Luận án tiến sĩ: Nghiên cứu chế tạo vật liệu nano TiO2 biến tính phủ trên tro trấu xử lý hợp chất nitơ trong nước ngầm tại Hà Nội

ĐẠI HỌC QUOC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN DANG THỊ NGỌC THUY NGHIÊN CỨU CHE TẠO VAT LIEU NANO TIO2 BIEN TÍNH PHU TREN TRO TRAU UNG DỤNG XỬ LÝ CÁC HỢP CHÁT NITƠ TRONG NƯỚC NGÀM LUẬN ÁN TIEN SĨ KHOA HOC MOI TRUONG HÀ NỘI - 2023 DANG THỊ NGỌC THUY NGHIÊN CỨU CHE TẠO VAT LIEU NANO TIO2 BIEN TINH PHU TREN TRO TRAU UNG DUNG XỬ LÝ CAC HOP CHAT NITO TRONG NUOC NGAM KHU VUC HA NOI Chuyên ngành: Khoa học Môi trường Mã số: 9440301.01 LUẬN ÁN TIÊN SĨ KHOA HỌC MÔI TRƯỜNG NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. Nguyễn Thị Hà 2. Nguyễn Hoàng Nam HÀ NỘI - 2023 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan rằng đây là công trình nghiên cứu của tôi, có sự hỗ trợ từ giảng viên hướng dẫn là PGS. Nguyễn Thị Hà và TS.

Nguyễn Hoàng Nam. Các nội dung nghiên cứu và kết quả trong luận án này là trung thực và chưa từng được tác giả khác công bố trong bat cứ công trình nghiên cứu nào trước đây. Nếu phát hiện có bat kỳ sự gian lận nào tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm trước Hội đồng, cũng như kết quả luận án của mình. Ha Nội, ngày 30 tháng 01 năm 2023 Tác giả Đặng Thị Ngọc Thuỷ LỜI CẢM ƠN Đề hoàn thành luận án này tôi xin chân thành gửi lời cảm ơn đến các thầy, các cô Khoa Môi trường, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội đã quan tâm giúp đỡ chỉ bảo tận tình trong quá trình thực hiện luận án.

Nhờ đó tôi đã tiếp thu được nhiều ý kiến đóng góp và nhận xét qúy báu của thầy cô thông qua các buổi bảo vệ đề cương, seminar báo cáo tiễn độ và thực hiện các chuyên đề. Tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc nhất đến PGS. Nguyễn Thị Hà, Khoa Môi trường, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội và TS. Nguyễn Hoàng Nam - Khoa Môi trường, Trường Đại học Mỏ Địa chất đã trực tiếp hướng dẫn, định hướng chuyên môn, quan tâm giúp đỡ tận tình và tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất cho tôi trong quá trình công tác cũng như thực hiện luận án.

Tôi xin chân thành cảm ơn TS. Nguyễn Hoàng Nam đã đồng ý cho phép tham gia và sử dụng một phần kết quả nghiên cứu của đề tài Khoa học công nghệ cấp cơ sở mã số T18-29, T22-41 do TS chủ trì. Tôi xin chân thành cảm ơn ThS. Nguyễn Thị Sen, CN.

Nguyễn Quang Dương, KS. Nguyễn Đức Dũng, ThS Trần Thị Ngọc, TS Trần Thị Thu Hương đã hỗ trợ tôi trong quá trình thực hiện luận án. Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn của mình tới bạn bè và đồng nghiệp, luôn quan tâm, chia sẻ, động viên tôi trong suốt thời gian thực hiện luận án. Đặc biệt xin bay tỏ lòng kính trọng và sự biết ơn sâu sắc đến gia đình đã tạo mọi điều kiện tốt nhất dé tôi có thê hoàn thành tốt mọi công việc trong quá trình thực hiện luận án.

Mặc dù đã rất cô gang trong quá trình thực hiện nhưng luận án không thể tránh khỏi những thiếu sót. Tác giả mong nhận được sự góp ý của quý thầy, cô và bạn bẻ. Tôi xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, tháng 10/2022 Tác giả Đặng Thị Ngọc Thủy MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN LỜI CẢM ƠN MUC LUC 0 55H. ÔÔÔÔÔÔÔỐỐỐ 1 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHU VIET TẮTT.2- 5 se 52s4 DANH MỤC CÁC BẢNG.--s-scss©ssceseestrssrsresrsertsrrsrrssrssrksrrsrrssrssre 5 DANH MỤC CÁC HÌNH.s- 5-5 52 ©SsSsSsEsSEssESsESsEEserserssrsserserserssse 7 MỞ ĐẦU.

E713 E7E7130 9771440922144 E902441E92Aeporordetie 10 CHƯƠNG 1. TONG QUAN NGHIÊN CUU. Các hợp chất nito trong nước ngầm. Nguyên nhân ton tại các hợp chất nitơ trong nước ngầm.

