Luận án tiến sĩ: Chế tạo vật liệu tro trấu hấp phụ hữu cơ, nitrat, phốt phát

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA PHAN PHƯỚC TOÀN NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU MỚI TỪ TRO TRẤU HẤP PHỤ ĐỒNG THỜI CHẤT HỮU CƠ, NITRAT, PHỐT PHÁT TRONG NƯỚC THẢI LUẬN ÁN TIẾN SĨ TP. HỒ CHÍ MINH - NĂM 2023 ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA PHAN PHƯỚC TOÀN NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU MỚI TỪ TRO TRẤU HẤP PHỤ ĐỒNG THỜI CHẤT HỮU CƠ, NITRAT, PHỐT PHÁT TRONG NƯỚC THẢI Chuyên ngành: Kỹ thuật môi trường Mã số chuyên ngành: 62520320 Phản biện độc lập: Phản biện độc lập: Phản biện: PGS.

Hồ Thị Thanh Vân Phản biện: PGS. Lê Thị Kim Phụng Phản biện: PGS. Bùi Mạnh Hà NGƯỜI HƯỚNG DẪN: 1. Nguyễn Trung Thành 2.

Nguyễn Nhật Huy LỜI CAM ĐOAN Tác giả xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân tác giả. Các kết quả nghiên cứu và các kết luận trong luận án này là trung thực, và không sao chép từ bất kỳ một nguồn nào và dưới bất kỳ hình thức nào. Việc tham khảo các nguồn tài liệu (nếu có) đã được thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định. Tác giả luận án Phan Phước Toàn i TÓM TẮT LUẬN ÁN Tro trấu thải với khối lượng lớn từ các lò nung gạch, lò sấy nông sản hiện chưa được tận dụng hiệu quả và gây ra không ít vấn đề khó khăn cho các địa phương hiện nay như An Giang.

Tro trấu có thành phần chủ yếu là oxit silic và cacbon như một composite tự nhiên với những đặc trưng riêng biệt rất phù hợp để làm chất hấp phụ hoặc làm chất mang. Nghiên cứu này tập trung tận dụng nguồn tro trấu thải ở địa phương làm nguyên liệu để chế tạo một vật liệu mới có khả năng hấp phụ đồng thời ba thành phần hữu cơ, nitrat và phốt phát trong nước thải. Vật liệu mới từ tro trấu (TRI-ARHA) được tổng hợp bằng cách ghép các nhóm triamin lên bề mặt chất mang tro trấu sau khi đã hoạt hóa bằng phương pháp tạo lỗ xốp với axit flohidric (HF). Kết quả tối ưu hóa bằng quy hoạch thực nghiệm đã xác định được nồng độ dung dịch axit HF  5% và tỷ lệ triamin silan/ARHA  3 mL/g là điều kiện tối ưu để tổng hợp vật liệu.

Các kết quả phân tích FTIR, XRD, TGA, BET, SEM, EDX và SEM- mapping đã thể hiện rõ các đặc trưng và thành phần hóa học cơ bản của vật liệu TRI- ARHA với diện tích bề mặt riêng  402 m2/g và hàm lượng amin  23%. Các nguyên tố O (36,4%), C (33,6%), Si (22,6%) và N (7,4%) được phân tán rất tốt trên bề mặt vật liệu. Các thí nghiệm đánh giá khả năng hấp phụ chất hữu cơ, nitrat và phốt phát trong điều kiện phòng thí nghiệm đã cho thấy vật liệu TRI-ARHA có nhiều ưu điểm nổi bật như khả năng hấp phụ cao (Qmax  172 mgMO/g, 132 mgNO3--N/g và 84,4 mgPO43--P/g), thời gian đạt cân bằng hấp phụ nhanh (10-20 phút), môi trường pH thuận lợi (pH  5-7) và độ bền tốt. Đặc biệt, TRI-ARHA có khả năng hấp phụ tốt đồng thời cả ba thành phần chất hữu cơ, nitrat và phốt phát so với các vật liệu hấp phụ khác nhờ vào đặc trưng nổi bật của chất mang ARHA kết hợp với hoạt tính của các nhóm triamin ghép trên bề mặt vật liệu và cơ chế hấp phụ liên hợp mới đã được chứng minh bằng thực nghiệm và hóa học tính toán với bộ cơ sở B3LYP/6-32G* được xử lý bằng phần mềm Gaussian 16.

