Nghiên cứu chế tạo than biến tính từ lõi ngô định hướng ứng dụng xử lý amoni trong nước sinh hoạt (tt)

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 TÌNH TỪ LÕI NGÔ ĐỊNH
HƯỚNG ỨNG DỤNG XỬ LÝ AMONI TRONG NƯỚC SINH HOẠT

TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SỸ KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG
Chuyên ngành: Kỹ thuật môi trường
Mã số: 62 52 03 20

HÀ NỘI – 2018

1


Công trình được hoàn thành tại: Học viện Khoa học và Công nghệ Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam

Người hướng dẫn khoa học 1: PGS.TS Trịnh Văn Tuyên
Người hướng dẫn khoa học 2: PGS.TS Đoàn Đình Phương

Phản biện 1: …
Phản biện 2: …
Phản biện 3: ….

Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án tiến sĩ, họp tại Học viện Khoa
học và Công nghệ - Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam vào hồi … giờ
..’, ngày … tháng … năm 201….

Có thể tìm hiểu luận án tại:
- Thư viện Học viện Khoa học và Công nghệ
- Thư viện Quốc gia Việt Nam

2


GIỚI THIỆU LUẬN ÁN
1. Tầm quan trọng của vấn đề nghiên cứu
Những năm gần đây, nguồn tài nguyên nước dưới đất ở Việt
Nam đang có xu hướng suy giảm về số lượng và chất lượng do ảnh
hưởng của biến đổi khí hậu và các hoạt động sản xuất, khai thác.
Việt Nam có nguồn tài nguyên nước mặt và nước ngầm dồi
dào (dòng chảy trung bình là 848 km3/năm. Tuy nhiên xấp xỉ 6 triệu
người dân Hà Nội đang dùng nước sinh hoạt có nguồn gốc từ nước
ngầm. Sự có mặt của nồng độ amoni cao có thể ảnh hưởng đến chất
lượng nước mặt và nước ngầm. Người dân có thể chịu rủi ro về sức
khỏe khi dùng trực tiếp nguốn nước chưa được kiểm soát chất lượng.
Nhiều báo cáo của các cơ quan quản lý cho thấy, hàm lượng
amoni trong nước ngầm đã vượt giới hạn cho phép nhiều lần, đặc
biệt ở các tỉnh miền bắc của Việt Nam như Vĩnh Phúc, Bắc Ninh,
Hải Dương, Hưng Yên, Hà Nội.... Ở khu vực phía nam, điển hình là
nhiều quận, huyện của thành phố Hồ Chí Minh cũng đã ghi nhận
được sự ô nhiễm amoni với hàm lượng rất cao.
Một số phương pháp thường sử dụng trong thực tế để xử lý

amoni trong nước là: làm thoáng để khử NH3 ở môi trường pH cao;
Clo hóa đến điểm đột biến; trao đổi ion; hấp phụ và sinh học. Trong
đó phương pháp hấp phụ được xem là các kỹ thuật đơn giản, hiệu
quả, tiềm năng để loại bỏ amoni trong nước.
Các vật liệu có nguồn gốc từ cacbon như than hoạt tính, than
sinh học được biết đến là chất hấp phụ hứa hẹn để loại bỏ rất nhiều
các chất ô nhiễm trong nước (ví dụ như kim loại nặng, thuốc
nhuộm).
Tuy nhiên, việc nghiên cứu và ứng dụng các vật liệu này để xử
lý amoni còn hạn chế do các vật liệu đã nghiên cứu có dung lượng
3


hấp phụ thấp. Điển hình như than hoạt tính đạt dung lượng hấp phụ
amoni tương đối thấp ( 5,4 mg/g; từ vỏ trấu là 3,2 mg/g; từ gáo dừa
là 2,3 mg/g và từ than hoạt tính thương mại là 0,5 mg/g). Đối với
than sinh học, dung lượng hấp phụ amoni chỉ đạt từ 1,7 đến 5,29
mg/g. Để tăng khả năng hấp phụ amoni, cần phải biến tính về mặt
than sinh học, than hoạt tính để tăng cường khả năng hấp phụ.
Than hoạt tính được chế tạo từ nhiều nguồn nguyên liệu khác
nhau, trong đó tận dụng các vật liệu thải từ phụ phẩm nông nghiệp
đang là một xu hướng nghiên cứu và ứng dụng được nhiều nhà khoa
học quan tâm. Đối với lõi ngô dạng phụ phẩm nông nghiệp đã được
một số tác giả trên thế giới nghiên cứu, chế tạo thành than sinh học
và than hoạt tính ứng dụng để xử lý các chất hữu cơ và một vài tác
nhân khác trong nước.
Việt Nam là nước sản xuất nông nghiệp với nguồn phụ phẩm
và sinh khối thải rất lớn trong đó có lõi ngô. Theo số liệu thông kê
quốc gia năm 2015, diện tích trồng ngô và sản lượng ngô tại Việt
Nam đạt 1.179.300 ha và 5.281.000 tấn. Do đó, lõi ngô có thể được

xem là nguồn phụ phẩm dồi dào, sẵn có và rẻ tiền nếu tận dụng để
chế tạo than sinh học và than hoạt tính
Chính vì vậy, tác giả đã chọn đề tài “Nghiên cứu chế tạo than
biến tính từ lõi ngô định hướng ứng dụng xử lý amoni trong
nước sinh hoạt”.
2. Mục tiêu của luận án


Xây dựng được quy trình chế tạo than sinh học biến tính

và than hoạt tính biến tính từ phụ phẩm nông nghiệp là lõi
ngô thải.


