng của sấm sét, quá trình cố định này còn có thể theo con đường sinh học, một số vi khuẩn và tảo cũng có khả năng cố định nitơ như Azotobacter, vi khuẩn sống cộng sinh trên nốt sần rễ cây họ đậu, tảo lam…nhờ quá trình cố định đạm mà nitơ trong khí quyển được chuyển đổi thành amoni, thành phần này trong đất còn được bổ sung bằng phân bón hóa học. Thực vật lấy nitơ trong đất bằng cách hấp thu chúng quá rễ cây dưới dạng ion nitrat hoặc amoni, các amoni này sẽ bước vào quá trình khử để tổng hợp nên amino axít, nucleic axít và diệp lục quá trình này được gọi là quá trình đồng hóa nitơ. Thực vật sẽ là nguồn thức ăn của động vật, cung cấp cho động vật một nguồn nitơ dưới dạng chất hữu cơ. Sau khi động vật và thực vật chết đi, thì dạng ban đầu của nitơ đó là chất hữu cơ, trong một số trường hợp vi khuẩn hoặc nấm sẽ chuyển đổi nitơ trong xác thực vật và động vật thành amoni, quá trình này được gọi là quá trình amoni hóa hay khoáng hóa. Sau đó là quá trình chuyển đổi amoni thành nitrat, quá trình này được tiến hành đầu tiên bởi các vi khuẩn sống trong đất và các loại vi khuẩn nitrat hóa khác. Trong giai đoạn nitrat hóa đầu tiên, sự oxy hóa amoni được tiến hành bởi các vi khuẩn Nitrosomonas, quá trình này chuyển đổi amoniac thành nitrit (NO2-). Các loại vi khuẩn khác như Nitrobacter có nhiệm vụ oxy hóa nitrit thành nitrat (NO3-). Việc biến đổi nitrit thành nitrat là một quá trình quan trọng vì sự tích tụ của nitrit sẽ gây ngộ độc cho thực vật. Giai đoạn cuối cùng trong chu trình nitơ đó là quá trình khử nitrat, quá trình này giúp khử nitrat thành khí nitơ hoàn thành chu trình nitơ. Quá trình này được thực hiện bởi một số vi khuẩn [1].  Sự tồn tại của các chất nitơ trong nước Nitơ tồn tại trong hệ thủy sinh ở nhiều dạng hợp chất vô cơ và hữu cơ. Các dạng vô cơ cơ bản với tỷ lệ khác nhau tùy thuộc vào môi trường nước. Nitrat là muối nitơ vô cơ trong môi trường được sục khí đầy đủ và liên tục. Nitrit (NO2-) tồn tại trong điều kiện đặc biệt, còn amoniac (NH3) tồn tại ở dạng cơ bản trong điều kiện kỵ khí. Amoni hòa tan trong nước tạo thành dạng hyđrôxit amoni (NH4OH) và sẽ phân ly thành ion amoni (NH4+) và ion hyđrôxit (OH-). Quá trình oxi hóa có thể Khoa Hóa Học Và Công Nghệ Thực Phẩm 5 Sinh viên thực hiện: Bùi Thị Thùy Dung
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP KHÓA 2012 - 2016 chuyển tất cả các dạng nitơ vô cơ thành ion nitrat, còn quá trình khử sẽ chuyển hóa chúng thành dạng nitơ [5]. Nguồn ô nhiễm nitơ trong nước mặt có thể từ nhiều nguồn khác nhau nhưng chủ yếu do hoạt động của con người tạo ra như: Sinh hoạt, đô thị, công nghiệp, nông nghiệp, giao thông vận tải thủy…[6]. Nước thải sinh hoạt: Là nước thải từ các khu dân cư, các cơ sở hoạt động thương mại xã hội như công sở, trường học…trong nước thải sinh hoạt thường chứa nhiều tạp chất dưới dạng protein, cacbon hydrat, lipid, các chất