Kết quả thử nghiệm xử lý nước thải thực tế đã cho thấy TRI-ARHA có khả năng hấp phụ vượt trội so với hai loại chất hấp phụ thương mại thông dụng là than hoạt tính và nhựa trao đổi ion. Đồng thời, TRI-ARHA đã thể hiện rõ khả năng xử lý đa thành phần ô nhiễm ii đối với mẫu nước thải hỗn hợp (từ dệt nhuộm, chăn nuôi và sinh hoạt), làm cơ sở đề xuất quy trình xử lý nước thải và định hướng ứng dụng vật liệu mới này vào thực tế. Tóm lại, luận án đã tận dụng hiệu quả nguồn cacbon và silica tự nhiên trong cấu trúc của tro trấu để làm chất mang cho phản ứng ghép với các nhóm chức năng amin tạo ra một vật liệu tiên tiến. Vật liệu TRI-ARHA mới này cho thấy khả năng loại bỏ tốt đồng thời các thành phần ô nhiễm hữu cơ, nitrat và phốt phát, có thể ứng dụng trong các quá trình xử lý nước và nước thải với những tính năng ưu việt khác so với các vật liệu có mặt trên thị trường, góp phần giảm thiểu ô nhiễm môi trường trong nhiều lĩnh vực.

iii ABSTRACT Waste rice husk ash in large quantities from brick kilns and agricultural drying kilns has not been effectively utilized and causes many problems for current localities such as An Giang province. Rice husk ash (mainly silicon oxide and carbon) as a natural composite with specific characteristics is very suitable as an adsorbent or as a carrier. This study focuses on utilizing the local waste rice husk ash as a raw material to prepare a new material capable of simultaneously absorbing three components including organic matter - nitrate - phosphate in wastewater. A novel material from rice husk ash (TRI-ARHA) was synthesized by grafting triamine groups onto the surface of rice husk ash carrier after being activated by corrosion method with hydrofluoric acid (HF).

The results of optimization by design of experiment determined that the concentration of HF acid solution  5% and the ratio of triamine silane/ARHA  3 mL/g were the optimal conditions for the synthesis of the material. The analysis results of FTIR, XRD, TGA, BET, SEM, EDX, and SEM-mapping clearly showed the basic characteristics and chemical composition of TRI-ARHA material with specific surface area of  402 m2/g and amine content of  23%. The elements of O (36.4%) are very well dispersed on the surface of the material. Experiments to evaluate the adsorption capacity of organic matter, nitrate and phosphate under laboratory conditions showed that TRI-ARHA material has many outstanding advantages such as high adsorption capacity (Qmax  172 mgMO/g, 132 mgNO3--N/g and 84.4 mgPO43--P/g), fast adsorption equilibrium (10-20 minutes), favorable pH environment (pH 5-7) and good durability.

In particular, TRI-ARHA has a good ability to simultaneously adsorb all three components of organic matter, nitrate and phosphate compared to other adsorbent materials thanks to the outstanding characteristics of the ARHA carrier combined with triamine groups grafted on the surface of the material and the new conjugated adsorption mechanism proven by experiments and computational chemistry with the basis set of B3LYP/6-32G* processed by Gaussian 16 software. For the actual wastewater treatment experiment, the results showed that TRI-ARHA has superior adsorption capacity compared to two common commercial adsorbents of iv activated carbon and ion exchange resin. In particular, TRI-ARHA has clearly demonstrated the ability to treat multi-pollutants for the mixed wastewater sample (from textile dyeing, livestock and domestic wastewater), as a basis for proposing wastewater treatment processes and orient the application of this new material into practice. In summary, the thesis has effectively utilized the natural source of carbon and silica in the structure of rice husk ash as a support for amine-grafting reaction to create an advanced material.

