Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam - Luận án tiến sĩ kỹ thuật môi trường: Nghiên cứu chế tạo than biến tính từ lõi ngô định hướng ứng dụng xử lý amoni trong nước sinh hoạt

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ----------------------------- VŨ THỊ MAI NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO THAN BIẾN TÍNH TỪ LÕI NGÔ ĐỊNH HƯỚNG ỨNG DỤNG XỬ LÝ AMONI TRONG NƯỚC SINH HOẠT LUẬN ÁN TIẾN SỸ KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG HÀ NỘI – 2018 i VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ …….***………… VŨ THỊ MAI NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO THAN BIẾN TÍNH TỪ LÕI NGÔ ĐỊNH HƯỚNG ỨNG DỤNG XỬ LÝ AMONI TRONG NƯỚC SINH HOẠT LUẬN ÁN TIẾN SỸ KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG Chuyên ngành: Kỹ thuật môi trường Mã số: 62 52 03 20 Người hướng dẫn khoa học: 1.TS Trịnh Văn Tuyên 2.TS Đoàn Đình Phương HÀ NỘI – 2018 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi và không trùng lặp với bất kỳ công trình khoa học nào khác. Các số liệu, kết quả nêu trong luận án là trung thực và chưa sử dụng để bảo vệ một học vị nào, chưa được ai công bố trong bất kỳ một công trình nghiên cứu nào. Tác giả luận án Vũ Thị Mai ii LỜI CẢM ƠN Luận án này được hoàn thành tại Viện Công nghệ Môi trường - Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam. Trong quá trình nghiên cứu, tác giả đã nhận được nhiều sự giúp đỡ quý báu của các thầy cô, các nhà khoa học, các đồng nghiệp, bạn bè và gia đình.

Tôi xin bày tỏ lời cảm ơn sâu sắc, sự cảm phục và kính trọng nhất tới PGS. Trịnh Văn Tuyên và PGS. Đoàn Đình Phương - những người Thầy đã tận tâm hướng dẫn khoa học, động viên, khích lệ và tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất cho tôi trong suốt thời gian thực hiện luận án. Tôi xin trân trọng cảm ơn Ban lãnh đạo Viện Công nghệ Môi trường cùng tập thể cán bộ của Viện đã quan tâm giúp đỡ và đã tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu.

Tôi xin chân thành cảm ơn TS. Trần Nguyên Hải, TS. Nguyễn Tiến Vinh về những lời khuyên bổ ích và những góp ý quý báu trong việc thực hiện và hoàn thiện luận án. Tôi xin chân thành cảm ơn tới Lãnh đạo Khoa Môi trường, Trường Đại học Tài Nguyên và Môi Trường Hà Nội và các đồng nghiệp đã ủng hộ và tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong suốt thời gian làm nghiên cứu sinh.

Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc nhất tới toàn thể gia đình, bạn bè và những người thân đã luôn luôn quan tâm, khích lệ, động viên tôi trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu. Xin trân trọng cảm ơn! Tác giả Vũ Thị Mai iii MỤC LỤC MỞ ĐẦU. TỔNG QUAN TÀI LIỆU. Hiện trạng ô nhiễm amoni trong nước ngầm và các phương pháp xử lý.

Hiện trạng ô nhiễm amoni trong nước ngầm. Các phương pháp xử lý amoni. Tổng quan về quá trình hấp phụ. Kỹ thuật hấp phụ tĩnh.

Kỹ thuật hấp phụ động. Tổng quan về than sinh học. Nguyên liệu để sản xuất than sinh học. Phương pháp chế tạo than sinh học.

Một số phương pháp biến tính bề mặt than sinh học. Đặc tính của than sinh học, than biến tính. Ứng dụng của than sinh học trong xử lý môi trường. Tổng hợp các nghiên cứu trên thế giới và Việt Nam về phương pháp sử dụng than sinh học, than biến tính để xử lý amoni trong nước.

ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU. Đối tượng nghiên cứu. Hóa chất, vật liệu, dụng cụ và thiết bị sử dụng. Hóa chất, vật liệu.

