Nghiên cứu xử lý amoni (NH4+ N) trong nước bị ô nhiễm bằng than sinh học biến tính sản xuất từ phế phụ phẩm nông nghiệp (tt)

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC

BÁO CÁO TÓM TẮT
ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP ĐẠI HỌC

NGHIÊN CỨU XỬ LÝ AMONI (NH4+-N) TRONG NƢỚC BỊ
Ô NHIỄM BẰNG THAN SINH HỌC BIẾN TÍNH SẢN XUẤT
TỪ PHẾ PHỤ PHẨM NÔNG NGHIỆP

Mã số: ĐH2017 - TN06 - 05

Chủ nhiệm đề tài: TS. Văn Hữu Tập

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC

Thái Nguyên, 2/2019


ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
DANH SÁCH NHỮNG
THÀNH
VIÊN
THAM
GIAHỌC
ĐỀ TÀI VÀ ĐƠN VỊ
TRƢỜNG
ĐẠI
HỌC
KHOA

PHỐI HỢP
I. Những thành viên tham gia nghiên cứu đề tài
TT

1

Họ và tên

Đơn vị công tác
Nội dung nghiên cứu cụ thể đƣợc Chữ
và lĩnh vực
giao
ký
chuyên môn

Giảng viênBÁO
khoa CÁO TÓM TẮT
Tài Nguyên và - Theo dõi và quan trắc thí nghiệm
ĐỀ
TÀI
KHOA HỌC
VÀ CÔNG NGHỆ CẤP ĐẠI HỌC
TS. Kiều Môi
trƣờng, hấp phụ của than sinh học.
Quốc Lập
Trƣờng Đại học - Viết báo cáo đánh giá khả năng
Khoa học - Đại hấp phụ của than sinh học.
học Thái Nguyên

Giảng viên khoa - Lên kế hoạch thiết kế thí nghiệm.

+
NGHIÊN
CỨU
XỬ
LÝ
(NH
-N)
TRONG
NƢỚC BỊ
Tài Nguyên
vàAMONI
- Thiết kế
bố trí
thí nghiệm
cột hấp
4
ThS.
Môi
trƣờng, phụ tại PTN.
2 ÔNguyễn
NHIỄM BẰNG
THAN
HỌC BIẾN TÍNH SẢN XUẤT
Trƣờng Đại học SINH
- Viết báo cáo tổng hợp Phân tích,
Thu Huyền
Khoa học - Đại đánh giá khả năng hấp phụ của than
TỪ
PHẾ
PHỤ PHẨM NÔNG NGHIỆP

học Thái
Nguyên
sinh học

3

ThS.
Nguyễn
Thị Tuyết

Giảng viên khoa - Chuẩn bị nƣớc chứa amoni cho
Tài Nguyên và thí nghiệm.
Môi
trƣờng, - Theo dõi thí nghiệm.
Trƣờng Đại học - Phân tích hàm lƣợng amoni trong
Khoa học - Đại dung dịch hấp phụ của các thí
học Thái
Nguyên
Mã
số: ĐH2017
nghiệm.- TN06 - 05

II. Đơn vị phối hợp chính
Tên đơn vị trong và Nội dung
ngoài nƣớc
nghiên cứu
Viện Công nghệ Môi
trƣờng – Viện Hàn lâm
Khoa học và Công nghệ
Việt Nam

phối

hợp

Họ và tên ngƣời đại diện

Chủ nhiệm đề tài
Triển khai phân tích thành
phần hóa học, cấu trúc
PGS.TS. Trịnh Văn Tuyên
mẫu than sinh học biến
tính sản xuất từ lõi ngô
TS. Văn Hữu Tập

Thái Nguyên, 2/2019

THÁI NGUYÊN, 2018


DANH SÁCH NHỮNG THÀNH VIÊN THAM GIA ĐỀ TÀI
VÀ ĐƠN VỊ PHỐI HỢP THỰC HIỆN
I. Những thành viên tham gia nghiên cứu đề tài
Đơn vị công tác và
Nội dung nghiên cứu cụ thể
lĩnh vực chuyên
đƣợc giao
môn

TT Họ và tên

1

- Theo dõi và quan trắc thí
Giảng viên khoa
nghiệm hấp phụ của than sinh
Tài Nguyên và Môi
học.
trƣờng, Trƣờng Đại
- Viết báo cáo đánh giá khả
học Khoa học - Đại
năng hấp phụ của than sinh
học Thái Nguyên
học.

TS. Kiều Quốc Lập

- Lên kế hoạch thiết kế thí
Giảng viên khoa nghiệm.
Tài Nguyên và Môi - Thiết kế bố trí thí nghiệm cột
2

ThS. Nguyễn Thu Huyền

trƣờng, Trƣờng Đại hấp phụ tại PTN.
học Khoa học - Đại - Viết báo cáo tổng hợp Phân
học Thái Nguyên
tích, đánh giá khả năng hấp phụ
của than sinh học
- Chuẩn bị nƣớc chứa amoni

3

ThS. Nguyễn Thị Tuyết

Giảng viên khoa
Tài Nguyên và Môi
trƣờng, Trƣờng Đại
học Khoa học - Đại
học Thái Nguyên

cho thí nghiệm.
- Theo dõi thí nghiệm.
- Phân tích hàm lƣợng amoni
trong dung dịch hấp phụ của
các thí nghiệm.

II. Đơn vị phối hợp chính
Tên đơn vị trong và Nội dung
ngoài nƣớc
nghiên cứu
Viện Công nghệ Môi
trƣờng – Viện Hàn lâm
Khoa học và Công nghệ
Việt Nam

phối

hợp

Họ và tên ngƣời đại diện

Triển khai phân tích thành
phần hóa học, cấu trúc
PGS.TS. Trịnh Văn Tuyên
mẫu than sinh học biến
tính sản xuất từ lõi ngô


i

MỤC LỤC
MỞ ĐẦU ................................................................................................................................... 1
1. Tính cấp thiết của đề tài .......................................................................................................... 1
2. Mục tiêu nghiên cứu ............................................................................................................... 1
CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU ........................................................... 1
1.1. Tình hình ô nhiễm môi trƣờng nƣớc ở Việt Nam ................................................................ 1
1.2. Tình hình nƣớc ngầm bị ô nhiễm amoni .............................................................................. 1
1.3. Các phƣơng pháp xử lý amoni trong nguồn nƣớc ô nhiễm ................................................. 2
1.4. Một số kết quả nghiên cứu hấp phụ amoni trong nguồn nƣớc ô nhiễm .............................. 2
CHƢƠNG 2. ĐỐI TƢỢNG VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU .......................................... 2
2.1. Đối tƣợng ............................................................................................................................. 2
2.2. Nội dung nghiên cứu ............................................................................................................ 2
2.3. Phƣơng pháp ........................................................................................................................ 2
2.2.1. Phƣơng pháp chế tạo than sinh học từ lõi ngô và biến tính than sinh học ........................ 2
2.2.2. Phƣơng pháp thực nghiệm. ............................................................................................... 3
2.2.3. Phƣơng pháp phân tích ..................................................................................................... 4
2.2.4. Phƣơng pháp tính toán kết quả và xử lý số liệu ................................................................ 4
CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN.................................................... 4
3.1. Đánh giá nguồn nguyên liệu hấp phụ amoni từ than sinh học ............................................. 4

