Nghiên cứu tận dụng bùn thải từ nhà máy nước cấp ứng dụng làm vật liệu hấp phụ H2S

Hóa học và Kỹ thuật môi trường

NGHIÊN CỨU TẬN DỤNG BÙN THẢI TỪ NHÀ MÁY NƯỚC CẤP
ỨNG DỤNG LÀM VẬT LIỆU HẤP PHỤ H2S
Lâm Phạm Thanh Hiền1,2, Lê Thị Kiều Thi1,2,
Đặng Văn Thành3, Nguyễn Nhật Huy1,2*
Tóm tắt: Bùn thải từ nhà máy nước cấp với thành phần kim loại có nguồn gốc từ
các chất keo tụ (Al, Fe) có tiềm năng ứng dụng chế tạo vật liệu nano trong xử lý môi
trường. Nghiên cứu này đánh giá khả năng hấp phụ H2S của các vật liệu từ bùn
nước cấp nhằm tìm ra hướng giải quyết cho vấn đề chất thải rắn (bùn thải) đồng
thời tìm được vật liệu hấp phụ rẻ tiền, có sẵn với số lượng lớn có thể xử lý khí thải
(H2S). Các đặc trưng về hình thái và thành phần khoáng chất có trong các mẫu bùn
được xác định bằng phương pháp phân tích kính hiển vi điện tử quét SEM và phổ
EDS. Ảnh hưởng của nồng độ và lưu lượng H2S đầu vào đến hiệu quả xử lý cũng
được đánh giá. Kết quả cho thấy, bùn biến tính nhiệt cho hiệu quả xử lý tốt hơn bùn
thô, đạt tốt nhất ở 200 oC. Mô hình Langmuir cho thấy sự phù hợp để mô tả quá
trình hấp phụ trong nghiên cứu này với hệ số R2 = 0,9166 và dung lượng hấp phụ
cực đại theo tính toán là 50,251 mg/g. Vật liệu có dung lượng hấp phụ cao hơn khi
vận hành mô hình ở lưu lượng thấp, đạt 44,79 mg/g ở. lưu lượng 1 L/phút.
Từ khóa: Hấp phụ; Bùn nước cấp; Khí H2S; Xử lý khí thải.

1. MỞ ĐẦU
H2S là một khí độc với mùi trứng thối khó chịu, có nguồn gốc từ tự nhiên hoặc nhân
tạo. Sự có mặt của H2S làm giảm nhiệt trị của biogas, gây mùi hăng khó chịu. Phương
pháp hấp phụ đã và đang chứng minh được hiệu quả trong xử lý khí H2S đặc biệt chiếm ưu
thế để loại bỏ khí H2S trong hỗn hợp khí biogas [1]. Trong những năm gần đây, bùn thải
phát sinh từ nhà máy nước cấp được xếp vào danh sách chất thải rắn nguy hại, cần xử lý
nghiêm ngặt trước khi thải ra môi trường. Với thành phần đa dạng, chứa các nguyên tố
kim loại như Fex, Mn, Zn, Pb, Ni, Cr, Cd, Al, và Cu [2], bùn nước cấp được kỳ vọng có thể
được tận dụng chế tạo những vật liệu có giá trị về kinh tế. Theo một số kết quả nghiên cứu
đã công bố, bùn thải từ nhà máy nước cấp đã được tận dụng làm thành phần chế tạo gạch