bẩn từ người, động vật, thực vật, các loại rác, giấy, gỗ, các chất hoạt động bề mặt,… ngoài ra còn có các loại vi khuẩn như: trứng giun, virut, vi trùng, siêu vi trùng. Hợp chất nitơ trong nước thải là các hợp chất amoniac, protein, peptit, axít amin cũng như các thành phần khác trong chất thải rắn và lỏng. Các hợp chất chứa nitơ, đặc biệt là protein và urin trong nước tiểu phân hủy rất nhanh thành amoniac/amoni. Trong nước thải sinh hoạt, nitrit và nitrat có hàm lượng thấp do nồng độ oxy hòa tan và mật độ vi sinh vật tự dưỡng thấp. Thành phần nmoni chiếm 60 - 80% hàm lượng nitơ tổng trong nước thải [6]. Nước thải đô thị: Là nước thải trong hệ thống thoát nước của một thành phố, một khu đô thị. Trong nước thải đô thị, ngoài nước thải sinh hoạt còn có thể có nước thải của một số nước thải của một số cơ sở sản xuất công nghiệp, nước thải của bệnh viện, trạm y tế [6]. Nước thải công nghiệp: Là nước thải từ các nhà máy, xí nghiệp sản xuất hoặc từ các cơ sở sản xuất tiểu thủ công nghiệp đang hoạt động. Các tạp chất trong nước thải công nghiệp rất đa dạng, phức tạp tùy thuộc vào đặc thù của sản xuất như nguyên liệu sử dụng, các quy trình sản xuất, các biện pháp kỹ thuật được áp dụng… Thường các tạp chất thường là từ các nguyên liệu sản xuất và từ các chất được hình thành trong công đoạn sản xuất khi thực hiện các biện pháp kỹ thuật khác nhau. Các ngành công nghiệp sử dụng nitrat trong sản xuất là nguồn chủ yếu gây ô nhiễm nguồn nước. Nitrat được thải qua nước thải hay rác thải. Trong hệ thống ống khói của các nhà máy này còn chứa nhiều oxit nitơ thải vào khí quyển, gặp mưa và một Khoa Hóa Học Và Công Nghệ Thực Phẩm 6 Sinh viên thực hiện: Bùi Thị Thùy Dung
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP KHÓA 2012 - 2016 số quá trình biến đổi hóa học khác, chúng rơi xuống đất dưới dạng HNO3, HNO2. Do đó hàm lượng của các ion này trong nước tăng lên [6]. Nước thải nông nghiệp: Là loại nước thải trong quá trình sản xuất nông nghiệp. Tạp chất chủ yếu có trong nước thải nông nghiệp là các loại phân bón vô cơ, hữu cơ, các hóa chất, thuốc bảo vệ thực vật, các chất kích thích sinh trưởng dư thừa hoặc bị rửa trôi. Hàm lượng các tạp chất phụ thuộc vào chế độ canh tác, mùa vụ sản xuất. Nông nghiệp hiện đại là nguồn ô nhiễm lớn cho nước. Việc sử dụng phân bón hóa học chứa nitơ với số lượng lớn, thành phần không hợp lí, sử dụng bừa bãi thuốc trừ sâu, diệt cỏ…. thông qua quá trình rửa trôi, thấm lọc lượng nitrat hóa, amoni trong nước bề mặt và nước ngầm ngày càng cao [6]. Nước thải do giao thông vận tải thủy: Nước trên các dòng sông, hồ, biển có thể bị ô nhiễm do các phương tiện tàu, thuyền trên sông, biển thải ra, các tàu chở dầu, hóa chất bị rò rỉ làm ảnh hưởng đến môi trường nước, làm chết các loại động vật, thực vật sống trong môi trường sông biển [6]. Nước rác: Bãi chôn lấp rác là lò ủ vi sinh vật yếm