3.2. Đặc điểm của than sinh học từ lõi ngô và than sinh học biến tính ...................................... 6
3.3. Thí nghiệm hấp phụ tĩnh ...................................................................................................... 6
3.3.1. Ảnh hƣởng của tỉ lệ biến tính than sinh học đến hiệu quả hấp phụ amoni ....................... 6
3.3.2. Ảnh hƣởng của pH đến hiệu quả hấp phụ amoni bởi than sinh học từ lõi ngô................. 8
3.4. Hấp phụ động ........................................................................................................................ 8
3.4.1. Ảnh hƣởng của nồng độ amoni đến quá trình hấp phụ bằng than biến tính ........................... 8
3.4.2. Ảnh hƣởng của tốc độ bơm đến hiệu quả xử lý amoni bằng than biến tính ..................... 9
3.4.3. Ảnh hƣởng của chiều cao lớp vật liệu hấp phụ đến hiệu quả xử lý amoni bằng than
hoạt tính biến tính ..................................................................................................................... 10
3.5. Động học hấp phụ amoni ................................................................................................... 11
3.6. So sánh khả năng hấp phụ của than sinh học biến tính.................................................... 113


ii

3.7. Nghiên cứu điều kiện hoàn nguyên vật liệu hấp phụ ....................................................... 114
KẾT LUẬN............................................................................................................................... 14


iii

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 3.1. Đặc tính hóa học của BCC và MBCC

5

Bảng 3.2. Ảnh hƣởng của nồng độ HNO3 đến khả năng hấp phụ amoni

6

của MBCC1
Bảng 3.3. Ảnh hƣởng của tỷ lệ ngâm tẩm giữa BCC và HNO3

6

Bảng 3.4 Ảnh hƣởng của sự thay đổi nồng độ NaOH đến khả năng hấp phụ của
MBCC2

7

Bảng 3.5. Khả năng hấp phụ amoni của các than sinh học lõi ngô biến tính

7

Bảng 3.6. Các phƣơng trình động học Thomas, Yoon - Nelson và Bohart-Adam
trong quá trình hấp phụ amoni bằng MBCC

12

Bảng 3.7. Các tham số các mô hình động học hấp phụ trong quá trình hấp phụ amoni 12
bằng MBCC
Bảng 3.8. Độ dài tầng chuyển khối tại các điều kiện khác nhau

13


iv

DANH MỤC CÁC HÌNH
Hình 3.1. Phân tích phổ hấp phụ FTIR của BCC (đƣờng mày đỏ), MBCC1 (đƣờng

màu xanh) và MBCC2 (đƣờng màu tím)

5

Hình 3.2. Ảnh SEM của: a) BCC; b) MBCC2

5

Hình 3.3. Ảnh hƣởng của pH đến dung lƣợng hấp phụ amoni của MBCC2 với nồng
độ amoni ban đầu 10mg/l, 20mg/l, hàm lƣợng MBCC2 0 là 5g/250ml

5

Hình 3.4. Đồ thị biểu diễn ảnh hƣởng của nồng độ amoni đến đƣờng cong thoát
trong mô hình hấp phụ động
Hình 3.5. Đồ thị biểu diễn ảnh hƣởng của tốc độ bơm đến đƣờng cong thoát trong
mô hình hấp phụ động

9

Hình 3.6. Đồ thị biểu diễn ảnh hƣởng của chiều cao lớp vật liệu hấp phụ đến đƣờng
cong thoát trong mô hình hấp phụ động

10

Hình 3.7. Khả năng phục hồi của MBCC bão hòa sau khi hấp phụ amoni

14

10

v

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

BCC

Than sinh học lõi ngô

BTNMT

Bộ Tài nguyên Môi trƣờng

BYT

Bộ Y tế

Co

Nồng độ amoni ban đầu

Ct

Nồng độ amoni dƣ sau thí nghiệm tại thời điểm t

MBCC

Than sinh học biến tính

KTH

Hệ số tốc độ Thomas

KYN

Hệ số tốc độ Yoon-Nelson

KAB

Hệ số tốc độ Bohart-Adam

Q

Tốc độ dòng chảy

qe

Dung lƣợng hấp phụ

QCQG

Quy chuẩn quốc gia

QCVN

Quy chuẩn Việt Nam

R2

Hệ số tƣơng quan

TDS

Tổng chất rắn hòa tan

VSV

Vi sinh vật

H

Chiều cao cột hấp phụ

τ

Thời gian để hấp phụ 50% chất bị hấp phụ


1

MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Theo quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về chất lƣợng nƣớc sinh hoạt QCVN
02:2009/BYT, hàm lƣợng amoni trong nƣớc sinh hoạt đạt chuẩn khi có hàm lƣợng amoni
3.0 mg/l. Trên thực tế, kết quả phân tích các mẫu nƣớc sinh hoạt ở nhiều nơi đều vƣợt quá
chỉ tiêu cho phép, nhiều nơi cao từ 20 đến 30 lần. Mức độ ô nhiễm tăng trong khi các tác
nhân nhiễm bẩn chƣa đƣợc ngăn chặn hiệu quả. Các phƣơng pháp xử lý amoni phổ biến
hiện nay là tháp tripping, trao đổi ion, nitrat hóa – khử, kết tủa hóa học, điện hóa. Trong
những năm gần đây, hấp phụ là công nghệ đƣợc ƣa chuộng hơn để xử lý amoni trong nƣớc

do dễ hoạt động và chi phí thấp. Việt Nam là một nƣớc nông nghiệp, hàng năm chất thải
nông nghiệp sản xuất ra ngày càng tăng. Theo báo cáo môi trƣờng Việt Nam năm 2015.
Tổng lƣợng chất thải rắn nông thôn là 9,7 triệu tấn, chiếm 39,6% tổng lƣợng chất thải rắn
Việt Nam. Việc tận dụng phế phụ phẩm nông nghiệp, trong đó có lõi ngỗ, để biến nó thành
một loại vật liệu có giá trị mang lại lợi ích kinh tế và môi trƣờng sẽ là một hƣớng đi phù
hợp. Lõi ngô đƣợc hoạt hóa làm tăng độ xốp tại nhiệt độ cao, loại bỏ các thành phần dễ
phân hủy sinh học, tạo ra sản phẩm có độ bền cơ học tốt hơn, diện tích bề mặt mao quản
hớn hơn rất phù hợp để hấp phụ các chất độc trong nƣớc thải. Vì vậy, nghiên cứu tận dụng
phế phụ phẩm nông nghiệp để sản xuất than sinh học biến tính và sử dụng để hấp phụ
amoni trong nƣớc bị ô nhiễm đƣợc thực hiện trong đề tài đề ra.
2. Mục tiêu nghiên cứu
Mục tiêu của đề tài là nghiên cứu xử lý amoni trong nƣớc ô nhiễm thông qua việc sử
dụng than sinh học biến tính sản xuất từ phế phụ phẩm nông nghiệp (trực tiếp từ lõi ngô),
trong đó nguyên liệu đƣợc lựa chọn phải đáp ứng các tiêu chí: sẵn có, thuận lợi cho sản
xuất than sinh học biến tính và giá rẻ.
Mục tiêu cụ thể:
- Tạo ra đƣợc than sinh học từ phế phụ phẩm nông nghiệp từ lõi ngô và biến tính để
tăng cƣờng khả năng hấp phụ amoni.
- Nghiên cứu xử lý có hiệu quả amoni trong môi trƣờng nƣớc bằng than sinh học
biến tính sản xuất từ lõi ngô trên mô hình cột hấp phụ.
CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
1.1. Tình hình ô nhiễm môi trƣờng nƣớc ở Việt Nam
1.1.1. Tình hình ô nhiễm nguồn nước mặt
1.1.2. Tình hình ô nhiễm nước ngầm
1.2. Tình hình nƣớc ngầm bị ô nhiễm amoni
u n

