nghiên cứu thử nghiệm than sinh học biến tính từ vỏ trấu để thu hồi dinh dưỡng trong nước thải

<span class="text_page_counter">Trang 1</span><div class="page_container" data-page="1">

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM

<b>TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA </b>

<b>TRẦN ĐẶNG LAN VÂN </b>

<b>NGHIÊN CỨU THỬ NGHIỆM </b>

<b>THAN SINH HỌC BIẾN TÍNH TỪ VỎ TRẤU ĐỂ THU HỒI DINH DƯỠNG TRONG NƯỚC THẢI </b>

<b>Chuyên ngành: Kỹ Thuật Môi Trường Mã số: 60.52.03.20 </b>

<b>LUẬN VĂN THẠC SĨ </b>

<b>TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 01 năm 2021</b>

</div><span class="text_page_counter">Trang 2</span><div class="page_container" data-page="2">

<b>Cơng trình hồn thành tại: Trường Đại Học Bách Khoa – ĐHQG – HCM </b>

Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS Nguyễn Thị Thủy

Cán bộ chấm nhận xét 1: PGS.TS Lê Đức Trung

Cán bộ chấm nhận xét 2: TS Đào Minh Trung

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp. HCM ngày 23 tháng 01 năm 2021.

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:

1. GS.TS Nguyễn Văn Phước 2. PGS.TS Đặng Vũ Bích Hạnh 3. PGS.TS Lê Đức Trung 4. TS Đào Minh Trung 5. PGS.TS Đặng Viết Hùng

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có).

<b>MƠI TRƯỜNG VÀ TÀI NGUN </b>

</div><span class="text_page_counter">Trang 3</span><div class="page_container" data-page="3">

<b>TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc lập - Tự do - Hạnh phúc </b>

<b> </b>

<b>NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ </b>

Họ tên học viên: TRẦN ĐẶNG LAN VÂN MSHV: 1770595 Ngày, tháng, năm sinh: 01/05/1994 Nơi sinh: Long An Chuyên ngành: Kỹ thuật môi trường Mã số: 60520320

<b>I. TÊN ĐỀ TÀI: Nghiên cứu thử nghiệm than sinh học biến tính từ vỏ trấu để thu </b>

hồi dinh dưỡng trong nước thải (Study on biochar from rice hull for recovering

<b>nutrition in wastewater). </b>

<b>II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: </b>

- Tổng hợp vật liệu biochar từ vỏ trấu biến tính muối kim loại: MgCl₂, FeCl₃, MnCl₂, AlCl₃, ZnCl₂.

- Phân tích các đặc trưng cơ bản của vật liệu như phổ nhiễu xạ tia X (XRD), kính hiển vi điện tử quét (SEM) và phổ tán sắc năng lượng tia X (EDS). - Xác định các điều kiện thích hợp cho q trình hấp phụ amoni, photphat của

vật liệu bằng cách xem xét ảnh hưởng của nồng độ ban đầu, lượng chất hấp phụ, pH, thời gian hấp phụ của vật liệu.

- Đánh giá khả năng hấp phụ của vật liệu trên nước thải thực.

<b>III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 02/2020 </b>

<b>IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 01/2021 V. CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS. NGUYỄN THỊ THỦY </b>

</div><span class="text_page_counter">Trang 4</span><div class="page_container" data-page="4">

<b>LỜI CẢM ƠN </b>

Đầu tiên em xin gửi lời cám ơn chân thành sâu sắc tới các Thầy Cô trường Đại học Bách Khoa thành phố Hồ Chí Minh đã tận tình giảng dạy, truyền đạt cho em những kiến thức, kinh nghiệm quý báu trong suốt thời gian qua. Với vốn kiến thức được tiếp thu trong quá trình học tập khơng chỉ là nền tảng cho q trình nghiên cứu và hồn thành luận văn tốt nghiệp mà cịn là hành trang quý báu vững chải để em bước vào đời và trở thành người có ích cho xã hội.

Để hồn thành luận văn này, em xin tỏ lịng biết ơn sâu sắc đến Cô Nguyễn Thị Thủy và Thầy Nguyễn Nhật Huy đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ, trực tiếp chỉ bảo em trong quá trình làm luận văn tốt nghiệp và tồn thể các Thầy Cơ trong khoa Môi Trường và Tài Nguyên. Với điều kiện thời gian cũng như kinh nghiệm còn hạn chế của một học viên, em không thể tránh khỏi những thiếu sót rất mong nhận được sự chỉ bảo, đóng góp ý kiến của các quý thầy cô để đề tài nghiên cứu của em có điều kiện bổ sung và hồn thiện hơn.

Để hoàn thành các thí nghiệm trong luận văn, em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến các sinh viên Phạm Nguyễn Cẩm Thủy, Lê Quang Danh, Phan Thị Hồng Liên đã giúp đỡ về thí nghiệm.

Cuối cùng em xin kính chúc Thầy Cô luôn dồi dào sức khỏe, hạnh phúc và luôn thành công trong sự nghiệp “trồng người”.

</div><span class="text_page_counter">Trang 5</span><div class="page_container" data-page="5">

<b>TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ </b>

Nghiên cứu này đánh giá khả năng hấp phụ amoni và photphat từ nước giả thải và nước thải sinh hoạt của than sinh học từ vỏ trấu biến tính MgCl₂ (MCRH). Vật liệu MCRH được tổng hợp bằng cách sử dụng vỏ trấu từ nhà máy xay xát gạo hộ gia đình và muối MgCl<small>2</small> bằng phương pháp trộn và ủ đơn giản. Các tính chất vật liệu được đặc trưng bởi phổ tán xạ năng lượng tia X (EDS), nhiễu xạ tia X (XRD) và kính hiển vi điện tử quét (SEM).

Khả năng hấp phụ amoni, photphat và nitrat của vật liệu bị ảnh hưởng bởi hàm lượng Mg trong thành phần vật liệu. Hàm lượng Mg trong than sinh học dao động từ 0 - 20 % đã được tổng hợp và nghiên cứu. Ngoài ra, than sinh học từ vỏ trấu biến tính với 1 số muối kim loại khác (FeCl₃, MnCl₂, AlCl₃, ZnCl₂) cũng được đánh giá. Các muối kim loại khác nhau cho khả năng hấp phụ amoni, photphat và nitrat khác nhau.

Các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ amoni và photphat của vật liệu được khảo sát như nồng độ ban đầu (20 -100 mg/l), lượng chất hấp phụ (0,01 – 0,12 g), và thời gian hấp phụ (0 - 32 h) đối với amoni, nồng độ ban đầu (10 - 100 mg/l), lượng chất hấp phụ (0,03 – 0,08 g), và thời gian hấp phụ (0 - 8 h) đối với photphat. Động học và đẳng nhiệt hấp phụ amoni, photphat của vật liệu MCRH phù hợp với mơ hình Langmuir (R² = 0,9247 đối với amoni và R² = 0,9343 đối với photphat). Quá trình hấp phụ là quá trình vật lý và động học hấp phụ được mô tả tốt nhất bằng mơ hình khuếch tán trong hạt với hệ số tương quan dao động từ 0,9596 - 0,939 (amoni) và 0,8456 - 0,9230 (photphat). Khả năng hấp phụ amoni, photphat của MCRH được chứng minh thông qua quá trình xử lý nước thải sinh hoạt có chứa nồng độ amoni, photphat ban đầu tương ứng 45,86 mg/l (amoni), 9,56 mg/l (photphat), với hiệu suất loại bỏ 92,8 % (amoni), 52,6 % (photphat). Nồng độ amoni, photphat của nước thải đầu ra đạt giá trị cho phép (10 mg/l) theo QCVN 14:2008/BTNMT (cột B) - Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về nước thải sinh hoạt. Tóm lại, MCRH có tiềm năng trở thành một vật liệu hấp phụ hữu ích và dồi dào ở Việt Nam. Sau hấp phụ, amoni và photphat đã gắn trên bề mặt vật liệu, nghiên cứu trong tương lai có thể tập trung vào khả năng làm phân bón nhả chậm, bổ sung chất dinh dưỡng cho cây trồng.

</div><span class="text_page_counter">Trang 6</span><div class="page_container" data-page="6">

<b>SUMMARY OF MASTER THESIS </b>

This study assesses ammonium adsorption and phosphate from fake water and daily wastewater of biological coal from modified rice husks MGCL2 (MCRH). MCRH materials are synthesized by using rice husks from household rice milling plants and MGCL2 salt by simple mixing and incubation method. Material properties are characterized by X-ray sensor spectrum (EDS), X-ray diffraction (XRD) and scanning electron microscopy (SEM).

The ability of ammonium adsorption, phosphate and nitrate of materials is affected by the mg content in the material composition. Mg content in biological coal ranges from 0-20% has been synthesized and studied. In addition, bio charcoal from variable rice husk with a number of other metal salts (FECL3, MNCL2, ALCL3, ZNCL2) is also evaluated. Different metal salts for different ammonium adsorption, phosphate and nitrate.

Factors affecting ammonium adsorption capacity and phosphate of surveyed materials such as initial concentrations (20 -100 mg / L), adsorbent quantity (0.01 - 0.12 g), and time Adsorption time (0 - 32 H) for ammonium, initial concentration (10 - 100 mg / l), adsorbent quantity (0.03 - 0.08 g), and adsorption time (0 - 8 h) For phosphate. Motivation and irregular ammonium adsorption, phosphate of MCRH material suitable for Langmuir models (R2 = 0.9247 for ammonium and R2 = 0.9343 for phosphate). The adsorption process is the adsorbent physical and kinetic process that is best described with a diffuser model in the particle with a correlation coefficient ranging from 0.9596 - 0.939 (ammonium) and 0.8456 - 0.9230 (phosphate). Ammonium adsorption capabilities, MCRH's demonstration is proven through domestic wastewater treatment containing ammonium concentrations, phosphate initially 45.86 mg / l (ammonium), 9.56 mg / l ( phosphate), with 92.8% removal performance (ammonium), 52.6% (phosphate). The concentration of ammonium, phosphate of the output wastewater reaches the permitted value (10 mg / L) according to QCVN 14: 2008 / BTNMT (column b) - National technical regulation on domestic wastewater. In summary, MCRH has the potential to become a useful and abundant adsorbent material in Vietnam. After adsorption, ammonium and phosphate mounted on the surface of the material, future research can focus on the ability to make fertilizer slowly, supplement nutrients for crops.

