Luận án nghiên cứu sử dụng nước nhiễm phèn để xử lý nước - Trần Lê Ba

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TRẦN LÊ BA NGHIÊN CỨU TẬN DỤNG NƢỚC NHIỄM PHÈN ĐỂ TỔNG HỢP VẬT LIỆU LƢỠNG CHỨC NĂNG HẤP PHỤ - TRAO ĐỔI ION PHỤC VỤ XỬ LÝ NƢỚC LUẬN ÁN TIẾN SĨ TP. HỒ CHÍ MINH - NĂM 2024 VIETNAM NATIONAL UNIVERSITY HO CHI MINH CITY HO CHI MINH CITY UNIVERSITY OF TECHNOLOGY TRAN LE BA RESEARCH ON UTILIZING NATURAL ALUM-FERRIC WATER TO SYNTHESIZE DUAL-FUNCTIONAL ADSORPTION-ION EXCHANGE MATERIALS FOR WATER TREATMENT A dissertation submitted for the degree of Doctor of Philosophy HO CHI MINH CITY – 2024 ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TRẦN LÊ BA NGHIÊN CỨU TẬN DỤNG NƢỚC NHIỄM PHÈN ĐỂ TỔNG HỢP VẬT LIỆU LƢỠNG CHỨC NĂNG HẤP PHỤ - TRAO ĐỔI ION PHỤC VỤ XỬ LÝ NƢỚC Chuyên ngành: Kỹ thuật môi trƣờng Mã số chuyên ngành: 9520320 Phản biện độc lập: PGS.

Lê Thị Kim Oanh Phản biện độc lập: PGS. Phùng Chí Sỹ Phản biện: PGS. Hồ Thị Thanh Vân Phản biện: PGS. Lê Hùng Anh Phản biện: PGS.

Nguyễn Trƣờng Sơn NGƢỜI HƢỚNG 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, không sao chép từ bất kỳ một nguồn nào, dƣới bất kỳ hình thức nào.

Việc tham khảo các nguồn tài liệu (nếu có) đã đƣợc thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định. Tác giả luận án Trần Lê Ba i TÓM TẮT LUẬN ÁN Nƣớc nhiễm phèn đƣợc coi là nguồn nƣớc bị ô nhiễm và chất ô nhiễm chính trong nƣớc nhiễm phèn đó chính là các kim loại nhƣ: iron, aluminium, calcium và magnesium. Tuy nhiên, các nghiên cứu trƣớc đó đã cho thấy việc sử dụng các kim loại này để tổng hợp nên vật liệu có khả năng xử lý phosphate trong nƣớc. Trong đó iron đã đƣợc sử dụng để tổng hợp nên vật liệu có khả năng xử lý đƣợc phosphate trên nền hạt nhựa và kết quả cho hoạt tính cao và độ bền cơ tính tốt.

Bên cạnh đó, các nghiên cứu gần đây thƣờng tạo ra vật liệu hấp phụ đơn chức năng, điều này là một bất lợi lớn khi so sánh với các vật liệu khác và áp dụng vào quy trình xử lý nƣớc thải thực tế. Vì vậy, nghiên cứu này sử dụng các kim loại trong nƣớc nhiễm phèn để tổng hợp nên vật liệu lƣỡng chức năng hấp phụ - trao đổi ion phục vụ xử lý nƣớc. Các vật liệu đƣợc tổng hợp từ ion iron và các ion kim loại đƣợc thu hồi với tên gọi là HIAO/225H, thông qua các đặc trƣng của vật liệu (FTIR, XRD và SEM) đã cho thấy có sự hình thành dạng FeOOH trên bề mặt của hạt nhựa, bên cạnh đó cũng có sự xuất hiện của Al, Ca và Mg trong vật liệu. Thời gian hấp phụ cân bằng đƣợc xác định là 50 giờ, pH 6, liều lƣợng 10 g/L và ion HCO3- ảnh hƣởng nhiều nhất đến khả năng hấp phụ của vật liệu.