Hiện trạng nhiễm các hợp chất nito trong nước ngầm. Ảnh hưởng của các hợp chất nitơ trong nước ngầm đến sức khỏe. Hiện trạng nghiên cứu xử lý các hợp chất của nitơ trong nước ngầm. Xử lý các hợp chat của nitơ bằng phương pháp hóa lý.

Xử lý các hợp chất của nito băng phương pháp sinh học. Tổng quan về vật liệu nano 'TiO2. Đặc tính của vật liệu nano T1O2. Phương pháp tông hợp nano TiO2.

Tổng quan về phương pháp biến tính vật liệu nano TiO> và ứng dụng trong XU 00/010). Biến tính nano TiOa bằng nguyên tố phi kim. Biến tính nano TiOa bằng kim loại .---2--¿- 5 5z sz2zx+cs+szs236 1. Biến tinh nano TiOa bằng nguyên tố đất hiếm.

Chất mang tro trâu và ứng dụng trong xử lý nước .1 Chất mang tro trấu.----- + 5¿+2x2E++EE+2EEt2EEEEEESEEEEEEEEerkrrrkrrkrrrei 42 1. Ứng dụng của tro trau trong xử lý nước .------ 2 s+cs+csszxezes 42 CHƯƠNG 2. THỰC NGHIỆM VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CUU. Đối tượng, phạm vi nghiÊn CỨU.

Đối tượng nghiên cứu. Pham a¿0 iu nnn. Hoá chat và thiết bị sử dụng trong nghiên cứu.-- 2-5 52+cz+cs+zxsrxrsez 47 2.--ccs-c2tt tt tr re 41 2. Thiết bị và dụng cụ.---:-©5-©52222+EE‡EEEEEEE 2112117171211 re.

Các phương pháp tổng hợp vật liệu. Phương pháp tong hợp chất mang tro trấu.4 Các phương pháp xác định đặc trưng cấu trúc của vật liệu.5 Cac phương pháp xác định hoạt tính quang hoá cua vật liệu nano TiO» biến tinh và nano TiO¿ biến tính/tro trấu. Nghiên cứu xác định mô hình động học xúc tác quang của vật liệu nano TiO> biến tính đối với các hợp chất nitơ. Thi nghiém trén mẫu nước tự a0.

Thử nghiệm với mẫu nước ngầm khu vực Hà Nội. Phương pháp phân tích, đánh giá, xử lý số liệu.------¿2 scs+rxe=se2 65 2.1 Phương pháp phân tÍch. Phương pháp thống kê, xử lý số liệu.---:---¿ 2 5¿©2+>s++cx+2 66 CHƯƠNG 3. KET QUA VÀ THẢO LUẬN.

Kết qua tong hợp vật liệu tro trau và nano TiO> biến tính. Vật liệu tro trau occ ceecseeeecssseecesseeesssnecessneessnsecssnneeesneeesnneessnneessneses 68 3. Vật liệu nano TiO¿ biến tính. Đánh giá hoạt tính quang hoá của vật liệu nano TiO> biến tính.

Nghiên cứu động học quá trình phân hủy, xử lý phẩm màu xanh Methylen Và 4ITOI1. Kết quả tông hợp vật liệu nano TiO: biến tính phủ trên tro trấu. Vật liệu nano Ti02/N-M1 phủ trên tro trau dang hat (RHP). Vat liệu nano TIOz/Nd-M12/RHA.-- ccSS<cS+sssereereeres 108 3.

Kết quả đánh giá khả năng loại bỏ NH4? trong mẫu nước tự tạo bằng vật liệu nano TiOa biến tính phủ trên tro trấu. Hiệu quả xử ly NH¿† của vật liệu nano Ti02/N-M1/RHP 0,3%. Hiệu quả xử lý NH4* của vật liệu nano Ti02/Nd-M12/RHA trong hệ bể khuấy trộn.--- 2: ©2¿ 2+SE+EE£EE£EEEEEEEEE2112717112112117111 111.3 Kết quả khảo sát ảnh hưởng của một số yếu tố đến hiệu quả xử lý NH¿' của vật liệu T1Oz/Nd-M12/RHA.4 Ung dung vật liệu TiOz/Nd-M12/RHA đề xử ly NH¿* trong nước khu vực b0) on. Kết quả phân tích mẫu nước ngầm của nhà máy nước.

