Luận văn Thạc sĩ Khoa học vật chất: Nghiên cứu khả năng hấp phụ amoni của các vật liệu biến tính từ quặng apatit và thăm dò xử lý môi trường

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

Thêm vào BST

Báo xấu

36
lượt xem 4
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Kết quả Luận văn cho VLHP1 hấp thụ amoni trong mẫu nước giếng của VLHP1 đạt 3,47 mg/g . Nồng độ amoni trong nước giếng là 33,58 ppm vượt quá tiêu chuẩn cho phép nhiều lần (11 lần) đối với nước dùng cho mục đích sinh hoạt đây là nguồn nước không đảm bảo. Mời các bạn cùng tham khảo!

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Khoa học vật chất: Nghiên cứu khả năng hấp phụ amoni của các vật liệu biến tính từ quặng apatit và thăm dò xử lý môi trường

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM NGUYỄN HỮU HIỆP NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG HẤP PHỤ AMONI CỦA CÁC VẬT LIỆU BIẾN TÍNH TỪ QUẶNG APATIT VÀ THĂM DÒ XỬ LÝ MÔI TRƯỜNG LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC VẬT CHẤT Thái Nguyên, 2017
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM NGUYỄN HỮU HIỆP NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG HẤP PHỤ AMONI CỦA CÁC VẬT LIỆU BIẾN TÍNH TỪ QUẶNG APATIT VÀ THĂM DÒ XỬ LÝ MÔI TRƯỜNG Chuyên ngành: Hóa Phân Tích Mã số: 60.44.01.18 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC VẬT CHẤT Người hướng dẫn khoa học: TS. NGÔ THỊ MAI VIỆT Thái Nguyên, 2017
LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan: Đề tài: “Nghiên cứu khả năng hấp phụ amoni của các vật liệu biến tính từ quặng apatit và thăm dò xử lý môi trường” là do bản thân tôi thực hiện. Các số liệu, kết quả trong đề tài là trung thực. Nếu sai sự thật tôi xin chịu trách nhiệm. Thái nguyên, tháng 11 năm 2017 Tác giả luận văn Nguyễn Hữu Hiệp i
LỜI CẢM ƠN Trong suốt quá trình học tập và thực hiện đề tài luận văn thạc sĩ, chuyên ngành Hóa Phân tích, Khoa Hóa học - Trường Đại học Sư phạm - Đại học Thái Nguyên, em đã nhận được sự ủng hộ, giúp đỡ của các thầy cô giáo, các đồng nghiệp, bạn bè và gia đình. Trước tiên, em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến TS. Ngô Thị Mai Việt, cô đã tận tình hướng dẫn, truyền đạt kiến thức và kinh nghiệm quý báu để em có thể hoàn thành luận văn này. Em xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành đến các thầy giáo, cô giáo trong Khoa Hóa học, các thầy cô trong Ban Giám hiệu Trường Đại học Sư phạm - Đại học Thái Nguyên đã giảng dạy, tạo điều kiện thuận lợi, giúp đỡ em trong quá trình học tập và nghiên cứu. Mặc dù đã có nhiều cố gắng, song do thời gian có hạn, năng lực nghiên cứu của bản thân còn hạn chế, nên kết quả nghiên cứu của em có thể còn nhiều thiếu sót. Em rất mong nhận được sự góp ý, chỉ bảo của các thầy giáo, cô giáo, các bạn đồng nghiệp để luận văn của em được hoàn thiện hơn. Em xin chân thành cảm ơn! Thái Nguyên, tháng 11 năm 2017 Tác giả Nguyễn Hữu Hiệp ii
MỤC LỤC Trang Trang bìa phụ Lời cam đoan ........................................................................................................ i Lời cảm ơn ........................................................................................................... ii Mục lục ...............................................................................................................iii Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt .............................................................. iv Danh mục các bảng.............................................................................................. v Danh mục các hình ............................................................................................. vi MỞ ĐẦU ............................................................................................................. 1 Chương 1. TỔNG QUAN .................................................................................. 3 1.1. Giới thiệu về amoni và tác dụng sinh hóa của amoni................................... 3 1.3. Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia ........................................................................ 4 1.3.1. Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về nước thải công nghiệp ........................... 4 1.3.2. Quy chuẩn quốc gia về nồng độ amoni trong nước ăn uống và sinh hoạt ...... 5 1.4. Xử lí amoni ................................................................................................... 5 1.4.1. Phương pháp hóa lý................................................................................... 5 1.4.2. Phương pháp hóa học................................................................................ 6 1.4.3. Phương pháp sinh học ............................................................................... 6 1.5. Tình trạng nguồn nước bị ô nhiễm amoni .................................................... 6 1.6. Giới thiệu về phương pháp hấp phụ ............................................................. 8 1.6.1. Sự hấp phụ ................................................................................................. 8 1.6.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hấp phụ các chất tan trong dung dịch lên bề mặt chất hấp phụ ............................................................................... 9 1.6.3. Xác định dung lượng hấp phụ cân bằng và hiệu suất hấp phụ ............... 10 1.6.4. Các mô hình cơ bản của quá trình hấp phụ ............................................ 11 1.7. Phương pháp quang phổ hấp thụ phân tử ................................................... 13 1.7.1. Nguyên tắc ............................................................................................... 13 1.7.2. Phương pháp đường chuẩn ..................................................................... 15 1.7.3. Phương pháp thêm chuẩn ........................................................................ 16 1.8. Giới thiệu về quặng apatit........................................................................... 17 1.9. Tổng quan tình hình nghiên cứu ................................................................. 17 iii
Chương 2. THỰC NGHIỆM, KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN.... 20 2.1. Thiết bị và hóa chất .................................................................................... 20 2.1.1. Thiết bị ..................................................................................................... 20 2.1.2. Hóa chất................................................................................................... 20 2.2. Biến tính quặng apatit thành các vật liệu hấp phụ (VLHP) ....................... 21 2.2.1. Biến tính quặng apatit bằng axit HCl (VLHP1) ...................................... 21 2.2.2. Biến tính quặng apatit bằng oxit nano Fe3O4 (VLHP2).......................... 21 2.3. Pha thuốc thử .............................................................................................. 22 2.4. Nghiên cứu một số đặc trưng hóa lý của quặng apatit tự nhiên và quặng apatit biến tính ................................................................................................... 22 2.5. Xác đinh ̣ điể m đẳ ng điê ̣n của vâ ̣t liêụ ........................................................ 22 2.6. Nghiên cứu điều kiện tối ưu cho phép xác định amoni theo phương pháp UV-Vis ............................................................................................................... 23 2.6.1. Bước sóng ................................................................................................ 23 2.6.2. pH ............................................................................................................ 23 2.6.3. Thời gian .................................................................................................. 23 2.6.4. Chất lạ ..................................................................................................... 23 2.7. Xây dựng đường chuẩn xác định nồng độ amoni....................................... 