</div><span class="text_page_counter">Trang 7</span><div class="page_container" data-page="7">

<b>LỜI CAM ĐOAN </b>

Tôi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của tôi dưới sự hướng dẫn của TS Nguyễn Thị Thủy và PGS.TS Nguyễn Nhật Huy. Những kết quả, số liệu của luận văn này chưa được dùng cho bất cứ luận văn nào khác. Các thông tin từ những nghiên cứu trước đó đã được trích dẫn đầy đủ. Tơi hồn thành chịu trách nhiệm về sự cam đoan này.

TP.HCM, ngày 01 tháng 01 năm 2021 Tác giả luận văn

Trần Đặng Lan Vân

</div><span class="text_page_counter">Trang 8</span><div class="page_container" data-page="8">

<b>MỤC LỤC </b>

CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU ... 1

1.1. Đặt vấn đề ... 1

1.2. Mục tiêu, nội dung nghiên cứu ... 3

1.2.1. Mục tiêu nghiên cứu ... 3

1.2.2. Nội dung nghiên cứu ... 3

1.3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ... 3

1.3.1. Đối tượng nghiên cứu: ... 3

1.3.2. Phạm vi nghiên cứu ... 3

1.4. Ý nghĩa của đề tài ... 3

CHƯƠNG 2. TỔNG QUAN ... 4

2.1. Giới thiệu về biochar ... 4

2.1.1. Khái niệm về biochar ... 4

2.3.1. Giới thiệu hấp phụ và vật liệu hấp phụ ... 12

2.3.2. Chất thải nơng nghiệp ... 13

2.4. Tình hình nghiên cứu trong và ngồi nước ... 14

2.4.1. Những nghiên cứu trên thế giới ... 14

2.4.2. Những nghiên cứu và ứng dụng của Việt Nam ... 18

CHƯƠNG 3: NỘI DUNG PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ... 20

3.1. Sơ đồ nội dung nghiên cứu ... 20

3.2. Hóa chất, thiết bị và dụng cụ nghiên cứu ... 20

</div><span class="text_page_counter">Trang 9</span><div class="page_container" data-page="9">

3.3.3. Phương pháp tính tốn và xử lý số liệu ... 23

3.3.4. Phương pháp xác định các đặc trưng của vật liệu ... 23

3.3. Phương pháp phân tích ... 24

3.3.1. Phân tích Nitrat ... 24

3.3.2. Phân tích Photphat ... 24

3.3.3. Phân tích Amoni ... 25

3.3.4. Tính hiệu suất hấp phụ và dung lượng hấp phụ ... 25

3.3.5. Mơ hình động học q trình hấp phụ và đẳng nhiệt hấp phụ ... 25

3.4. Nội dung nghiên cứu ... 26

3.4.1. Nội dung 1: Khảo sát hàm lượng Mg ảnh hưởng đến hiệu suất hấp phụ 26 3.4.2. Nội dung 2: Khảo sát các muối kim loại ảnh hưởng đến hiệu suất xử lý 27 3.4.3. Nội dung 3: Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất xử lý của biochar biến tính ... 27

3.4.4. Nội dung 4: Khảo sát hiệu suất xử lý của biochar biến tính trên NTSH . 28 CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ... 30

</div><span class="text_page_counter">Trang 10</span><div class="page_container" data-page="10">

4.4. Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng ... 35

4.4.1. Ảnh hưởng của nồng độ ban đầu ... 35

4.4.2. Ảnh hưởng lượng chất hấp phụ ... 38

4.4.3. Thay đổi pH và điểm khơng điện tích: ... 39

4.4.4. Ảnh hưởng của thời gian hấp phụ ... 41

4.4.5. Khả năng hấp phụ của MCRH trên hỗn hợp nước giả thải ... 43

4.5. Đánh giá khả năng hấp phụ của MCRH ... 44

4.5.1. Nghiên cứu đẳng nhiệt hấp phụ ... 44

4.5.2. Nghiên cứu động học hấp phụ ... 47

4.6. Khả năng hấp phụ của MCRH trên nước thải sinh hoạt ... 50

CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ... 52

5.1. Kết luận ... 52

5.2. Kiến nghị... 52

DANH MỤC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC ... 55

TÀI LIỆU THAM KHẢO ... 55

PHỤ LỤC ... 60

</div><span class="text_page_counter">Trang 11</span><div class="page_container" data-page="11">

<b>DANH MỤC BẢNG </b>

Bảng 2.1 Nồng độ các chất ô nhiễm trong NTSH chƣa xử lý ... 10

Bảng 2.2 Thành phần hữu cơ của vỏ trấu ... 14

Bảng 3.1 Thiết bị thực hiện nghiên cứu ... 21

Bảng 3.2 Dụng cụ thực hiện nghiên cứu ... 21

</div><span class="text_page_counter">Trang 12</span><div class="page_container" data-page="12">

<b>DANH MỤC HÌNH </b>

Hình 2.1 Vật liệu vỏ trấu ... 14

Hình 3.1 Sơ đồ nội dung nghiên cứu ... 20

Hình 3.2 Quy trình sản xuất biochar biến tính. ... 22

Hình 4.1 Kết quả SEM của biochar vỏ trấu (a) và MCRH (b) ... 30

Hình 4.2 Phổ tán xạ năng lượng tia X (EDS) của MCRH ... 31

Hình 4.3 Giản đồ XRD của MCRH ... 32

Hình 4.4 Khả năng hấp phụ RHB và MCRH (nồng độ ban đầu 50 mg/l (n = 3) ... 33

Hình 4.5 Khả năng hấp phụ MCRH theo các nồng độ khác nhau (n = 3) ... 34

Hình 4.6 Khả năng hấp phụ khi biến tính MCRH với các muối khác nhau (n = 3) . 35Hình 4.7 Khả năng hấp phụ amoni của MCRH ... 36

khi thay đổi nồng độ ban đầu (n = 3) ... 36

Hình 4.8 Khả năng hấp phụ photphat của MCRH khi thay đổi nồng độ ban đầu (n = 3) ... 37

Hình 4.9 Khả năng hấp phụ amoni của MCRH khi thay đổi lượng chất hấp phụ (n = 3) ... 38

Hình 4.10 Khả năng hấp phụ photphat của MCRH khi thay đổi lượng chất hấp phụ (n = 3)39Hình 4.11 Điểm khơng điện tích của MCRH ... 40

Hình 4.12 Hiệu suất hấp phụ khi thay đổi pH ... 40

Hình 4.13 Khả năng hấp phụ amoni của MCRH theo thời gian (n = 3) ... 41

Hình 4.14 Khả năng hấp phụ photphat của MCRH theo thời gian (n = 3) ... 42

Hình 4.15 a) Khả năng hấp phụ của MCRH trên nước giả thải 100 mg/l NH<small>4</small>⁺ và 70 mg/l PO₄^3-, b) Khả năng hấp phụ của MCRH trên nước giả thải 50 mg/l NH₄<small>+</small> và 50 mg/l PO₄^3- (n = 3) ... 43

Hình 4.16 Đồ thị thể hiện phương trình Langmuir ... 44

</div><span class="text_page_counter">Trang 13</span><div class="page_container" data-page="13">

Hình 4.17 Đồ thị thể hiện phương trình của Freundlich ... 45Hình 4.18 Đồ thị thể hiện phương trình Langmuir ... 46Hình 4.19 Đồ thị thể hiện phương trình của Freundlich ... 46Hình 4.20 a) Đồ thị của mơ hình động học biểu kiến bậc 1, b) Đồ thị của mô hình động học biểu kiến bậc 2, c) Đồ thị của mơ hình khuếch tán ... 48Hình 4.21 a) Đồ thị của mơ hình động học biểu kiến bậc 1, b) Đồ thị của mơ hình động học biểu kiến bậc 2, c) Đồ thị của mơ hình khuếch tán ... 50Hình 4.22 a) Khả năng hấp phụ của MCRH trên NTSH KTX khu A, b) Khả năng hấp phụ của MCRH trên NTSH KTX khu B (n = 5) ... 51

</div><span class="text_page_counter">Trang 14</span><div class="page_container" data-page="14">

<b>DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT </b>

MCRH

Magnesium chloride modified carbonized rice hull

Biochar từ vỏ trấu biến tính MgCl₂

X-ray spectroscopy ^{Phổ tán xạ năng lƣợng tia X}

Microscopy ^{Kính hiển vi điện tử quét}

</div><span class="text_page_counter">Trang 15</span><div class="page_container" data-page="15">

<b>CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU </b>

<b>1.1. Đặt vấn đề </b>

Xã hội ngày một văn minh, mức sống của con người nâng cao, lượng nước thải sinh hoạt thải ra môi trường ngày một tăng. Đặc trưng của nước thải sinh hoạt là chứa nhiều thành phần gây ô nhiễm: cặn bẩn, dầu mỡ, các chất hữu cơ khó phân huỷ sinh học, các loại vi sinh vật gây bệnh. Trong đó các chất dinh dưỡng như nitơ (N), photpho (P) là đối tượng gây ô nhiễm khá trầm trọng cho môi trường, làm ảnh hưởng đến sức khỏe con người và các quá trình xử lý khác trong trạm xử lý nước thải. Amonia, photphat là những nguyên tố dinh dưỡng đa lượng, nồng độ trong nước quá cao dẫn đến hiện tượng phú dưỡng hóa gây biến động liên tục điều kiện sống (pH, oxy hịa tan), gây khó khăn hô hấp và sinh tồn của thủy động vật, góp phần ô nhiễm môi trường nước (Viện khoa học Kỹ thuật Nông Lâm nghiệp Tây Nguyên, 2018). Nếu tận dụng được các chất dinh dưỡng trên từ nguồn nước thải sinh hoạt sẽ mang lại lợi ích kinh tế đồng thời bảo vệ mơi trường. Kiểm sốt được nồng độ N và P trong nước chính là kiểm sốt được các chất dinh dưỡng trong môi trường nước.