n

m amoni

1.2.2. Hiện trạng ngu n nước bị ô nhi m amoni ở Việt Nam
1.2.3. Ản

ưởng của ô nhi m amoni trong ngu n nước đối với sức khỏe con n ười


2

1.3. Các phƣơng pháp xử lý amoni trong nguồn nƣớc ô nhiễm
- Phƣơng pháp sinh học bao gồm: Quá trình nitrat hóa và khử nitrat hóa; Quá trình
anamox, sharon/annamox.
- Phƣơng pháp làm thoáng để khử amoni ở môi trƣờng pH cao (pH=10,11).
- Clo hóa với nồng độ cao hơn điểm đột biến
- Phƣơng pháp ozon hóa với xúc tác bromua
- Phƣơng pháp trao đổi ion
- Phƣơng pháp hấp phụ
1.4. Một số kết quả nghiên cứu hấp phụ amoni trong nguồn nƣớc ô nhiễm
1.4.1. Thế giới
1.4.2. Việt Nam
CHƢƠNG 2. ĐỐI TƢỢNG VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
2.1. Đối tƣợng
- Amoni
Dung dịch chứa amoni tự pha từ dung dịch gốc 1,0 g/l NH4+ - N bằng cách hòa tan
chính xác 3,819 g NH4Cl (độ tinh khiết > 99,5%, sấy khô ở nhiệt độ 105oC trong 2 giờ) và
pha loãng đến 1000 ml bằng nƣớc cất. Từ đó, điều chỉnh nồng độ đến các dải nồng độ cần
cho thí nghiệm để thực hiện các chế độ làm việc.
- Vật liệu hấp phụ
Than sinh học từ lõi ngô và than sinh học biến tính. Lõi ngô đƣợc sử dụng để chế tạo vật
liệu hấp phụ. Lõi ngô đƣợc thu gom tại huyện Đà Bắc, tỉnh Hoà Bình. Độ ẩm và hàm

lƣợng tro trung bình của lõi ngô lần lƣợt là 15,71% và 8,81%.
2.2. Nội dung nghiên cứu
- Nội dung 1: Tạo vật liệu hấp phụ bằng than sinh học biến tính sản xuất từ lõi ngô.
Nghiên cứu các đặc tính của vật liệu.
- Nội dung 2: Nghiên cứu khả năng hấp phụ amoni của than sinh học sản xuất từ
lõi ngô.
+ Nội dung 2.1: Nghiên cứu ảnh hƣởng của tốc độ dòng vào cột chứa than sinh học
và than sinh học biến tính từ lõi ngô đến khả năng hấp phụ amoni.
+ Nội dung 2.2: Nghiên cứu ảnh hƣởng của nồng độ amoni đầu trên cột chứa than
sinh học và than sinh học biến tính từ lõi ngô đến hiệu quả xử lý.
+ Nội dung 2.3: Nghiên cứu ảnh hƣởng của chiều cao cột hấp phụ đến hiệu quả xử
lý amoni bằng than sinh học biến tính từ lõi ngô.
Kết quả thu đƣợc phải đánh giá đƣơc dung lƣợng hấp phụ amoni của than sinh học
biến tính từ lõi ngô.
2.3. Phƣơng pháp
2.2. P ươn p áp chế tạo than sinh học từ lõi ngô và biến tính than sinh học
a. Phương pháp chế tạo than sinh học từ lõi ngô


3

Than sinh học từ lõi ngô (BBC) đƣợc chế tạo từ quá trình nhiệt phân lõi ngô trong
điều kiện không khí không lƣu thông theo các bƣớc sau:
- Bƣớc 1: Lõi ngô đƣợc rửa bằng nƣớc máy ba lần và sấy khô trong lò ở 100oC
trong 24h để loại bỏ hoàn toàn độ ẩm.
- Bƣớc 2: Nghiền nhỏ lõi ngô, dùng rây để thu đƣợc lõi ngô có kích thƣớc 0,5 mm 2 mm.
- Bƣớc 3: Nhồi chặt vào cốc sứ có nắp.
- Bƣớc 4: Nhiệt phân chậm lõi ngô ở 400oC trong 1h trong lò với tốc độc gia nhiệt
15°C/phút (Nabertherm, model L3/1/B170, Đức).
b. Phương pháp chế tạo than sinh học biến tính (MBBC)

Than sinh học từ lõi ngô đƣợc sử dụng để tiến hành thực hiện khảo sát các thí
nghiệm biến tính với các nồng độ HNO3, NaOH khác nhau, các tỷ lệ ngâm tẩm về thể
tích/khối lƣợng của HNO3, NaOH và BCC khác nhau nhằm tìm ra điều kiện biến tính tối
ƣu. Các thí nghiệm tiếp theo với điều kiện tối ƣu biến tính than sinh học từ lõi ngô nhƣ sau:
BCC sẽ đƣợc ngâm trong HNO3 6M với tỷ lệ BBC/HNO3 là 1:5 (trọng lƣợng/thể tích) thu
đƣợc than biến tính 1 (MBCC1). MBCC1 tiếp tục đƣợc biến tính bằng dịch NaOH 0,3M
với tỷ lệ ngâm là 20:1 (thể tích/trọng lƣợng) của NaOH thu đƣợc than sinh học biến tính
(MBCC2)
2.2.2. Phƣơng pháp thực nghiệm.
a. Thí nghiệm hấp phụ tĩnh
- Xác định pH tối ƣu: Thay đổi pH từ 2 -11; Cân 0,5g MBCC2 cho vào bình tam
giác chứa 250 ml dung dịch amoni (nồng độ ban đầu Co = 10 mg/l, 20 mg/l) và lắc trên
máy lắc với tốc độ quay 120 vòng/phút, ở nhiệt độ phòng (25 ± 1oC). Xác định nồng độ
amoni dƣ trong dung dịch bằng phƣơng pháp so màu UV-VIS (model: UV-752, USA) tại
λ= 640 nm.
- Xác định điều kiện tối ƣu về tỷ lệ biến tính than sinh học: nồng độ HNO3 dùng
biến tính là 2M, 4M, 6M và 8M. Tỷ lệ biến tính về khối lƣợng BCC/thể tích HNO3 thay
đổi là 1:1; 1:3; 1:5; 1:7 và sự thay đổi nồng độ NaOH là 0,1 M; 0,3M và 0,5M.
a. Thí nghiệm hấp phụ động
- Thiết kế cột hấp phụ: Cột hấp phụ đƣợc thiết kế bằng thủy tinh có đƣờng kính
trong 1,5 cm và chiều cao 50 cm. Vật liệu hấp phụ MBCC đƣợc nhồi vào cột. Bơm định
lƣợng đƣợc sử dụng để bơm dung dịch amoni chạy qua cột hấp phụ Hoạt động của cột cố
định đƣợc dừng lại khi nồng độ amoni thải ra vƣợt quá giá trị 99% nồng độ amoni ban đầu.
- Nghiên cứu các chế độ thí nghiệm: Ảnh hƣởng của nồng độ đầu vào, tốc độ
bơm, chiều cao lớp vật liệu hấp phụ (MBCC).
c. Thí nghiệm hoàn nguyên vật liệu hấp phụ (MBCC)
Hoàn nguyên vật liệu hấp phụ bằng dung dịch NaCl (0,171 M) và hỗn hợp NaCl
(0,171M) + NaOH (0,05M) với tỷ lệ NaCl/NaOH là 5:1 (trọng lƣợng/trọng lƣợng). MBCC
hoàn nguyên đƣợc sử dụng đế tái hấp phụ amoni với chế độ hấp phụ tĩnh 0,5 g MBCC/250