Vật liệu HIAO/225H cho thấy hiệu suất hấp phụ phosphate cao hơn khoảng 1,4 lần so với vật liệu FeOOH/225H. Nghiên cứu này cho thấy sự có mặt của Ca, Mg trong vật liệu đã nâng cao hiệu quả hấp phụ thông qua việc có thể hình thành nhiều nhóm FeOOH trên bề mặt vật liệu. Mặc khác, sự có mặt của các cation Ca và Mg trong dung dịch làm tăng khả năng hấp phụ phosphate lên 1,2 lần từ 1,52 mg PO43- -P/g lên 1,83 mg PO43--P/g, dung lƣợng xử lý của vật liệu HIAO/225H là 26,83 mg PO43--P/g đối với vật liệu hạt nhựa trao đổi ion (cation và anion) MB6SR là 12,7 mg PO43--P/g, điều này đã cho thấy vật liệu lƣợng chức năng HIAO/225H cho hiệu quả xử lý tốt hơn vật liệu MB6SR. Bên cạnh đó, quá trình hấp phụ có thể rút ngắn thời gian hấp phụ từ 50 giờ xuống 3,5 giờ bằng khi áp dụng khuấy 150 vòng/phút.

Khi tiến hành so sánh hiệu quả hấp phụ cả nƣớc giả thải, nƣớc thải sinh hoạt và nƣớc thải nhà máy (cơ sở) chế biến thủy sản, HIAO/225H cho thấy hiệu quả loại bỏ phosphate và đáp ứng các tiêu chuẩn xả thải, trong đó kết quả đã cho khả năng hấp phụ của vật liệu HIAO/225H tốt hơn vật liệu phổ biến trên thị trƣờng là than hoạt tính và khả năng xử ii lý độ cứng (trao đổi ion) tốt hơn vật liệu hạt nhựa trao đổi ion MB6SR. Thêm vào đó, khả năng tái sinh sau 10 lần cũng đƣợc kiểm tra và kết quả cho thấy vật liệu còn 80% hiệu quả xử lý so với ban đầu. Nhìn chung, luận án này đã sử dụng các kim loại trong nƣớc nƣớc phèn để tạo nên vật liệu lƣỡng chức năng hấp phụ - trao đổi ion mới thông qua phƣơng pháp kết tủa. Vật liệu này đã cho thấy khả năng xử lý đồng thời cả anion phosphate và cation Ca2+ và Mg2+, có thể ứng dụng cho các loại nƣớc thải có đồng thời các thành phần này với hiệu quả xử lý tốt hơn so với các vật liệu đơn chức năng và vật liệu hạt nhựa trao đổi ion (cation và anion) MB6SR, góp phần làm giảm chi phí cho quá trình xử lý nƣớc thải và giảm thiểu ô nhiễm môi trƣờng.

iii ABSTRACT The natural iron alum water is considered a polluted water source and the main pollutants in natural iron alum waterare metals such as iron, aluminum, calcium and magnesium. However, the previous studies have shown the use of these metals to synthesize materials capable of treating phosphate in water. In which iron was used to synthesize a material capable of processing phosphate on anion exchange resin and the result was high activity and good mechanical durability. Besides, recent studies often create monofunctional adsorbent materials, which is a major disadvantage when compared with other materials and applied to actual wastewater treatment processes when considering in terms of cost and usable area.

Therefore, this study uses metals in natural iron alum waterto synthesize dual-functional adsorption and ion exchange materials for water treatment. The material was synthesized from iron and recovered metals with the name HIAO/225H, through material characteristics (FTIR, XRD and SEM) showed the formation of FeOOH on the surface of ion exchange resin, in addition to the presence of Al, Ca and Mg in the material. The equilibrium adsorption time was determined to be 50 hours, pH 6, dosage 10 g/L and HCO3- ion had the most impact on the adsorption capacity of the material. HIAO/225H material shows about 1.4 times higher phosphate adsorption efficiency than FeOOH/225H material.

This study shows that the presence of Ca and Mg in the material has improved the adsorption efficiency through the formation of many FeOOH groups on the surface of the material. On the other hand, the presence of Ca and Mg cations in the solution increases the phosphate adsorption capacity by 1.825 mg/g, the processing capacity of material HIAO/225H (26.825 mg/g) compared to ion exchange resin (cation and anion) MB6SR (12.7 mg/g), this has shown that the functional material HIAO/225H has better treatment efficiency than the ion exchange resin MB6SR on the market. Besides, the adsorption process can shorten the adsorption time from 50 hours to 3.5 hours by applying stirring at 150 rpm. When comparing the adsorption efficiency of both wastewater, domestic wastewater and seafood processing wastewater, HIAO/225H showed effective phosphate removal and met wastewater iv discharge standards.