24 2.8. Phương pháp hấp phụ tĩnh .......................................................................... 24 2.8.1. Khảo sát khả năng hấp phụ amoni của quặng apatit tự nhiên và quặng apatit biến tính ........................................................................................ 24 2.8.2. Ảnh hưởng của khối lượng vật liệu hấp phụ ........................................... 24 2.8.3. Ảnh hưởng của pH ................................................................................... 25 2.8.4. Ảnh hưởng của thời gian tiếp xúc............................................................ 25 2.8.5. Ảnh hưởng của nhiệt độ........................................................................... 26 2.8.6. Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ đầu của amoni ................................... 26 2.8.7. Ảnh hưởng Fe(III), Mg(II), Ca(II), Mn(II) và hỗn hợp Fe(III), Mg(II), Ca(II), Mn(II) đến khả năng hấp phụ amoni ..................................................... 27 2.9. Khảo sát khả năng hấp phụ amoni của vật liệu theo phương pháp hấp phụ động ............................................................................................................ 28 2.9.1. Chuẩn bị cột hấp phụ............................................................................... 28 2.9.2. Nghiên cứu khả năng hấp phụ động amoni của vật liệu ......................... 28 iv
Chương 3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN........................... 29 3.1. Nghiên cứu một số đặc trưng hóa lý của quặng apatit tự nhiên và quặng apatit biến tính ................................................................................................... 29 3.1.1. Ảnh SEM của quặng apatit tự nhiên và quặng apatit biến tính .............. 29 3.1.2. Ảnh TEM của vật liệu hấp phụ ................................................................ 29 3.1.3. Diện tích bề mặt riêng của quặng apatit tự nhiên và quặng apatit biến tính ............................................................................................................. 30 3.1.4. Phổ hồng ngoại của quặng apatit tự nhiên và quặng apatit biến tính .... 30 3.2. Điểm đẳng điện của vật liệu ....................................................................... 31 3.3. Kết quả khảo sát điều kiện tối ưu cho phép xác định amoni theo phương pháp UV -Vis........................................................................................ 32 3.3.1. Bước sóng ................................................................................................ 32 3.3.2. pH ............................................................................................................ 33 3.3.3. Thời gian .................................................................................................. 34 3.4. Xây dựng đường chuẩn xác định nồng độ amoni....................................... 34 3.5. Khảo sát khả năng hấp phụ amoni của quặng apatit tự nhiên và quặng apatit biến tính ................................................................................................... 36 3.6. Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ amoni của vật liệu quặng apatit biến tính ................................................................................. 36 3.6.1. Ảnh hưởng của khối lượng vật liệu hấp phụ ........................................... 36 3.6.2. Ảnh hưởng của pH ................................................................................... 38 3.6.3. Ảnh hưởng của thời gian ......................................................................... 40 3.6.4. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến khả năng hấp phụ đối với amoni của VLHP2. ....................................................................................................... 42 3.6.5. Ảnh hưởng của nồng độ đầu.................................................................... 43 3.6.6. Ảnh hưởng Fe(III), Mg(II), Ca(II), Mn(II) và hỗn hợp Fe(III), Mg(II), Ca(II), Mn(II) đến khả năng hấp phụ amoni của VLHP1 .................................... 46 3.7. Nghiên cứu khả năng hấp phụ amoni của VLHP1 theo phương pháp hấp phụ động ..................................................................................................... 49 3.8. Xử lí mẫu nước có chứa amoni .................................................................. 52 KẾT LUẬN....................................................................................................... 57 TÀI LIỆU THAM KHẢO............................................................................... 58 PHỤ LỤC v