4

ml dung dịch amoni có nồng độ 20 mg/l NH4+ - N trong 60 phút. Chu kỳ hấp phụ đầu tiên,
MBCC đƣợc thu hồi bằng việc sử dụng 250 ml NaCl 0,171 M để giải phóng amoni trong
120 phút. Sau đó, MBCC đƣợc rửa sạch bằng nƣớc cất để loại bỏ tất cả NaCl còn dƣ và
đƣợc sấy khô liên tục ở 105oC trong 2 giờ trƣớc khi thực hiện hấp phụ lần 2 của MBCC
với amoni. Lặp lại quá trình tƣơng tự cho lần hấp thụ lần thứ ba. Quy trình phục hồi
MBCC bằng cách sử dụng hỗn hợp NaCl + NaOH đƣợc thực hiện với các bƣớc nhƣ mô tả
ở trên với 250 ml hỗn hợp NaCl và NaOH thay cho NaCl.
3 P ươn p áp p

n tíc

Các đặc tính kết cấu (diện tích bề mặt và độ xốp) của mẫu đƣợc xác định bằng
đƣờng đẳng nhiệt hấp phụ - khử hấp phụ N2 tại 77 K (ASAP-200, Micromeritics). Diện
tích bề mặt cụ thể đƣợc tính toán từ phƣơng trình đẳng nhiệt Brunauer-Emmett-Teller
(BET). Ảnh SEM đƣợc ghi lại bằng kính hiển vi điện tử quét S - 4800 (FE-SEM, Hitachi).
Các nhóm chức năng bề mặt trên mẫu đƣợc nghiên cứu sử dụng máy quang phổ biến đổi
hồng ngoại (FTIR, NEXUS 670, Nicolet, USA). Hàm lƣợng amoni đƣợc xác định thông
qua phƣơng pháp so mầu bằng thuốc thử nessler trên máy so màu UV-VIS (model: UV752, USA) tại λ= 640nm tại phòng thí nghiệm Khoa Tài nguyên và Môi trƣờng, trƣờng Đại
học Khoa học, Đại học Thái Nguyên.
2.2.4 P ươn p áp tín toán kết quả và xử lý số liệu
Tính toán lƣợng than sinh học sản xuất từ lõi ngô. Với tỷ lệ nguyên liệu và thành
phẩm là 3:1 sẽ xác định đƣợc lƣợng than sinh học sản xuất. Dựa trên các số liệu thu thập
đƣợc từ thực nghiệm sẽ đƣợc xử lý thống kê bằng phần mềm Microsoft Excell tính toán cụ
thể để đƣa ra kết luận chính xác, hợp lý. Các dữ liệu đƣợc tính toán gồm: Dung lƣợng hấp
phụ tĩnh, dung lƣợng hấp phụ động, độ dài tầng chuyển khối. Sử dụng các mô hình trong
quá trình đánh giá kết quả: Mô hình Thomas, mô hình Yoon – Nelson, mô hình Bohart –
Adam.

CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN
3.1. Đánh giá nguồn nguyên liệu hấp phụ amoni từ than sinh học
Các chất hữu cơ thải ra trong quá trình trồng trọt và chế biến nông sản nhƣ vỏ trấu,
vỏ cà phê, vỏ dừa, mụn dừa, vỏ đậu phộng, bã mía, vỏ hạt điều, lá cao su đến rác thải hữu cơ
đô thị và các loại rác hữu cơ khác có thể đƣợc sử dụng để sản xuất than sinh học. Việt Nam
là nƣớc đứng thứ 3 trong khu vực Đông Nam Á, giàu tiềm năng sinh khối từ nông nghiệp
gồm có các nguồn sinh khối từ các sản phẩm của lúa, ngô, mía, sắn, cà phê,…Theo số liệu
năm 2011, mỗi năm Việt Nam sản xuất khoảng 42 triệu tấn lúa, 4,6 triệu tấn ngô, 10 triệu
tấn sắn, 1,1 triệu tấn cà phê,… Bình quân mỗi năm chúng ta có thể khai thác đƣợc khoảng
50 triệu tấn phế phụ phẩm từ những cây trồng chủ lực này. Nhƣ vậy có thể thấy rằng nguồn
sinh khối từ cây ngô rất dồi dào và chỉ đứng sau sản xuất lúa và sắn.
3.2. Đặc điểm của than sinh học từ lõi ngô và than sinh học biến tính
Một số đặc tính hóa học của than sinh học lõi ngô và than sinh học lõi ngô biến tính
(BCC, MBCC1 và MBCC2) đƣợc thể hiện ở bảng 3.2.


5

Bản 3.1 Đặc tín

óa ọc của BCC và MBCC

Đơn vị

BCC

MBCC1

MBCC2

-

5,3±0,213

6,9±0,388

4,6±0,179

Nhóm Cacboxylic

mmol/g

0,6194±0,0031

1,3682±0,046

0,8715±0,049

Nhóm Lactonic

mmol/g

1,479±0,026

2,745±0,135

1,864±0,102

Nhóm axit

mmol/g

2,584±0,091

4,298±0,280

3,466±0,192

Thông số
Điểm đẳng điện

Kết quả cho thấy số lƣợng nhóm chức năng cacboxylic và lactonic trong Kết quả
cho thấy số lƣợng nhóm chức cacboxylic và lactonic trong MBCC1 tăng xấp xỉ gấp đôi so
với BCC. Các nhóm chức có tính axit khác trong MBCC1 đã tăng đáng kể so với BCC.
Điểm đăng điện (pHpzc) của vật liệu tăng từ 5,3 ở BCC lên 6,9 đối với MBCC1. Tƣơng tự,
MBCC2 cũng chứa nhiều nhóm cacboxylic, lactonic và axit hơn BCC. Tuy nhiên, MBCC2
lại ít nhóm chức hơn so với MBCC1.
Các nhóm chức trên bề mặt của BBC, MBCC1 và MBCC2 đƣợc thể hiện hình 3.1
thông qua kết quả phân tích FTIR. Các bƣớc sóng phổ hấp thụ dao động từ 400 đến 4.000
cm-1. Có thể thấy các nhóm hấp phụ O - H và C = C của BCC tồn tại ở các đỉnh bƣớc sóng
3.433 cm-1 và 1.620 cm-1 tƣơng ứng. Tƣơng tự, các nhóm O - H và C = C cũng xuất hiện
trong MBCC1 và MBCC2 ở đỉnh bƣớc sóng 3.430 cm-1 và 1.622 – 1.624 cm-1 tƣơng ứng.
Ngoài ra, quá trình biến tính của than sinh học cũng tạo ra nhóm C = O tại các các đỉnh
1.702 – 1.707 cm-1 trong MBCC1 và MBCC2. Tuy nhiên, cƣờng độ hấp thụ của nhóm OH trong MBCC1 và MBCC2 cao hơn so với BCC. Cƣờng độ hấp thụ của các nhóm O-H và
C=O của MBCC2 thấp hơn so với MBCC1. Điều này có thể do phản ứng giữa nhóm O-H
trong axit cacboxylic và NaOH.
Kết quả phân tích diện tích bề mặt (BET) cũng chỉ ra rằng cấu trúc của MBCC có
sự gia tăng khối lƣợng lỗ rỗng trung bình từ 0,39 m3/g (BCC) lên 0,61 m3/g. Ngƣợc lại,
diện tích bề mặt SBET giảm đáng kể từ 0,959 m2/g (BCC) xuống 0,051 m2/g (MBCC). Kết
quả này cũng phù hợp với ảnh SEM thu đƣợc (hình 3.2 a và 3.2b) với hình thái bề mặt của