In which, the results showed that the adsorption capacity of HIAO/225H material is better than the popular material on the market, activated carbon. And the ability to handle hardness (ion exchange) is better than bifunctional materials on the market (MB6SR). In addition, the ability to regenerate after 10 times was also tested and the results showed that the material still had 80% of its treatment efficiency compared to the original. Overall, this thesis used metals in natural iron alum water to create a new dual- functional adsorption-ion exchange material through the precipitation method.

This material has shown the ability to simultaneously treat both phosphate anions and Ca2+ and Mg2+ cations and can be applied to wastewaters containing these components at the same time with better treatment efficiency than commercially available monofunctional materials and ion exchange resin (cation and anion) MB6SR, contributing to reducing costs for wastewater treatment and minimizing environmental pollution. v LỜI CẢM ƠN Trong quá trình thực hiện luận án này, tôi đã nhận đƣợc sự giúp đỡ, định hƣớng và chỉ dạy tận tình từ quý Thầy/Cô, đồng nghiệp, bạn bè, sự hỗ trợ từ gia đình và cơ quan công tác. Trƣớc tiên, tôi xin trân trọng tri ân và gửi lời cảm ơn chân thành nhất đến hai cán bộ hƣớng dẫn khoa học là: PGS. Nguyễn Trung Thành và PGS.

Nguyễn Nhật Huy đã dành nhiều tâm huyết định hƣớng, chỉ dạy và hƣớng dẫn trong suốt quá trình nghiên cứu để tôi có thể hoàn thành luận án này. Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến cán bộ và giảng viên thuộc Bộ môn Kỹ thuật môi trƣờng, Ban chủ nhiệm Khoa Môi trƣờng và Tài nguyên cũng nhƣ Phòng Đào tạo Sau đại học, Trƣờng đại học Bách Khoa – Đại học Quốc gia TP.HCM đã cung cấp những kiến thức chuyên môn và luôn tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong quá trình thực hiện luận án. Xin trân trọng gửi lời cảm ơn sâu sắc đến GS. Nguyễn Văn Phƣớc đã dành nhiều thời gian và tâm huyết để định hƣớng và cho những góp ý vô cùng quý báu cho luận án của tôi.

Tôi xin chân thành cảm ơn PGS. Đặng Vũ Bích Hạnh đã luôn đồng hành, hỗ trợ và đƣa ra những nhận xét ý nghĩa cho luận án. Đồng thời, xin đƣợc gửi lời cảm ơn đến quý Thầy/Cô trong Hội đồng luận án các cấp đã có những góp ý quý giá về chuyên môn giúp tôi nhận thấy những hạn chế trong luận án, để làm cơ sở cho các định hƣớng nghiên cứu tiếp theo. Tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến cán bộ Khu Thí nghiệm – Thực hành, quý đồng nghiệp, Ban chủ nhiệm Khoa Kỹ Thuật – Công Nghệ - Môi Trƣờng và Ban giám hiệu Trƣờng Đại học An Giang − ĐHQG-HCM đã hỗ trợ và tạo điều kiện thuận lợi cho tôi hoàn thành luận án.

Và cuối cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn đến bạn bè, ngƣời thân và gia đình đã luôn bên cạnh động viên và ủng hộ tôi trong những lúc khó khăn để tôi có thể vƣợt qua và hoàn thành luận án này. vi MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN. ii LỜI CẢM ƠN .vi MỤC LỤC. vii DANH MỤC HÌNH ẢNH.

xii DANH MỤC BẢNG BIỂU .xiv DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT .xv CHƢƠNG 1 MỞ ĐẦU .2 Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu .3 Mục tiêu, ý nghĩa và tính mới của luận án .1 Mục tiêu của luận án .1 Mục tiêu tổng quát .2 Mục tiêu cụ thể .4 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn .1 Ý nghĩa khoa học .2 Ý nghĩa thực tiễn .5 Những đóng góp của luận án và khả năng áp dụng .4 CHƢƠNG 2 TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU .