Tổng hợp và đánh giá khả năng hấp phụ nitrat của vật liệu nano oxit sắt magie trên nền nhựa cation

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

TRẦN VŨ ANH KHOA - 1770590

TỔNG HỢP VÀ ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG HẤP PHỤ NITRAT
CỦA VẬT LIỆU NANO OXIT SẮT- MAGIE TRÊN NỀN
NHỰA CATION
SYNTHESIS AND EVALUATION TOWARD NITRATE
ADSORPTION CAPACITY FOR NANOMATERIAL OF
BINARY IRON AND MAGIE OXIDE SUPPORTED
CATIONIC EXCHANGE RESIN
Chuyên ngành: Kỹ Thuật Môi Trường
Mã số: 60520320

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 12 năm 2019


ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

TRẦN VŨ ANH KHOA - 1770590

TỔNG HỢP VÀ ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG HẤP PHỤ NITRAT
CỦA VẬT LIỆU NANO OXIT SẮT- MAGIE TRÊN NỀN
NHỰA CATION
SYNTHESIS AND EVALUATION TOWARD NITRATE
ADSORPTION CAPACITY FOR NANOMATERIAL OF
BINARY IRON AND MAGIE OXIDE SUPPORTED

CATIONIC EXCHANGE RESIN
Chuyên ngành: Kỹ Thuật Môi Trường
Mã số: 60520320

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 12 năm 2019


Cơng trình được hồn thành tại: Trường Đại học Bách Khoa – ĐHQG – HCM
Cán bộ hướng dẫn khoa học: PGS. TS Nguyễn Trung Thành
Cán bộ chấm nhận xét 1: PGS. TS Lê Anh Kiên
Cán bộ chấm nhận xét 2: PGS. TS Phạm Nguyễn Kim Tuyến
Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp.HCM
ngày 24 tháng 12 năm 2019
Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:
1. PGS.TS Nguyễn Tấn Phong
2. PGS. TS Lê Anh Kiên
3. PGS. TS Phạm Nguyễn Kim Tuyến
4. PGS. TS Đặng Vũ Bích Hạnh
5. TS. Huỳnh Khánh An
Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên
ngành sau khi luận văn đã được sữa chữa (nếu có).

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

PGS. TS. Nguyễn Tấn Phong

TRƯỞNG KHOA
MÔI TRƯỜNG VÀ TÀI NGUYÊN

PGS.TS Võ Lê Phú


ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên : Trần Vũ Anh Khoa

MSHV :1770590

Ngày, tháng, năm sinh : 20/11/1994

Nơi sinh : Tiền Giang

Chuyên ngành : Kỹ thuật môi trường

Mã số : 60520320

I. TÊN ĐỀ TÀI : Tổng hợp và đánh giá khả năng hấp phụ nitrat của vật liệu nano oxit sắt
– magie trên nền nhựa cation
NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG :
- Tổng hợp vật liệu nano oxit sắt – magie trên nền nhựa cation,
- Phân tích và nghiên cứu các đặc trưng cơ bản về phổ nhiễu xạ tia X, phổ
hồng ngoại FTIR và ảnh SEM, EDX và mapping của vật liệu.
- Xác định các điều kiện thích hợp cho q trình hấp phụ ion nitrat của vật

liệu đã tổng hợp.
II. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 19/08/2019
III. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : 08/12/2019
IV.CÁN BỘ HƯỚNG DẪN : PGS.TS Nguyễn Trung Thành
Tp. HCM, ngày 09 tháng 12 năm 2019.
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
(Họ tên và chữ ký)

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO
(Họ tên và chữ ký)

PGS.TS Nguyễn Trung Thành
KHOA MÔI TRƯỜNG VÀ TÀI NGUYÊN
(Họ tên và chữ ký)