BCC có nhiều lỗ rỗng kích thƣớc nhỏ, trong khi MBCC2 có nhiều kích thƣớc lỗ rỗng lớn
hơn


6

Hìn 3 P n tíc p ổ
ấp p ụ FTIR

Hình 3.2. Ản SEM của a) BCC; b) MBCC2

3.3. Thí nghiệm hấp phụ tĩnh
3.3.1. Ản

ưởng của tỉ lệ biến tính than sinh học đến hiệu quả hấp phụ amoni

a. Ảnh hưởng của nồng độ HNO3 trong biến tính than sinh học lõi ngô đến khả năng hấp
phụ amoni
Bảng 3.2. Ản

ưởng của n n độ HNO3 đến khả năn

ấp phụ amoni

của MBCC1
Co (mg/l)

Dung lƣợng hấp phụ (mg/g)
MBCC1 (2M)

MBCC1 (4M)

MBCC1 (6M)

MBCC1 (8M)

20

2,28±0,032

3,52±0,166

7,67±0,0528

7,07±0,275

40

3,48±0,229

5,58±0,469

12,05±1,026

11,90±1,069

60

8,70±0,389

11,67±0,822

13,64±1,405

11,94±0,528

Ghi chú: Co: Nồng độ amoni ban đầu; MBCC1: Than sinh học biến tính với sự thay đổi
nồng độ HNO3
Từ bảng 3.2 cho thấy khả năng hấp phụ của MBCC1 đƣợc cải thiện bằng việc sử
dụng HNO3 để biến tính và nồng độ HNO3 có ảnh hƣởng mạnh đến MBCC1. Nồng độ
HNO3 2M và 4M không đủ để tạo ra các nhóm chức bề mặt hoạt động cao. Tại Co = 60
mg/l, lƣợng NH4+ cao nhất mà MBCC1 hấp phụ chỉ đạt 11,67 mg/g. Lƣợng NH4+ hấp phụ
bởi MBCC1 đạt giá trị cao nhất là 13,64 mg/g trong trƣờng hợp than sinh học lõi ngô đƣợc
biến tính bằng HNO3 6M. Sự cải thiện này có thể đƣợc giải thích bằng tăng các nhóm chức
hoạt động. Chúng bao gồm các nhóm cacboxylic, lactonic và axit để hấp thụ NH4+ - N.
Ngƣợc lại, việc tăng nồng độ HNO3 từ 6M lên 8M không cải thiện khả năng hấp phụ của
MBCC1. Sự gia tăng này thậm chí còn dẫn đến suy giảm khả năng hấp phụ ở tất cả các
nồng độ amoni ban đầu. Hiện tƣợng này có thể đƣợc giải thích nhƣ sau: Khi nồng độ
HNO3 quá cao, quá trình oxy hóa đủ mạnh để phá vỡ một phần cấu trúc của than sinh học
lõi ngô và làm giảm hiệu quả hấp phụ. Do đó, nồng độ biến tính HNO 3 6M đƣợc chọn
trong các thí nghiệm tiếp theo.
b. Ảnh hưởng của tỷ lệ biến tính giữa BCC và HNO3
Bản 3 3. Ản
Co (mg/l)

ưởn của tỷ lệ n m tẩm

ữa BCC và HNO3

Dung lƣợng hấp phụ (mg/g)

MBCC1 (1:1)

MBCC1 (1:3)

MBCC1 (1:5)

MBCC1 (1:7)

20

2,33±0,066

2,41±0,093

3,04±0,189

2,98±0,075

40

4,92±0,212

5,01±0,346

7,67±0,154

6,00±0,137

60

7,61±0,297

7,74±0,251

12,05±0,774

12,02±0,026

Ghi chú: Co: Nồng độ amoni ban đầu; MBCC1: Than sinh học biến tính với các tỷ lệ ngâm
tẩm BCC với HNO3 khác nhau


7

Từ bảng 3.3 cho thấy, khi tăng tỷ lệ biến tính từ 1:1 lên 1:5 (khối lƣợng/thể tích),
khả năng hấp phụ của amoni tăng tƣơng ứng ở tất cả nồng độ đầu vào đƣợc nghiên cứu.
Tại tỷ lệ biến tính (tỉ lệ ngâm) 1:5 thì dung lƣợng hấp phụ đạt giá trị cao nhất. Tuy nhiên,
giá trị này đã giảm nhẹ khi tỷ lệ này tăng lên 1:7. Nhƣ vậy, tỷ lệ HNO3 6M và biến tính 1:5
đƣợc chọn sử dụng trong các thí nghiệm tiếp theo.
c. Ảnh hưởng của nồng độ NaOH trong biến tính than sinh học lõi ngô
Bản 3 4 Ản

ưởn của sự t a đổ n n độ aOH đến k ả năn

ấp p ụ

của MBCC
Dung lƣợng hấp phụ (mg/g)
Co (mg/l)

MBCC2

MBCC2
(NaOH 0,1M)

(NaOH 0,3M)

MBCC2
(NaOH 0,5M)

10

2,47±0,131

3,04±0,057

3,42±0,252

20

4,93±0,165

7,67±0,428

7,45±0,359

40

8,26±0,361

12,05±0,811

11,86±0,802

Ghi chú: Co: Nồng độ amoni ban đầu; MBCC2: Than sinh học biến tính với các tỷ lệ ngâm
tẩm MBCC1 với nồng độ NaOH khác nhau
Từ bảng 3.4 cho thấy khi nồng độ NaOH đƣợc thay đổi từ 0,1M đến 0,3M, khả
năng hấp phụ amoni của MBCC2 tăng lên. Tuy nhiên, khả năng hấp phụ này giảm nhẹ khi
nồng độ NaOH vƣợt quá 0,3M. Nguyên nhân có thể cũng tƣơng tự nhƣ những gì xảy ra khi
nồng độ HNO3 tăng từ 6M lên 8M. Do đó, nồng độ NaOH là 0,3M đƣợc chọn là nồng độ
tối ƣu để biến tính MBCC1.
d. Khả năng hấp phụ amoni của BCC, MBCC1, MBCC2
Bảng 3.5. Khả năn

ấp phụ amoni của BCC, MBCC1, MBCC2
Dung lƣợng hấp phụ (mg/g)

Co
(mg/l)

BCC

MBCC1

MBCC2

20

2,45±0,084

2,60±0,042

3,52±0,140

40

2,95±0,136

4,00±0,072

5,58±0,361

60

3,50±0,086

8,60±0,611

11,67±0,801

Kết quả trên cho thấy than sinh học lõi ngô đều có khả năng hấp phụ amoni. Tuy
nhiên, dung lƣợng hấp phụ BCC là nhỏ (dƣới 3,5 mg/g) và khả năng hấp phụ của BCC có
thể đƣợc cải thiện khi biến tính bởi HNO3 và NaOH, đặc biệt là đối với nƣớc có nồng độ
NH4+ cao. Dung lƣợng hấp phụ amoni của MBCC1 và MBCC2 cao hơn so với BCC. Điều
này là do tăng các nhóm chức hoạt động là các nhóm cacboxylic, lactonic và axit trên than
sinh học biến tính nên tăng khả năng tƣơng tác của các nhóm chức này với NH 4+ dễn đến
lƣợng amoni đƣợc hấp phụ trên bề mặt các than sinh học biên tính nhiều hơn. Kết quả cũng
cho thấy khả năng hấp phụ của MBCC2 đối với NH4+ - N cao hơn so với MBCC1. Điều
này có thể đƣợc giải thích bởi thực tế là khi MBCC1 đƣợc ngâm với NaOH, các nhóm
chức axit trên bề mặt của MBCC1 phản ứng với NaOH để tạo thành RCOONa. Các