Việt Nam là một nước nông nghiệp, lượng phế phẩm dư thừa trong quá trình chế biến các sản phẩm nơng sản, thực phẩm rất lớn và đa dạng về chủng loại. Mặc dù có thể thu nguồn lợi lớn từ lượng phế phẩm nông nghiệp, nhưng do đời sống con người được nâng cao, những phế phẩm này thường bị bỏ lại ngay tại đồng ruộng sau khi thu hoạch, thậm chí đốt gây hậu quả nghiêm trọng tới mơi trường đất, môi trường nước, môi trường khơng khí, đe dọa ơ nhiễm môi trường đến những địa phương có thế mạnh về sản xuất nơng nghiệp và ảnh hưởng đến các vấn đề nhân sinh xã hội khác (Viện khoa học Kỹ thuật Nông Lâm nghiệp Miền Nam, 2015). Vấn đề đặt ra là phải tìm giải pháp để tận dụng tốt các phế phẩm nông nghiệp như một nguồn tài nguyên mới và bảo vệ môi trường, đảm bảo phát triển bền vững.

Trước những vấn đề trên, than sinh học (biochar) như là một giải pháp toàn diện và đang được nhiều nhà khoa học trên thế giới quan tâm và ví như là “vàng đen” cho ngành nơng nghiệp. Bổ sung biochar vào đất có thể làm thay đổi đặc tính lý hóa đất, tăng lượng dinh dưỡng trong đất và tăng khả năng phát triển nấm cộng

</div><span class="text_page_counter">Trang 16</span><div class="page_container" data-page="16">

sinh rễ cây (Ishii and Kadoya, 1994), là nơi trú ngụ, bảo vệ cho nấm và vi sinh vật trong đất (Warnock et al, 2007). Việc sử dụng biochar để bón vào đất canh tác đã và đang ngày càng được chú ý đến như là một cách để làm tăng nguồn chứa cacbon, giảm hiệu ứng nóng lên tồn cầu, cải thiện khả năng giữ nước, dinh dưỡng trong đất cũng như kiểm soát sự di động của nhiều chất gây ô nhiễm môi trường (Lehmann et al, 2006; Verheijen et al, 2009; Van Zwieten et al, 2010). Hơn nữa, việc bón biochar vào đất còn làm tăng hiệu quả sử dụng nước, tăng độ phì của đất và sản lượng cây trồng do làm giảm sự rửa trôi các chất dinh dưỡng và thậm chí cung cấp các chất dinh dưỡng cho cây (Glaser et al, 2002; Lehmann et al, 2003).

Biochar giải quyết được hầu hết các vấn đề môi trường cấp thiết như: tận dụng phế phẩm nông nghiệp, thu hồi dinh dưỡng từ nước thải sinh hoạt, chống ô nhiễm nguồn đất, tăng năng suất cây trồng, bảo vệ mơi trường khỏi hiệu ứng nhà kính, …

Việc tận dụng các chất thải từ nông nghiệp để tạo ra một loại vật liệu thân thiện mơi trường, chi phí sản xuất thấp lại có tiềm năng to lớn trong xử lý ô nhiễm chất dinh dưỡng trong nước thải là một hướng đi đáng xem xét. Chính vì những lý do trên, có thể thấy đề tài “Nghiên cứu ứng dụng than sinh học biến tính từ vỏ trấu để thu hồi dinh dưỡng từ nước thải” là cần thiết và có tính thực tế cao.

</div><span class="text_page_counter">Trang 17</span><div class="page_container" data-page="17">

<b>1.2. Mục tiêu, nội dung nghiên cứu 1.2.1. Mục tiêu nghiên cứu </b>

Đánh giá khả năng xử lý amoni, nitrat, photphat trong nước thải của biochar từ vỏ trấu biến tính MgCl₂.

<b>1.2.2. Nội dung nghiên cứu </b>

Nội dung 1: Khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng Mg lên hiệu quả xử lý của MCRH. Nội dung 2: Khảo sát các muối kim loại ảnh hưởng đến hiệu suất xử lý của biochar biến tính.

Nội dung 3: Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất xử lý của MCRH. Nội dung 4: Khảo sát hiệu suất xử lý của MCRH trên nước giả thải, nước thải thực.

<b>1.3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 1.3.1. Đối tượng nghiên cứu: </b>

- Than sinh học từ vỏ trấu và muối kim loại.

- Nước thải sinh hoạt: từ Kí túc xá khu A, khu B – ĐHQG – TP.HCM, nước giả thải.

<b>1.3.2. Phạm vi nghiên cứu </b>

Nghiên cứu được thực hiện với quy mơ tại phịng thí nghiệm phân tích và cơng nghệ mơi trường, phịng 809 nhà H2, Đại học Bách Khoa ĐHQG TP.HCM cơ sở 2, Dĩ An, Bình Dương.

Thời gian thực hiện: Từ 01/01/2020 đến 31/12/2020.

<b>1.4. Ý nghĩa của đề tài </b>

<i>Ý nghĩa khoa học: </i>

- Đề tài cung cấp dữ liệu về khả năng hấp phụ chất dinh dưỡng của than sinh học biến tính.

<i>Ý nghĩa thực tiễn: </i>

- Tận dụng hiệu quả lượng phế phẩm nông nghiệp.

- Thông qua việc nghiên cứu khả năng hấp phụ chất dinh dưỡng của than sinh học, đánh giá lợi ích của biochar, từ đó đưa ra kiến nghị về một loại biochar mới -

<b>biochar biến tính muối kim loại. </b>

</div><span class="text_page_counter">Trang 18</span><div class="page_container" data-page="18">

<b>CHƯƠNG 2. TỔNG QUAN </b>

<b>2.1. Giới thiệu về biochar </b>

<b>2.1.1. Khái niệm về biochar </b>

Theo tổ chức IBI (International Biochar Initiative - Sáng kiến Than sinh học Quốc tế) thì than sinh học (biochar) là chất rắn thu từ quá trình cacbon hóa sinh khối. Biochar có thể bổ sung vào đất với mục đích cải thiện các chức năng của đất và giảm sự phát thải các khí nhà kính. Chúng có ý nghĩa lớn trong việc cố định cacbon theo chu trình tuần hồn vật chất cacbon trong khí quyển (Obi el al, 2016).

Có thể hiểu biochar là một sản phẩm của các quá trình nhiệt phân vật liệu hữu cơ trong mơi trường yếm khí (thiếu oxy và áp suất lớn thì cacbon sinh khối khơng bị cháy hoàn toàn mà chuyển sang dạng giữa khoáng và hữu cơ), có hàm lượng cacbon cao và đặc tính xốp giúp đất giữ nước, dưỡng chất, có khả năng tồn tại bền vững trong môi trường đất và làm tăng lượng cacbon lưu giữ trong đất, bảo vệ vi khuẩn có lợi cho đất, có ảnh hưởng tích cực đến sản xuất của đất (Lê Phú Tuấn và cộng sự, 2016). Ngồi ra, biochar có đặc tính như một bể chứa cacbon tự nhiên, cơ lập và giữ khí CO₂ trong đất.

<b>2.1.2. Đặc tính của biochar </b>

- Tỷ lệ dinh dưỡng trong biochar

Hầu hết biochar được tạo ra trong khoảng nhiệt độ từ 450 ^oC – 550 ^oC, sẽ ảnh hưởng tới việc mất nitơ (N) và lưu huỳnh (S). Tuy nhiên, nếu sản xuất biochar từ một số ngun liệu giàu N thì có thể giữ được 50 %N và tất cả S nếu nhiệt phân ở 450 ^oC (Lehmann et al, 2009). Biochar khi được bổ sung vào đất mặc dù thường khơng có hàm lượng N dễ tiêu cao, nhưng có khả năng giữ lại các chất dinh dưỡng trong đất và hạn chế sự rửa trôi, dẫn đến tăng sự thu dinh dưỡng của cây trồng và năng suất cao hơn.

- Diện tích bề mặt riêng và vi lỗ trong biochar

Diện tích bề mặt riêng chịu ảnh hưởng bởi nguyên liệu sinh khối và điều kiện sản xuất, đây là một trong những cơ sở để biết sự tương tác giữa đất và biochar.

Diện tích bề mặt riêng và vi lỗ của biochar tăng theo nhiệt độ, cùng nguyên liệu nhưng nhiệt độ sản xuất khác nhau sẽ cho ra các loại biochar khác nhau.

</div><span class="text_page_counter">Trang 19</span><div class="page_container" data-page="19">

Biochar có bề mặt riêng phát triển và thường được đặc trưng bằng cấu trúc nhiều đường mao dẫn phân tán, tạo nên từ các lỗ với kích thước và hình dạng khác nhau. Thơng thường, chúng có lỗ xốp từ một nanomet đến vài nghìn nanomet. Các lỗ được chia thành 3 nhóm: lỗ nhỏ, lỗ trung và lỗ lớn. Lỗ nhỏ (micropores) chính là nhóm có năng lượng hấp phụ lớn nhất; có kích thước cỡ phân tử, bán kính hiệu dụng nhỏ hơn 2 nm, thể tích lỗ từ 0,15 – 0,7 cm³/g, diện tích bề mặt riêng chiếm 95 % tổng diện tích bề mặt của biochar. Sự hấp phụ trong các lỗ này xảy ra theo cơ chế lấp đầy thể tích lỗ và khơng xảy ra sự ngưng tụ mao quản. Lỗ trung (mesopore) hay còn gọi là lỗ vận chuyển, có bán kính hiệu dụng từ 2 nm đến 50 nm, thể tích của chúng thường từ 0,1 đến 0,2 cm<small>3</small>

/g. Lỗ lớn (macropore) khơng có nhiều ý nghĩa trong quá trình hấp phụ của than sinh học bởi vì chúng có diện tích bề mặt rất nhỏ (< 0,5 m²/g). Chúng có bán kính hiệu dụng lớn hơn 50 nm và thường trong khoảng 500 - 2000 nm với thể tích lỗ từ 0,2 – 0,4 cm³/g. Nhóm lỗ xốp này hoạt động như một kênh cho chất bị hấp phụ vào trong lỗ nhỏ và lỗ trung (Lehmann et al, 2009).