LỜI CẢM ƠN
Trong suốt quá trình thực hiện nghiên cứu luận văn tốt nghiệp và q trình học tập,
tơi đã nhận được rất nhiều sự chỉ dạy, hướng dẫn và giúp đỡ tận tình của q thầy cơ,
anh chị, bạn bè cùng với đó là sự hỗ trợ của gia đình, người thân.
Trước tiên, tơi xin gửi lời cảm ơn và tri ân sâu sắc đến PGS.TS. Nguyễn Trung Thành
đã truyền đạt những kinh nghiệm cũng như kiến thức chuyên mơn, tận tình hướng dẫn
và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi trong suốt thời gian thực hiện đề tài. Đồng thời,
xin được chân thành cảm ơn Quý Thầy, Cơ về những ý kiến chỉnh sửa để hồn chỉnh
luận văn.
Xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến tất cả Cán bộ giảng viên Trường Đại học Bách Khoa
thành phố Hồ Chí Minh, những thầy cơ đã truyền đạt kiến thức quý báu trong suốt quá
trình đào tạo. Đặc biệt, xin chân thành cảm ơn tất cả Quý Thầy, Cô Khoa Mơi trường và
Tài ngun nói chung, Bộ mơn Kỹ thuật mơi trường nói riêng của Trường Đại học Bách
Khoa thành phố Hồ Chí Minh đã tạo điều kiện thuận lợi trong quá trình thực hiện đề tài.

Xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến TS. Nguyễn Nhật Huy đã có những tư vấn kịp thời,
những kiến thức chun mơn giúp tơi hồn thành tốt luận văn này.
Xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ của Ban Lãnh đạo, Cán bộ quản lý và nhân viên
Phịng Thí nghiệm mơi trường, Khu Thí nghiệm – Thực hành, Trường Đại học An Giang
đã nhiệt tình hỗ trợ và tạo điều kiện thuận lợi trong q trình thí nghiệm.
Cảm ơn các anh, chị và các bạn cùng lớp Cao học Kỹ thuật môi trường khóa 2017
đã giúp đỡ tơi trong q trình học tập và thực hiện đề tài.
Sau cùng, tôi xin gửi lời tri ân sâu sắc đến người thân, gia đình đã luôn ủng hộ, động
viên tinh thần tôi trong suốt q trình học tập và hồn thành tốt luận văn tốt nghiệp.
Trân trọng cảm ơn!
TP.HCM, ngày … tháng … năm 2019

i


TÓM TẮT
Vật liệu mới oxit sắt- magie trên nền nhựa cation (Fe2O3-MgO/CER) có khả năng
loại bỏ anion nitrat trong dung dịch được tổng hợp thành công bằng sự trao đổi ion giữa
nhựa cation với sắt và magie. Những đặc trưng của vật liệu được xác định bằng các
phương pháp tiên tiến như phổ dao động hồng ngoại (FTIR), phổ nhiễu xạ tia X (XRD),
kính hiển vi điện tử quét (SEM), phổ tán sắc năng lượng tia X (EDX) và mapping. Kết
quả thực nghiệm hấp phụ nitrat cho thấy thời gian hấp phụ đạt cân bằng của vật liệu
Fe2O3-MgO/CER là 30 phút đạt 159,77 mg NO3-/g. Khả năng hấp phụ nitrat tối đa ở pH
5 đạt 199,14 mg NO3-/g và dung lượng hấp phụ giảm khi khối lượng vật liệu tăng lên.
Trong khi đó, nồng độ ban đầu và nhiệt độ tỉ lệ thuận với dung lượng hấp phụ của vật
liệu. Một điểm khá thú vị là vật liệu Fe2O3-MgO/CER với tỉ lệ Fe: Mg = 2:2 cho hiệu
quả hấp phụ nitrat cao nhất (160,38 mg NO3-/g) so với các tỷ lệ khác. Điều này có thể
giải thích là sự có mặt của Mg trong cấu trúc vật liệu có thể xúc tiến cho q trình tạo
nhóm Fe-O-OH dễ dàng hơn, nhờ đó q trình hấp phụ nitrat được diễn ra dễ dàng.
Thêm vào đó nghiên cứu cịn cho thấy vật liệu Fe2O3-MgO/CER chịu ảnh hưởng khá

