Đồ án tốt nghiệp: Nghiên cứu tổng hợp zeolite ZSM-5 từ cao lanh và khảo sát khả năng hấp phụ amoni trong nước

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:78

Thêm vào BST

Báo xấu

68
lượt xem 11
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục đích nghiên cứu của đồ án là tổng hợp zeolite ZSM-5 từ nguồn cao lanh rẻ tiền có sẵn, kết hợp việc bổ sung silic từ thủy tinh lỏng Na2SiO3 cho hiệu suất cao và chất lượng sản phẩm tốt. Khảo sát khả năng hấp phụ amoni trong nước bằng zeolite tổng hợp được. 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 tổng hợp zeolite ZSM-5 từ cao lanh và khảo sát khả năng hấp phụ amoni trong nước

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÀ RỊA-VŨNG TÀU ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP ZEOLITE ZSM-5 TỪ CAO LANH VÀ KHẢO SÁT KHẢ NĂNG HẤP PHỤ AMONI TRONG 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 : Nguyễn Thành Luân MSSV: 13030731 Lớp: DH13HD Bà Rịa-Vũng Tàu, năm 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 Thành Luân Ngày sinh: 7/3/1994 MSSV : 13030731 Lớp: DH13HD Địa chỉ : 144 Hàn Thuyên, phường 11, thành phố Vũng Tàu, tỉnh Bà Rịa - Vũng Tàu E-mail : luanthanh597@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 tổng hợp zeolite ZSM-5 từ cao lanh và khảo sát khả năng hấp phụ amoni trong nước. 2. Giảng viên hướng dẫn: ThS. Diệp Khanh 3. Ngày giao đề tài: 7/2/2017 4. Ngày hoàn thành đồ án/ khoá luận tốt nghiệp: 22/6/2017 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 NGÀNH VIỆN TRƯỞNG (Ký và ghi rõ họ tên) (Ký và ghi rõ họ tên)
LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan đồ án tốt nghiệp với đề tài “Nghiên cứu tổng hợp zeolite ZSM-5 từ cao lanh và khảo sát khả năng hấp phụ amoni trong nước” là công trình nghiên cứu của riêng tôi và được sự hướng dẫn của ThS. Diệp Khanh. Trong luận văn này tôi hoàn toàn sử dụng những kiến thức đã được học, sử dụng một số tài liệu, số liệu của các tác giả, cơ quan tổ chức khác nhau đều có trích dẫn và chú thích rõ ràng về nguồn gốc ở phần tài liệu tham khảo. Tôi hoàn toàn chịu trách nhiệm về nội dung và kết quả về bài luận văn của mình và chịu mọi hình thức kỉ luật nếu phát hiện bất cứ hành vi gian lận nào. Vũng Tàu, ngày…tháng…năm 2017 Sinh viên thực hiện Nguyễn Thành Luân
LỜI CẢM ƠN 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 xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến ThS. Diệp Khanh đã tận tình hướng dẫn và giúp đỡ tôi trong suốt thời gian thực hiện đồ án. Tôi cũng xin chân thành cảm ơn đến quý thầy, cô Viện Kỹ thuật - Kinh tế biển, trường Đại học Bà Rịa - Vũng Tàu đã tận tình dạy dỗ trong suốt thời gian học tập tại trường. Sau cùng tôi muốn gửi lời cảm ơn gia đình và bạn bè đã động viên và giúp đỡ tôi trong suốt thời gian làm đồ án. Một lần nữa tôi xin chân thành cảm ơn! Vũng Tàu, ngày…tháng…năm 2017 Nguyễn Thành Luân
MỤC LỤC DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT .......................................................................ii DANH MỤC BẢNG............................................................................................ iii DANH MỤC HÌNH ..............................................................................................iv LỜI MỞ ĐẦU ........................................................................................................ 1 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ................................................................................. 4 1.1 Hiện trạng ô nhiễm amoni và một số phương pháp xử lí ............................. 4 1.1.1 Nguồn gốc và hiện trạng ô nhiễm amoni trong nước ở Việt Nam ......... 4 1.1.2 Hiện trạng ô nhiễm amoni ở Việt Nam .................................................. 