Theo thời gian, khả năng hấp phụ của biochar sẽ giảm do các lỗ rỗng của nó bị bít kín.

- Cấu trúc xốp của bề mặt biochar

Với sự sắp xếp ngẫu nhiên của các vi tinh thể và với liên kết ngang bền giữa chúng, làm cho biochar có một cấu trúc lỗ xốp khá phát triển. Các lỗ rỗng trên bề mặt biochar có cường độ sắp xếp lớn, thực sự mang lại giá trị quan trọng lớn hơn so với sinh khối không bị cháy (Warnock et al, 2007). Cấu trúc lỗ và sự phân bố cấu trúc lỗ của chúng được quyết định chủ yếu từ bản chất nguyên liệu ban đầu và phương pháp than hóa.

Cấu trúc xốp của biochar có tác dụng to lớn trong nơng nghiệp. Nó có thể chứa một lượng nước lớn, khi bón trên đất cát giúp nâng cao năng lực giữ nước của đất, cải thiện đáng kể độ ẩm đất. Đồng thời nó cũng có khả năng giữ khí rất tốt, khi bón cho đất sét, nó có ảnh hưởng đáng kể đến độ xốp thống và khả năng trao đổi khí của loại đất này. Cấu trúc xốp của biochar là nơi hấp phụ hữu cơ, là nơi trú ngụ và nhân sinh khối của các vi sinh vật hữu ích trong đất.

- Nhóm cacbon - oxy trên bề mặt biochar

</div><span class="text_page_counter">Trang 20</span><div class="page_container" data-page="20">

Là những nhóm quan trọng nhất ảnh hưởng đến đặc trưng bề mặt (tính ưa nước, độ phân cực, tính acid, …), đặc điểm hóa lý (khả năng xúc tác, dẫn điện, ...) và khả năng phản ứng của các vật liệu này.

Dạng nhóm cacbon - oxy bề mặt (acid, bazơ, trung hịa) đã được xác định, các nhóm axit bề mặt rất đặc trưng và được tạo thành khi than được xử lý với oxy ở nhiệt độ trên 400 ^oC. Các nhóm chức axit bề mặt này làm cho bề mặt than ưa nước và phân cực, các nhóm này là caboxylic, lacton, phenol (Loan và cộng sự, 2016).

Tác dụng của nhóm cacbon - oxy trên bề mặt của biochar trong nông nghiệp rất phong phú, trong đó quan trọng nhất là cải thiện khả năng hấp phụ, lưu trữ và trao đổi khoáng làm tăng tính đệm, độ phì hiệu dụng của đất, tăng hệ số sử dụng và hiệu quả của phân bón.

- Khả năng trao đổi cation (CEC)

Biochar sản xuất ở nhiệt độ thấp có khả năng trao đổi cation cao, trong khi biochar sản xuất ở nhiệt độ cao (> 600 ^oC) thì khả năng trao đổi cation rất ít hoặc khơng có. Do đó biochar bón cho đất khơng nên sản xuất ở nhiệt độ cao.

Biochar có khả năng trao đổi cation có khả năng hấp thụ kim loại nặng và các hóa chất nơng nghiệp như thuốc trừ sâu và thuốc diệt cỏ.

Biochar mới sản xuất có ít khả năng trao đổi cation hơn vì tuổi của biochar hay quá trình bón trong đất làm tăng khả năng trao đổi cation.

Các yếu tố chính quyết định đến đặc tính của biochar là: thành phần vật liệu ban đầu, các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình nhiệt phân (nhiệt độ, khí, chất xúc tác), cách thức và điều kiện sử dụng. Chính sự khác nhau về đặc tính của biochar mà hiệu quả dùng làm phân bón, giá trị mang lại khác nhau.

<i>Tính chất vật lý: biochar bao gồm 4 phần chính: cacbon bền, cacbon không </i>

bền, các thành phần bay hơi khác, phần tro khoáng và độ ẩm. Thành phần phụ thuộc vào nguồn gốc sinh khối, các điều kiện nhiệt phân, nhiệt độ, tốc độ lên nhiệt, áp suất, các điều kiện trước và sau xử lý. Tính chất vật lý của biochar phụ thuộc chủ yếu vào vật liệu ban đầu và các điều kiện nhiệt phân (Downie et al, 2009).

</div><span class="text_page_counter">Trang 21</span><div class="page_container" data-page="21">

<i>Tính chất hố học: trong biochar có sự kết hợp chặt chẽ giữa các nguyên tố </i>

như: H, N, O, P, S trong các vòng thơm và chính điều này đã gây nên ái lực điện tử của than, ảnh hưởng đến khả năng trao đổi cation. Điện tích bề mặt của than quyết định bản chất của sự tương tác giữa biochar với các hạt đất, chất hữu cơ hịa tan, khí, vi sinh vật và nước trong đất.

<i>Đặc tính cải thiện sinh học: biochar làm thay đổi môi trường vật lý và hóa học </i>

của đất, ảnh hưởng tới các tính chất cũng như sự tồn tại, phát triển của sinh vật đất.

<i>Đặc tính lưu trữ dinh dưỡng: giá trị dinh dưỡng gián tiếp có được là do khả </i>

năng giữ lại các chất dinh dưỡng trong đất và hạn chế sự rửa trôi, dẫn đến tăng sự hút thu dinh dưỡng của cây trồng và năng suất vụ mùa cao hơn (Viện khoa học Kỹ thuật Nông Lâm nghiệp Tây Ngun, 2018).

Vì những đặc tính quan trọng đó mà gần đây biochar đang được quan tâm nghiên cứu để ứng dụng trong các phân bón thế hệ mới, nhất là trong phân hữu cơ vi sinh.

<b>2.1.3. Vai trò của biochar </b>

Biochar trong sử dụng làm phân hữu cơ có những yếu tố quan trọng đối với đất như sau: cung cấp các nguyên tố có lợi cho quá trình phát triển và trưởng thành của cây, cải thiện tính chất vật lý, hóa học của đất, tạo điều kiện thuận lợi kích thích cho vi sinh vật có lợi phát triển. Ngoài việc cung cấp các chất dinh dưỡng cần thiết, trong biochar có các axit humic chứa các hóc mơn có khả năng tăng trưởng cây trồng (Lehmann et al, 2009), có khả năng hấp thu các amoni từ dung dịch đất, giúp làm giảm lượng đạm bị mất do thấm xuống đất, có khả năng làm giảm sự bay hơi amoniac, nâng cao chất lượng đất từ 80 % đến 220 % (Lehmann et al, 2009), tăng khả năng hấp thụ chất dinh dưỡng của cây và chống xói mịn cho đất, đặc biệt là đất ở những địa hình khơng ổn định (Lehmann et al, 2009).

Ngồi ra, vai trị của biochar trong việc xử lý nước thải rất đáng quan tâm. Có thể kể đến như việc sử dụng biochar để loại bỏ nitrat, amoni hay photphat có trong nước thải. Hay đối với mơi trường khơng khí, biochar giúp khử mùi và khử trùng tại các trại chăn nuôi bằng việc sử dụng biochar kết hợp với chế phẩm vi sinh để làm lớp thảm sinh học cho các trại chăn ni gia cầm, biochar cũng có khả năng hấp thu

</div><span class="text_page_counter">Trang 22</span><div class="page_container" data-page="22">

CO₂ từ sự hô hấp của cây để lưu giữ tạo ra các dạng năng lượng, đặc tính này của biochar là một hướng đi trong cuộc cách mạng bảo vệ môi trường, giảm thiểu hiệu ứng nhà kính.

<b>2.1.4. Sản xuất biochar </b>

Than sinh học (biochar) được sản xuất từ bất kỳ vật liệu thực vật nào (ví dụ như cành cây, vỏ trấu, rơm) có hàm lượng cacbon cao. Nó được tạo ra bởi q trình nhiệt phân sinh khối hay các chất hữu cơ trong môi trường yếm khí – nghĩa là được đốt trong buồng chứa có lượng oxy hạn chế ở nhiệt độ < 700 <small>o</small>C. Tiến trình này giống như tiến trình sản xuất than củi (charcoal), nhưng điểm khác biệt là biochar được sản xuất với mục đích để bón vào đất. Than củi có thể được tạo thành do quá trình nhiệt phân hoặc do lửa cháy trong điều kiện tự nhiên. Quá trình nhiệt phân vật liệu hữu cơ để sản xuất biochar có thể tạo ra nguồn năng lượng mới ở dạng nhiệt và khí gas. Việc sản xuất biochar có thể thực hiện bằng cách ủ trong các đống đất theo kiểu truyền thống, hoặc hiệu quả hơn trong các thùng kim loại hoặc trong các hệ thống nhiệt phân được thiết kế đặc biệt. Khi bị đốt nóng, các chất khơ của cây bắt đầu tạo ra khí tổng hợp dễ cháy (hỗn hợp hydro và carbon monoxide), có thể vận chuyển được nhằm duy trì lượng nhiệt cần thiết để làm giảm tối đa diện tích bề mặt sản phẩm cuối cùng. Vì biochar được xem là dạng carbon bền khi bón vào đất nên có khả năng lưu trữ carbon trong đất và biochar có khả năng giữ chất dinh dưỡng tốt hơn các dạng chất hữu cơ khác, khả năng làm giảm rửa trơi các chất ơ nhiễm. Do đó, việc sử dụng biochar bón vào đất ngày càng được quan tâm (Lehmann et al, 2009).

<b>2.2. Nước thải sinh hoạt </b>

Với sự đa dạng của các nguồn phát sinh nước thải, lưu lượng xả thải ngày càng nhiều đang đặt ra những thách thức to lớn cho cơng tác quản lý nước thải. Trong đó, nước thải sinh hoạt là một trong những loại nước thải có lưu lượng lớn tại Việt Nam hiện nay ở cả khu vực đô thị và nông thôn. Khác với các loại nước thải khác, nước thải sinh hoạt có những đặc trưng như chứa nhiều chất dinh dưỡng, hàm lượng chất rắn lơ lửng, BOD₅ và các hợp chất hữu cơ chứa nitơ rất cao, có nhiều Coliforms và các vi khuẩn (Lâm Minh Triết và cộng sự, 2008) nên phương pháp xử lý hầu hết là

</div><span class="text_page_counter">Trang 23</span><div class="page_container" data-page="23">

phương pháp sinh học. Tuy nhiên, sau khi xử lý bằng phương pháp này các chất hữu cơ hoà tan chưa được xử lý triệt để.