khí, trong đó có một tập đoàn vi sinh vật hoạt động phân hủy một phần chất hữu cơ trong chất rắn. Quá trình phân hủy chất hữu cơ của vi sinh vật yếm khí bao gồm ba giai đoạn nối tiếp nhau. Thủy phân các phân tử hữu có lớn như polymer, lipit, protein, hydrat cacbon thành các phân tử nhỏ như monosacarit, amino axít… chúng là nguyên liệu thích hợp cho việc tổng hợp tế bào. Giai đoạn 2 là giai đoạn chúng chuyển hóa các sản phẩm thủy phân thành các axít, như axít axetic, crotonic, adipic, puruvic. Giai đoạn tạo khí metan và CO2 được thực hiện bới chính nhóm vi sinh vật Methanogens Trong quá trình phân hủy yếm khí, protein và các hợp chất chứa nitơ bị thủy phân bởi enzyme và tiếp tục thành amoni và CO2 cùng với các axít dễ bay hơi. Một lượng lớn amino axít, amoni được vi sinh vật sử dụng để cấu tạo tế bào, lượng dư sẽ còn lại trong nước rác. Sau một chu kì hoạt động, các vi sinh vật yếm khí chết và bị phân hủy như xác động vật. Trong hồ yếm khí, các hợp chất aitơ tồn tại chủ yếu dưới dạng amoni, một phần nằm trong tế bào của vi sinh vật yếm khí. Do không tách được sinh khối ra Khoa Hóa Học Và Công Nghệ Thực Phẩm 7 Sinh viên thực hiện: Bùi Thị Thùy Dung
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP KHÓA 2012 - 2016 khỏi nước nên khi phân hủy, amoni được trả lại hầu như nguyên vẹn vào môi trường nước [6]. 1.1.2 Sơ lược về amoni [6] Amoni bao gồm có 2 dạng: trung hòa (NH3) và ion (NH4+). Amoni có mặt trong môi trường có nguồn gốc từ các quá trình chuyển hóa nông nghiệp, công nghiệp và từ sự khử trùng nước bằng cloramin. Tác hại của amoni chỉ xuất hiện khi tiếp xúc với liều lượng khoảng trên 200mg/kg trọng lượng. 1.1.3 Hiện trạng ô nhiễm Amoni ở Việt Nam [1] Theo đánh giá của nhiều báo cáo và hội thảo khoa học thì tình trạng ô nhiễm amoni trong nước ngầm đã được phát hiện tại nhiều vùng trong cả nước. Chẳng hạn như tại thành phố Hồ Chí Minh, kết quả quan trắc nước ngầm gần đây cho thấy lượng nước ngầm ở khu vực ngoại thành đang diễn biến ngày càng xấu đi. Cụ thể nước ngầm ở trạm Đông Thạch (huyện Hóc Môn) bị ô nhiễm amoni (68,73 mg/l cao gấp 1,9 lần so với năm 2005). Ngoài ra còn có một số khu vực khác cũng bi ô nhiễm trong nước ngầm nhưng khu vực bị ô nhiễm trong nước ngầm nặng nề nhất trong cả nước là khu vực đồng bằng Bắc Bộ. Theo kết quả khảo sát của trung tâm nghiên cứu thuộc trung tâm khoa học tự nhiên và công nghệ quốc gia và trường Đại Học Mỏ - Địa Chất thì phần lớn nước ngầm khu vực đồng bằng Bắc Bộ gồm các tỉnh: Hà Tây, Hà Nam, Nam Định, Ninh Bình, Hải Dương, Hưng Yên, Thái Bình và phía nam Hà Nội đều bị nhiễm bẩn amoni rất nặng. Xác suất các nguồn nước ngầm nhiễm amoni có nồng độ cao hơn tiêu chuẩn nước sinh hoạt (3mg/l) khoảng 70 - 80%. Trong nhiều nguồn nước ngầm còn nhiều hợp chất hữu cơ, độ oxi hóa có nguồn đạt 30 - 40mg O2/l. Có thể cho rằng phần lớn các nguồn nước ngầm đang sử dụng