Đánh giá được đặc trưng vật lý và hóa học của than sinh

học biến tính và than hoạt tính
4




Áp dụng than sinh học biến tính, than hoạt tính để loại bỏ

amoni trong nước giả định và nước thải thực tế trong nước thải
theo mẻ và thí nghiệm cột.
4. Bố cục của luận án
Luận án gồm 101 trang với 38 bảng biểu, 50 hình, 123 tài liệu
tham khảo. Luận án được cấu tạo gồm: mở đầu 3 trang, tổng quan tài
liệu 37 trang, đối tượng và phương pháp nghiên cứu 15 trang, kết quả

nghiên cứu và thảo luận 44 trang, kết luận 2 trang.
NỘI DUNG CỦA LUẬN ÁN
Chương 1: Tổng quan tài liệu
Đã tổng hợp các tài liệu về hiện trạng ô nhiễm amoni trong
nước ngầm, các phương pháp xử lý amoni, tổng quan về các phương
pháp chế tạo than sinh học, các phương pháp biến tính về mặt vật
liệu than sinh học, than hoạt tính và ứng dụng của than sinh học làm
vật liệu hấp phụ chất hữu cơ, kim loại nặng và xử lý amoni trong môi
trường nước.
Kết quả nghiên cứu tổng quan cho thấy: Các nghiên cứu tập
trung vào việc ứng dụng của than sinh học, than hoạt tính biến tính
để xử lý amoni trong môi trường nước nhưng chưa có nhiều nghiên
cứu về biến đổi bề mặt than sinh học để hấp phụ amoni trong môi
trường nước. Việc sử dụng lõi ngô để tạo than sinh học biến tính để
hấp phụ amoni cũng chưa có tác giả nào nghiên cứu.
Trên cơ sở tổng quan các tài liệu nghiên cứu, luận án sẽ tập
trung giải quyết một số vấn đề sau:
- Đưa ra các điều kiện tối ưu cho quá trình chế tạo được than
sinh học biến tính từ lõi ngô và than hoạt tính biến tính để tăng
cường dung lượng hấp phụ amoni.
5


- Xác định được đặc điểm về động học và nhiệt động học của quá
trình hấp phụ amoni trong môi trường nước của vật liệu chế tạo trên qui
mô hấp phụ theo mẻ và hấp phụ trên cột
Chương 2 : Thực nghiệm và Phương pháp nghiên cứu
2.1. Đối tượng nghiên cứu
Lõi ngô: Vật liệu lõi ngô từ phụ phẩm nông nghiệp được thu
gom ở huyện Đà Bắc, tỉnh Hòa Bình

Mẫu nước giả chứa amoni: Các mẫu nước có chứa amoni ở
hàm lượng khác nhau (10, 20, 40mgN/l) được pha từ chất chuẩn
NH4Cl (Merk) và nước deion.
Mẫu nước ngầm thực tế: Mẫu được lấy tại hộ gia đình ông
Nguyễn Đình Lâm (Địa chỉ: thôn 3, xã Yên Sở, huyện Hoài Đức,
thành phố Hà Nội) làm nước đầu vào để chạy mô hình. Mẫu nước
ngầm có nồng độ amoni là 10,13 mgN/l, hàm lượng sắt tổng số 0,4
mg/l và mangan là 0,02 mg/l.
2.2.Hóa chất, vật liệu, dụng cụ và thiết bị sử dụng
2.2.1. Hóa chất
Các hóa chất sử dụng gồm: HNO3 65%, H3PO4 85%, NaOH
rắn, dung dịch chuẩn CaCl2 1000 ppm, dung dịch chuẩn Mn 1000
ppm, dung dịch chuẩn, đều là hóa chất tinh khiết có nguồn gốc từ
hãng Merck.
2.2.2. Thiết bị
Các thiết bị sử dụng trong quá trình chế tạo vật liệu và phân
tích tại Viện Công nghệ Môi trường, Phòng thí nghiệm môi trường,
Trường Đại học Tài nguyên và Môi trường Hà Nội:
- Máy so màu UV-VIS (Hach, DR5000, Mỹ) để phân tích hàm
lượng amoni

6


- Máy quang phổ hấp phụ nguyên tử (AAS - Thermo Fisher,
Solar-M6) để phân tích hàm lượng Mn, Fe.
- Cân phân tích, Mỹ, độ chính xác cỡ 10-5 và 10-2 mg
- Máy đo pH (Toledo, Trung Quốc).
- Thiết bị máy lắc có điều khiển nhiệt độ (GFL 1083, Đức) để
tiến hành các thí nghiệm hấp phụ tĩnh.