Góp phần giải quyết vấn đề trên thì đề tài nghiên cứu là dùng vật liệu hấp phụ từ phế phẩm nông nghiệp, chọn nước thải sinh hoạt làm đối tượng để xử lý là hoàn toàn phù hợp.

<b>2.2.1. Định nghĩa </b>

Nước thải sinh hoạt là nước được thải bỏ sau khi sử dụng cho các mục đích sinh hoạt của cộng đồng: tắm, giặt giũ, tẩy rửa, vệ sinh cá nhân. Nước thải sinh hoạt bao gồm nước thải đen và nước thải xám. Cả hai loại nước thải nêu trên đều có chứa các mầm bệnh gây nguy hại cho sức khỏe con người, đặc biệt là nước thải đen vì nó chứa nhiều nhất lượng nitơ và photpho, là mơi trường cực kì thuận lợi cho vi sinh vật, vi khuẩn gây hại phát triển. Ở những khu dân cư đông đúc, điều kiện vệ sinh thấp kém, nước thải sinh hoạt khơng được xử lý thích đáng là một trong những nguồn gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng. Đặc điểm quan trọng của nước thải sinh hoạt là thành phần của chúng tương đối ổn định (Lâm Minh Triết và cộng sự, 2008).

Thành phần chủ yếu trong nước thải sinh hoạt bao gồm các chất hữu cơ, cặn lơ lửng và vi sinh vật. Nếu không được xử lý mà xả thải trực tiếp ra môi trường sẽ gây ra tình trạng phú dưỡng ở các thủy vực nước tĩnh, gây ô nhiễm mùi rất lớn đối với các khu vực đông dân cư. Nước thải sinh hoạt bị ô nhiễm được đặc trưng bởi hàm lượng chất hữu cơ lớn, bên cạnh đó là các chất dinh dưỡng khác như nitơ, photpho và vi sinh vật.

Thành phần của nước thải sinh hoạt gồm hai loại:

• Nước thải nhiễm bẩn do bài tiết của con người từ các phịng vệ sinh.

• Nước thải nhiễm bẩn do các chất thải sinh hoạt như cặn bã từ nhà bếp, thức ăn thừa, các chất rửa trôi, các chất hoạt động bề mặt.

Nước thải sinh hoạt chứa nhiều chất hữu cơ dễ bị phân hủy sinh học, ngoài ra cịn có các thành phần vơ cơ, vi sinh vật và vi trùng gây bệnh rất nguy hiểm. Chất hữu cơ chứa trong nước thải bao gồm các hợp chất như protein, carbon hydrate và các chất hữu cơ khó phân hủy sinh học. Ở những khu dân cư đông đúc, điều kiện vệ sinh kém, nước thải không được xử lý thích đáng là một trong những nguồn gây ô

</div><span class="text_page_counter">Trang 24</span><div class="page_container" data-page="24">

nhiễm môi trường nghiêm trọng. Tính chất đặc trưng của nước thải sinh hoạt được trình bày cụ thể trong bảng 2.1.

<b>Bảng 2.1 Nồng độ các chất ô nhiễm trong NTSH chưa xử lý </b>

<b>Nhẹ Trung bình Nặng </b>

Tổng chất rắn hịa tan - Cố định (Fixed) - Bay hơi

- Amoni tự do - Nitrit

Nguồn: Xử lý nước thải đô thị và cơng nghiệp – Tính tốn thiết kế cơng trình, Lâm Minh Triết, 2008.

</div><span class="text_page_counter">Trang 25</span><div class="page_container" data-page="25">

Nước thải sinh hoạt chứa BOD₅, COD, nitơ, photpho chiếm tỷ lệ lớn gây nên hiện tượng phú dưỡng ảnh hưởng tiêu cực đến các hệ sinh thái nước, hồ, tăng mức độ ơ nhiễm khơng khí, ảnh hưởng đến sinh hoạt của các khu dân cư, dân phố, … Do đó, cần có phương pháp xử lý phù hợp để nồng độ nằm trong mức cho phép theo Quy chuẩn kỹ thuật Quốc gia về nước thải sinh hoạt QCVN 14:2008/BTNMT.

<b>2.2.2. Photpho và nitơ trong nước thải sinh hoạt </b>

Trong nước thải, các hợp chất của nitơ tồn tại dưới 3 dạng: các hợp chất hữu cơ, amoni và các hợp chất dạng oxy hoá (nitrit và nitrat). Trong nước thải sinh hoạt, nitơ tồn tại dưới dạng vô cơ (65 %) và hữu cơ (35 %). Nguồn nitơ chủ yếu là từ nước tiểu. Mỗi người trong một ngày xả vào hệ thống thoát nước 1,2 lít nước tiểu, tương đương với 12 g nitơ tổng số. Trong số đó nitơ trong urê (N-CO(NH₂)₂) là 0,7 g, còn lại là các loại nitơ khác (Lê Văn Cát, 2007). Amoni thực ra không quá độc với cơ thể con người, nhưng khi ra môi trường nếu hàm lượng amoni vẫn cịn cao thì các vi sinh vật trong nước nhờ oxi khơng khí chuyển amoni thành cách nitrit, nitrat, tích tụ trong nước mặt. Các hợp chất chứa nitơ trong nước có thể gây nên một số bệnh nguy hiểm cho cơ thể người sử dụng nước. Trong khi đó, sự có mặt của nitrat thông thường không gây ảnh hưởng đến sức khỏe, tuy nhiên nếu nồng độ của nitrat trong nước quá lớn hoặc nitrat bị chuyển hóa thành nitrit sẽ gây ảnh hưởng có hại đến sức khỏe.

Cịn với photpho, thành phần này xâm nhập vào nước từ nước thải đơ thị, phân hố học, cuốn trơi từ đất, nước mưa hoặc photpho trầm tích hồ tan trở lại. Photpho trong nước thường tồn tại dưới dạng orthophotphat (PO₄<small>3-</small>, HPO₄^2-, H₂PO₄^-, H₃PO₄) hay polyphotphat (Na₃(PO₃)₆) và photpho hữu cơ. Tất cả các dạng polyphotphat như pyrometaphotphat Na₂(PO₄)₆, tripolyphotphat Na₅P₃O₁₀, pyrophotphat Na₄P₂O₇ đều chuyển hoá về dạng orthophotphat trong môi trường nước (Lê Văn Cát, 2007). Hợp chất photpho tự nhiên khơng độc hại, chỉ có một số loại tổng hợp este trung tính của axit photphoric dùng làm hố chất bảo vệ thực vật là có độc tính cao. Trong nước bị ơ nhiễm, hàm lượng photpho (tính theo photphat) không lớn, khoảng 0,1 mg/l, chủ yếu ở dạng orthophotphat. Photpho là nguyên nhân chính gây ra hiện tượng phú

</div><span class="text_page_counter">Trang 26</span><div class="page_container" data-page="26">

dưỡng hóa ở một số nguồn nước mặt, gây ra hiện tượng tái nhiễm bẩn và nước có màu, mùi khó chịu.

Nguồn nước sinh hoạt đang bị ô nhiễm nặng, phần lớn là do cách xả thải và xử lý nước thải khơng đúng cách. Vì vậy cần giải quyết vấn đề này để đảm bảo môi trường, cũng như đảm bảo sức khỏe con người. Để nắm được phương pháp xử lý nước thải sinh hoạt tốt nhất cần đi phân tích về đặc điểm và phân loại nước thải sinh hoạt.

<b>2.3. Vật liệu hấp phụ </b>

<b>2.3.1. Giới thiệu hấp phụ và vật liệu hấp phụ </b>

- Hấp phụ trong xử lý nước thải:

Hấp phụ là quá trình xảy ra khi một chất khí hoặc lỏng bám trên bề mặt vật liệu xốp nhờ các lực bề mặt. Các vật liệu xốp được gọi là chất hấp phụ (adsorbent), chất khí hoặc một chất tan nào đó trong dung dịch được gọi là chất bị hấp phụ (adsorbate) và những khí khơng bị hấp phụ gọi là khí trơ (Hiệp hội hấp phụ Thế giới).

Phương pháp này được dùng rộng rãi để làm sạch triệt để nước thải khỏi các chất hữu cơ hoà tan sau khi xử lý sinh học cũng như xử lý cục bộ khi trong nước thải có chứa một hàm lượng rất nhỏ các chất đó. Những chất này khó phân hủy bằng con đường sinh học và thường có độc tính cao. Nếu việc hấp phụ diễn ra tốt và chi phí lượng chất hấp phụ khơng lớn thì việc áp dụng phương pháp này là hợp lý hơn cả.

Người ta thường dùng than hoạt tính, các chất tổng hợp hoặc một số chất thải của sản xuất như xỉ tro, xỉ, mạt sắt và các chất hấp phụ bằng khoáng sản như đất sét, silicagen, … để loại bỏ những chất ô nhiễm như: chất hoạt động bề mặt, chất màu

<i>tổng hợp, dung môi clo hoá, dẫn xuất phenol và hydroxyl, … </i>

- Vật liệu hấp phụ:

Hiện nay có rất nhiều vật liệu hấp phụ như: than hoạt tính, silicagen, các polime hoạt tính, các zeolite, đất sét hoạt tính, nhôm oxit (Lê Văn Cát, 2007); … Ngoài cấu trúc xốp, mỗi loại có những đặc tính riêng, tuy nhiên các vật liệu đó cần phải đảm bảo các đặc tính sau:

</div><span class="text_page_counter">Trang 27</span><div class="page_container" data-page="27">

- Có khả năng hấp phụ cao;

- Hấp phụ được nhiều hợp chất khác nhau; - Có độ bền cơ học khác nhau;

- Có khả năng hoàn nguyên dễ dàng; - Giá thành rẻ.

Những yêu cầu trên chứng tỏ chất hấp phụ không những phải có bề mặt riêng lớn mà cịn có một số tính chất khác về cấu trúc.