The novel TRI-ARHA material showed a good ability to simultaneously remove organic matter, nitrate, and phosphate, which can be applied in water and wastewater treatment processes with other advanced features compared to available materials on the market, contributing to reducing environmental pollution in many fields. v LỜI CẢM ƠN Trong suốt quá trình nghiên cứu sinh, tôi đã nhận được rất nhiều sự chỉ dạy, hướng dẫn và giúp đỡ tận tình của quý thầy cô, anh chị, đồng nghiệp, bạn bè cùng với đó là sự hỗ trợ của người thân, gia đình và cơ quan công tác. Trước tiên, tôi xin gửi lời tri ân sâu sắc nhất đến PGS. Nguyễn Trung Thành và PGS.

Nguyễn Nhật Huy là hai cán bộ hướng dẫn khoa học đã cung cấp những kinh nghiệm cũng như kiến thức chuyên môn quý báu, dành nhiều tâm huyết và thời gian để hướng dẫn, góp ý giúp tôi hoàn thành luận án này. Trong đó, tôi đặc biệt cảm ơn PGS. Nguyễn Trung Thành – người thầy đã luôn đồng hành cùng tôi suốt từ đại học đến nay. Xin gửi lời cảm ơn chân thành đến tất cả cán bộ, giảng viên thuộc Bộ môn Kỹ thuật môi trường cũng như Ban Chủ nhiệm Khoa Môi trường và Tài nguyên, Trường Đại học Bách Khoa – Đại học Quốc gia TP.HCM đã truyền đạt kiến thức quý báu và tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu.

Xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ của Bộ phận quản lý và các anh, chị, em nhân viên Khu Thí nghiệm – Thực hành, Trường Đại học An Giang – ĐHQG-HCM đã hỗ trợ và tạo điều kiện thuận lợi trong quá trình thực hiện nghiên cứu. Cảm ơn các bạn học viên cao học và sinh viên đại học đã hỗ trợ trong quá trình thực hiện các thí nghiệm. Xin chân thành cảm ơn quý thầy, cô là thành viên trong Hội đồng đánh giá luận án các cấp đã có những nhận xét, góp ý vô cùng quý báu về chuyên môn giúp tôi hoàn thiện luận án, đồng thời giúp tôi nhận rõ thêm những hạn chế, làm cơ sở để phát triển những định hướng nghiên cứu mới trong tương lai. Xin chân thành cảm ơn Trường Đại học An Giang – ĐHQG-HCM và UBND tỉnh An Giang đã hỗ trợ kinh phí đào tạo.

Đồng thời, nghiên cứu này cũng được tài trợ bởi Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh theo đề tài mã số A2020-16-01. Sau cùng, xin được gửi sự biết ơn yêu thương nhất đến những người thân và gia đình đã luôn ủng hộ, động viên tinh thần tôi trong suốt quá trình nghiên cứu sinh và hoàn thành luận án tốt nghiệp này. Một lần nữa xin được chân thành cảm ơn tất cả! vi MỤC LỤC DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH. xii DANH MỤC BẢNG BIỂU .xvi DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT.

xviii CHƯƠNG 1 MỞ ĐẦU .1 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu .1 Đối tượng nghiên cứu .2 Phạm vi nghiên cứu .3 CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU, MỤC TIÊU, Ý NGHĨA VÀ TÍNH MỚI .4 Tổng quan về tro trấu và vật liệu hấp phụ chế tạo từ tro trấu .1 Sơ lược về trấu và tro trấu .2 Hiện trạng phát sinh và xử lý tro trấu thải trên địa bàn tỉnh An Giang .1 Nguồn phát sinh và khối lượng tro trấu thải từ các cơ sở sản xuất .2 Ảnh hưởng của tro trấu đến sức khỏe con người và môi trường .3 Các biện pháp xử lý và tái sử dụng tro trấu thải hiện nay .3 Tình hình nghiên cứu ứng dụng tro trấu trong và ngoài nước .4 Thành phần, đặc tính của tro trấu .5 Vật liệu hấp phụ chế tạo từ tro trấu ứng dụng trong xử lý nước và nước thải.1 Hấp phụ các thành phần hữu cơ .2 Hấp phụ các thành phần vô cơ .