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT STT Kí hiệu viết tắt Nội dung 1 VLHP1 Vật liệu hấp phụ 1 2 VLHP2 Vật liệu hấp phụ 2 3 BET Brunaur - Emmetle - Teller 4 IR Intrared Spectroscopy 5 SEM Scanning Electron Microscopy 6 UV - Vis Ultraviolet Visble 7 XRD X-ray Diffration 8 PE Poli Etilen 9 ppm Part per million iv
DANH MỤC CÁC BẢNG Trang Bảng 1.1. Giá trị nồng độ của amoni và một số thông số ô nhiễm trong nước thải công nghiệp ..................................................................... 4 Bảng 3.1. Diện tích bề mặt riêng của các vật liệu ............................................ 30 Bảng 3.2. Bước sóng tối ưu cho phép xác định amoni theo phép đo UV-Vis . 33 Bảng 3.3. Sự phụ thuộc độ hấp thụ quang của dung dịch amoni vào pH........ 33 Bảng 3.4. Sự phụ thuộc độ hấp thụ quang của dung dịch amoni vào thời gian ... 34 Bảng 3.5. Sự phụ thuộc của độ hấp thụ quang vào nồng độ dung dịch amoni .... 35 Bảng 3.6. Khả năng hấp phụ amoni của quặng apatit tự nhiên và quặng apatit biến tính ............................................................................... 36 Bảng 3.7. Ảnh hưởng của khối lượng VLHP đến khả năng hấp phụ amoni .... 37 Bảng 3.8. Ảnh hưởng của pH đến khả năng hấp phụ amoni ............................ 38 Bảng 3.9. Ảnh hưởng của thời gian đến khả năng hấp phụ amoni................... 40 Bảng 3.10. Ảnh hưởng của nhiệt độ đầu đến khả năng hấp phụ amoni của VLHP2 .................................................................................... 42 Bảng 3.11. Ảnh hưởng của nồng độ đầu đến khả năng hấp phụ amoni ........... 44 Bảng 3.12. Ảnh hưởng Mn(II), Fe(III) đến khả năng hấp phụ amoni ................. 47 Bảng 3.13. Ảnh hưởng của Ca(II), Mg(II) đến khả năng hấp phụ amoni VLHP1........................................................................................... 48 Bảng 3.14. Ảnh hưởng của hỗn hợp Fe(III), Mg(II), Ca(II), Mn(II)................ 49 Bảng 3.15. Hàm lượng amoni sau mỗi phân đoạn thể tích .............................. 50 Bảng 3.16. So sánh kết quả phân tích amoni giữa phương pháp đường chuẩn và phương pháp thêm chuẩn ............................................... 53 Bảng 3.17. Kết quả hấp phụ amoni trong nước giếng của VLHP1 .................. 53 v
DANH MỤC CÁC HÌNH Trang Hình 1.1. Đường hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir ............................................... 13 Hình 1.2. Sự phụ thuộc Ccb/q vào Ccb ............................................................... 13 Hình 3.1. Ảnh SEM của các vật liệu ................................................................ 29 Hình 3.2. Ảnh TEM của vật liệu M2 ................................................................ 29 Hình 3.3. Phổ hồng ngoại của quặng apatit tự nhiên ........................................ 30 Hình 3.4. Phổ hồng ngoại của quặng apatit biến tính (VL M2) ....................... 31 Hình 3.5. Điểm đẳng điện của vật liệu M1 ....................................................... 32 Hình 3.6. Điểm đẳng điện của vật liệu M2 ....................................................... 32 Hình 3.7 Sự phụ thuộc độ hấp thụ quang của dung dịch amoni vào pH ......... 33 Hình 3.8. Kết quả Sự phụ thuộc độ hấp phụ quang của dung dịch amoni vào thời gian. .................................................................................... 34 Hình 3.9. Đường chuẩn xác định nồng độ amoni ............................................. 35 Hình 3.10. Ảnh hưởng của khối lượng VLHP1 đến khả năng hấp phụ amoni ...... 