Trên thế giới, số lượng nghiên cứu sử dụng biochar và phế phẩm nơng nghiệp làm vật liệu hấp phụ cịn tương đối ít. Vì vậy, nghiên cứu này chọn biochar và phế phẩm nông nghiệp để chế tạo vật liệu hấp phụ dinh dưỡng trong nước thải là cần thiết. Những định nghĩa, đặc tính và ứng dụng của nó sẽ được đề cập ở phần tiếp theo.

<b>2.3.2. Chất thải nông nghiệp </b>

Chất thải nông nghiệp được định nghĩa là sản phẩm thừa từ việc trồng và chế biến các sản phẩm nông nghiệp thô như trái cây, rau, thịt, gia cầm, các sản phẩm từ sữa và cây trồng. Chúng là những sản phẩm từ sản xuất và chế biến nông sản chứa nguyên liệu có thể mang lại lợi ích cho con người (Obi et al, 2016). Chất thải rắn nông nghiệp tạo ra từ các hoạt động sản xuất nông nghiệp như chăn nuôi, trồng trọt; đánh bắt, ni trồng thuỷ, hải sản. Trong đó, có các sản phẩm thừa như trấu, cùi bắp, xơ dừa, bã mía, vỏ cà phê.

- Giới thiệu vỏ trấu

Trấu là lớp vỏ ngoài cùng của hạt lúa và được tách ra trong quá trình xay xát. Vỏ trấu có thể được ứng dụng rất đa dạng trong đời sống của con người Việt Nam như: sử dụng vỏ trấu làm chất đốt, để lọc nước, tạo thành củi trấu, sản phẩm mỹ nghệ, … Vỏ trấu có ưu thế rất lớn về nguồn nguyên liệu và giá thành nên việc nghiên cứu sử dụng trấu vào sản xuất luôn mang lại hiệu quả kinh tế cao và tiết kiệm chi phí.

</div><span class="text_page_counter">Trang 28</span><div class="page_container" data-page="28">

<i><b>Hình 2.1 Vật liệu vỏ trấu </b></i>

Vật liệu vỏ trấu là một chất hữu cơ chứa chủ yếu cellulose, lignin và hemi - cellulose, ngoài ra có thêm thành phần khác như hợp chất nitơ và vô cơ. Lignin chiếm khoảng 25 - 30 % và cellulose chiếm khoảng 35 - 40 %. Trong các cellulose có sẵn các nhóm chức hydroxyl (-OH), hemi - celluloses và cấu trúc lignin được coi như những nhóm chức tiềm năng cho việc sử dụng vỏ trấu làm một vật liệu hấp phụ.

<b>Bảng 2.2 Thành phần hữu cơ của vỏ trấu Thành phần hữu cơ Tỷ lệ theo khối lượng (%) </b>

<b>2.4. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước 2.4.1. Những nghiên cứu trên thế giới </b>

Các nghiên cứu về biochar trên thế giới đã được tiến hành cách đây khá lâu và từ năm 2007 bắt đầu có những bài báo công bố về loại than này. Khái niệm về biochar ngày càng được chú ý trên cả trường chính trị và học thuật, với một số nước (ví dụ: Anh, New Zealand, Mỹ) thiết lập các “Trung tâm nghiên cứu biochar”.

Khả năng hấp phụ của biochar phụ thuộc vào các điều kiện của quá trình sản xuất. Sự gia tăng nhiệt độ nhiệt phân dẫn đến sự gia tăng hàm lượng carbon, diện tích bề mặt và độ xốp của biochar và giảm số lượng các nhóm chức oxy trên bề mặt

</div><span class="text_page_counter">Trang 29</span><div class="page_container" data-page="29">

than. Chu et al (2010) cũng báo cáo rằng khả năng hấp phụ benzen và nitrobenzene của than tăng lên khi nhiệt độ nhiệt phân tăng. Sun et al (2011) sản xuất biochar bằng cách nhiệt phân cỏ và gỗ ở 200 - 600 <small>o</small>C và áp dụng chúng cho sự hấp phụ của fluridone và norflurazon. Trong các thí nghiệm của họ, khả năng hấp phụ của biochar tăng lên khi tăng nhiệt độ nhiệt phân (dưới 400 ^oC); nếu nhiệt độ nhiệt phân trên 400 ^oC làm giảm khả năng hấp phụ. Ahmad et al (2012) báo cáo rằng sự gia tăng nhiệt độ nhiệt phân dẫn đến sự gia tăng diện tích bề mặt, độ xốp vi mô và hàm lượng C, dẫn đến tăng hiệu quả loại bỏ trichloroethylen. Mặt khác, Ding et al (2014) báo cáo sự gia tăng nhiệt độ nhiệt phân làm giảm hấp phụ Pb.

Độ pH của dung dịch là một thông số quan trọng khác ảnh hưởng đến quá trình hấp phụ. Xu et al (2011) cũng báo cáo rằng khả năng hấp phụ metyl tím của các loại biochar được sản xuất từ tàn dư cây trồng đã tăng lên một mức độ lớn khi pH dung dịch được tăng từ 7,7 lên 8,7. Họ cho rằng sự gia tăng pH đã tăng cường sự phân ly của các nhóm OH phenolic trên bề mặt than sinh học, từ đó làm tăng lực hút tĩnh điện giữa chất hấp phụ và chất bị hấp phụ. Tân và cộng sự (2015) đã sử dụng biochar được sản xuất từ bùn thải đô thị để hấp phụ Cd. Khả năng hấp phụ Cd là 20 mg/g khi pH dung dịch là 2 hoặc thấp hơn, trong khi đó là 40 mg/g khi pH từ 3 trở lên.

Biochar có thể loại bỏ chất hữu cơ - một chất gây ô nhiễm nước nghiên trọng, ảnh hưởng trực tiếp đến môi trường và con người. Nhiều nghiên cứu đã áp dụng để biochar hấp phụ tetracycline (TC), được sử dụng làm kháng sinh cho động vật và thực vật. Liu et al (2012) biochar thô với axit và kiềm và sử dụng nó để hấp phụ tetracycline. Than hoạt tính kiềm có diện tích bề mặt riêng lớn hơn và có khả năng hấp phụ lớn hơn (58,8 mg/g) so với than hoạt tính axit. Họ cho rằng diện tích bề mặt và các nhóm chức O là các yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến sự hấp phụ của TC, trong khi đó ảnh hưởng của pH dung dịch lên sự hấp phụ TC là không lớn. Zhu et al (2014) biochar nhiệt phân trong phạm vi nhiệt độ 300 ~ 700 ^oC bằng cách bơm khí N₂. Họ báo cáo rằng độ pH, hàm lượng tro, diện tích bề mặt, thể tích lỗ rỗng tăng lên khi tăng nhiệt độ. Nhiệt độ nhiệt phân cao dẫn đến khả năng hấp phụ TC lớn. Các tác giả kết luận rằng sự hấp phụ chất hữu cơ trên biochar có mối tương

</div><span class="text_page_counter">Trang 30</span><div class="page_container" data-page="30">

quan chặt chẽ với chỉ số thơm (H/C), chỉ số phân cực (O/C và (O + N)/C) và độ xốp (diện tích bề mặt cụ thể, tổng thể tích lỗ rỗng và khối lượng micropore). Sun et al (2015) sản xuất biochar từ bạch đàn và kích hoạt nó bằng axit citric, axit tartaric và axit axetic. Khi biochar từ bạch đàn sử dụng để loại bỏ nước xanh methylen (MB), biochar axit citric (BC - CA), khả năng hấp phụ lớn nhất mặc dù có diện tích bề mặt riêng thấp nhất. BC - CA chứa lượng nhóm carboxyl (COOH) lớn nhất, lượng nhóm chức oxy là một yếu tố quan trọng khác để hấp phụ các chất ô nhiễm hữu cơ (Jin Sun Chaa et al, 2016).

Kim loại nặng là chất gây ơ nhiễm nước nghiêm trọng có ảnh hưởng xấu đến quá trình trao đổi chất của con người, động vật và thực vật Lee et al (2009). Một loạt biochar đã được áp dụng để loại bỏ kim loại nặng, Xu et al (2013) đã sử dụng trấu và phân để sản xuất biochar để loại bỏ Pb, Cu, Zn và Cd khỏi dung dịch nước. Biochar từ phân có hiệu quả loại bỏ kim loại cao hơn so với biochar từ trấu cho cả 4 kim loại nặng được kiểm tra. Nghiên cứu của họ chỉ ra rằng các nhóm chức oxy và các hợp chất khống, như CO₃<small>2-</small> và PO₄^3-, đóng vai trị quan trọng trong việc hấp thụ kim loại nặng trên biochar. Kim et al (2013) đã tạo ra biochar từ miscanthus trong khoảng nhiệt độ 300 ~ 600 <small>o</small>C với khoảng 100 <small>o</small>C. Đặc biệt, khi nhiệt độ nhiệt phân cao hơn 500 <small>o</small>C, độ pH và diện tích bề mặt riêng của biochar tăng đáng kể và khả năng hấp phụ Cd cũng tăng. Dựa trên các kết quả thu được, các tác giả cho rằng các cơ chế chính để loại bỏ Cd nước là sự hấp phụ do diện tích bề mặt riêng của than và độ pH cao.

Những tổng hợp về phân tích hiệu quả từ ứng dụng biochar vào đất của Verheijen và nnk (2009), sự gia tăng của năng suất mùa vụ: trung bình tăng 12 % năng suất cây trồng/năm. Những lý do chính được đưa ra là do tăng khả năng giữ phân bón, giữ nước, tăng trao đổi cation và giảm độ chặt đất. Thêm vào đó, lợi ích môi trường từ việc ứng dụng biochar vào đất bao gồm giảm sự mất nitơ vào nước và không khí, và giảm nhu cầu phân bón. Biochar có tác dụng làm giảm sự rửa trôi đạm thông qua nhiều cơ chế. Theo kết quả nghiên cứu của Lehmann et al. (2003), đất bón phân và biochar, kết quả đất có bón biochar thì hàm lượng NH₄<small>+</small>

rửa trơi là 15 kg NH₄⁺/ha và trên đất khơng bón biochar là 55 kg NH₄⁺/ha (Lehmann, 2007).