- Lò nung Nabertherm (L3/11/B170, Đức) dùng để chế tạo
than sinh học, than biến tính
2.3.Phương pháp nghiên cứu
2.3.1.Thực nghiệm chế tạo vật liệu
Hình 2.1 chỉ ra quy trình tạo thành than sinh học biến tính và
than hoạt tính từ lõi ngô thải. Than sinh học được chuẩn bị từ các
điều kiện nhiệt phân khác nhau (nhiệt độ nhiệt phân, thời gian nhiệt
phân ) trong điều kiện môi trường oxy hạn chế. Sau đó, than sinh học
được oxy hóa bằng HNO3(BioN) để tăng lượng nhóm chức chứa oxy
trên bề mặt( như cacboxylic). Cuối cùng BioN được xử lý với NaOH
(BioN-Na) để tăng khả năng trao đổi ion.
Mặt khác than hoạt tính có nguồn gốc từ lõi ngô (BioP) được
chuẩn bị bằng phương pháp hoạt hóa 1 giai đoạn với tác nhân hoạt
hóa là H3PO4. Tương tự với than sinh học, BioP có thể xử lý với
NaOH (BioP-Na) để tăng khả năng trao đổi ion
Đáng chú ý là, quá trình nhiệt phân được thực hiện trong điều
kiện không khí không lưu thông (ví dụ cốc có nắp) tại các điều kiện
nhiệt độ và thời gian khác nhau.

7


Hình 2.1. Sơ đồ minh họa quá trình chuẩn bị than sinh học biến tính và
than hoạt tính
2.3.2. Thí nghiệm hấp phụ
Quá trình hấp phụ amoni trên bề mặt than sinh học biến tính
và than hoạt tính được thực hiện bằng thí nghiệm mẻ và thí nghiệm
cột. Tại thí nghiệm mẻ được thực hiện trên mẫu nước pha tại các
điều kiện vận hành khác nhau (pH, nồng độ amoni đầu vào, thời gian
tiếp xúc, nhiệt độ dung dịch).

Trong khi đó, thí nghiệm cột được vận hành với mẫu nước
ngầm thực tế để đánh giá các ảnh hưởng của tốc độ dòng, nồng độ
đầu vào và chiều cao cột đến dung lượng chất hấp phụ. Hai hệ thống
cột được sử dụng cột từ trên xuống dưới (dùng với thí nghiệm cột
nhỏ thí nghiệm) và dòng từ dưới lên trên (với cột qui mô pilot).
Thêm vào đó thí nghiệm giải hấp cũng được tiến hành nhằm đánh giá
khả năng sử dụng lại của vật liệu.
2.3.3. Xác định đặc tính của vật liệu
Đặc điểm cấu trúc của chất hấp phụ ( như diện tích bề mặt
riêng, tổng thể tích lỗ xốp) được xác định bằng đường đẳng nhiệu
hấp phụ/giải hấp phụ nito tại nhiệt độ 77K (máy ASAP-200,
8


Micromeritics). Đặc điểm hình thái được xác định bằng kính hiển vi
điện tử quét S-4800 (FE-SEM, Hitachi).
Đặc tính nhiệt của lõi ngô được đo bằng phương pháp nhiệt
trọng lượng (TGA; DuPont TA Q50, USA). Xác định định tính các
nhóm chức có mặt trên bề mặt chất hấp phụ bằng đo phổ hồng ngoại
(FTIR, NEXUS 670, Nicolet, USA). Phương pháp chuẩn độ Boehm
được áp dụng để xác định lượng nhóm chức axit có trên bề mặt chất
hấp phụ. Điểm đẳng điện của vật liệu (pHPZC) được xác định bằng
phương pháp ….Xác định thành phần của than theo các tiêu chuẩn
quốc tế (ASTM D2867-09, D2866, and D5832-98).
Chương 3 : Kết quả nghiên cứu và thảo luận
3.2. Xác định các thông số của quá trình tạo than sinh học biến
tính
Điều kiện tối ưu để tạo than sinh học biến tính đạt được theo
quy trình sau: than sinh học (Bio) được nung tại 400°C trong 60
phút. Sau đó than Bio-400 được ngâm với HNO3 6M với tỉ lệ R/L là

5/1 để tạo than biến tính BioN, và được tiếp tục ngâm với 0.3 M
NaOH ( tỉ lệ R/L là 20/1) để tạo thành biến tính BioN-Na.
3.3. Xác định các thông số của quá trình tạo than hoạt tính biến
tính
Điều kiện tối ưu để tạo than hoạt tính biến tính đó là lõi ngô
được ngâm với 50% H3PO4 (tỉ lệ R/L là 1.5/1), sau đó được nhiệt
phân tại 400°C trong vòng 90 phút để tạo than hoạt tính BioP, sau đó
ngâm với NaOH 0,3M (tỉ lệ R/L là 20/1) để tạo than hoạt tính biến
tính.
3.4. Tổng hợp các đặc tính của chất hấp phụ
3.4.1. Đặc điểm cấu trúc và hình thái của chất hấp phụ

9


Diện tích bề mặt riêng và thể tích BET (m2/g) và tổng thể tích
lỗ rỗng (cm3/g) của 2 loại than là BioP-Na (1097 và 0.804) > BioNNa (10.4 và 0.00664). Kích thước mao quản trung bình của than
BioP-Na (3.95 nm) và than BioN-Na (3.71 nm) lớn hơn 2 nm, điều
này khẳng định vật liệu thuộc loại mao quản trung bình.
Kết quả ảnh SEM (Hình 3.14) đã chứng minh hình thái bề mặt
của than BioN-Na và BioP-Na là bất thường và không đồng nhất.
Quá trình hình thành các vi mao quản và sự phát triển cấu trúc mạnh
mẽ của than BioP-Na là do sử dụng quá trình hoạt hóa học trong quá
trình tạo than.