lớn bởi sự hấp phụ cạnh tranh của các anion khác. Đây là một biểu hiện thường gặp của
các vật liệu hấp phụ dạng này. Động học và nhiệt động cũng được nghiên cứu đầy đủ để
làm sáng tỏ các đặc trưng cho quá trình hấp phụ nitrat của vật liệu này, cụ thể là q
trình này tương thích với động học giả bậc hai và quá trình hấp phụ này là quá trình tỏa
nhiệt. Ngoài ra, nghiên cứu khả năng hấp phụ nitrat của nước thải thực tế (nước thải sinh
hoạt sau bể xử lý sinh học) cho dung lượng hấp phụ là 152,15 (mg NO3-/g). Từ đó cho
thấy, vật liệu Fe2O3-MgO/CER có khả năng hấp phụ cao ion nitrat trong dung dịch, có
nhiều tiềm năng triển khai ứng dụng trong xử lý môi trường.
Từ khóa: cation resin, hấp phụ, nitrat, Fe2O3-MgO/CER.

ii


ABSTRACT
New iron-magnesium oxide material based on cation resin (Fe2O3-MgO/CER) for
removing anion nitrate in solution was successfully synthesized by ion exchange
between cation resin and iron and magnesium. The characteristics of materials were
determined by fourier tranform infrared spectroscopy (FTIR), X-ray diffraction (XRD),
scanning electron microscopy (SEM), energy dispersive X-ray spectroscopy (EDX) and
mapping. Experimental results of nitrate adsorption show that the equilibrium
adsorption time reached after 30 minutes 159,77 mg NO3-/g. The maximum nitrate
adsorption capacity at pH 5 reaches 199,14 mg NO3-/g and the adsorption capacity
decreased with increasing material amount. Meanwhile, the initial concentration and
temperature were directly proportional to the adsorption capacity of the material.
Interestingly, Fe2O3-MgO/CER with Fe: Mg = 2: 2 ratios had the highest nitrate
adsorption efficiency (160,38 mg NO3-/g) as compared to other ratios. This can be
explained by the presence of Mg in the structure of the material, which can facilitate the
easier formation of Fe-O-OH groups, so that the adsorption of nitrates takes place easily.
In addition, the study also showed that Fe2O3-MgO/CER was greatly influenced by the
competitive adsorption of other anions, which is a common phenomenon of these type

of adsorbents. Kinetics and thermodynamics were also well researched to elucidate the
characteristics of the nitrate adsorption process, where it is compatible with the second
order kinetic and exothermic process. In addition, the nitrate adsorption capacity of
nitrate in the actual wastewater (domestic wastewater after biological treatment tanks)
was 152,15 (mg NO3-/g). As a result, Fe2O3-MgO/CER materials have high adsorption
capacity of nitrate ions in solution, which has many potential applications in
environmental treatment.
Keywords: cation resin, adsorption, nitrate, Fe2O3-MgO/CER.

iii


LỜI CAM ĐOAN
Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của tôi dưới sự hướng dẫn của
PGS.TS Nguyễn Trung Thành. Những kết quả, số liệu của luận văn này chưa được dùng
cho bất cứ luận văn nào khác. Các thơng 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 … tháng … năm 2019
Tác giả luận văn

Trần Vũ Anh Khoa

iv


MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN ...................................................................................................................i
TÓM TẮT....................................................................................................................... ii
LỜI CAM ĐOAN ...........................................................................................................iv
DANH MỤC HÌNH ........................................................................................................x

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT ....................................................................................... xii
1.1.

Đặt vấn đề ........................................................................................................1

1.2.

Mục tiêu nghiên cứu .......................................................................................2

1.3.

Đối tượng nghiên cứu .....................................................................................2

1.4.

Nội dung nghiên cứu .......................................................................................3

1.5.

Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn của đề tài ..........................................3

1.5.1. Ý nghĩa khoa học ...........................................................................................3
1.5.2. Ý nghĩa thực tiễn ...........................................................................................3
1.6.

Tính mới của đề tài .........................................................................................3

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN ...........................................................................................4
2.1.

Ô nhiễm do chất dinh dưỡng ...........................................................................4

2.1.1. Nguồn gốc phát sinh nitrat ..........................................................................4
2.1.2. Ảnh hưởng của nitrat đến con người và môi trường ...................................6
2.2.

Một số phương pháp loại bỏ nitrat ..................................................................7

2.3.