4 1.1.3 Ảnh hưởng của amoni đối với sức khỏe con người ............................... 5 1.1.4 Một số phương pháp xử lí amoni ........................................................... 6 1.2 Cao lanh (kaolinite) .................................................................................... 10 1.2.1 Sơ lược về khoáng kaolinite ................................................................. 10 1.2.2. Cấu trúc của khoáng kaolinite ............................................................. 10 1.2.3 Các tính chất đặc trưng cơ bản của kaolinite ....................................... 11 1.2.4 Những biến đổi trong cấu trúc kaolinite khi nung................................ 12 1.2.5 Cao lanh Bình Dương ........................................................................... 13 1.3 Zeolite ......................................................................................................... 13 1.3.2 Khái niệm về zeolite ............................................................................. 14 1.3.3 Phân loại zeolite ................................................................................... 14 1.3.4 Cấu trúc của zeolite .............................................................................. 15 i
1.3.5 Tính chất zeolite ................................................................................... 18 1.3.6 Phương pháp tổng hợp zeolite .............................................................. 20 1.3.7 Ứng dụng của zeolite ............................................................................ 22 1.3.8 Giới thiệu về zeolite ZSM-5 ................................................................. 24 1.4 Tổng quan về hấp phụ................................................................................. 29 1.4.1 Khái niệm ............................................................................................. 29 1.4.2 Phân loại quá trình hấp phụ .................................................................. 29 1.4.3 Các phương trình hấp phụ đẳng nhiệt .................................................. 30 1.5 Phương pháp phân tích ............................................................................... 34 1.5.1 Phương pháp phân tích trắc quang ....................................................... 34 1.5.2 Phương pháp phân tích cấu trúc ........................................................... 35 1.6. Tình hình nghiên cứu trong nước về tổng hợp zeolite zsm-5 .................... 37 CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM ........................................................................... 39 2.1 Nguyên liệu và hóa chất ............................................................................. 39 2.2 Thiết bị và dụng cụ ..................................................................................... 40 2.3 Tổng hợp zeolite ZSM-5............................................................................. 40 2.3.1 Nguyên liệu .......................................................................................... 40 2.3.2 Các bước tiến hành thí nghiệm ............................................................. 42 2.4 Biến tính ZSM-5 ......................................................................................... 45 2.4.1 Mục đích ............................................................................................... 45 2.4.2 Nguyên liệu .......................................................................................... 45 2.4.3 Các bước tiến hành thí nghiệm ............................................................. 45 ii