8

RCOONa trong MBCC2 đã giúp tăng sự phân ly của than sinh học biến tính, do đó tăng
khả năng trao đổi amoni của MBCC2 (Halim và cộng sự, 2013).
Dựa trên những phát hiện trên, khả năng hấp phụ của MBCC2 đƣợc cho là tốt
hơn so với MBCC1. Do đó các thí nghiệm sau tập trung vào đánh giá hiệu suất hấp phụ
amoni của MBCC2 (đƣợc chế tạo với tỷ lệ biến tính BBC/HNO3 6M (1:5), NaOH 0,3M
(1:20).
3.3

Ản

ưởn của pH đến

ệu quả ấp p ụ amoni bở than s n

ọc từ lõ n

Hình 3.3. Ản ưởng của pH đến dun lượng hấp phụ amoni của MBCC2 với n n độ
amon ban đầu 10 mg/l, 20 m /l, àm lượng MBCC2 0,5g/250 ml dung dịch.
Kết quả thực nghiệm cho thấy khả năng hấp phụ của MBCC2 phụ thuộc nhiều
vào pH ban đầu của dung dịch amoni (hình 3.3). Dung lƣợng hấp phụ amoni là 2 mg/g
trong môi trƣờng axit thấp (pH 2 - 5). Tuy nhiên, dung lƣợng hấp phụ tăng đáng kể khi pH
tăng: 5 - 8. Dung lƣợng hấp phụ cao nhất là 3,9 mg/g và 7,9 mg/g (tƣơng ứng tại Co = 10
mg/l và Co = 20 mg/l) đạt ở môi trƣờng pH = 9. Khi pH > 10 thì dung lƣợng hấp phụ giảm.
Nguyên nhân đƣợc giải thích là bằng ảnh hƣởng của pH lên trạng thái tồn tại của các ion
NH4+ trong nƣớc và trạng thái ion của các nhóm chức năng bề mặt của MBCC2. Trong
dung dịch, tùy thuộc vào độ pH, amoni chủ yếu có dạng NH4+ hoặc NH3. Trong môi trƣờng

axit, hầu hết amoni tồn tại ở dạng NH4+ (Marañón et al., 2006). Sự hấp phụ của amoni
trong nƣớc theo cơ chế trao đổi ion. Khả năng hấp phụ thấp ở pH < 5 là do sự cạnh tranh
mạnh mẽ giữa ion H+ và NH4+ trong dung dịch. Sự giảm ion H+ trong dung dịch khi tăng
pH từ 5- 7 có thể giúp tăng khả năng hấp phụ của MBCC2. Kết quả tƣơng tự đã đƣợc ghi
nhận bởi các nhà nghiên cứu khác (Zeng và cộng sự, 2013).
Khả năng hấp phụ của MBCC2 đối với amoni tăng khi pH > 7. Khi pH > 10, khả
năng hấp phụ của vật liệu giảm do hầu hết amoni bị chuyển thành NH3 không còn cơ chế
trao đổi ion xảy ra nữa.
3.4. Hấp phụ động
3.4.1. Ản

ưởng của n n độ amoni đến quá trình hấp phụ bằng than biến tính


9

Hình 3.4. Đ t ị b ểu d n ản

ưởn của n n độ amon đến đườn con t oát tron
m ìn ấp p ụ độn

(Ct: Nồng độ amoni dư sau thí nghiệm; Co: Nồng độ amoni ban đầu)
Kết quả nghiên cứu cho thấy độ dốc của các đƣờng cong thoát dốc hơn với các thí
nghiệm tăng dần nồng độ NH4+ ban đầu. Khi nồng độ chất hấp phụ (amoni) tăng thì thời
gian thoát và thời gian đạt bão hòa xảy ra nhanh hơn, cụ thể là thời gian thoát bắt đầu xảy
ra sau 480, 360 và 180 phút tƣơng ứng với nồng độ NH4+ ban đầu là 10, 20 và 40 mg/l và
thời gian bão hòa tƣơng ứng là 1.200, 1.080 và 960 phút. Giá trị Ct/Co đạt 0,862±0,025;
0,904 ± 0,05 và 0,884 ± 0,07 tƣơng ứng. Nguyên nhân là do trong cùng điều kiện về chiều
cao lớp vật liệu hấp phụ và tốc độ bơm không đổi, khi nồng độ chất hấp phụ đầu vào tăng
thì quá trình khuếch tán vào trong các mao quản của MBCC2 tăng do tăng gradient nồng

độ và làm giảm quá trình chuyển khối dẫn đến thời gian hoạt động của cột hấp phụ giảm.
Sự hấp phụ amoni bởi MBCC2 trong cột tăng lên nhanh chóng do việc chuyển amoni từ
pha lỏng sang pha rắn nhanh khi chênh lệch nồng độ lớn hơn. Xu hƣớng tƣơng tự đã đƣợc
ghi nhận trong các nghiên cứu hấp phụ amoni bằng zeolit tự nhiên và hấp phụ amoni trong
cột cố định than sinh học.
3.4.2. Ản

ưởng của tốc độ bơm đến hiệu quả xử lý amoni bằng than biến tính

Ảnh hƣởng của tốc độ bơm đến khả năng hấp phụ amoni của MBCC đã đƣợc nghiên
cứu với tốc độ bơm: 1, 3, 6 và 9 ml/phút, chiều cao cố định của MBCC2 là 80 mm và nồng
độ amoni ban đầu là 10 mg/l. Kết quả khảo sát ảnh hƣởng của tốc độ bơm đến khả năng
hấp phụ amoni đƣợc thể hiện ở hình 3.6. Kết quả cho thấy khi tốc độ bơm càng nhỏ thì thời
gian thoát và thời gian bão hòa càng tăng. Giá trị Ct/Co đạt 0,181 ± 0,01; 0,061 ± 0,02;
0,051 ± 0,01 và 0,328 ± 0,01 tƣơng ứng với tốc độ bơm 1, 3, 6 và 9 ml/phút và thời gian
thoát xảy ra tƣơng ứng sau 1.320, 480, 240 và 180 phút. Đồng thời, thời gian bão hòa đạt
tƣơng ứng là 1.740, 1.080, 660 và 360 phút. Khi tốc độ bơm tăng đã làm tăng tốc độ truyền
khối đẫn đến tăng lƣợng chất bị hấp phụ vào vật liệu vì thể thời gian thoát và thời gian bão
hòa xảy ra nhanh hơn. Điều này có nghĩa là khi thời gian tiếp xúc của dung dịch bị hấp phụ
và vật liệu hấp phụ càng dài thì tốc độ chuyển khối càng thấp. Những kết quả này phù hợp
với những nghiên cứu đƣợc báo cáo bởi Ahmad và cộng sự (2014) trong nghiên cứu hấp
thụ amoni bằng zeolit tự nhiên và Widiastuti và cộng sự (2012) trong nghiên cứu hấp phụ
amoni bằng vật liệu tổng hợp zeolit.