Tổng quan về vật liệu nano, các phương pháp tổng hợp vật liệu nano .........13

2.3.1. Tổng quan về vật liệu nano .......................................................................13
2.3.2. Phân loại vật liệu theo kích thước, hình dáng ...........................................14
2.3.3. Các phương pháp tổng hợp vật liệu nano ..................................................14
2.4.

Nhựa trao đổi ion ...........................................................................................16

v


2.4.1. Phân loại nhựa trao đổi ion ........................................................................16
2.4.2. Các phản ứng đặc trưng .............................................................................17
2.4.3. Độ xốp của nhựa trao đổi ion ....................................................................19
2.5.

Tình hình nghiên cứu trong và ngồi nước về xử lý nitrat. ...........................19

CHƯƠNG 3: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ..........................................................23

3.1.

Sơ đồ nội dung nghiên cứu: ...........................................................................23

3.2.

Vật liệu nghiên cứu........................................................................................24

3.2.1. Nước giả thải nhiễm nitrat và nước thải ....................................................24
3.2.2. Các hóa chất, thiết bị, dụng cụ sử dụng trong phân tích ...........................24
3.3.

Phương pháp nghiên cứu ...............................................................................25

3.3.1. Thu mẫu và bảo quản mẫu ........................................................................25
3.3.2. Tổng hợp vật liệu nano Fe2O3-MgO/CER.................................................25
3.3.3. Xác định các đặc trưng của vật liệu...........................................................26
3.3.4. Khảo sát khả năng hấp phụ của vật liệu Fe2O3-MgO/CER đối với nitrat
thông qua các yếu tố ảnh hưởng ............................................................................27
3.4.

Phương pháp phân tích và tính tốn .............................................................. 31

3.5.

Phương pháp xử lý số liệu .............................................................................34

CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ................................................................ 35
4.1.

Các đặc trưng của vật liệu Fe2O3-MgO/CER ................................................35

4.1.1. Phổ hồng ngoại (FTIR) của vật liệu ..........................................................35
4.1.2. Phổ nhiễu xạ tia X (XRD) của vật liệu ......................................................37
4.1.3.

Ảnh chụp hiển vi điện tử (SEM) của vật liệu ...........................................38

4.1.4. Kết quả Mapping và EDX của vật liệu Fe2O3-MgO/CER ........................39
4.2.

Khả năng hấp phụ ion nitrat của vật liệu Fe2O3-MgO/CER..........................40

4.2.1. Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả hấp phụ ion nitrat của vật liệu Fe2O3-

vi


MgO/CER ..............................................................................................................40
4.2.2. Thử nghiệm khả năng hấp phụ ion nitrat của nước thải sinh hoạt đã qua
quá trình xử lý sinh học .........................................................................................55
CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................ 58
5.1.

Kết luận..........................................................................................................58

5.2.

Kiến nghị .......................................................................................................58

TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................. 59
PHỤ LỤC ......................................................................................................................67
LÝ LỊCH TRÍCH NGANG ...........................................................................................75

vii


DANH MỤC BẢNG
Bảng 3.1. Thông số nhựa trao đổi ion cation Inion 220Na (CER) [55] ........................24
Bảng 3.2: Số lượng mẫu thực hiện phân tích đặc trưng hóa lý .....................................27
Bảng 3.3: Bố trí thí nghiệm ...........................................................................................27
Bảng 3.4: Bố trí thí nghiệm ...........................................................................................28
Bảng 3.5: Bố trí thí nghiệm ...........................................................................................28
Bảng 3.6: Bố trí thí nghiệm ...........................................................................................29
Bảng 3.7: Bố trí thí nghiệm ...........................................................................................30
Bảng 4.1: Dung lượng hấp phụ ion nitrat của vật liệu Fe2O3-MgO/CER ở các khoảng
thời gian khác nhau ........................................................................................................40
Bảng 4.2: Dung lượng hấp phụ ion nitrat của vật liệu Fe2O3-MgO/CER ở các khoảng
pH khác nhau .................................................................................................................42
Bảng 4.4: Dung lượng hấp phụ ion nitrat của vật liệu Fe2O3-MgO/CER ở các nồng độ
ban đầu và nhiệt độ dung dịch khác nhau......................................................................46
Bảng 4.5: Dung lượng hấp phụ ion nitrat của vật liệu Fe2O3-MgO/CER ở các tỷ lệ Fe:
Mg khác nhau ................................................................................................................48
Bảng 4.6: Thông số hấp phụ đẳng nhiệt ion nitrat theo mơ hình Langmuir và
Freunlich. .......................................................................................................................50
Bảng 4.7: So sánh Qmax với nghiên cứu trước ............................................................... 51
Bảng 4.8. Dạng tuyến tính và giá trị R2 của các mơ hình biểu kiến của q trình hấp
phụ nitrat ........................................................................................................................52
Bảng 4.9: Nhiệt động lực học trong hấp phụ nitrat của vật liệu ....................................53
Bảng 4.10: Dung lượng hấp phụ ion nitrat của vật liệu Fe2O3-MgO/CER khi có mặt