không đạt tiêu chuẩn về amoni và các hợp chất hữu cơ. Theo kết quả khảo sát của các nhà khoa học Viện Địa Lý thuộc Viện Khoa Học và Công Nghệ Việt Nam thì hầu như các mẫu nước từ các huyện của tỉnh Hà Nam đều có tỷ lệ nhiễm amoni ở mức đáng báo động. Chẳng hạn như tại Lý Nhân có mẫu nước với hàm lượng lên tới 11,8mg/l gấp 74 lần so với tiêu chuẩn Bộ Y Tế , Khoa Hóa Học Và Công Nghệ Thực Phẩm 8 Sinh viên thực hiện: Bùi Thị Thùy Dung
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP KHÓA 2012 - 2016 còn ở Duy Tiên là 93,8mg/l gấp 63 lần…. Trong khi đó, các kết quả khảo sát của trường Đại Học Mỏ - Địa Chất Hà Nội cũng cho biết chất lượng nước ngầm ở tầng mạch nông và mạch sâu tại các địa phương này cũng có hàm lượng Nitơ trung bình >20mg/l vượt mức tiêu chuẩn Việt Nam cho phép rất nhiều lần. 1.1.4 Tác hại của của amoni và các hợp chất của nitơ [3] Ở trong nước ngầm, amoni không thể chuyển hóa được do thiếu oxy. Khi khai thác lên, vi sinh vật trong nước nhờ oxy trong không khí chuyển amoni thành các nitrat (NO2-), nitrit (NO3-) tích tụ trong nước ăn. Chính các hợp chất khi vào cơ thể sẽ vô cùng nguy hiểm nếu ở liều lượng cao. Nitrat tạo ra chứng thiếu vitamin và có thể kết hợp với các amin để tạo nên những nitrosamine là nguyên nhân gây nên ung thư cho con người. Trẻ sơ sinh đặc biệt nhạy cảm với nitrat lọt vào sữa mẹ, hoặc qua nước dùng để pha sữa. Sau khi lọt vào cơ thể, nitrat được chuyển hóa nhanh thành nitrit nhờ vi khuẩn đường ruột, ion nitrit còn nguy hiểm hơn nitrat đối với sức khỏe con người. Khi tác dụng với các amin hay alkyl cacbonat trong cơ thể người chúng có thể tạo thành các hợp chất chứa nitơ gây ung thư. Các nitrit tác động lên huyết sắc tố Hemoglobin (Hb) có nhiệm vụ vận chuyển oxy, biến nó thành methamoglobin (Met-Hb) không có khả năng vận chuyển được oxy. Nhờ hệ men đặc biệt, Met-Hb có thể chuyển thành Oxy-Hemoglobin (Oxy-Hb). Ở trẻ nhỏ, Met- Hb không thẻ chuyển thành Oxy-Hb vì ở trẻ sơ sinh hệ men cần thiết chưa phát triển đầy đủ. Ở trẻ sơ sinh, nước dạ dày ít, các vi khuẩn tạo ra nhiều nitrit. Mặt khác dạ dày trẻ sơ sinh kém axít nên không ngăn cản được nitrat chuyển hóa thành nitrit. Kết quả là một lượng lớn nitrit chiếm lấy huyết sắc tố và biến thành Met-Hb, mất khả năng vận chuyển oxy đến mô, làm trẻ xanh xao, bệnh tật (Bệnh Blue Baby). Nitơ amôn có mặt trong nước ngầm có thể gây ra một số hậu quả như có có thể làm giảm hiệu quả của khâu khử trùng bằng clo, do nó có thể phản ứng tạo thành cloramins, có tác dụng sát khuẩn yếu hơn so với clo (khoảng 1.000 lần). Ngoài ra nó còn làm giảm khả năng xử lý sắt, mangan bằng công nghệ truyền thống. Nitơ amôn là nguồn dinh dưỡng, tạo điều kiện cho các vi sinh vật nước, kể cả tảo, phát triển nhanh, làm ảnh hưởng đến chất lượng nước thương phẩm, đặc biệt là Khoa Hóa Học Và Công Nghệ Thực Phẩm 9 Sinh viên thực hiện: Bùi Thị Thùy Dung