</div><span class="text_page_counter">Trang 31</span><div class="page_container" data-page="31">

Theo Clough and Condron, (2010), việc bón biochar có khả năng ảnh hưởng đến chu trình nitơ do ảnh hưởng đến tiến trình nitrat hóa, tăng sự hấp phụ đạm NH<small>3</small>, và dạng NH₄<small>+</small> trong đất. Nghiên cứu của Singh et al, (2010) về khả năng giảm rửa trơi đạm khi bón biochar, kết quả biochar từ gỗ và phân gà làm giảm rửa trôi đạm (N) từ 55 % đến 93 % trên đất Alfisol và Vertisol. Tác giả đã giải thích hiệu quả của biochar là do khả năng hấp phụ gia tăng do phản ứng oxi hóa trên bề mặt biochar. Nghiên cứu của Hyland et al, (2010) sự rửa trôi NH<small>4</small>⁺ giảm nhẹ ở các nghiệm thức bón 2 % và 7 % biochar từ phế phẩm giấy và gỗ, nhưng tăng ở nghiệm thức bón 7 % biochar từ phân gà và mạt cưa ở nhiệt độ nhiệt phân 600 <small>o</small>C. Vì vậy, theo tác giả thì hàm lượng, loại biochar và nhiệt độ nhiệt phân có ảnh hưởng đến hiệu quả của biochar trong giảm sự mất đạm do rửa trơi, cần nghiên cứu tác dụng này khi bón biochar qua nhiều vụ canh tác.

Một số nghiên cứu về lợi ích khi sử dụng biochar: bổ sung biochar vào đất có thể làm thay đổi đặc tính lý hóa của đất, tăng lượng dinh dưỡng trong đất và tăng khả năng phát triển nấm cộng sinh rễ cây (Ishii and Kadoya, 1994). Hơn nữa, việc bón biochar vào đất còn làm tăng hiệu quả sử dụng nước, tăng độ phì của đất và sản lượng cây trồng do làm giảm sự rửa trôi các chất dinh dưỡng và thậm chí cung cấp các chất dinh dưỡng cho cây (Glaser et al, 2002; Lehmann et al, 2003), là nơi trú ngụ, bảo vệ cho nấm và vi sinh vật trong đất (Warnock et al, 2007). Lehmann đã trình bày ở Hội hóa học Mỹ rằng sử dụng biochar cộng với phân hóa học đã làm tăng trưởng lúa mỳ mùa đông và rau quả lên 25 – 50 % so với bón một mình phân hóa học. N. Sai Bhaskar Reddy (2008) nghiên cứu ở đậu tương cũng nhận xét rằng khi bón thêm biochar vào đất nền, tỷ lệ nảy mầm cao, hệ rễ phát triển mạnh, quang hợp tăng, hoạt động của vi khuẩn cộng sinh cố định nitơ mạnh mẽ hơn so với đối chứng (trên đất nền). Tại Mỹ đã có nghiên cứu của Elmer, Wade, Jason C. White, và Joseph J. Pignatello, Đại học tổng hợp Connecticut (2009) khi cho thêm biochar vào đất sẽ có được giá trị sinh học đặc biệt quan trọng bởi nó sẽ hấp thụ các chất ô nhiễm như kim loại, đặc biệt là kim loại nặng và thuốc trừ sâu ngấm vào đất nên không gây ô nhiễm các nguồn cung cấp thực phẩm. Biochar có thể được thiết kế để phù hợp với tính chất riêng biệt của đất. Cho thêm biochar ở mức 10 % đất sẽ giảm

</div><span class="text_page_counter">Trang 32</span><div class="page_container" data-page="32">

được tới 80 % mức độ gây ô nhiễm thuốc trừ sâu độc hại như chlordane, DDX trong các cây trồng.

Biochar được nghiên cứu và ứng dụng ngày càng nhiều trong nông nghiệp vì khả năng lưu trữ carbon bền trong đất, khả năng cải thiện độ phì nhiêu đất, giảm sự rửa trôi đạm và giảm rửa trôi các chất ô nhiễm ra mơi trường bên ngồi.

<b>2.4.2. Những nghiên cứu và ứng dụng của Việt Nam </b>

Biochar vẫn còn là một “từ” mới ở Việt Nam, các cơng trình nghiên cứu về biochar cịn ở mức khởi đầu, quy mơ nhỏ hẹp và chưa có những ứng dụng rộng rãi trong thực tế. Việc sử dụng biochar ở nước ta cho cây trồng chỉ mới bắt đầu được quan tâm nghiên cứu trong thời gian gần đây.

Một số công trình nghiên cứu, dự án tiêu biểu về biochar đã công bố ở Việt Nam như: Viện Môi trường Nông nghiệp (Viện Khoa học Nông nghiệp Việt Nam) nghiên cứu sản xuất thành công biochar từ dăm gỗ, mùn cưa, rơm, rạ, trấu, bã mía, ngơ, cà phê; Mai Thị Lan Anh (Đại học Khoa học Thái Nguyên) sáng chế biochar từ rơm rạ, củi, l i ngô, trấu dùng làm phân bón; Đại học Nơng Lâm (Đại học Huế) đã nghiên cứu, thiết kế và chế tạo thành công lị đốt tạo biochar từ phế phụ phẩm nơng nghiệp công suất từ 50 đến 300 kg trấu nguyên liệu/mẻ (2 giờ đốt), với các ưu điểm như tiết kiệm thời gian, công sức, ít tạo khói và khí thải, hiệu suất thu hồi biochar đạt từ 95 – 99 %; Viện Thổ nhưỡng Nơng hóa đã sử dụng biochar làm từ trấu để làm giá thể, đất nhân tạo và phân bón hữu cơ vi sinh để sản xuất hoa cây cảnh và các loại rau đặc sản; Công ty Cổ Phần Phân bón và Dịch vụ tổng hợp Bình Định (Biffa), năm 2007 đã nhận chuyển giao công nghệ từ Công ty Sino - Nhật Bản để sản xuất biochar từ cây bạch đàn và đưa ra thị trường nhiều loại sản phẩm từ biochar; Hợp tác xã Công nghiệp - Dịch vụ Hưng Thịnh phường Nông Tiến (thành phố Tuyên Quang) được thành lập năm 2010, chuyên sản xuất và đưa ra thị trường biochar từ mùn cưa. Tại Sở Khoa học và Công nghệ TP.HCM, đề tài “Nghiên cứu sản xuất than sinh học từ lục bình phục vụ sản xuất nơng nghiệp” đang được nhiên cứu. Trung tâm Nghiên cứu đất phân bón và mơi trường phía Nam triển khai “Nghiên cứu sản xuất than sinh hoc từ rơm rạ và trấu để phục vụ nâng cao độ phì

</div><span class="text_page_counter">Trang 33</span><div class="page_container" data-page="33">

đất, năng suất cây trồng và giảm phát thải khí nhà kính” của nhóm tác giả Mai Văn Trịnh, Trần Viết Cường, Vũ Dương Quỳnh, Nguyễn Thị Hoài Thu; “ Nghiên cứu ứng dụng than sinh học nâng cao sức sản xuất của đất - ảnh hưởng loại và lượng bón than sinh học đến sinh trưởng và năng suất lúa” của tác giả Vũ Thắng, Nguyễn Hồng Sơn; “Nghiên cứu sản xuất biochar từ chất thải chăn nuôi” của tác giả Trần Thị Tuyết Thu, Phạm Văn Quang, Hoàng Đức Thắng, Phan Lâm Tùng;… (Viện Khoa học Kỹ thuật Nông Lâm nghiệp Miền Nam, 2015).

Lúa nước là loại cây lương thực chủ yếu của vùng sản xuất nông nghiệp Việt Nam, chất thải nông nghiệp từ vỏ trấu và rơm rạ chiếm khối lượng lớn. Một số đề tài, dự án về sản xuất biochar từ vỏ trấu và đánh giá lợi ích của việc ứng dụng biochar vào cải tạo đất đang được nghiên cứu. Từ năm 2008 đến năm 2013, Vườn quốc gia Bạch Mã đã triển khai “Dự án Than Bạch Mã” và có hơn 140 hộ dân ở huyện Phú Lộc và Nam Đông tham gia. Dự án “Giảm thiểu tổn thất sau thu hoạch và chế biến lúa gạo” do Viện lúa quốc tế (IRRI) chủ trì từ năm 2009 đến năm 2013, trong đó có hợp phần chế tạo lị đốt biochar của nhóm tác giả Phạm Xn Phương, Đại học Nơng Lâm Huế cũng cho kết quả tốt.

Các nghiên cứu trên thế giới và ở Việt Nam đã cho thấy biochar từ các loại phụ phẩm nơng nghiệp có thể được sử dụng như là chất hấp phụ chất dinh dưỡng, tăng năng suất cây trồng thơng qua việc cải tạo đất do đó biochar có thể coi là một biện pháp mới cho nông nghiệp bền vững ở Việt Nam.

Tuy nhiên chưa có nghiên cứu đầy đủ về khả năng thu hồi dinh dưỡng từ nước thải sinh hoạt của biochar biến tính từ vỏ trấu. Với nghiên cứu này vừa có thể tận dụng nguồn phế phẩm nơng nghiệp vừa thu hồi dinh dưỡng từ nước thải sinh hoạt và có thể ứng dụng tạo phân nhả chậm cho cây trồng.

Đã đến lúc đưa những giá trị của biochar đến với Việt Nam để bảo vệ tài nguyên đất đai, môi trường sống và sức khỏe của con người, góp phần vào sự phát

<b>triển bền vững, xanh, sạch, đẹp, … </b>

</div><span class="text_page_counter">Trang 34</span><div class="page_container" data-page="34">

<b>CHƯƠNG 3: NỘI DUNG PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU </b>

<b>3.1. Sơ đồ nội dung nghiên cứu </b>

Tiến hành tổng hợp biochar từ vỏ trấu biến tính muối kim loại, khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ amoni, photphat và đánh giá hiệu quả hấp phụ của biochar trên nước thải thực. Sơ đồ nội dung nghiên cứu được trình bày trong hình 3.1.