ion khác trong dung dịch ............................................................................................... 54
Bảng 4.11: Dung lượng hấp phụ nitrat của vật liệu Fe2O3-MgO/CER đối với nước thải
sinh hoạt sau sinh học. ...................................................................................................56

viii


Bảng 4.12: Nồng độ COD trong nước thải trước và sau khi hấp phụ với vật liệu Fe2O3MgO/CER ......................................................................................................................56

ix


DANH MỤC HÌNH
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT ....................................................................................... xii
Hình 2.1: Quá trình A2/O.................................................................................................9
Hình 2.2: Quá trình Bardenpho .......................................................................................9
Hình 2.3: Hệ thống UCT ............................................................................................... 10
Hình 2.4: Hệ thống VIP .................................................................................................10
.......................................................................................................................................11
Hình 2.5: Quá trình SBR ............................................................................................... 11
Hình 3.1. Sơ đồ nội dung nghiên cứu ............................................................................23
Hình 4.1: (A) CER, (B) Vật liệu Fe2O3-MgO/CER ......................................................35
.......................................................................................................................................36
Hình 4.2: Phổ hồng ngoại (FTIR) của (A) CER, (B) Vật liệu Fe2O3-MgO/CER, (C)
Fe2O3-MgO/CER sau hấp phụ nitrat .............................................................................36
Hình 4.3: Phổ nhiễu xạ tia X (XRD) của các vật liệu CER (A) và Fe2O3-MgO/CER (B)
.......................................................................................................................................37
Hình 4.4: Các ảnh SEM của vật liệu Fe2O3-MgO/CER với độ phóng đại khác nhau ..38
.......................................................................................................................................39
Hình 4.5: (A) Kết quả Mapping, (B) Kết quả EDX của vật liệu Fe2O3-MgO/CER, (C)

Tỷ lệ % khối lượng các nguyên tố trong vật liệu ..........................................................39
Hình 4.6: Dung lượng hấp phụ ion nitrat của vật liệu Fe2O3-MgO/CER ở các khoảng
thời gian khác nhau ........................................................................................................41
Hình 4.7: Dung lượng hấp phụ ion nitrat của vật liệu Fe2O3-MgO/CER ở các khoảng
pH khác nhau .................................................................................................................43
Hình 4.8: Điểm đẳng điện pHzpc của Fe2O3-MgO/CER ................................................44
Hình 4.9: Dung lượng hấp phụ ion nitrat của vật liệu Fe2O3-MgO/CER ở các khối
lượng khác nhau ............................................................................................................45

x


Bảng 4.3: Dung lượng hấp phụ ion nitrat của vật liệu Fe2O3-MgO/CER ở các khối
lượng vật liệu khác nhau................................................................................................ 45
.......................................................................................................................................47
Hình 4.10: Dung lượng hấp phụ nitrat của vật liệu ở các nồng độ ban đầu và nhiệt độ
dung dịch khác nhau ......................................................................................................47
Hình 4.11: Dung lượng hấp phụ nitrat của vật liệu ở các tỷ lệ Fe: Mg khác nhau .......49
Hình 4.12: Động học hấp phụ ion nitrat của vật liệu Fe2O3-MgO/CER theo dạng tuyến
tính của phương trình động học biểu kiến bậc 2 ...........................................................53
.......................................................................................................................................55
Hình 4.13: Dung lượng hấp phụ ion nitrat của vật liệu khi có mặt ion cạnh tranh trong
dung dịch .......................................................................................................................55