37 Hình 3.11. Ảnh hưởng của khối lượng VLHP2 đến khả năng hấp phụ amoni ...... 38 Hình 3.12. Sự phụ thuộc của dung lượng hấp phụ amoni vào pH của VLHP1 ..... 39 Hình 3.13. Sự phụ thuộc của hiệu suất hấp phụ Amoni vào pH của VLHP2 ........ 39 Hình 3.14. Ảnh hưởng của thời gian đến khả năng hấp phụ amoni VLHP1 ... 41 Hình 3.15. Ảnh hưởng của thời gian đến khả năng hấp phụ amoni VLHP2 ... 41 Hình 3.17. Đường đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir của VLHP2 đối với amoni ....... 45 Hình 3.18. Sự phụ thuộc của Ccb/q vào Ccb của VLHP1 đối với amoni ........... 45 Hình 3.19. Đường đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir của VLHP2 đối với amoni ....... 45 Hình 3.20. Sự phụ thuộc của Ccb/q vào Ccb của VLHP2 đối với amoni .......... 46 Hình 3.21. Ảnh hưởng Mn(II), Fe(III) đến khả năng hấp phụ amoni VLHP1 ............................................................................................. 47 Hình 3.22. Ảnh hưởng của Ca(II), Mg(II) đến khả năng hấp phụ amoni VLHP1 ............................................................................................. 48 Hình 3.24. Khả năng hấp phụ amoni trong nước giếng của VLHP1 ............... 55 vi
MỞ ĐẦU Ở nước ta, quá trình phát triển các khu công nghiệp, các khu chế xuất đã góp phần tăng trưởng kinh tế, thúc đẩy đầu tư và sản xuất công nghiệp, góp phần hình thành các khu đô thị mới, giảm khoảng cách về kinh tế giữa các vùng. Tuy nhiên, bên cạnh sự chuyển biến tích cực về kinh tế thì những hệ lụy về môi trường cũng rất lớn. Nguồn phế thải chưa được xử lí đều thải trực tiếp vào môi trường. Nước ta có trên 67% dân số sống ở nông thôn, tuy nhiên tỷ lệ dân cư nông thôn được sử dụng nước sạch còn rất thấp, mới chỉ đạt 42% theo tiêu chuẩn của Bộ Y tế. Trong đó tình trạng ô nhiễm nguồn nước sinh hoạt ở nông thôn và miền núi đang trở nên rất nghiêm trọng. Nguồn nước ngầm (giếng khoan) bị ô nhiễm bởi các kim loại nặng (asen, sắt, mangan), chất hữu cơ, amoni… Nguồn nước mặt (ao, hồ, sông, suối, kênh rạch, giếng khơi…) cũng bị ô nhiễm nặng bởi các chất hữu cơ, hóa chất từ các khu công nghiệp, phân bón hóa học, thuốc bảo vệ thực vật và các vi khuẩn gây bệnh,… Nguồn nước mưa cũng không còn được coi là an toàn. Nó cũng đã bị ô nhiễm khá nặng bởi khói bụi từ các khu công nghiệp, các phương tiện giao thông vận tải, quá trình bốc hơi của các loại thuốc trừ sâu, thuốc bảo vệ thực vật và các loại chất ô nhiễm khác. Ở Việt Nam hiện có khoảng 17,2 triệu người tương đương khoảng 21,5% dân số đang sử dụng nguồn nước sinh hoạt chưa được kiểm nghiệm hay qua xử lý. Theo thống kê của Bộ Y tế và Bộ Tài nguyên và Môi trường, trung bình mỗi năm có khoảng 9 nghìn người tử vong vì nguồn nước và điều kiện vệ sinh kém, hàng năm gần 2 trăm nghìn người mắc bệnh ung thư mới phát hiện mà nguyên nhân chính là từ ô nhiễm môi trường nước. Vì vậy, việc quan tâm xử lý ô nhiễm môi trường nước nói riêng, môi trường nói chung có ý nghĩa to lớn với cuộc sống hiện tại và tương lai. 1
Trong thời đại khoa học và công nghệ ngày càng phát triển, thúc đẩy mạnh mẽ việc áp dụng khoa học, kỹ thuật để xử lý môi trường nước góp phần giảm thiểu tác hại do ô nhiễm môi trường nước. Hiện nay, các phương pháp xử lý nước bị ô nhiễm thường sử dụng là phương pháp hóa học, phương pháp hóa lý (phương pháp keo tụ, phương pháp hấp phụ, phương pháp trung hòa…), phương pháp sinh học (phương pháp hiếu khí và kị khí)…. Trong phương pháp hóa lý có phương pháp hấp phụ được lựa chọn và mang lại hiệu quả cao. Ưu điểm của phương pháp này là các vật liệu sử dụng làm chất hấp phụ tương đối phong phú, dễ điều chế, không đắt tiền, thân thiện với môi trường. Chính vì vậy, chúng tôi lựa chọn đề tài: “Nghiên cứu khả năng hấp phụ amoni của các vật liệu biến tính từ quặng apatit và thăm dò xử lý môi trường”. 2