Thiết bị và dụng cụ. Phương pháp nghiên cứu. Thực nghiệm chế tạo vật liệu. Thực nghiệm khảo sát khả năng hấp phụ amoni của than biến tính.

Phương pháp nghiên cứu các đặc tính lý hóa của vật liệu. Phương pháp xác định hàm lượng amoni, Fe và Mn trong nước. Các phương pháp tính toán kết quả, xử lý số liệu. Tính toán dung lượng hấp phụ tĩnh.

Tính toán giải hấp phụ. Tính toán dung lượng hấp phụ cột, thời gian tiếp xúc, độ dài tầng chuyển khối, hiệu suất sử dụng cột. Xử lý số liệu. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN.

Xác định các thông số công nghệ của quá trình tạo than sinh học. Đặc điểm phân hủy nhiệt của lõi ngô. Xác định nhiệt độ nhiệt phân và thời gian nhiệt phân. Xác định các thông số của quá trình tạo than sinh học biến tính.Ảnh hưởng của nồng độ HNO3.

Ảnh hưởng của tỉ lệ than và dung dịch HNO3 (R/L). So sánh than trước biến tính (Bio-400) và sau biến tính (BioN, BioN-Na). Xác định các thông số của quá trình tạo than hoạt tính biến tính. Ảnh hưởng của nhiệt độ.

Ảnh hưởng của thời gian nhiệt phân. Ảnh hưởng của nồng độ axit H3PO4. Ảnh hưởng của tỉ lệ ngâm. So sánh ba loại vật liệu lõi ngô, BioP, BioP-Na.

Tổng hợp các đặc tính của chất hấp phụ. Đặc điểm cấu trúc và hình thái của chất hấp phụ. Đặc điểm bề mặt. Đặc tính vật lý.

Khảo sát khả năng xử lý amoni của than biến tính bằng kỹ thuật hấp phụ tĩnh. Ảnh hưởng của pH. Ảnh hưởng của thời gian tiếp xúc. Đẳng nhiệt hấp phụ.

Động học hấp phụ. Nhiệt động học quá trình hấp phụ. Một số yếu tố ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ amoni trong môi trường nước. Nghiên cứu giải hấp phụ.

Khảo sát khả năng xử lý amoni bằng kỹ thuật hấp phụ động mô phòng thí nghiệm. Ảnh hưởng của lưu lượng nước. Ảnh hưởng của hàm lượng amoni. Ảnh hưởng của chiều cao cột.

Khảo sát khả năng xử lý amoni bằng kỹ thuật hấp phụ động (cột hấp phụ qui mô pilot). 99 ĐÓNG GÓP MỚI VỀ KHOA HỌC CỦA LUẬN ÁN. 100 TÀI LIỆU THAM KHẢO. 101 DANH MỤC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ.

113 v DANH MỤC VIẾT TẮT VÀ CÁC THUẬT NGỮ THƯỜNG DÙNG ASTM American Society for Tiêu chuẩn thử nghiệm vật liệu của Hiệp hội Testing And Materials Mỹ BET Brunauer – Emmett – Tên riêng 3 nhà khoa học Teller DTA Differential Thermal Phân tích nhiệt vi sai Analysis FTIR Fourrier Transform Quang phổ hồng ngoại biến đổi Ingrared Spectroscopy MBBR Moving Bed Biofilm Thiết bị màng sinh học chuyển động reactor pHpzc Point of zero charge Điểm trung hòa điện tích QCVN National technical Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia regulation SEM Scanning Electron Hiển vi điện tử quyét Microscopy TCVN Vietnamese standard Tiêu chuẩn Việt Nam TGA Themal Gravimetric Phân tích nhiệt trọng lượng Analysis Than sinh Biochar Than sinh học là vật chất rỗng có hàm lượng học cacbon lớn, được sản xuất bằng phương pháp nhiệt phân trong điều kiện hạn chế oxy và ở nhiệt độ tương đối thấp < 700oC Than hoạt Activated carbon Than hoạt tính là một loại vật liệu cacbon, một tính loại than đã quan tham gia phản ứng với các hơi, khí hoặc đôi khi được bổ sung các hóa chất (thí dụ như ZnCl2), trước, trong hoặc sau khi than hóa để làm tăng khả năng hấp phụ của nó. Than biến Modified biochar and Than biến tính: bao gồm than sinh học biến tính modified activated tính, than hoạt tính biến tính. Có nhiều cách carbon thức biến tính bề mặt than đó là: biến tính hóa học (phương pháp axit hóa, bazơ hóa), biến tính vật lý (bằng hơi nước, nhiệt độ). Đường cong Breakthrough curve Đường biểu diễn sự phân bố nồng độ theo thoát thời gian gọi là đường cong thoát.