nung [2, 3], chậu gốm hay chén hứng mủ cao su [2], bổ sung nguyên liệu sản xuất xi măng
[4], ứng dụng làm vật liệu hấp phụ phot-pho trong nước thải [5]. Nhìn chung việc ứng
dụng bùn nước cấp chứa thành phần kim loại trong xử lý khí thải (như H2S) ở Việt Nam
vẫn còn nhiều hạn chế, cần được quan tâm nghiên cứu. Trước đây, một số loại vật liệu
khác nhau như than hoạt tính biến tính (với NaOH và NaCO3), bentonite (bóc tách từ
khoáng sét ở Bình Thuận), ZnO (bằng phương pháp siêu âm và/hoặc điện hóa) đã được sử
dụng để hấp phụ H2S cho hiệu quả khá khả quan [6, 7]. Trong nghiên cứu này, bùn thải từ
nhà máy nước cấp được tận dụng làm vật liệu hấp phụ khí H2S. Ảnh hưởng của nồng độ
và lưu lượng dòng khí đầu vào đến quá trình hấp phụ được khảo sát nhằm tìm ra điều kiện
vận hành tốt nhất.
2. THỰC NGHIỆM
2.1. Vật liệu nghiên cứu
Bùn thải sử dụng trong nghiên cứu được lấy từ nhà máy nước cấp Thủ Đức, thành phố
Hồ Chí Minh. Sau khi sấy khô và nghiền nhỏ, bùn thô được nung ở các nhiệt độ khác nhau
từ 200 đến 700 oC trong 4 giờ [8]. Trước khi bố trí vào mô hình, các hạt vật liệu bùn mịn
PS-X (với X là nhiệt độ nung) được ép-đập-rây lấy kích thước khoảng 0,097-0,45 mm.
Các đặc trưng về hình thái và thành phần khoáng chất có trong các mẫu bùn dùng làm vật
liệu hấp phụ được xác định bằng kỹ thuật SEM và EDS với máy JSM-IT200 (Trung tâm

218

L. P. T. Hiền, …, N. N. Huy, “Nghiên cứu tận dụng bùn thải … vật liệu hấp phụ H2S.”


Nghiên cứu khoa học công nghệ

thí nghiệm thực hành, Đại học Công nghiệp Thực phẩm Tp. HCM). Than hoạt tính sử
dụng trong nghiên cứu là than hoạt tính thương mại có nguồn gốc từ Trung Quốc.
2.2. Mô hình nghiên cứu
Mô hình thí nghiệm hấp phụ H2S được bố trí như hình 1. Máy thổi khí (1) đẩy không khí

qua bộ xử lý sơ bộ bằng than hoạt tính (2) nhằm khử các tạp chất và hơi nước trước khi đến
nơi pha trộn. Cùng lúc đó, bơm hút (3) sẽ hút khí H2S vừa tạo ra từ hệ thống tạo khí (4) từ
phản ứng giữa Na2S.9H2O (Xilong, Trung Quốc) và dung dịch H2SO4 3% (Xilong, Trung
Quốc) đưa đến bình ổn định nồng độ (5). Lưu lượng các dòng khí được kiểm soát bằng lưu
lượng kế. Sau khi đạt được nồng độ đầu vào và lưu lượng mong muốn, dòng khí chứa H2S
được đưa vào ống hấp phụ (6) chứa vật liệu hấp phụ với khối lượng xác định. Cụm kiểm tra
lưu lượng (8) được sử dụng để kiểm tra lại lưu lượng dòng khí trước khi đưa vào ống hấp
phụ. Mẫu khí H2S được thu thập ở cụm lấy mẫu (7) và phân tích theo Tiêu chuẩn ngành
10TCN 676-2006 của Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông thôn.

Hình 1. Mô hình hấp phụ H2S: (1, 3) Bơm khí; (2) Bộ lọc; (4) Bình tạo khí H2S;
(5) Bình ổn định; (6) Ống hấp phụ; (7) Cụm lấy mẫu; (8) Lưu lượng kế.
3. KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN
3.1. Kết quả phân tích SEM và EDS
Kết quả phân tích SEM (hình 2) của bùn thô, bùn nung ở 200 oC (PS-200) và 300 oC
(PS-300) cho thấy, mẫu PS-200 có bề mặt tương đối nhẵn so với mẫu bùn thô. Khi tăng
nhiệt độ nung lên 300 oC, vật liệu có xu hướng vỡ ra tạo các hạt nhỏ hơn nên bề mặt mẫu
PS-300 có phần gồ ghề hơn mẫu PS-200.

a

b

c

Hình 2. Kết quả SEM của bùn thô (a), PS-200 (b) và PS-300 (c).
Kết quả EDS được thể hiện trong hình 3. Mẫu bùn thô tồn tại các nguyên tố O, Fe, và
Ca với hàm lượng cao (> 10%), Si, C, S, Al, và Mn với hàm lượng trung bình, Na, N, và P
với hàm lượng thấp. Các thành phần này có đôi nét khác biệt so với kết quả nghiên cứu
của Lâm Minh Triết và cộng sự [2]. Điều này có thể là do sự khác nhau về tính chất nước