Kết quả tiền xử lý nước ngầm (loại Fe?! và Mn?*). Kết quả xử lý NH¿† trong nước ngầm thực tẾ.---------s:-: 127 KET LUẬN VÀ KIÊN NGHỊ,.- 2-2 se se ssssessexseEsseseessesserserse 130 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HOC CUA TÁC GIA LIÊN QUAN DEN LUẬN ÁN.o5-s-cs<SseSssS2sEEsEESEESSEESEESEEsEEsETeereerssersersrree 132 TÀI LIEU THAM KHẢO.- <2 2s s2 s2 ss£ssvsseEssvssvssesserszrssrse 133 DANH MUC CAC KY HIEU VA CHU VIET TAT ASTN Ánh sáng tự nhiên ASNT Ang sáng nhìn thay Anammox Quá trình oxi hoá amoni yếm khí Anaerobic ammonium oxidation BET Diện tích bề mặt riêng Specific surface area BJH Phương trình của Barrett, Joyner Barrett, Joyner va Halenda và Halenda equation Vùng dẫn Conduction band Năng lượng vùng cam Forbidden zone energy Điện tử Electron Tán sắc năng lượng tia X Energy dispersive X-ray Lỗ trống Hole Năng lượng photon Photon enegy Nguyên tổ đất hiểm Xanh methylen Methylen blue Methy da cam Methyl orange PVA Polyvinyl ancol Polyvinyl ancol PVH Mã hoá tên nhà máy nước PL Phổ huỳnh quang Fluorescense spectroscopy RHA Tro trau dang bột RHAN Tro trau phu pham RHP Tro trau dang hat Sharon Qua trinh nitrat hoa sinh hoc Single reactor system for high-rate Ammonium removal over nitrite SEM Hiển vi điện tử quét Scanning electron microscopy TEM Kính hiển vi điện tử Transsmision electronic truyền qua Microscopy FE-TEM Kính hiển vi điện tử Field Emission Transmission truyền qua phân giải cao Electron Microscope). UV Tia tử ngoại Ultraviolet UV-VIS Tử ngoại khả kiến Ultraviolet - Visible VB Vung hóa tri Valence Bond XRD Nhiéu xa tia X X - Ray Diffraction DANH MỤC CAC BANG TT Tên bảng Trang Bang 1.1: Hàm lượng NH¿† trước và sau xử lý của các nhà máy cấp nước khu vực Hà Nội trong giai đoạn từ năm 2010 đến 2014 [14].2: Hàm lượng một số thành phần chứa nitơ tại một số nhà máy nước khu vực Hà Nội.------ c0 11111122111 kg ven 17 Bảng 1.3: Công suất khai thác nước ngầm năm 2020 của các nhà máy nước ở Khu vic Ha N61.4: Vật liệu nano TiO› biến tính bằng kim loại và phi kim khác nhau ứng dụng dé xử ly các chat ô nhiễm trong nước [84].5: So sánh đặc tính va hiệu quả xử lý (%) của nano TiO> tinh khiết va biến tinh các nguyên tố đất hiếm [48].------- 2 252+secxererszes Al Bang 2.1: Danh mục các hóa chat được sử dung trong nghiên cứu.2: Danh mục thiết bị chính được sử dụng trong nghiên cứu .3: Ký hiệu mẫu tro trấu.----:-©¿ 22+ E+EE+EE2EE2EEEEEEEEEEEEEEEEEEerkrrkerreee 51 Bảng 2.4: Thành phần hóa chat sử dụng dé chế tạo nano TiO? biến tính nitơ.5: Thanh phan và ty lệ hóa chat điều chế nano TiO2z/Nd.6: Thành phan và ty lệ hóa chất điều chế nano TiOz/Eu.7: Thống kê các điều kiện thí nghiệm khảo sát hoạt tính quang hóa của vật liệu nano TiO› biến tính và nano TiO? biến tính/tro trấu .8: Các thông số vận hành của hệ thống xử ly NH¿? trong nước tự tạo. Các thông số vận hành hệ thống xử lý NH¿* trong nước ngầm thực té.10: Các phương pháp phân tích phục vụ quá trình nghiên cứu.1: Diện tích bề mặt riêng của vật liệu RHP ở các nhiệt độ khác nhau .2: Thành phan và phan trăm của các nguyên tổ có trong các vật liệu nano TiO> biến tính Nd hàm lượng khác nhau.3: Thành phan và phan trăm của các nguyên tố có trong các vật liệu nano TiO> biến tinh Eu với nồng độ khác nhau .4: Thống kê năng lượng vùng cắm Eg của vật liệu nano TiO» biến tinh Nd với các tỉ lệ điều chế khác nhau.-- ¿22222 SE+E+EEEzE+E+EEzEzEzzsrs 84 Bang 3.5: Thống kê năng lượng vùng cắm E, của vật liệu nano TiO? biến tính Eu với các tỉ lệ điều chế khác nhau .6: Hiệu quả xúc tác quang của vật liệu nano TiO2/N phân huỷ MB trong 09061.7: Hiệu quả xúc tác quang phân hủy MB của vật liệu nano TIOz/Nd.8: Hiệu quả xúc tac quang phan hủy xanh methylen của vật liệu nano TiO; biến tính EuŸ*.---222+c+tEEEtrHHrr re 92 Bảng 3.9: Hiệu quả xúc tác quang phân hủy MO của 3 loại vật liệu.10: Các thông số động học quá trình phân hủy MB bằng các vật liệu nano TiO› biến tính ở điều kiện ASTN.11: Các thông số động học của quá trình phân hủy, xử lý amoni ở điều kiện ASTN có sục khí.-- << - 2211111 11 S993 1 kg 1xx key 103 Bang 3.12: So sánh hiệu suất phân huỷ của các loại vật liệu.