Thời gian Breakthrough curve time Là thời gian mà khi nồng độ amoni đầu ra thoát bằng 10% nồng độ đầu vào Thời gian Saturated time Là thời gian khi nồng độ amoni đầu ra bằng bão hòa 90% nồng độ amoni đầu vào. vi DANH MỤC BẢNG Bảng 1. Mối tương quan của RL và các dạng mô hình. Tiềm năng sinh khối thải của Việt Nam.

Các dạng nhiệt phân và phân bố sản phẩm. Các phương pháp biến tính than sinh học, than hoạt tính. Một số nghiên cứu sản xuất than hoạt tính bằng tác nhân H3PO4. Một số nghiên cứu biến tính than sinh học, than hoạt tính bằng HNO3.

Phạm vi tương đối của các thành phần chính của than sinh học. Bảng diện tích bề mặt riêng, đặc điểm cấu trúc của một số than sinh học. Các nghiên cứu về sử dụng than sinh học, than biến tính để xử lý chất hữu cơ. Các nghiên cứu về biến đổi bề mặt than hoạt tính để tạo ra các nhóm chức năng nhằm tăng cường khả năng loại bỏ kim loại nặng.

Các nghiên cứu về hấp phụ amoni bằng các vật liệu khác nhau. Đặc điểm cấu trúc và vật lý của than. Kết quả đặc điểm hóa học bề mặt than Bio-400, BioN, BioN-Na. So sánh dung lượng hấp phụ của than Bio-400, BioN, BioN-Na.

Ảnh hưởng của nồng độ axit đến dung lượng hấp phụ amoni của than BioP. So sánh dung lượng hấp phụ của lõi ngô, Than BioP và BioP-Na. Các thông số cấu trúc của than BioP-Na. Kết quả một số đặc điểm hóa học bề mặt than.

Nồng độ các nhóm chức chứa oxy trên bề mặt chất hấp phụ. Đặc tính vật lý của than BioN-Na và BioP-Na. Thông số thực nghiệm và theo mô hình Langmuir của than BioN-Na. Thông số thực nghiệm và theo mô hình Langmuir của than BioP-Na.

Giá trị tham số cân bằng RL của quá trình hấp phụ amoni bằng BioN-Na. Giá trị tham số cân bằng RL của quá trình hấp phụ amoni bằng BioP-Na. Thông số thực nghiệm và theo mô hình Freudlich của than BioN-Na. Thông số thực nghiệm và theo mô hình Freudlich của than BioP-Na.

Các thông số đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir, Freudlich của than BioN-Na và BioP-Na. So sánh dung lượng hấp phụ của một số loại vật liệu. Tham số của phương trình động học biểu kiến bậc nhất. Tham số của phương trình động học biểu kiến bậc 2.

Các thông số nhiệt động học của quá trình hấp phụ amoni trên than BioN-Na và BioP-Na. Bảng tính toán các thông số thí nghiệm cột. Độ dài tầng chuyển khối L của than BioN-Na. Độ dài tầng chuyển khổi L của than BioP-Na.

Điều kiện vận hành cột hấp phụ qui mô pilot. Độ dài tầng chuyển khổi L của than BioN-Na trên hệ pilot. Dung lượng hấp phụ amoni của BioN-Na trên hệ cột qui mô pilot. So sánh dung lượng hấp phụ cột đối với amoni của các loại vật liệu khác nhau .97 vii DANH MỤC HÌNH Hình 1.

Sơ đồ dây truyền xử lý amoni trong nước ngầm tại Hà Nội .