Hình 3.14. Ảnh chụp SEM của (a) BioN-Na và (b) BioP-Na
3.4.2. Đặc điểm bề mặt
Hình 3.15 hiển thị các thông tin định tính về các nhóm chức
trên bề mặt của chất hấp phụ. Sự có mặt của 6 nhóm chức quan trọng
trên bề mặt của than đó là tại pick phổ xấp xỉ 3430 cm-1 ( nhóm

hydroxyl (–OH) trong nhóm carboxylic, phenol hay nước được hấp
phụ), pick phôt 1700 cm-1 (thể hiện liên kết C=O trong nhóm
carboxylic và lactonic), 1380 cm-1 (liên kết C–O), và 1620 cm‒1 (liên
kết đôi C=C trong các vòng thơm). Sự thay đổi về mức độ các nhóm
10


chức này có liên quan đến đặc tính bề mặt của chất hấp phụ. Đặc tính
bề mặt của chất hấp phụ bao gồm: (1) sự thay đổi nồng độ các nhóm
chức chứa oxy trên bề mặt than và (2) là điểm đẳng điện (pHPZC) (
bảng 3.8). Kết quả này đã chứng minh rằng quá trình xử lý ( nhiệt
phân, hoạt hóa hóa học, oxy hóa, biến tính bằng ngâm NaOH) đã ảnh
hưởng mạnh mẽ đến bề mặt hóa học của chất hấp phụ.

Hình 3.15. Hỉnh ảnh phổ FTIR của các chất hấp phụ
Bảng 3.8. Nồng độ các nhóm chức chứa oxy trên bề mặt chất hấp
phụ
Nhóm chức chứa oxy (mmol/g) Tổng nhóm chức
(mmol/g)
Carboxylic Lactonic Phenolic
Chất hấp phụ sinh học
Lõi ngô
7.0
0.131
0.490
0.873
1.494
Than sinh học, than sinh học biến tính
Bio-400
5.3

0.619
1.479
0.486
2.584
BioN
4.6
1.382
2.745
0.171
4.298
Than hoạt tính
BioP
4.3
0.988
1.601
0.980
3.569
3.4.3. Đặc tính vật lý
pHPZC

Kết quả phân tích thành phần đã chứng minh rằng than sinh
học biến tính và than hoạt tính có hàm lượng ẩm và độ tro thấp, điều
11


này gợi ý rằng chất lượng của than BioN-Na và BioP-Na là tốt, thêm
vào đó, hàm lượng chất bay hơi thấp phản ánh tiềm năng áp dụng để
xử lý nước thực tế qui mô hộ gia đình. Điều đáng chú ý là hàm lượng
cacbon cố định cao phản ánh than sinh học biến tính và than hoạt
tính có thành phần chủ yếu là cacbon.

Bảng 3.9. Đặc tính vật lý của than BioN-Na và BioP-Na
BioN-Na

BioP-Na

Độ thu hồi(%)a

34.9

81.5

Độ ẩm(%)

4.36

5.01

Hàm lượng chất bay hơi
(%)

18.1

13.0

Tổng hàm lượng tro (%)

18.0

13.1

Cacbon cố định (%)

71.9

79.3

Ghi chú: t là hiệu suất thu hồi được tính bằng sự khác nhau
giữa khối lượng trước và sau nhiệu phân của than sinh học và than
hoạt tính
3.5. Khảo sát khả năng xử lý amoni của than biến tính bằng kỹ
a

thuật hấp phụ theo mẻ
3.5.1. Ảnh hưởng của pH

Hình 3.16. Ảnh hưởng của pH đến Hình 3.17. Ảnh hưởng của pH đến
dung lượng hấp phụ amoni của than khả năng hấp phụ amoni của than
BioN-Na
BioP-Na
Rõ ràng, pH là một yếu tố quan trọng trong quá trình hấp phụ,
pH là yếu tố kiểm soát trạng thái tồn tại của amoni trong dung dịch.
12


Đặc tính bề mặt của chất hấp phụ, trạng thái ion của nhóm chức bề
mặt than phụ thuộc vào pH. Trong dung dịch amoni tồn tại chủ yếu ở
dạng ion NH4+ và NH3 khí hòa tan. Khi pH < 7 dạng tồn tại chủ yếu
trong dung dịch là amoni, vật liệu chủ yếu mang điện tích dương do
pHpzc của than BioP-Na là 7,1 và BioN-Na là 6,9.
Kết quả ảnh hưởng của pH đến dung lượng hấp phụ amoni của

than biến tính BioN-Na và than BioP-Na được thể hiện ở 3.16 và
hình 3.17.
Tại môi trường axit mạnh (pH = 4), lượng amoni bị hấp phụ
trên than là không đáng kể bởi hai nguyên nhân, thứ nhất vì sự có
mặt của ion H+ trong nước cạnh tranh với ion NH4+ và thứ hai lực
đẩy mạnh giữa bề mặt dương của vật liệu và ion NH4+.
Trong khoảng pH từ 5 đến 7, lượng ion NH4+ bị hấp phụ tăng
khi pH trong dung dịch tăng, do khi đó pH của dung dịch < pHpzc
(pHpzc của than BioN-Na và BioP-Na lần lượt là 6,9 và 7,1) bề mặt
vật liệu mang điện tích dương, quá trình hấp phụ xảy ra theo cơ chế
trao đổi ion sẽ chiếm ưu thế hơn so với cơ chế hút tĩnh điện.
Và khi pH dung dịch đạt 7 - 8, dung lượng hấp phụ amoni của
hai vật liệu đều đạt cao nhất, lúc này pH > pHpzc, bề mặt vật liệu
mang điện tích âm do quá trình deproton hóa của nhóm chức năng
chứa oxy (như –COOH deproton hóa thành –COO-), quá trình hấp
phụ theo cơ chế hút tĩnh điện sẽ chiếm ưu thế hơn so với cơ chế trao
đổi ion như giải thích của tác giả và Zhang. Như vậy đối với quá
trình hấp phụ amoni trên bề mặt than, bao gồm sự kết hợp của hai cơ
chế mà tùy theo điều kiện pH thì cơ chế nào sẽ chiếm ưu thế.
Và khi pH của dung dịch > 9 thì ion NH4+ trong dung dịch sẽ
chuyển thành dạng amonia (NH3), kết quả là cơ chế lực hút tĩnh điện
không còn ảnh hưởng.
13