10

Hình 3.5. Đ t ị b ểu d n ản

ưởn của tốc độ bơm đến đườn con t oát tron m

ìn ấp p ụ độn

3.4.3. Ản ưởng của chiều cao lớp vật liệu hấp phụ đến hiệu quả xử lý amoni bằng
than hoạt tính biến tính
Kết quả thể hiện ở hình 3.6 cho thấy, các đƣờng cong thoát đã mô tả ảnh hƣởng
của chiều cao lớp vật liệu hấp phụ MBCC2 (80 mm, 160 mm và 240 mm) đến khả năng
hấp phụ amoni với tốc độ bơm không đổi 3 ml/phút và nồng độ amoni ban đầu là 10 mg/ l.
Thời gian thoát và thời gian bão hòa xảy ra nhanh hơn tƣơng ứng chiều cao của lớp vật liệu
hấp phụ thấp hơn. Thời gian thoát lần lƣợt là 300, 780 và 2.160 phút tƣơng ứng với chiều
cao lớp vật liệu hấp phụ là 80, 160 và 240 mm. Thời gian đạt bão hòa giảm từ 3.300 xuống
1080 phút tƣơng ứng với chế độ chiều cao lớp vật liệu hấp phụ giảm từ 240 đến 80 mm và
giá trị của Ct/Co tƣơng ứng đạt 0,751 ± 0,05 và 0,824 ± 0,02. Khi chiều cao lớp vật liệu hấp
phụ tăng nghĩa là vùng chuyển khối tăng thì thời gian tiếp xúc của amoni và MBCC2 tăng
dẫn đến lƣợng chất đƣợc hấp phụ nhiều hơn và thời gian thoát và thời gian bão hòa xảy ra
chậm hơn.

Hình 3.6. Đ t ị b ểu d n ản ưởn của c ều cao lớp vật l ệu ấp p ụ đến đườn
cong t oát tron m ìn ấp p ụ độn


11

3.5. Động học hấp phụ amoni
- Mô hình động học hấp phụ:
Kết quả thể hiện ở bảng 3.6 và 3.7 cho thấy, các phƣơng trình của mô hình có hệ số
tƣơng quan cao (R2 > 0,8). Các tham số trong cả ba mô hình (KTH, qo, KYN, , KAB, No) đều
phụ thuộc vào tốc độ bơm, nồng độ ban đầu của amoni và chiều cao lớp vật liệu hấp phụ
(MBCC2) và đều phù hợp cho các quá trình hấp phụ amoni bằng MBCC2 trong mô hình
hấp phụ động.
Theo mô hình Thomas, các giá trị qo và R2 tăng khi tăng tốc độ bơm và giảm khi

nồng độ amoni ban đầu tăng. Trong khi đó, giá trị KTH giảm và giá trị q0 tăng khi chiều cao
lớp vật liệu hấp phụ tăng. Giá trị R2 dao động trong khoảng từ 0,877 đến 0,987. Kết quả
tính toán từ mô hình phù hợp với kết quả thực nghiệm. Theo mô hình Yoon - Nelson hệ số
KYN tăng và giá trị của  giảm tƣơng ứng khi tốc độ bơm và nồng độ ban đầu tăng. Các giá
trị R2 dao động từ 0,8784 đến 0,9827. Mô hình Adam - Bohart đƣợc sử dụng để mô tả dữ
liệu thực nghiệm trong phần đầu của các đƣờng cong thoát. Các giá trị của hệ số truyền
khối (KAB) và giá trị nồng độ chất bị hấp phụ bão hòa (No) đƣợc thể hiện ở bảng 3.8. Theo
mô hình Adam - Bohart, hệ số KAB giảm khi nồng độ amoni ban đầu, tốc độ bơm và chiều
cao lớp vật liệu hấp phụ tăng. Hệ số No tăng khi nồng độ amoni ban đầu, chiều cao lớp vật
liệu hấp phụ tăng và tốc độ bơm giảm. Giá trị R2 dao động từ 0,886 đến 0,988.


12

Bảng 3.7. Các p ươn trìn động học Thomas, Yoon - Nelson và Bohart - Adam trong quá trình hấp phụ amoni
Biến số
Thomas

Yoon - Nelson

Bohart - Adam

8

y = -0,0038x + 5,9227

y = 0,003x - 5,4555

y = 0,0058x - 3,7545

3

8

y = -0,0071 + 5,783

y = 0,0064x - 5,6949

y = 0,005x - 5,508

10

6

8

y = -0,0146x + 6,2514

y = 0,0157x - 6,4737

y = 0,0136x - 6,1839

10

9

8

y = -0,0154x + 4,2715

y = 0,0186x - 4,7274

y = 0,0148x - 4,4492

10

3

16

y = -0,0063x + 11,631

y = 0,0062x - 11,5199

y = 0,0050x - 10,946

10

3

24

y = -0,0034x + 11,236

y = 0,0034x - 11,236

y = 0,0027x - 10,145

20

3

8

y = -0,0058x + 4,1294

y = 0,0051x - 3,922

y = 0,0042x - 3,7694

40

3

8

y = -0,0063x + 3,892

y = 0,0058x - 3,7545

y = 0,0047x - 3,6241

Co (mg/l)

Q (ml/phút)

H (cm)

10

1

10

Bảng 3.8. Các tham số các mô hình động học hấp phụ trong quá trình hấp phụ amoni bằng MBCC
Biến số

Thomas

Yoon - Nelson

Bohart - Adam

R2

KYN
(l/phút)


(phút)

R2

KAB
(l/phút)

No
(phút)

R2

7,79

0,877

0,003

1818

0,8784

0,00027

22,46

0,894

0,00071

12,22

0,986

0,006

890

0,9739

0,00056

33,44

0,968

8

0,00146

12,85

0,991

0,016

412

0,9827

0,00116

36,22

0,988

9

8

0,00154

12,48

0,939

0,019

273

0,9207

0,00148

38,66

0,886

10

3

16

0,00063

13,85

0,981

0,006

1076

0,9625

0,00050

148,74

0,950

10

3

24

0,00034

16,52

0,903

0,003

1382

0,9568

0,00027

382,92

0,937

20

3

8

0,00028

21,36

0,974

0,005

769

0,9508

0,00015

127,12

0,982

40

3

8

0,00016

37,07

0,987

0,006

647

0,9635

0,00012

104,78

0,978

Co
(mg/l)

Q
(ml/phút)

H (cm)

10

1

8

10

3

8

10

6

10

KTH

qo

(l/mg,l)

(mg/l)

0,00038

13

- Độ dài tầng chuyển khối:
Bảng 3.8. Độ dài tầng chuyển khối tạ các đ ều kiện khác nhau
V

H

m

Co

q

L

(ml/phút)

(cm)

(g)

(mg/l)

(mg/g)

(cm)

1

8

2

10

7,32

2,58

67,74

3

8

2

10

12,83

4,28

46,55

6

8

2

10

12,57

4,53

43,33

9

8

2

10

12,08

4,8

40,00

3

8

2

10

12,83

4,28

46,55

3

8

2

20

20,85

5,12

36,00

3

8

2

40

33,42

5,21

34,84

3

8

2

10

12,83

4,28

46,55

3

16

4

10

13,87

7,56

52,78

3

24

6

10

15,97

5,27

78,05

η (%)

Kết quả xác định độ dài tầng chuyển khối (L) và hiệu suất sử dụng cột hấp phụ
(η) đƣợc trình bày trong bảng 3.8 cho thấy, giá trị η tỷ lệ nghịch với nồng độ amoni ban
đầu, tốc độ bơm có nghĩa là giá trị η càng lớn khi nồng độ amoni ban đầu, tốc độ bơm nhỏ
và ngƣợc lại tỷ lệ thuận với chiều cao lớp vật liệu hấp phụ. Với nồng độ amoni ban đầu
thấp, tốc độ bơm thấp, chiều cao lớp vật liệu hấp phụ lớn thì L và η càng cao. Ở nồng độ
Co = 10 mg/l, tốc độ bơm V = 3 ml/phút, chiều cao lớp vật liệu hấp phụ H = 24 cm thì L, η
đạt giá trị cao nhất tƣơng ứng là 5,27 cm và 78,05%. Ngƣợc lại, với nồng độ amoni ban
đầu cao, tốc độ bơm lớn, chiều cao lớp vật liệu hấp phụ thấp thì dung lƣợng hấp phụ qe lớn.
Dung lƣợng hấp phụ (qe) đạt giá trị cao nhất là 33,42 mg/g ở nồng độ Co = 40 mg/l, tốc độ
bơm V = 3 ml/phút, chiều cao lớp vật liệu hấp phụ H = 8 cm.