2.5 Khảo sát khả năng hấp phụ amoni trong nước của ZSM-5 bằng phương pháp trắc quang ........................................................................................... 45 2.5.1 Nguyên tắc ............................................................................................ 46 2.5.2 Thiết bị, dụng cụ và hóa chất ............................................................... 46 2.5.4 Khảo sát khả năng hấp phụ amoni trong nước của zeolite ZSM-5 ...... 48 CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN....................................................... 49 3.1 Kết quả tổng hợp......................................................................................... 49 3.2 Kết quả phân tích cấu trúc vật liệu ............................................................. 49 3.2.1 Kết quả nhiễu xạ tia X .......................................................................... 49 3.2.2 Kết quả phân tích phổ IR ...................................................................... 52 3.3 Xây dựng đường chuẩn ............................................................................... 53 3.4 Kết quả khảo sát quá trình hấp phụ amoni của zeolite ............................... 54 3.4.1 Tính toán độ hấp phụ ............................................................................ 54 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ............................................................................. 63 Kết luận ............................................................................................................. 63 Kiến nghị........................................................................................................... 63 TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................... 65 iii
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT UV-VIS: Ultra Violet-Visible (Tử ngoại khả kiến). XRD: X-Ray Diffraction (Nhiễu xạ tia X). IR: Infrared (Hồng ngoại). ii
DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1: Giới hạn nồng độ các hợp chất của nitơ trong nước uống ............................. 6 Bảng 1.2: Các dao động IR đặc trưng ........................................................................... 44 Bảng 2.1: Thiết bị và dụng cụ ........................................................................................ 47 Bảng 2.2: Thành phần % oxit của nguyên liệu .............................................................. 47 Bảng 2.3: Thành phần nguyên liệu ................................................................................ 49 Bảng 2.4: Nồng độ dung dịch chuẩn .............................................................................. 47 Bảng 3.1: Số liệu xây dựng đường chuẩn amoni ........................................................... 60 Bảng 3.2: Kết quả khảo sát khả năng hấp phụ amoni của metakaolinite ..................... 62 Bảng 3.3: Kết quả khảo sát khả năng hấp phụ amoni của ZSM-5 ................................ 64 Bảng 3.4: Kết quả khảo sát khả năng hấp phụ amoni của FeZSM-5 ............................ 67 Bảng 3.4: Kết quả tổng hợp quá trình hấp phụ amoni .................................................. 69 iii
DANH MỤC HÌNH Hình 1.1: Sơ đồ không gian mạng lưới cấu trúc kaolinite ............................................. 11 Hình 1.2: Các vị trí trao đổi ion khác nhau đối với hạt kaolinite ................................. 12 Hình 1.3: Vị trí các nhóm OH trong cấu trúc kaolinite ................................................. 13 Hình1.4: Cấu trúc sơ cấp của zeolite: tứ diện SiO4 (a), AlO4- (b) ................................ 16 Hình 1.5: Liên kết trong cấu trúc zeolite ....................................................................... 16 Hình 1.6: Cấu trúc thứ cấp SBU của zeolite .................................................................. 17 Hình 1.7: Đơn vị sodalite (trái) ..................................................................................... 17 Hình 1.8: Sơ đồ quá trình tổng hợp zeolite từ hai nguồn nguyên liệu riêng biệt .......... 21 Hình 1.9: Tổng hợp zeolite từ các nguồn khoáng tự nhiên ............................................ 22 Hình 1.10: Hình ảnh mô tả cấu trúc zeolite ZSM-5 ...................................................... 24 Hình 1.11: Cấu trúc hình thành zeolite ZSM-5 .............................................................. 25 Hình1.12: Cấu trúc mao quản ZSM-5 ........................................................................... 25 Hình1.13: Cấu trúc mao quản ZSM-5 với vòng 10 nguyên tử Oxi ................................ 26 Hình 1.14: Vai trò của tác nhân tạo cấu trúc hữu cơ .................................................... 28 Hình 2.1: Quy trình tổng hợp zeolite ZSM-5 ................................................................. 50 Hình 2.2 : Quy trình biến tính zeolite ZSM-5 ................................................................ 52 Hình 3.1: Mẫu metakaolinite (trái) và zeolite ZSM-5 (phải) ......................................... 56 Hình 3.2: Giản đồ XRD của metakaolinite .................................................................... 57 Hình 3.3: Giản đồ XRD của zeolite ZSM-5 ................................................................... 57 Hình 3.4: Giản đồ XRD của zeolite FeZSM-5 ............................................................... 51 Hình 3.5: Phổ hồng ngoại (IR) của mẫu ZSM-5 ............................................................ 52 Hình 3.6: Phổ hồng ngoại (IR) của mẫu FeZSM-5........................................................ 52 Hình 3.7: Đường chuẩn của amoni ................................................................................ 54 Hình 3.8: Đường hấp phụ đẳng nhiệt của metakaolinite............................................... 56 Hình 3.9: Phương trình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir của metakalinite ..................... 56 Hình 3.10: Phương trình hấp phụ đẳng nhiệt Freundlich của metakaolinite ............... 57 iv
Hình 3.11: Đường hấp phụ đẳng nhiệt của zeolite ZSM-5 ............................................ 58 Hình 3.12: Phương trình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir của zeolite ZSM-5 ................ 58 Hình 3.13: Phương trình hấp phụ đẳng nhiệt Freundlich của zeolite ZSM-5 ............... 59 Hình 3.14: Đường hấp phụ đẳng nhiệt của zeolite FeZSM-5 ........................................ 60 Hình 3.15: Phương trình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir của zeolite FeZSM-5............ 61 Hình 3.16: Phương trình hấp phụ đẳng nhiệt Freundlich của zeolite FeZSM-5.......... 61 v
LỜI MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Hiện nay, nguồn nước sạch bị ô nhiễm đang là vấn đề cấp thiết của toàn nhân loại. Việt Nam cũng là quốc gia đang đối mặt với tình trạng khan hiếm nguồn nước sạch phục vụ cho nhu cầu sinh hoạt và sản xuất. Dư lượng amoni trong nước với một lượng lớn vượt quá tiêu chuẩn cho phép sẽ gây ảnh hưởng không tốt đến sức khỏe con người. Zeolite là một loại vật liệu được phát hiện từ lâu, nhưng công dụng hữu ích của nó đối với việc hấp phụ amoni trong nước thì mới chỉ được nghiên cứu vài chục năm trở lại đây. Việc nghiên cứu, tổng hợp zeolite ZSM-5 nhằm xử lí amoni trong nước đang được sự quan tâm của nhiều đơn vị nghiên cứu trong và ngoài nước. Hướng nghiên cứu tổng hợp zeolite từ nguồn nguyên liệu là khoáng sét mà chủ yếu là khoáng cao lanh đã được các nhà khoa học quan tâm từ khá sớm. Nghiên cứu chuyển hóa cấu trúc cao lanh thành zeolite là một hướng có triển vọng trong ngành công nghiệp sản xuất zeolite. Nó mang một ý nghĩa thực tiễn to lớn vì khoáng sét là loại vật liệu có sẵn trong tự nhiên với lượng lớn.Tổng hàm lượng Al2O3 và SiO2 trong cao lanh chiếm khoảng 70%, đây là nguồn nguyên liệu chủ yếu cho nhiều ngành công nghiệp ở nước ta. Thành phần trong cao lanh lại gần giống với thành phần trong vật liệu zeolite vì vậy sẽ tiết kiệm được chi phí cho quá trình tổng hợp. Với tất cả những cơ sở trên tôi thực hiện đề tài: “Nghiên cứu tổng hợp zeolite ZSM-5 từ cao lanh và khảo sát khả năng hấp phụ amoni trong nước” cho khóa luận này. 1