đầu vào và liều lượng cũng như thành phần các hóa chất sử dụng ở các nhà máy nước cấp.
Sau khi nung, các nguyên tố Na và S với mẫu PS-200 và N, Na, P, và S với mẫu PS-300
không được tìm thấy. Từ đó có thể kết luận rằng, việc biến tính nhiệt làm thay đổi thành

Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Viện Hóa học - Vật liệu, 9 - 2020

219


Hóa học và Kỹ thuật môi trường

phần nguyên tố của bùn nước cấp. Sự gia tăng hàm lượng của O ở các mẫu bùn được biến
tính nhiệt giúp các nguyên tố đa hóa trị như Fe hay Mn chuyển về dạng bền hơn, tránh mất
đi trong quá trình xử lý và được kỳ vọng cải thiện khả năng hấp phụ H2S so với mẫu bùn
thô ban đầu. Theo đó, vai trò của oxit kim loại như FeO và Al2O3 vừa là những chất hấp
phụ vật lý nhờ cấu trúc xốp, vừa là chất hấp phụ hóa học trong việc tạo thành các hợp chất
như FeS hoặc Al2S3.

b

a

c

Nguyên tố
C
N
O
Na
Al

Si
P
S
Ca
Mn
Fe

Bùn thô
6,17
1,11
41,54
1,16
4,35
6,67
0,31
9,4
10,14
5,73
13,42

PS-200
6,66
0,22
53,24
9,33
13,89
0,08
2,83
0,29
13,46

PS-300
3,61
48,62
11,02
14,61
4,04
0,38
17,72

Hình 3. Kết quả EDS của bùn thô (a), PS-200 (b), PS-300 (c) kèm bảng thành phần
nguyên tố (% khối lượng) của 3 loại bùn.
3.2. Ảnh hưởng của nhiệt độ nung đến hiệu quả hấp phụ H2S của bùn nước cấp
Nhiệt độ biến tính bùn thải có ảnh hưởng lớn đến khả năng hấp phụ H2S của vật liệu
[9]. Thí nghiệm được tiến hành với nồng độ H2S đầu vào 250-280 mg/m3, 3 g vật liệu hấp
phụ. Sự thay đổi của nồng độ H2S đầu ra theo thời gian được thể hiện trong hình 4.
350
Nồng độ (mg/m³)

300
250
200
150

Bùn thô
PS-300
PS-500
PS-700
Than hoạt tính

100
50
0
0

50

100

150
200
250
Thời gian (phút)

300

PS-200
PS-400
PS-600
Đầu vào

350

400

Hình 4. Nồng độ H2S sau hấp phụ theo thời gian với các vật liệu khác nhau.

220

L. P. T. Hiền, …, N. N. Huy, “Nghiên cứu tận dụng bùn thải … vật liệu hấp phụ H2S.”

Nghiên cứu khoa học công nghệ

Nhìn chung, việc biến tính nhiệt cải thiện khả năng hấp phụ H2S của bùn nước cấp khi
tất cả các mẫu bùn được biến tính nhiệt đều có thời gian bão hòa lâu hơn mẫu bùn thô. Kết
luận tương tự cũng được đưa ra trong nghiên cứu của Ortiz và cộng sự [9]. Tuy nhiên,
trong nghiên cứu này, khi thay đổi nhiệt độ nung từ 200 đến 700 oC, sự khác biệt về nồng
độ đầu ra không thật sự rõ ràng giữa các mẫu vật liệu PS-X. Xét về thời gian bão hòa, mẫu
PS-200 chiếm ưu thế khi có thời gian bão hòa lâu nhất là 330 phút với dung lượng hấp phụ
đạt 35,51 mg/g cao hơn mẫu bùn thô ~1,2 lần (29,62 mg/g). Tác động tích cực này được
dự đoán là nhờ vào cấu trúc lỗ xốp được cải thiện khi vật liệu được biến tính nhiệt. Mặc
khác, khi so sánh với than hoạt tính, các vật liệu có nguồn gốc từ bùn nước cấp cho hiệu
quả xử lý vượt trội hơn nhờ vào thành phần các chất khoáng như Al và Fe giúp hình thành
các tâm hấp phụ trên bề mặt vật liệu từ đó cải thiện hiệu quả xử lý.
3.3. Thông số động học quá trình hấp phụ H2S bằng vật liệu PS-200
Nồng độ H2S được thay đổi trong khoảng 50-500 mg/m3 nhằm khảo sát ảnh hưởng của
nồng độ đầu vào đến hiệu quả hấp phụ. Kết quả (hình 5a) cho thấy khi tăng nồng độ khí
H2S đầu vào từ 50 lên 250 mg/m3, dung lượng hấp phụ của vật liệu tăng vượt trội từ 15
mg/g lên 48,71 mg/g. Điều này là do khi tăng nồng độ khí H2S dẫn đến động lực quá trình
truyền từ khối tăng từ đó gia tăng khả năng hấp phụ của vật liệu, giúp vật liệu đạt dung
lượng hấp phụ cao hơn. Tuy nhiên, khi tiếp tục tăng nồng độ H2S đầu vào lên 500 mg/m3,
dung lượng hấp phụ H2S lại giảm chỉ còn 39,75 mg/g. Điều này chứng tỏ ở mức nồng độ
500 mg/m3, quá trình hấp phụ H2S của PS-200 bị giới hạn ở bề mặt do mật độ cấu tử H2S
quá cao dẫn đến dung lượng hấp phụ giảm. Kết quả tính toán các thông số động học theo
phương trình hấp phụ đẳng nhiệt cho thấy, phương trình Langmuir phù hợp để mô tả quá
trình hấp phụ H2S bằng PS-200 (R2 = 0,9166) hơn phương trình Freundlich. Theo phương
trình Langmuir, dung lượng hấp phụ cực đại mà vật liệu PS-200 có thể đạt được lên đến
50,251 mg/g với hệ số hấp phụ KL = 0,0102 m3/mg.
3.4. Ảnh hưởng của lưu lượng đầu vào đến hiệu quả hấp phụ