3.6. So sánh khả năng hấp phụ của than sinh học biến tính
Để đánh giá khả năng hấp phụ của MBCC, đề tài đã so sánh dung lƣợng hấp phụ
amoni của than sinh học biến tính với một số chất hấp phụ khác. Kết quả so sánh cho thấy
dung lƣợng hấp phụ của MBCC cao hơn một số nghiên cứu. Khả năng hấp phụ tối đa của
MBCC là 15,97 (tƣơng ứng hiệu suất hấp phụ cột đạt 78,05%). Trong khi khả năng hấp
phụ của nhiều chất hấp phụ khác nhƣ than sinh học làm từ hạt bơ, mùn cƣa, vỏ dừa, rơm rạ
thấp hơn, ngoại trừ có chất hấp phụ làm từ gỗ sồi và rác thải đô thị [54] và than sinh học
lõi ngô biến tính bằng H3PO4 + NaOH [20]. Khả năng này của MBCC đã khiến chúng trở
thành một chất hấp phụ tiềm năng đƣợc sử dụng làm chất hấp phụ chi phí thấp.


14

3.7. Nghiên cứu điều kiện hoàn nguyên vật liệu hấp phụ

Hình 3.7. K ả năn p ục

của MBCC bão òa sau k

ấp p ụ amon

Sau khi hấp phụ amoni, MBCC2 đã bão hòa, vì vậy cần phải tiến hành nghiên
cứu hoàn nguyên để tăng cƣờng khả năng tái sử dụng vật liệu này. Dung dịch NaCl và hỗn
hợp NaCl và NaOH đƣợc sử dụng để hoàn nguyên MBCC2. Hiệu quả hoàn nguyên của
MBCC2 đƣợc đánh giá thông qua các thí nghiệm để đánh giá khả năng hấp phụ amoni bởi
MBCC2 sau khi đã hoàn nguyên. Các kết quả thể hiện hình 3.7. Kết quả cho thấy rằng sử
dụng dung dịch NaCl có thể loại bỏ amoni từ MBCC2 bão hòa tuy nhiên hiệu quả hoàn
nguyên của MBCC2 giảm khi tăng số lần hoàn nguyên. Dung lƣợng hấp phụ amoni của
MBCC2 hoàn nguyên là 6,3; 5,53; 4,33 và 3,04 mg/g tƣơng ứng với chu kỳ 1, 2, 3 và 4 lần
hoàn nguyên. So với hoàn nguyên MBCC2 bão hòa chỉ bằng NaCl, hỗn hợp NaOH và

NaCl cho hiệu quả cao hơn. Nguyên nhân có thể do giá trị pH của hỗn hợp dung dịch
NaOH và NaCl cao hơn dung dịch NaCl. Độ kiềm mạnh của hỗn hợp NaOH và NaCl làm
tăng khả năng chuyển hóa dung dịch amoni thành khí NH3 và thải vào khí quyển. Sự bay
hơi NH3 ở pH cao đã đƣợc xác nhận bởi nhiều nghiên cứu trƣớc đây.
KẾT LUẬN
- Than sinh học biến tính từ lõi ngô (MBCC2) đã đƣợc chế tạo bằng cách nhiệt phân
chậm lõi ngô ở 400oC trong 1h trong lò với tốc độc gia nhiệt 15°C/phút, biến tính bằng
HNO3 6M với tỷ lệ là 1:5 (trọng lƣợng/thể tích) và NaOH 0,3M với tỷ lệ 20:1 (thể
tích/trọng lƣợng) trong vòng 24h ở nhiệt độ phòng (25oC ± 1oC).
- Về đặc điểm hóa học thì MBCC2 có chứa nhiều nhóm chức axit hơn BCC ban đầu.
Kết quả phân tích FTIR, BET, SEM cho thấy đã xuất hiện các nhóm chức O - H và C = C
trong MBCC2 tại bƣớc sóng phổ hấp phụ 1.622 – 1.624 cm-1; Có sự gia tăng khối lƣợng lỗ
rỗng trung bình từ 0,39 m3/g (BCC) lên 0,61 m3/g (MBCC2). Ngƣợc lại, diện tích bề mặt
SBET giảm đáng kể từ 0,959 m2/g (BCC) xuống 0,051 m2/g (MBCC2). Ảnh SEM cho thấy
với hình thái bề mặt của MBCC2 có nhiều kích thƣớc lỗ rỗng lớn hơn.
- Thí nghiệm tĩnh đã chỉ ra điều kiện tối ƣu pH cho quá trình hấp phụ amoni. Dung
lƣợng hấp phụ cao nhất (3,9 mg/g, và 7,9 mg/g) đạt đƣợc ở môi trƣờng pH =9 (tƣơng ứng
tại Co = 10 mg/l và Co = 20 mg/l).


15

- Quá trình hấp phụ amoni của của MBCC2 trên mô hình động bị ảnh hƣởng bởi
nồng độ amoni đầu vào, chiều cao cột và tốc độ bơm. Quá trình hấp phụ đƣợc đánh giá qua
đƣờng cong thoát và tỉ số Ct/C0 cho thấy nồng độ đầu vào Co = 10 mg/l thì thời gian hấp
phụ đạt là 20 h. Tốc độ bơm 3ml/phút thì thời gian hấp phụ đạt 18 h (1.080 phút). Chiều
cao lớp vật liệu hấp phụ (MBCC2) là 8 cm tƣơng ứng lƣợng than 2 g thì thời gian hấp phụ
đạt 55h (3.300 phút).
- Hiệu suất sử dụng cột hấp phụ tăng khi nồng độ amoni ban đầu và tốc độ bơm nhỏ;
chiều dài cột hấp phụ lớn, Hiệu suất sử dụng cột hấp phụ lớn nhất tại điều kiện tối ƣu là

nồng độ Co = 10 mg/l, tốc độ bơm V = 3 ml/phút, chiều cao lớp vật liệu hấp phụ 24 cm
(tƣơng ứng 6 g than) là 78,05%. Kết quả hấp phụ tuân theo các mô hình động học hấp phụ
(Thomas, Yoon – NelSon và Bohart – Adam) với hệ số tƣơng quan cao (R2 > 0,8). Kết quả
tính toán từ mô hình phù hợp với kết quả thực nghiệm.
- Vật liệu hấp phụ có thể hoàn nguyên để tái sử dụng với việc sử dụng NaCl và hỗn
hợp NaCl + NaOH. Khi sử dụng NaCl thì hiệu quả hoàn nguyên của MBCC2 giảm tƣơng
ứng khi tăng số lần hấp phụ. Trong khi đó, hỗn hợp sử dụng NaOH và NaCl cho hiệu quả
cao hơn.