2. Tình hình nghiên cứu Công trình đầu tiên về tổng hợp silicat trong điều kiện thủy nhiệt đã được Saphote thực hiện vào năm 1845. Sau đó ông đã tiến hành tổng hợp ‘‘Levinit‘‘ bằng cách nung nóng dung dịch nước K2SiO3 và NaAlO2 trong ống thủy tinh ở nhiệt độ 170oC. Ngày nay, việc tổng hợp zeolite thường được tiến hành ở nhiệt độ và áp suất không cao lắm, bản chất của các chất ban đầu, các thông số quyết định việc tạo mầm kết tinh, thời gian kết tinh là những yếu tố quan trọng nhất quyết định chất lượng sản phẩm. 3. Mục đích nghiên cứu Tổng hợp zeolite ZSM-5 từ nguồn cao lanh rẻ tiền có sẵn, kết hợp việc bổ sung silic từ thủy tinh lỏng Na2SiO3 cho hiệu suất cao và chất lượng sản phẩm tốt. Khảo sát khả năng hấp phụ amoni trong nước bằng zeolite tổng hợp được. 4. Nhiệm vụ nghiên cứu ❖Tổng hợp zeolite ZSM-5 từ nguồn cao lanh. ❖Xác định một số đặc điểm cấu trúc của zeolite ZSM-5. ❖Khảo sát khả năng hấp phụ đối với amoni trong nước. 5. 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. 2
❖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: ❖Tổng hợp zeolite ZSM-5 từ cao lanh bằng phương pháp thủy nhiệt. ❖Khảo sát khả năng hấp phụ amoni trong nước bằng phương pháp phân tích trắc quang (Theo SMEWW 4500-NH3 F:2012). ❖Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD): nghiên cứu cấu trúc tinh thể và định danh của vật liệu. ❖Phương pháp phân tích quang phổ hồng ngoại (IR): Nghiên cứu đặc trưng của các liên kết trong và ngoài mạng tinh thể (dao động của liên kết). 6. Dự kiến kết quả nghiên cứu Tổng hợp thành công zeolite ZSM-5 từ cao lanh bằng phương pháp thủy nhiệt. Khảo sát khả năng hấp phụ ion amoni của zeolite tổng hợp được ở điều tại phòng thí nghiệm. 7. Cấu trúc của đồ án tốt nghiệp: Gồm có 3 chương (Tổng quan, Thực nghiệm, Kết quả và thảo luận), 68 trang, 10 bảng, 30 hình. 3
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Hiện trạng ô nhiễm amoni và một số phương pháp xử lí 1.1.1 Nguồn gốc và hiện trạng ô nhiễm amoni trong nước ở Việt Nam a. Sơ lược về amoni Amoni bao gồm có 2 dạng: không ion hóa (NH3) và ion hóa (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 [1]. b. Nguồn gốc ô nhiễm amoni 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 chuyển tất cả các dạng nitơ vô cơ thành ion nitrat, còn quá trình khử sẽ chuyển hóa chúng thành dạng nitơ [2]. 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…[1]. 1.1.2 Hiện trạng ô nhiễm amoni ở Việt Nam [3] 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 năm 2011 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). 4
Ngoài ra còn có một số khu vực khác cũng bị 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. 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. 1.1.3 Ảnh hưởng của amoni đối với sức khỏe con người [19] Amoni thật ra không gây ảnh hưởng trực tiếp đến sức khỏe con người, nhưng trong quá trình khai thác, lưu trữ và xử lí…Amoni được chuyển hóa thành nitrit (NO2-) và nitrat (NO3-) là những chất có tính độc hại tới con người, vì nó có thể chuyển hóa 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. Khi ăn uống nước có chứa nitrit thì cơ thể sẽ hấp thu nitrit vào máu và chất này sẽ tranh oxi của hồng cầu làm hemoglobin mất khả năng lấy oxi, 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 duy 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 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. 5