Chương 1 TỔNG QUAN 1.1. Giới thiệu về amoni và tác dụng sinh hóa của amoni Ion amoni (NH4+) có cấu tạo hình tứ diện đều với bốn nguyên tử H ở đỉnh và một nguyên tử N ở trung tâm. Ion amoni có bán kính là 1,43Ǻ [13]. Trong môi trường nước, amoni có thể tồn tại ở dạng phân tử (NH3) hoặc ion (NH4+) tùy thuộc vào pH của nước. Ở dạng phân tử, amoniac là một chất khí không màu, mùi khai và xốc, nhẹ hơn không khí. Amoniac tan khá tốt trong nước và độ tan phụ thuộc rất mạnh vào nhiệt độ dung dịch [10]. Amoni được sử dụng chủ yếu để làm phân đạm. Nó là dạng nitơ vô cơ có giá trị đối với cây trồng, có tác dụng kích thích sinh trưởng của cây và giúp cây phát triển nhanh, cho nhiều hạt, củ hoặc quả. Trong tự nhiên amoni tồn tại một lượng nhỏ trong khí quyển do các quá trình phân hủy các vật liệu hữu cơ có nguồn gốc động thực vật. Hoạt động của núi lửa cũng là nguồn sinh ra muối amoni (như amoni clorua và amoni sunfat). Nông nghiệp hiện đại là nguồn gây ô nhiễm amoni nặng nề cho nước. Việc sử dụng phân bón hóa học chứa nitơ với số lượng lớn, thành phần không hợp lý, 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 lớn. Lượng amoni tự nhiên ở trong nước bề mặt và nước ngầm thường thấp hơn 0,2 mg/L. Các nguồn nước hiếm khi có thể có nồng độ amoni lên đến 3mg/L. Amoni không gây ảnh hưởng trực tiếp đến sức khỏe con người, nhưng trong quá trình khai thác, lưu trữ và xử lý, amoni được chuyển hóa thành nitrit (NO2-) và nitrat (NO3-) là những chất có tính độc hại cho con người. Trong nước ngầm amoni không thể chuyển hóa được do thiếu oxy. Khi khai thác lên và tiếp xúc trực tiếp với oxy, amoni chuyển thành nitrit (NO2-) và nitrat (NO3-) 3
tích tụ trong thức ăn. Khi ăn uống nước có chứa nitrit thì cơ thể sẽ thiếu máu, xanh da, gây bệnh ở đường hô hấp, gây ung thư. Nitrat tạo ra chứng thiếu vitamin và có thể kết hợp với các amin để tạo nên những nitrisamin là nguyên nhân ung thư [11]. 1.3. Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia 1.3.1. Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về nước thải công nghiệp Quy chuẩn kỹ thuật Quốc gia về nước thải công nghiệp (QCVN 40:2011/BTNMT) do Ban soạn thảo Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về chất lượng nước biên soạn thay thế QCVN 24:2009/BTNMT. Tổng cục Môi trường, Vụ khoa học và Công nghệ, Vụ pháp chế trình duyệt và được ban hành theo thông tư số 47/2011/TT-BTNMT ngày 28 tháng 12 năm 2011 của Bộ trưởng bộ Tài nguyên và Môi trường [17]. Giá trị nồng độ của amoni và một số thông số ô nhiễm khác trong nước thải công nghiệp được trình bày trong bảng 1.1. Bảng 1.1. Giá trị nồng độ của amoni và một số thông số ô nhiễm trong nước thải công nghiệp Giá trị C TT Thông số Đơn vị A B 1 Amoni mg/L 5,00 10,00 2 Niken mg/L 0,20 0,50 3 Chì mg/L 0,10 0,50 4 Cadimi mg/L 0,05 0,10 5 Crom (VI) mg/L 0,05 0,10 6 Crom (III) mg/L 0,20 1,00 7 Đồng mg/L 2,00 2,00 8 Kẽm mg/L 3,00 3,00 9 Mangan mg/L 0,50 1,00 4
Trong đó: - Cột A quy định giá trị nồng độ của các thông số ô nhiễm trong nước thải công nghiệp khi xả vào các nguồn tiếp nhận là các nguồn nước được dùng cho mục đích cấp nước sinh hoạt. - Cột B quy định giá trị nồng độ của các thông số ô nhiễm trong nước thải công nghiệp khi xả vào các nguồn tiếp nhận là các nguồn nước không dùng cho mục đích cấp nước sinh hoạt. 1.3.2. Quy chuẩn quốc gia về nồng độ amoni trong nước ăn uống và sinh hoạt Theo QCVN 02:2009/BYT do Cục Y tế dự phòng và Môi trường biên soạn và được Bộ trưởng Bộ Y tế ban hành theo Thông tư số: 05/2009/TT - BYT ngày 17 tháng 06 năm 2009 quy định hàm lượng amoni trong nước sinh hoạt ở cả mức I và mức II không vượt quá 3 mg/L [16]. 1.4. Xử lí amoni 1.4.1. Phương pháp hóa lý  Phương pháp hấp phụ Sử dụng các chất có khả năng hấp phụ như than hoạt tính, các vật liệu có nguồn gốc tự nhiên (quặng apatit, đá ong, cao lanh,…) hoặc các vật liệu được chế tạo từ phụ phẩm nông nghiệp (vỏ trấu, bẹ chuối, lõi ngô,…) để hấp phụ ion kim loại nặng và amoni có trong nguồn nước bị ô nhiễm [19].  Phương pháp trao đổi ion Trao đổi ion là quá trình hóa lý sử dụng việc trao đổi ion trong nước để loại bỏ các cation hoặc anion, đáp ứng yêu cầu của quá trình xử lý nước. Khi loại bỏ ion kim loại nặng và amoni người ta sử dụng vật liệu trao đổi ion là vật liệu cationit. Trong đó, zeolit tự nhiên và tổng hợp là một trong những vật liệu cationit tốt nhất để tách loại amoni [19]. 5