3.5.3. Đẳng nhiệt hấp phụ

Hình 3.22. Đẳng nhiệt hấp phụ amoni trên lõi ngô (CC), than sinh
học (Bio), than oxy hóa (BioN), than sinh học biến tính(BioN-Na),
than hoạt tính (BioP), and than hoạt tính biến tính (BioP-Na)

Đường đẳng nhiệt hấp phụ của các chất hấp phụ được chuẩn bị
từ lõi ngô được thể hiện thông qua được đẳng nhiệt Langmuir (hình
3.22), Mô hình Langmuir phù hợp với dữ liệu thực nghiệm hơn mô
hình

Freundlich. Dung lượng hấp phụ cực đại theo Langmuir của

các vật liệu (qm; mg/g) tại 30°C giảm dần theo thứ tự sau: BioN-Na
(qm = 22.6 mg/g) > BioP-Na (15.4 mg/g) > BioN (8.60 mg/g) > Bio
(3.93 mg/g) > CC (2.05 mg/g), điều này gợi ý rằng, quá trình hoạt
hóa và biến tính đã làm tăng dung lượng hấp phụ amoni trên than
sinh học và than hoạt tính.
3.5.4. Động học hấp phụ
Ảnh hưởng của thời gian tiếp xúc đến quá trình hấp phụ được
đánh giá ở các nồng độ đầu vào khác nhau (10 mg/L, 20 mg/L và 40
mg/L) và nhiệt độ khác nhau (20°C, 30°C, and 40°C). Như dự đoán,
14


quá trình hấp phụ diễn nhanh chóng đạt cân bằng trong khoảng 60
phút (Hình 3.18 và 3.19). Dữ liệu thực nghiệm của động học hấp phụ
tuân theo mô hình động học biểu kiến bậc 2. Tốc độ hấp phụ (k2;
g/mg × min) được tính toán từ mô hình. Kết quả đã chứng minh rằng
tốc độ hấp phụ amoni trên than BioP-Na và BioN-Na tại nồng độ
amoni đầu vào là 10 mg/L tăng khi nhiệt độ tăng. Giá trị k2 đạt được
theo thứ tự sau 20°C (k2 = 0.04 g/mg × min) < 30°C (0.09) < 40°C
(0.14) với than BioP-Na và 20°C (0.06) < 30°C (0.15) < 40°C (0.21)
vơi than BioN-Na.
Ngoài ra, trong cùng điều kiện thí nghiệm, than BioN-Na có
giá trị k2 cao hơn than BioP-Na, điều này gợi ý rằng quá trình hấp

phụ amoni trên than BioN-Na diễn ra nhanh hơn trên than BioP-Na.
Đáng chú ý là, năng lượng hoạt hóa (tính toán theo công thức
Arrhenius) của quá trình hấp phụ amoni của than BioP-Na (Ea =
47.89 kJ/mol) và than BioN-Na (52.46 kJ/mol) thể hiện quá trình
trao đổi ion đóng vai trò quan trọng trong cơ chế hấp phụ.

Hình 3.18 Ảnh hưởng của thời
Hình 3.19. Ảnh hưởng của thời
gian hấp phụ amoni đến dung
gian đến dung lượng hấp phụ
lượng hấp phụ của BioN-Na
amoni của than BioP-Na
3.5.5. Nhiệt động học quá trình hấp phụ

15


Như đã chỉ ra tại hình 3.25, quá trình hấp phụ phụ thuộc mạnh
vào điều kiện nhiệt độ vận hành, Lượng hấp phụ amoni trên than
sinh học biến tính và than hoạt tính biến tính giảm khi tăng nhiệt độ,
do đó quá trình hấp phụ amoni là quá trình tỏa nhiệt. Giá trị dung
lượng hấp phụ (qm) tại giá trị 20°C, 35°C, và 50°C theo thứ tự sau:
24.52 mg/g > 22.58 mg/g > 10.40 mg/g (đối với than BioN-Na), và
17.03 mg/g > 15.40 mg/g > 11.99 mg/g với than BioP-Na.
Khi quá trình hấp phụ đạt đến một giá trị cân bằng, hằng số
cân bằng (KC – không thứ nguyên) có thể được xác định (Hình 9).
Trong trường hợp này, các thông số nhiệt động học (∆G°, ∆H°, and
∆S°) có thể được xác định trực tiếp thông qua công thức van’t Hoff.
Bảng 3.20 chỉ ra giá trị âm của sự thay đổi năng lượng tự do
Gibbs (∆G°). Tại tất cả các nhiệt độ nghiên cứu, quá trình hấp phụ

của NH4+-N lên than sinh học biến tính, than hoạt tính biến tính xảy
ra tự phát. Điều này có nghĩa là giá trị dương tính của sự thay đổi
entropy entropy (∆S°) gợi ý rằng sự sắp xếp của ion amoni trên bề
mặt rắn/lỏng trở nên ngẫu nhiên trong suốt quá trình hấp phụ. Thêm
vào đó, giá trị âm của sự thay đổi trong entanpy (∆H°) phản ánh bản
chất thu nhiệt của quá trình hấp phụ, điều này được chứng minh bằng
sự giảm dung lượng hấp phụ (qe; hình 3.25) và hệ số cân bằng (KC;
bảng 3.20) khi tăng nhiệt độ.