xi


DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

TỪ VIẾT

TIẾNG VIỆT

TIẾNG ANH

AAO

Kỵ khí – Thiếu khí – Hiếu khí

Anaerobic – Anoxic – Oxic

CBHP

Chất bị hấp phụ

Adsorbent

CER

Nhựa trao đổi cation

Cation exchange resin

CS

Cộng sự

Et al. / Coworkers

EDX

Phương pháp phổ tán sắc

Energy Dispersive X-Ray

TẮT

năng lượng tia X

Spectrometry

FTIR

Quang phổ hồng ngoại

Fourier Transformation Infrared

NOM

Chất hữu cơ tự nhiên

Natural organic material

QCVN

Quy chuẩn Việt Nam

Vietnam standards

SBR

Bể phản ứng sinh học từng mẻ Sequencing Batch Reactor

SEM

Kính hiển vi điện tử quét

Scanning Electron Microscopy

TP.HCM

Thành phố Hồ Chí Minh

Ho Chi Minh City

TCVN

Tiêu chuẩn Việt Nam

Vietnam standard

UCT
VLHP

University of Cape Town
Vật liệu hấp phụ

Adsorbent material

VIP

XRD

Virginia Initiative Plant
X – Ray Diffraction

Nhiễu xạ tia X

xii


CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU
1.1.

Đặt vấn đề

Nước ta hiện nay đang trong thời kỳ phát triển, với sự gia tăng dân số, đơ thị hóa và
cơng nghiệp hóa ngày càng mạnh, đó cũng là ngun nhân dẫn đến ơ nhiễm mơi trường
ngày càng trầm trọng, thể hiện ở nhiều dạng khác nhau như ơ nhiễm đất, ơ nhiễm nước
và khơng khí. Vì vậy, để bảo vệ mơi trường và phát triển bền vững cần phải quản lý và
xử lý các loại chất thải phát sinh một cách hiệu quả. Trong xử lý nước và nước thải,
nitrat là một trong những thành phần ơ nhiễm được chú trọng vì dạng ơ nhiễm này có
ảnh hưởng trực tiếp và nghiêm trọng đến sức khỏe con người cũng như hệ sinh thái.
Nitrat là một dạng tồn tại của nitơ trong môi trường. Đây là thành phần dinh dưỡng
cần thiết cho thực vật phát triển. Các muối của nitrat được sử dụng phổ biến trong nông
nghiệp, công nghiệp như: chế biến thực phẩm, sản xuất phân bón, hóa mỹ phẩm…Do
tính ứng dụng cao và phổ biến nên chúng được sử dụng ngày càng nhiều và thải ra môi
trường ngày càng tăng. Khi thải ra môi trường, sự có mặt của chúng là nguồn dinh dưỡng
dồi dào cho tảo phát triển, gây ra hiện tượng phú dưỡng, phá vỡ cân bằng sinh thái trong
lưu vực, đe dọa môi trường sống của thủy sinh vật bản địa [1]. Ngoài ra khi lượng nitrat
thấm xuống tầng nước dưới đất cũng gây ô nhiễm cho nguồn nước ngầm. Nếu nồng độ

ion nitrat trong nước uống cao có thể gây ra vấn đề sức khỏe con người, nitrat khi vào
cơ thể được chuyển hóa thành nitrit, ion này tác dụng với hemoglobin (Hb) trong hồng
cầu và chuyển thành methemoglobin, gây ngộ độc cơ thể [2]. Ngoài ra, khi nitrit kết hợp
với các axit amin trong cơ thể sẽ hình thành các hợp chất nitrosamines, chất này có khả
năng gây ung thư, gây quái thai và làm biến đổi gen [3].
Do đó, việc loại bỏ nitrat ra khỏi nguồn nước là việc làm rất cần thiết. Hiện nay, các
phương pháp loại bỏ nitrat thông dụng như phương pháp sinh học (hiếu khí, thiếu khí)
hoặc phương pháp hóa lý (trao đổi ion, hấp phụ…). Tuy nhiên phương pháp sinh học
thường khó kiểm sốt, địi hỏi kỹ thuật vận hành phước tạp, các vi sinh vật chuyển hóa
nitơ trong nước thải để sinh trưởng và phát triển sinh khối, sinh ra lượng bùn sinh học
lớn và cần phải xử lý tiếp tục lượng bùn này [4].
Hiện nay, một số giải pháp được đưa ra với tính ưu việt hơn về khả năng xử lý các