1.4.2. Phương pháp hóa học  Phương pháp Clo hóa Hiện nay, trên thế giới đã nghiên cứu rất kỹ về biện pháp clo hóa để xử lý amoni trong nước thải. Phương trình phản ứng tổng hợp của phương pháp: 3Cl2 + 2NH4+ → N2 + 8H+ + 6Cl- 4Cl2 + NH4+ + 3H2O → NO3- + 10H+ + 8Cl- Sau khi các quá trình xảy ra thì môi trường axit của dung dịch được trung hòa bằng cách thêm vào một lượng kiềm [19].  Phương pháp thổi khí cưỡng bức Để xử lý amoni bằng phương pháp thổi khí cưỡng bức cần phải điều chỉnh pH của môi trường lên cao để chuyển NH4+ về dạng NH3, sau đó thổi khí mạnh hoặc đưa vào thiết bị cyclon để tách pha và loại NH3 ra khỏi dung dịch [19]. 1.4.3. Phương pháp sinh học  Phương pháp Anammox Anammox (Anaerobic ammonium oxidation) là quá trình oxi hóa amoni yếm khí, trong đó amoni và nitrit được oxi hóa một cách trực tiếp thành khí N2 dưới điều kiện yếm khí, với amoni là chất cho điện tử còn nitrit là chất nhận điện tử để tạo thành khí N2. Sản phẩm chính của quá trình Anammox là N2, tuy nhiên khoảng 10% nitơ đưa vào được chuyển thành nitrat [19]. 1.5. Tình trạng nguồn nước bị ô nhiễm amoni Ô nhiễm nước là sự thay đổi theo chiều xấu các tính chất vật lý, hóa học, sinh học của nước, với sự xuất hiện các chất lạ ở thể lỏng, rắn làm cho nguồn nước trở nên độc hại với sinh vật. Có nhiều nguyên nhân dẫn đế n trình trạng ô nhiễm amoni trong nước ngầm nhưng một trong những nguyên nhân chính là do viê ̣c sử du ̣ng quá mức lượng phân bón hữu cơ, thuố c trừ sâu. Ngoài ra mức đô ̣ ô nhiễm còn phu ̣ thuô ̣c vào loa ̣i hình canh tác của từng khu vực. 6
Khu vực bi ̣ô nhiễm amoni trong nước ngầ m nă ̣ng nề nhấ t trong cả nước là khu vực đồng bằng Bắ c Bô ̣. Theo kế t quả khảo sát của Trung tâm nghiên cứu thuộc Trung tâm Khoa ho ̣c Tự nhiên và Công nghệ Quố c gia và Trường Đa ̣i ho ̣c Mỏ - Địa Chất thì phầ n lớn nước ngầ m khu vực đồ ng bằ ng Bắ c Bô ̣ gồ m các tỉnh như: Hà Tây ( cũ ), Hà Nam, Nam Đinh, ̣ Ninh Bình, Hải Dương, Hưng Yên, Thái Bình và phía nam Hà Nô ̣i đề u bi ̣ ô nhiễm amoni rấ t nă ̣ng. Xác suấ t các nguồn nước ngầ m nhiễm amoni có nồ ng đô ̣ cao hơn tiêu chuẩ n nước sinh hoa ̣t (3 mg/L) khoảng 70 - 80% [6]. Ô nhiễm amoni trong các nguồn nước mặt (ao, hồ, sông ...) cũng là vấn đề đáng quan ngại hiện nay. Kết quả công bố của Viện Nước và Công nghệ Môi trường cho thấy: “Amoni trong nguồn nước sông Sài Gòn không hề có dấu hiệu giảm và biến động theo từng khu vực. Có thời điểm nồng độ amoni vượt tiêu chuẩn hơn 20 lần (tiêu chuẩn cho phép 0,05 mg/L)”. Theo nhóm nghiên cứu, amoni tăng do nước từ sông rạch và từ các nguồn thải công nghiệp, chăn nuôi đưa vào. Cụ thể nguồn thải từ trại heo Tân Trung (Củ Chi) với tải lượng ô nhiễm 1,25 kg amoni/ngày đêm, từ rạch Bà Bếp cũng thải gần 16 kg amoni/ngày đêm. Lâm Minh Triết (2006) cũng có nhận xét: “Lượng amoni trong nước thải từ khu dân cư và từ các nhà máy hoá chất, chế biến thực phẩm, sữa có thể lên tới 10-100 mg/L. Ngoài gây ô nhiễm không khí và ảnh hưởng trực tiếp đến đời sống của người dân xung anh sông Sài Gòn, tình trạng ô nhiễm amoni còn gây khó khăn cho việc xử lý nước mặt làm nguồn nguồn nước cấp cho sinh hoạt, thậm chí có thể gây đóng cửa nhà máy Tân Hiệp, nơi cung cấp nước sạch cho các quận huyện: 6,7,8, Tân Bình, Tân Phú, Bình Tân, Gò Vấp, Nhà Bè, Bình Chánh ....( theo lời ông Bùi Thanh Giang, giám đốc Nhà máy nước Tân Hiệp) [9]. Như vậy so với QCVN 01:2009/BYT và quy định số 1329/2002/BYT về tiêu chuẩn vệ sinh nước ăn uống của Bộ Y Tế cho hàm lượng N-amoni là 7