16


Hình 3.25. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến quá trình hấp phụ amoni của
than (a) BioN-Na và (b) BioP-Na
Bảng 3.20. Các thông số nhiệt động học của quá trình hấp phụ
amoni trên than BioN-Na và BioP-Na
T
(K)

Công thức
Van’t Hoff

KC

ΔG°
(kJ/mol)

Than sinh học biến tính (BioN-Na)
293
y = 140x +

32.92 –8.512
308
3.02
32.53 –8.917
323
R² = 0.9185
31.48 –9.263
Than hoạt tính biến tính (BioP-Na)
293
27.35 –8.060
y = 39x + 3.18
308
27.13 –8.452
R² = 0.982
323
27.02 –8.852

ΔH°
(kJ/mol)

ΔS°
(kJ/mol ×
K)

–1.164

0.0251

–0.320

0.0264

3.5.6. Một số yếu tố ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ amoni trong
môi trường nước.
Các ion Fe3+, Ca2+ và Mn2+ thường có mặt trong nước ngầm tại
Hà Nội, do đó, chúng được lựa chọn để đánh giá các yếu tố ảnh
hưởng đến khả năng hấp phụ amoni. Kết quả chỉ ra rằng lượng
amoni được hấp phụ lên vật liệu hấp phụ (BioN-Na và BioP-Na)

17


giảm đáng kể khi tăng nồng độ các ion Fe3+, Ca2+ và Mn2+ (Hình
3.26). Điều này có thể được giải thích do ảnh hưởng của lực hút tĩnh
điện giữa bề mặt than và ion NH4+ và sự cạnh tranh giữa Fe3+, Mn2+
hay Ca2+ và ion NH4+ tại các vị trí trao đổi trên bề mặt của than (ví
dụ như -COO- hay -COONa+).

Hình 3.26. Ảnh hưởng của các ion khác đến ảnh hưởng của dung
lượng hấp phụ amoni của than BioN-Na và BioP-Na
3.5.7. Nghiên cứu giải hấp phụ và cơ chế hấp phụ
Để giải thích thêm cơ chế hấp phụ, có thể dùng quá trình giải
hấp phụ, hình 3.27. hiển thị hiệu quả hấp phụ amoni thông qua các
loại chất giải hấp phụ khác nhau.
Phần trăm amoni được giải hấp phụ từ than BioN-Na, BioP-Na
giảm theo thứ tự HCl (43 và 41%) > NaCl (34 và 29%) > NaCl +
NaOH (28 và 23%) > NaOH (22 và 17%).
18

Phần trăm amoni được giải hấp phụ bằng HCl, NaCl là lớn
nhất, kết quả này có liên quan đến lực hút tĩnh điện và trao đổi ion,
có khoảng 41% ion NH4+ được loại bỏ từ dung dịch (đã được hấp
phụ trên than) thông qua cơ chế lực hút tĩnh điện và trao đổi ion.

Hình 3.27. Phần trăm amoni được giải hấp phụ dùng nhiều dung dịch
giải hấp phụ khác nhau

3.6. Khảo sát khả năng xử lý amoni bằng kỹ thuật hấp phụ động
mô phòng thí nghiệm
3.6.1. Hấp phụ cột, quy mô phòng thí nghiệm
3.6.1.1. Ảnh hưởng của lưu lượng nước

Hình 3.28. Đường cong thoát cho sự hấp Hình 3.29. Đường cong thoát của
phụ amoni tại các lưu lượng nước khác amoni tại các lưu lượng nước khác
nhau, than BioN-Na
nhau, than BioP-Na
Kết quả cho thấy thời gian thoát nhanh hơn khi lưu lượng
nước lớn hơn. Thời gian thoát là 3700, 1500 và 1020 phút tương ứng
19


với lưu lượng nước là 1, 2 và 3 ml/phút. Khi lưu lượng dòng vào
tăng cũng làm tăng thời gian bão hòa, thời gian bão hòa đạt 4980
phút, 2700 phút và 1620 phút với lưu lượng nước tương ứng là 1, 2
và 3 ml/phút (than BioN-Na).
Đối với than BioP-Na (hình 3.28), thời gian thoát là 3000,
1100 và 702 phút tương ứng với lưu lượng nước là 1, 2, 3 ml/phút và
thời gian bão hòa tương ứng là 4500 phút, 2100 phút, 1300 phút.
Như vậy, khi lưu lượng nước vào cao hơn, quá trình được kiểm soát

bằng chuyển khối trong để khuếch tán trong cột hấp phụ, thời gian
thoát và thời gian bão hòa đạt sớm hơn tại lưu lượng nước cao và
muộn hơn khi lưu lượng nước vào thấp. Kết quả này cũng đã được
khẳng định bởi tác giả Mashal A. và cộng sự khi nghiên cứu hấp phụ
amoni dùng zeolite tự nhiên và Widiastuti N. và cộng sự trong
nghiên cứu loại bỏ amoni bằng thí nghiệm mẻ và cột hấp phụ bằng
than sinh học được tổng hợp từ tro đáy lò cố
3.6.1.2. Ảnh hưởng của hàm lượng amoni