<i><b>Hình 3.1 Sơ đồ nội dung nghiên cứu </b></i>

<b>3.2. Hóa chất, thiết bị và dụng cụ nghiên cứu 3.2.1. Hóa chất </b>

- Hóa chất sản xuất biochar biến tính kim loại: MgCl₂.6H₂O, FeCl₃.6H₂O, MnCl₂.4H₂O, ZnCl₂, AlCl₃.

- Hóa chất pha nước giả thải: NH₄Cl, NaH₂PO₄.2H₂O, KNO₃.

- Hóa chất xác định các chỉ tiêu: (NH₄)₆Mo₇O₂₄, SnCl₂, KH₂PO₄, H₃BO₃, H₂SO₄, Na₂B₄O₇, Na₃N, CH₃COOH, C₇H₅NaO₃, NaOH.

Nồng độ đầu vào

Thử nghiệm trên nước thải thực Thử nghiệm trên nước giả thải

EDS SEM

XRD

Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả hấp phụ Tổng hợp MCRH 20 %

Thời gian pH

</div><span class="text_page_counter">Trang 35</span><div class="page_container" data-page="35">

<b>3.2.2. Thiết bị </b>

Các thiết bị phục vụ cho việc nghiên cứu đề tài đƣợc liệt kê trong bảng 3.1.

<b>Bảng 3.1 Thiết bị thực hiện nghiên cứu </b>

<b>3.1.3. Dụng cụ </b>

Các dụng cụ phục vụ cho việc nghiên cứu đề tài đƣợc liệt kê trong bảng 3.2.

<b>Bảng 3.2 Dụng cụ thực hiện nghiên cứu ST</b>

</div><span class="text_page_counter">Trang 36</span><div class="page_container" data-page="36">

Đun 80 <small>o</small>C trong 2 giờ

Sấy ở 105 <small>o</small>C trong 6 giờ

Nung ở 550 <small>o</small>C trong 1 giờ

<i><b>Hình 3.2 Quy trình sản xuất biochar biến tính. </b></i>

Quy trình tổng hợp biochar từ vỏ trấu biến tính MgCl₂ 20 % được thực hiện theo các bước như hình 3.1. Vỏ trấu sấy ở 55 °C qua đêm. Sau đó, 10 g vỏ trấu được trộn với 200 ml dung dịch MgCl₂ 20 %. Hỗn hợp chứa trong erlen 500 ml, lắc ở tốc độ 120 vòng/phút trong 24 giờ. Sau khi lắc, sấy 80 °C đến khi bay hơi hết. Hỗn hợp tiếp tục sấy ở 105 °C trong 6 giờ và nung 500 °C trong 1 giờ. Vật liệu sau nung để nguội và cho vào bọc kín, chứa trong bình hút ẩm (Ronghua Li et al, 2017).

</div><span class="text_page_counter">Trang 37</span><div class="page_container" data-page="37">

<b>3.3. Phương pháp nghiên cứu 3.3.1. Phương pháp lý thuyết </b>

Đây là phương pháp cơ bản có vai trị định hướng cho mục tiêu nghiên cứu. Phương pháp này cung cấp các tài liệu nghiên cứu liên quan đã được thực hiện trên thế giới và trong nước, cung cấp các cơ sở lý thuyết đã được kiểm chứng bởi các học giả, là tiền đề, cơ sở cho phát triển ý tưởng.

Phương pháp nghiên cứu này chủ yếu được thực hiện thông qua sách, báo, internet, các bài báo khoa học trong và ngoài nước.

<b>3.3.2. Phương pháp thực nghiệm </b>

Nghiên cứu thực hiện tại phịng thí nghiệm, tạo ra được MCRH.

Khảo sát các thông số và các điều kiện thực nghiệm, phân tích mẫu đầu vào và đầu ra, áp dụng cho nước giả thải và nước thải sinh hoạt.

<b>3.3.3. Phương pháp tính tốn và xử lý số liệu </b>

Số liệu sau khi thu thập sẽ được phân tích, đánh giá.

<b>3.3.4. Phương pháp xác định các đặc trưng của vật liệu </b>

Biochar sau khi biến tính được đo đạc kiểm tra các thơng số kích thước, hình dạng, cấu trúc và thành phần pha tinh thể bằng phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD), phương pháp hiển vi điện tử quét (SEM), phương pháp phổ tán sắc năng lượng tia X (EDS).

- <i><b>Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD) </b></i>

Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD: X-Ray Diffraction) là phương pháp chiếu một chùm tia X đơn sắc có bước sóng λ tới bề mặt tinh thể chất rắn cách nhau một khoảng đều đặn và đi sâu vào bên trong mạng lưới tinh thể tạo ra hiện tượng nhiễu xạ của các tia X. Phương pháp này được sử dụng để nghiên cứu cấu trúc tinh thể của vật chất, kiểm tra sự đơn pha (độ tinh khiết) của vật liệu, xác định được kích thước tinh thể (Downie et al, 2009, Ngoan, 2016).

- <i><b>Phương pháp hiển vi điện tử quét (SEM) </b></i>

<b>Phương pháp kính hiển vi điện tử quét (SEM) cho biết những thông tin về hình </b>

thái học của vật liệu thơng qua việc tạo ra ảnh có độ phân giải cao của bề mặt vật liệu (Downie et al, 2009, Ngoan, 2016). Cơ sở của phương pháp này là dùng chùm

</div><span class="text_page_counter">Trang 38</span><div class="page_container" data-page="38">

tia điện tử (chùm các electron) hẹp quét trên bề mặt chất xúc tác. Dựa trên thang tỉ lệ ta có thể xác định chính xác kích thước các hạt cũng như độ đồng đều của hạt.

- <i><b>Phương pháp phổ tán sắc năng lượng tia X (EDS) </b></i>

Phổ tán xạ năng lượng tia X là kỹ thuật phân tích thành phần hóa học của vật rắn dựa vào việc ghi lại phổ tia X phát ra từ vật rắn do tương tác với các bức xạ (mà chủ yếu là chùm điện tử có năng lượng cao trong các kính hiển vi điện tử).

<b>3.3. Phương pháp phân tích 3.3.1. Phân tích Nitrat </b>

Theo Tiêu chuẩn Việt Nam: TCVN 6180:1996 - Chất lượng nước - xác định nitrat - phương pháp trắc phổ dùng axit sunfosalixylic.

Tiêu chuẩn này quy định phương pháp xác định ion nitrat trong nước. Phương pháp thích hợp để áp dụng đối với mẫu nước thơ và nước sinh hoạt.

Đo phổ của hợp chất màu vàng được hình thành bởi phản ứng của axit sunfosalixylic (được hình thành do việc thêm natri salixylat và axit sunfuric vào mẫu) với nitrat và tiếp theo xử lý với kiềm.

Dinatri dihidro etylendinitrilotetraaxetat (EDTANa) được thêm vào với kiềm để tránh kết tủa các muối canxi và magie. Natri nitrua thêm vào để khắc phục sự nhiễu của nitrit.

Đo độ hấp thu của dung dịch ở 415 nm, độ hấp thu đo được là As đơn vị. Vẽ giản đồ A = f(C), lập phương trình y = ax + b. Từ trị số A_m của mẫu, tính nồng độ C<small>m</small>.

Đo độ hấp thu của dung dịch ở 690 nm, độ hấp thu đo được là As đơn vị.

</div><span class="text_page_counter">Trang 39</span><div class="page_container" data-page="39">

Vẽ giản đồ A = f(C), lập phương trình y = ax + b. Từ trị số A_m của mẫu, tính nồng độ C<small>m</small>.

<b>phép xác định amoni tính theo nitơ tới hàm lượng 10 mg trong mẫu thử. </b>

Điều chỉnh pH của phần mẫu thử đến khoảng 6,0 - 7,4. Thêm magiê oxit để tạo môi trường kiềm yếu, chưng cất amoniac được giải phóng và thu vào bình chứa có sẵn dung dịch boric. Chuẩn bị amoni trong phần cất được bằng dung dịch chuẩn axit boric/chỉ thị.

<b>3.3.4. Tính hiệu suất hấp phụ và dung lượng hấp phụ </b>

- Hiệu suất hấp phụ được tính theo cơng thức:

<b>3.3.5. Mơ hình động học quá trình hấp phụ và đẳng nhiệt hấp phụ </b>

Để xác định phương trình động học mơ tả quá trình hấp phụ trên vật liệu, sử dụng hai phương trình:

- Phương trình động học biểu kiến bậc nhất:

</div><span class="text_page_counter">Trang 40</span><div class="page_container" data-page="40">

trong đó, q<small>e</small> và q_t (mg.g^-1) là dung lượng hấp phụ ở thời điểm cân bằng và thời điểm t bất kỳ, k₁(phút^-1), k₂ (g.mg^-1.phút^-1), k_p(mg/g/h^1/2) là các hằng số (Li R et al, 2017).

Cân bằng hấp phụ đẳng nhiệt được mô phỏng theo hai mơ hình Langmuir và Freundlich.

- Mơ hình đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir:

<b>3.4. Nội dung nghiên cứu </b>

<b>3.4.1. Nội dung 1: Khảo sát hàm lượng Mg ảnh hưởng đến hiệu suất hấp phụ </b>

Mục đích tìm hàm lượng MgCl₂ tối ưu, đánh giá hiệu suất hấp phụ dinh dưỡng của biochar biến tính khi thay đổi hàm lượng MgCl₂ đầu vào.

<i>Cách tiến hành thí nghiệm: </i>

Vỏ trấu sau khi xử lý sơ bộ, tiến hành ngâm tẩm muối kim loại với hàm lượng MgCl₂ khác nhau, nhiệt phân để tạo biochar biến tính. Thay đổi hàm lượng MgCl₂tương ứng: 0 %, 5 %, 10 %, 20 %, 30 %.

Tiến hành thí nghiệm với nước giả thải: pha 500 ml dung dịch nước giả thải chứa đồng thời 50 mg/l NH<small>4</small>⁺, 50 mg/l PO₄^3- và 50 mg/l NO₃^- từ 3 loại hóa chất: KNO₃, NH₄Cl, NaH₂PO₄.

<i>Đánh giá kết quả thí nghiệm: </i>

Từ kết quả đầu vào và đầu ra của 3 thông số amoni, photphat và nitrat, tính hiệu suất xử lý.

</div>