3 mg/L, thì các con số trên cho thấy một thực tế chung là nhiều nguồn nước ở Việt Nam đang bị ô nhiễm amoni một cách nghiêm trọng [16]. 1.6. Giới thiệu về phương pháp hấp phụ 1.6.1. Sự hấp phụ Sự hấp phụ là quá trình tích lũy vật chất lên bề mặt phân cách pha (khí - lỏng, khí - rắn, lỏng - rắn, lỏng - lỏng). Chất hấp phụ là những chất có bề mặt tiếp xúc lớn mà trên đó xảy ra quá trình hấp phụ. Chất hấp phụ là chất được tích lũy trên bề mặt chất hấp phụ. Khả năng hấp phụ của mỗi chất tùy thuộc vào bản chất, diện tích bề mặt riêng của chất hấp phụ, nhiệt độ, pH và bản chất của chất tan [3]. Tùy theo bản chất của lực tương tác giữa chất hấp phụ và chất bị hấp phụ mà người ta chia sự hấp phụ thành hấp phụ vật lí và hấp phụ hóa học. - Hấp phụ vật lý gây ra bởi lực Vandecvan giữa các phân tử chất bị hấp phụ và bề mặt chất hấp phụ. Liên kết này yếu, dễ bị phá vỡ. Hấp phụ hóa học được coi là trung gian giữa hấp phụ vật lý và phản ứng hóa học. Để phân biệt hấp phụ vật lý và hấp phụ hóa học, người ta đưa ra một số tiêu chuẩn như sau: - Hấp phụ vật lý có thể là đơn lớp hay đa lớp, còn hấp phụ hóa học chỉ là đơn lớp. - Nhiệt lượng hấp phụ: đối với hấp phụ vật lý lượng nhiệt tỏa ra là 2 ÷ 6 kcal/mol, đối với hấp phụ hóa học thường lớn hơn 22 kcal/mol. - Nhiệt độ hấp phụ: hấp phụ vật lý thường xảy ra ở nhiệt độ thấp (gần nhiệt độ sôi của chất bị hấp phụ), hấp phụ hóa học xảy ra ở nhiệt độ cao hơn nhiệt độ sôi. - Tốc độ hấp phụ: hấp phụ vật lý không đòi hỏi sự hoạt hóa phân tử do đó xảy ra nhanh, ngược lại hấp phụ hóa học xảy ra chậm hơn. 8
- Tính đặc thù: hấp phụ vật lý ít phụ thuộc vào bản chất hóa học bề mặt còn hấp phụ hóa học đòi hỏi phải có ái lực hóa học, do đó phải mang tính đặc thù rõ rệt. Tuy nhiên, trong thực tế, sự phân biệt giữa hấp phụ vật lý và hấp phụ hóa học 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. Ngược lại với quá trình hấp phụ là quá trình giải hấp phụ, đó là quá trình giải phóng chất bị hấp phụ khỏi bề mặt chất hấp phụ [14]. 1.6.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hấp phụ các chất tan trong dung dịch lên bề mặt chất hấp phụ Ảnh hưởng của dung môi: hấp phụ trong dung dịch là hấp phụ cạnh tranh, nghĩa là chất tan hấp phụ càng mạnh thì dung môi hấp phụ càng yếu.Vì chất hoạt động bề mặt là chất có sức căng bề mặt nhỏ, cho nên nếu dung môi có sức căng bề mặt càng lớn (tức là càng khó hấp phụ) thì chất tan càng khó hấp phụ. Vì vậy đối với sự hấp phụ chất tan từ dung dịch thì dung môi nước (có sức căng bề mặt lớn) sẽ tốt hơn so với dung môi hữu cơ (có sức căng bề mặt bé). Ảnh hưởng của chất hấp phụ và chất bị hấp phụ: thông thường các chất phân cực dễ hấp phụ trên bề mặt phân cực, còn chất không phân cực dễ hấp phụ trên bề mặt không phân cực. Khi giảm kích thước của mao quản trong chất hấp phụ thì sự hấp phụ từ dung dịch thường tăng lên nhưng chỉ trong chừng mực kích thước mao quản không cản trở sự đi vào của phân tử chất bị hấp phụ. Dung lượng hấp phụ cũng phụ thuộc vào diện tích bề mặt của vật liệu hấp phụ. Diện tích bề mặt của vật liệu hấp phụ càng lớn thì phần tiếp xúc giữa chất tan và chất hấp phụ càng lớn, chất tan lưu lại trên bề mặt chất hấp phụ 9
càng nhiều. Như vậy, độ xốp và diện tích bề mặt của chất hấp phụ là các yếu tố vật lí quan trọng của quá trình hấp phụ. - Ảnh hưởng của nhiệt độ: khi tăng nhiệt độ, sự hấp phụ trong dung dịch giảm, nhưng thường ở mức độ ít hơn so với sự hấp phụ khí. Tuy nhiên, đối với cấu tử hòa tan hạn chế mà khi tăng nhiệt độ độ tan tăng lên, thì khả năng hấp phụ cũng có thể tăng lên, vì nồng độ của nó trong dung dịch tăng lên. 1.6.3. Xác định dung lượng hấp phụ cân bằng và hiệu suất hấp phụ 1.5.3.1. Dung lượng hấp phụ cân bằng Dung lượng hấp phụ cân bằng là khối lượng chất bị hấp phụ trên một đơn vị khối lượng chất hấp phụ ở trạng thái cân bằng ở điều kiện xác định về nồng độ và nhiệt độ. Dung lượng hấp phụ được tính theo công thức: (Co  Ccb ) q .V (1.1) m Trong đó: q : là dung lượng hấp phụ cân bằng (mg/g) V : là thể tích dung dịch chất bị hấp phụ (L) m : là khối lượng chất hấp phụ (g) Co : là nồng độ dung dịch ban đầu (mg/L) Ccb : là nồng độ dung dịch khi đạt cân bằng hấp phụ (mg/L) 1.5.3.2. Hiệu suất hấp phụ Hiệu suất hấp phụ là tỷ số giữa nồng độ của dung dịch bị hấp phụ ở thời điểm cân bằng và nồng độ của dung dịch ban đầu. Hiệu suất hấp phụ được tính theo công thức sau: (Co  Ccb ) H .100% (1.2) Co Trong đó: H : là hiệu suất hấp phụ (%) Co : là nồng độ dung dịch ban đầu (mg/L) Ccb : là nồng độ dung dịch khi đạt cân bằng hấp phụ (mg/L) 10