Hình 3.30. Đường cong thoát của quá Hình 3.31. Đường cong thoát của
trình hấp phụ amoni ở các nồng độ quá trình hấp phụ amoni ở các nồng
amoni đầu vào khác nhau, than BioN- độ amoni đầu vào khác nhau, than
Na
BioP-Na
Đường biểu diễn đường cong thoát quá trình hấp phụ amoni tại các
nồng độ amoni ban đầu khác nhau được thể hiện trên hình 3.30 (BioNNa) và hình 3.31 (BioP-Na). Với than BioN-Na, thời gian thoát đạt được
20


là 1100, 450 và 120 phút khi nồng độ amoni tương ứng là 10, 20 và
40mg/l (than BioP-Na). Trong khi với than BioN-Na, thời gian thoát đạt
được 1500, 650, 500mg/l phút khi nồng độ tương ứng là 10, 20 và
40mgN/l.
Thời gian bão hòa sớm hơn khi nồng độ đầu vào tăng tại cùng
một điều kiện (lưu lượng nước và chiều cao cột than xác định), quá
trình bão hòa sẽ diễn ra nhanh hơn khi nồng độ amoni đầu vào tăng, lý
do là khi tăng nồng độ đầu vào quá trình khuếch tán vào trong các mao
quản của than tăng do tăng gadien nồng độ và làm giảm quá trình
chuyển khối. Sự hấp phụ của amoni vào than nhanh do sự di chuyển
của amoni từ pha lỏng sang pha rắn nhanh khi chênh lệch nồng độ lớn

3.6.1.3. Ảnh hưởng của chiều cao cột
Đường cong thoát miêu tả ảnh hưởng của quá trình hấp phụ
amoni của than BioN-Na, BioP-Na tại các chiều cao cột khác nhau tại
tốc độ dòng vào là 1 ml/phút và nồng độ amoni đầu vào là 10 mg/l
được chỉ ra tại hình 3.32 (than BioN-Na) và hình 3.33(BioP-Na)

Hình 3.32. Đường cong thoát của quá Hình 3.33. Đường cong thoát của
trình hấp phụ amoni ở các chiều cao cột quá trình hấp phụ amoni ở các
khác nhau, than BioN-Na
chiều cao cột khác nhau, than
BioP-Na
Khi chiều cao cột tăng, nồng độ amoni trong dòng ra giảm tại
cùng một thời điểm. Điều này có thể được giải thích rằng khi chiều
21


cao cột tăng sẽ mở rộng vùng chuyển khối và do đó tăng thời gian tiếp
xúc giữa dung dịch amoni và than trong cột. Bên cạnh đó, khi tăng
chiều cao cột lượng than đưa vào cũng tăng, đồng nghĩa với việc tăng
số lượng tâm hấp phụ trên toàn bộ cột, do đó sẽ có nhiều ion NH4+ sẽ
được hấp phụ lên than.
Kết quả trong bảng 3.23 và 3.24 cho thấy, hiệu quả sử dụng cột cao
nhất được tìm thấy ở chế độ vận hành có chiều cao cột là 16,2 cm với
than BioN-Na và 15,8cm khi sử dụng than BioP-Na, tốc độ nước vào cột
là 1 ml/phút và nồng độ amoni đầu vào là 10 mgN/l (BioN-Na). Tại chế
độ này, thời gian tiếp xúc của than với ion NH4+ vẫn cần phải duy trì ở 15
phút đối với cả hai vật liệu hấp phụ là BioN-Na và BioP-Na.
3.6.2. Khảo sát khả năng xử lý amoni bằng kỹ thuật hấp phụ
động (cột hấp phụ qui mô pilot)
Trên cơ sở kết quả của quá trình hấp phụ amoni trên cột ở qui

mô phòng thí nghiệm, hệ hấp phụ trên cột qui mô pilot được tiến
hành nhằm đánh giá sự hao hụt dung lượng hấp phụ khi chuyển đổi
qui mô.
Điều kiện vận hành phù hợp ở chế độ cột qui mô phòng thí
nghiệm tại tốc độ thủy lực là 0,6 m/h (1ml/phút) và thời gian tiếp xúc
cần duy trì ở 15 phút trở nên, do đó trên hệ cột pilot, tốc độ thủy lực
cần lựa chọn trong khoảng 0,4 đến 0,8 m/h để khảo sát tốc độ thủy
lực phù hợp.
Nhằm tận dụng cột hấp phụ sẵn có (chiều cao cột 60cm, đường
kính cột 14cm), khối lượng than và lưu lượng nước vào được lựa
chọn để đạt được thời gian tiếp xúc của nước với than lớn hơn 15
phút.