Trong thí nghiệm này, lưu lượng dòng khí được thay đổi từ 1 đến 3 L/phút. Khi lưu
lượng qua thiết bị tiết diện không đổi tăng thì vận tốc dòng lưu chất sẽ tăng. Vì vậy, thời
gian tiếp xúc giữa H2S và vật liệu được rút ngắn, không thuận lợi cho quá trình truyền
khối. Điều này đúng với kết quả thực nghiệm trong hình 5b khi dung lượng cao nhất đạt ở
lưu lượng 1 L/phút với giá trị 44,79 mg/m3 và giảm còn 29,05 mg/g ở lưu lượng 3 L/phút.

a 80

Dung lượng
Hiệu suất

b 50

Dung lượng
Hiệu suất

45

50

70
60

40

30

30

20

20
10

10

Dung lượng (mg/g)

40

50

35

50

30

40

25
20

30

15

20

10

10

5

0

0
50

100
250
Nồng độ (mg/m³)

500

Hiệu suất (%)

40

60
Hiệu suất (%)

Dung lượng (mg/g)

70

60

0

0
1

1.5
2
2.5
Lưu lượng (L/phút)

3

Hình 5. Ảnh hưởng của nồng độ đầu vào (a) và lưu lượng đầu vào (b)
đến hiệu suất và dung lượng hấp phụ của PS-200.
Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Viện Hóa học - Vật liệu, 9 - 2020

221


Hóa học và Kỹ thuật môi trường

4. KẾT LUẬN
Nghiên cứu thử nghiệm khả năng hấp phụ của vật liệu có nguồn gốc từ bùn nước cấp
với các thành phần khoáng chất được kì vọng cho hiệu quả loại bỏ H2S cao. Thật vậy, khi
so sánh với than hoạt tính thương mại, các vật liệu có nguồn gốc từ bùn nước cấp cho hiệu
quả xử lý cao hơn với thời gian bão hòa kéo dài. Kết quả nghiên cứu chỉ ra rằng, bùn nước
cấp biến tính ở nhiệt độ 200 oC cho hiệu quả xử lý tốt nhất, với dung lượng cực đại có thể
đạt được theo mô hình Langmuir là 50,251 mg/g (R2 = 0,9166). Nồng độ và lưu lượng xử
lý ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu quả cũng như dung lượng hấp phụ H2S của vật liệu PS200. Vì đây là nghiên cứu sơ khởi nên kết quả chỉ dừng lại ở những thử nghiệm ban đầu,
trong tương lai cấu trúc vật liệu có nguồn gốc từ bùn nước cấp cần được phân tích chi tiết
hơn. Việc thử nghiệm với bùn từ nhiều nhà máy nước cấp khác nhau hay việc biến tính
bùn bằng nhiều phương pháp khác ngoài biến tính nhiệt cần được xem xét trong những

nghiên cứu tiếp theo để tiến gần hơn với mục tiêu biến bùn thải thành một sản phẩm có giá
trị kinh tế.
Lời cảm ơn: Nghiên cứu này được tài trợ bởi Trường Đại học Bách Khoa trong khuôn khổ đề
tài mã số T-MTTN-2020-58.

TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1]. Zhang, J. and Z. Tong, “Study on catalytic wet oxidation of H2S into sulfur on Fe/Cu
catalyst”. Journal of Natural Gas Chemistry, 2006. 15(1): p. 63-69.
[2]. Triết, L.M. and N.N. Thiệp, “Nghiên cứu đề xuất công nghệ xử lý, tận dụng bùn thải
và tách nước từ các nhà máy cấp nước của TP.HCM”. Tạp chí môi trường, 2013. 57:
p. 57-61.
[3]. Phước, N.V., “Nghiên cứu phương án tái sử dụng bùn thải từ hệ thống xử lý nước,
nước thải và xỉ thải”. Viện Môi trường và Tài nguyên- Đại học quốc gia TP.Hồ Chí
Minh.
[4]. Rodríguez, N.H., et al., “Re-use of drinking water treatment plant (DWTP) sludge:
characterization and technological behaviour of cement mortars with atomized sludge
additions”. Cement and Concrete Research, 2010. 40(5): p. 778-786.
[5]. Razali, M., Y. Zhao, and M. Bruen, “Effectiveness of a drinking-water treatment
sludge in removing different phosphorus species from aqueous solution”. Separation
and Purification Technology, 2007. 55(3): p. 300-306.
[6]. Huy, N.N., et al., “A study of H2S treatment by using the denaturalised activated
carbon adsorption method”. Journal of Science and Technology, 2018(14): p. 98-104.
[7]. Huy, N.N., et al., “Facile one-step synthesis of zinc oxide nanoparticles by ultrasonicassisted precipitation method and its application for H2S adsorption in air”. Journal
of Physics and Chemistry of Solids, 2019. 132: p. 99-103.
[8]. Pereira, I., et al., “Thermal and thermal-acid treated sewage sludge for the removal of
dye reactive Red 120: Characteristics, kinetics, isotherms, thermodynamics and
response surface methodology design”. Journal of environmental chemical
engineering, 2018. 6(6): p. 7233-7246.
[9]. Ortiz, F.G., P. Aguilera, and P. Ollero, “Biogas desulfurization by adsorption on
thermally treated sewage-sludge”. Separation and Purification Technology, 2014.

123: p. 200-213.

222

L. P. T. Hiền, …, N. N. Huy, “Nghiên cứu tận dụng bùn thải … vật liệu hấp phụ H2S.”


Nghiên cứu khoa học công nghệ

ABSTRACT
UTILIZATION OF SLUDGE FROM WATER TREATMENT PLANT
AS AN ADSORBENT FOR H2S REMOVAL
Sludge from water treatment plant with metal components from flocculutants (as
Al, Fe) has a potential to fabricate nanomaterials for environmental treatment. This
study evaluated the H2S adsorption capacity of materials from the sludge of water
treatment plant in order to find a solution to the problem of sludge and find cheap
and readily available adsorbents for gas treatment. The morphological
characteristics and mineral composition of sludge samples were determined by
SEM and EDS spectroscopy analysis. The effect of concentration and input H2S flow
rate on the treatment efficiency was also assessed. Results showed that the modified
sludge was better than the raw one, which reached the best condition at 200 oC.
Langmuir model is more suitable to describe the adsorption process in this study
with the coefficient R2 = 0.9166 and the calculated maximum adsorption capacity is
50.251 mg/g. The material has a higher adsorption capacity of 44.79 mg/g when
operating at low flow rate of 1 L/min.
Keywords: Adsorption; Alum sludge; H2S; Air pollution control.

Nhận bài ngày 09 tháng 7 năm 2020
Hoàn thiện ngày 11 tháng 8 năm 2020
Chấp nhận đăng ngày 24 tháng 8 năm 2020

Địa chỉ: 1Khoa Môi trường và Tài nguyên, Trường Đại học Bách Khoa Tp. HCM;
2
Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh;
3
Trường Đại học Y – Dược Thái Nguyên.
*Email:

Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Viện Hóa học - Vật liệu, 9 - 2020

223