Bảng 1.1: Giới hạn nồng độ các hợp chất của nitơ trong nước uống [19]. STT Chỉ tiêu Giới hạn tối đa Đơn vị 1 Hàm lượng amoni tính theo NH4+ 1,5 mg/l 2 Hàm lượng nitrat 50,0 mg/l 3 Hàm lượng nitrit 3,0 mg/l 1.1.4 Một số phương pháp xử lí amoni [19] a. Phương pháp clo hóa Clo gần như là chất oxi hóa mạnh có khả năng oxi hóa amoni/amoniac ở nhiệt độ phòng về dạng N2. Khi hòa tan clo trong nước tùy theo pH của nước mà clo có thể nằm dạng HClO hay ion ClO- do có phản ứng theo phương trình: Cl2 + H2O  HCl + HClO (1.1) HClO  H+ + ClO- (1.2) Khi trong nước có NH4+ sẽ xảy ra các phản ứng sau: HClO + NH3  H2O + NH2Cl (Monicloramin) (1.3) HClO + NH2Cl  H2O + NHCl2 (Dicloramin) (1.4) HClO + NH2Cl  H2O + NCl3 (Tricloramin) (1.5) Nếu có 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. b. Phương pháp kiềm hóa và làm thoáng Amoni trong nước tồn tại dưới dạng cân bằng: 6
+ + NH4  NH3 + H ; pKa = 9,5 (1.7) Như vậy, ở pH = 7 chỉ có một lượng rất nhỏ khí NH3 so với ion amoni. Nếu ta nâng pH thành 9,5 tỷ lệ [NH3]/[NH4+] = 1, và càng tăng pH cân bằng càng chuyển về phía tạo thành NH3. Khi đó nếu áp dụng các kỹ thuật sục khí hoặc thổi khí thì NH3 sẽ bay hơi theo định luật Henry, làm chuyển cân bằng về phía phải. + NH4 + OH-  NH3 + H2O (1.8) Trong thực tế pH phải nâng lên xấp xỉ 11, lượng khí cần để đuổi ở mức 16000 m3 không khí/m3 nước và quá trình phụ thuộc vào nhiệt độ của môi trường. Phương pháp này áp dụng được cho nước thải, khó có thể đưa được nồng độ NH4+ xuống dưới 1,5mg/l nên rất hiếm khi được áp dụng để xử lí nước cấp. c. Phương pháp Ozon hóa với xúc tác Bromua (Br-) Để khắc phục nhược điểm của phương pháp clo hóa điểm đột biến là người ta có thể thay thế bằng một số tác nhân oxi hóa khác như là ozon với sự có mặt của xúc tác Br-. Về cơ bản xử lí NH4+ bằng O3 với sự có mặt của Br- cũng diễn ra theo cơ chế giống nhưng phương pháp xử lí bằng clo. Dưới tác dụng của O3, Br- bị oxi hóa thành BrO- theo phản ứng sau đây: + Br- + O3 + H  HBrO + O2 (1.9) Phản ứng oxi hóa NH4+ được thực hiện bởi ion BrO- giống như của ion ClO-: NH3 + HBrO  NH2Br + H2O (1.10) NH2Br + HBrO  NH2Br2 + H2O (1.11) + NH2Br + NHBr2  N2 + 3Br- + H (1.12) 7
Đây chính là điểm tương đồng của hai phương pháp clo hóa và ozon hóa xúc tác Br. d. Phương pháp trao đổi ion Quá 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 những định luật bảo toàn điện tích, phương trình trao đổi ion được mô tả một cách tổng quát như sau: - AX + B  AB + X- (1.13) + + CY + D  CD + Y (1.14) Trong đó AX là chất trao đổi anion, CY là chất trao đổi cation. Phản ứng trao đổi là một phản ứng thuận nghịch, chiều thuận được gọi là chiều trao đổi, chiều nghịch được gọi là chiều phản ứng tái sinh. Ví dụ về phản ứng sử dụng nhựa trao đổi ion: + + R-H + NH4  R-NH4 + H (1.15) e. Phương pháp sinh học Ở phương pháp sinh học gồm có 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 (1.16) - - NO2 + 0,5O2  NO3 (1.17) 8
Phương trình tổng: + - + NH4 + 2O2  NO3 + 2H + H2O (1.18) Đầu tiên, amoni được oxi hóa thành các nitrit nhờ vi khuẩn Nitrosomonas, Nitrosospire, Nitrosococcus, Nitrosolobus. Sau đó các ion nitrit bị oxi 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 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. f. Phương pháp hấp phụ Phương pháp hấp phụ dựa vào lực tương tác giữa chất hấp phụ và chất bị hấp phụ trong đó các chất bị hấp phụ được giữ lại trên bề mặt chất hấp phụ nhờ đó mà quá trình lọc được thực hiện. Thường khi sử dụng phương pháp này thì nồng độ của amoni trong nước sẽ xuống nồng độ dưới 1,5mg/l, đem lại hiệu quả tốt hơn nên có thể sử dụng phương pháp này để sản xuất nước cấp được. Để nâng cao khả năng lọc của chất hấp bị phụ có nồng độ lớn ta có thể sử dụng phương pháp sử dụng nhiều lớp chất hấp phụ với các kích thước khác nhau. 9