22


Bảng 3.26. Độ dài tầng chuyển khổi L của than BioN-Na trên hệ
pilot
Nồng độ
Lưu
Chiều Thời gian Thời
Độ dài
Hiệu
amoni đầu lượng cao cột, thoát, tb
gian
tầng suất hấp
vào, Co,
nước,
H
(phút) thoát, ts chuyển phụ cột,

mg/l
ml/phút (cm)
(phút) khối, L η (%)
(cm)
10
115
30,0
8420
11220
7,49
75,04
10
154
30,0
3620
7620
15,75
47,51
10
205
30,0
2420
6020
17,94
40,20
Khi thay đổi tốc độ chảy của dòng nước, thì dung lượng hấp
phụ của than không thay đổi nhiều, nhưng thời gian thoát và thời
gian bão hòa tỷ lệ thuận với tốc độ chảy của nước, nghĩa là tốc độ
càng lớn thì thời gian thoát càng nhanh, cụ thể khi tốc độ tăng từ
115ml/phút đến 205ml/phút thì thời gian thoát giảm từ 8420 phút

xuống 2420 phút. Tương tự thời gian bão hòa tại các tốc độ dòng
chảy 115, 154 và 205ml/phút tương ứng là 11220, 7620, 6020 phút.
Dung lượng hấp phụ cột qui mô pilot đạt từ 6,83 đến 7,05
mg/g, giảm không nhiều so với dung lượng hấp phụ cột đạt được tại
hệ cột qui mô phòng thí nghiệm (10,8 mg/g).
Bảng 3.27. Dung lượng hấp phụ amoni của BioN-Na trên hệ cột
qui mô pilot.
Nồng độ amoni Tốc độ dòng chảy Chiều cao Dung lượng hấp phụ
đầu vào, Co (mg/l)
Q (ml/phut)
cột, h
cột, q
(cm)
(mg/g)
10
115
30,0
6,83
154
30,0
10
7,05
10
205
30,0
7,05
Dung lượng hấp phụ cột của than BioN-Na và BioP-Na ở vào
khoảng từ 8,08 – 10,8mg/g. Khi so sánh với các nghiên cứu khác về
hấp phụ amoni thì dung lượng hấp phụ của than cao hơn so với

23


nghiên cứu hấp phụ amoni của một số vật liệu, nhưng cũng thấp hơn
dung lượng hấp phụ của một số vật liệu khác.
KẾT LUẬN
Luận án đã tập trung nghiên cứu phương pháp chế tạo và
khảo sát tính chất, khả năng hấp phụ amoni trong nước sinh hoạt của
than biến tính từ lõi ngô. Trên cơ sở những kết quả nghiên cứu nhận
được, có thể rút ra một số kết luận chính như sau:


Điều kiện tối ưu để tạo than sinh học biến tính (BioN-Na) là:

nhiệt phân ở nhiệt độ 400oC với thời gian nhiệt phân là 60 phút,
ngâm axit HNO3 6M với tỉ lệ R/L (khối lượng than/thể tích dung
dịch axit, w/v) là 5/1, ngâm NaOH 0,3M (20/1, v/w). Đối với than
hoạt tính biến tính (BioN-Na): lõi ngô ngâm H3PO4 50% (1.5/1, v/w),
sau đó nung tại 400°C trong thời gian 90 phút, và ngâm NaOH 0,3M
(20/1, v/w).


Phân tích nhiệt động học đã chỉ ra điểm nhiệt độ để quá trình tạo

thành than từ lõi ngô xấp xỉ 400°C. Kết quả phân tích FTIR, pHPZC,
và chuẩn độ Boehm đã khẳng định rằng than BioP-Na và BioN-Na
sở hữu các nhóm chức bề mặt chứa oxy. Than BioP-Na và BioP-Na
được xem là vật liệu cacbon mao quan trung bình. Ngoài ra, than
BioP-Na và BioN-Na có hàm lượng ẩm, hàm lượng tro thấp, nhưng
có hàm lượng cacbon cố định cao.

 Quá trình hấp phụ amoni của than chế tạo ở trạng thái tĩnh diễn ra
thuận lợi tại môi trường pH trung tính và kiềm nhẹ, đạt cân bằng sau
60 phút và tuân theo phương trình động học biểu kiến bậc 2. Dung
lượng hấp phụ amoni cực đại đạt 22,6 mg/g đối với than BioN-Na và
16,6 mg/g đối với than BioP-Na. Dung lượng này gấp từ 3-5 lần so
với than không được biến tính có cùng điều kiện nhiệt phân.

24


 Dung lượng hấp phụ amoni trong nước bị giảm khi có mặt các
yếu tố cạnh tranh (Mn, Fe, Ca). Kết quả nghiên cứu giải hấp phụ cho
thấy, quá trình hấp phụ amoni trên vật liệu than biến tính theo cơ chế
trao đổi ion và lực hút tĩnh điện.
 Quá trình hấp phụ N-NH4 của than chế tạo trên mô hình dạng cột
bị ảnh hưởng bởi nồng độ amoni đầu vào, chiều cao cột và tốc độ
dòng chảy. Đã xác định thời gian thoát dài nhất là 3700 phút đối với
than BioN-Na và 3000 phút với BioP-Na khi vận hành tại lưu lượng
Q = 1 ml/phút, nồng độ amoni đầu vào 10 mgN/l. Đã xác định được
dung lượng hấp phụ cột ở qui mô phòng thí nghiệm của than BioNNa là 10,8 mg/g và của than BioP-Na và 7,8 mg/g.
 Đã thử nghiệm mô hình hấp phụ dạng cột qui mô pilot đối với
than BioN-Na. Ở qui mô này (Q=154 – 205ml/phút, nồng độ amoni
đầu vào 10 mgN/l), dung lượng hấp phụ của than là 7,05 mg/g. Điều
này mở ra khả năng ứng dụng than sinh học từ lõi ngô để xử lý
amoni trong nước sinh hoạt tại Việt Nam.

25