1


thành phần ơ nhiễm trong nước, trong đó có thành phần nitrat đạt hiệu suất loại bỏ cao,
như trao đổi ion, hấp phụ bằng vật liệu nano. Các phương pháp này có khả năng loại bỏ
nitrat mà khơng phát sinh lượng bùn dư, mặt khác vật liệu cịn có thể hoàn nguyên và
sử dụng lại, đồng thời lượng nitrat được tách ra có thể tận dụng như phân bón cho cây
trồng, đây được xem là một giải pháp đầy hứa hẹn mà cơng nghệ vật liệu nano có thể
phát triển cho mục đích này. Các vật liệu nano hấp phụ chất ô nhiễm thường được phát
triển từ oxit của các kim loại như Fe, Mn, Mg, Al…Trong đó các nano oxit sắt được
nghiên cứu ứng dụng [5] vì có nhiều tính năng ưu việt trong xử lý mơi trường như: xử
lý nước thải chứa kim loại nặng, hóa chất bảo vệ thực vật, các hợp chất hữu cơ mà không
phát sinh lượng bùn dư, có thể hồn ngun và tái sử dụng. Vật liệu nano đơn lẻ có hiệu
quả xử lý thấp nên chúng hay kết hợp với thành phần khác, được biến tính để đạt hiệu
quả cao hơn. Ví dụ: nano oxit sắt gắn trên cacbon nanotube [6, 7], nano oxit sắt gắn trên
tro trấu hoạt hóa [8], nano sắt-Mn [9], nano oxit sắt kết hợp với oxit khác [10].Tương tự
vật liệu nano oxit magie đơn lẻ cũng có hiệu quả xử lý thấp [11], để tăng hiệu quả xử lý

cần phải kết hợp với một số nano oxit khác, thêm vào đó magie là kim loại kiềm thổ có
khả năng xúc tiến q trình tạo liên kết Fe-O-OH dễ dàng hơn.
Từ các vấn đề trên, đề tài nghiên cứu tài “Tổng hợp và đánh giá khả năng hấp phụ
nitrat của vật liệu nano oxit sắt- magie trên nền nhựa cation” có ý nghĩa rất lớn vừa giải
quyết vấn đề ơ nhiễm mơi trường, vừa có tính học thuật và phù hợp với xu thế thời đại
khi công nghệ nano đang được ứng dụng ngày càng rộng rãi.
1.2.

Mục tiêu nghiên cứu

Tổng hợp vật liệu nano oxit sắt – magie trên nền nhựa cation ứng dụng để loại bỏ
ion nitrat trong dung dịch nước giả thải và nước thải sinh hoạt sau công đoạn xử lý sinh
học.
1.3.

Đối tượng nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu: ion nitrat trong dung dịch nước giả thải và nước thải sinh
hoạt đã qua xử lý sinh học, vật liệu nano oxit sắt- magie trên nền nhựa cation.
Phạm vi nghiên cứu: đánh giá khả năng và đặc tính hấp phụ của vật liệu oxit sắtmagie trên nền nhựa cation đối với ion nitrat trong nước giả thải và nước thải sinh hoạt

2


sau hệ thống xử lý sinh học
1.4.

Nội dung nghiên cứu

− Tổng hợp vật liệu nano oxit sắt – magie trên nền nhựa cation (Fe2O3-MgO/CER).

− Xác định đặc trưng của vật liệu nano oxit sắt- magie trên nền nhựa cation như: phổ
nhiễu xạ tia X (XRD), phổ hồng ngoại (FTIR), ảnh chụp hiển vi điện tử quét (SEM)
hoặc ảnh chụp hiển vi điện tử truyền qua (TEM).
− Xác định điều kiện phù hợp cho quá trình hấp phụ trong việc loại bỏ ion nitrat trong
dung dịch của vật liệu nano oxit sắt- magie trên nền nhựa cation.
• Ảnh hưởng của thời gian đến q trình hấp phụ;
• Ảnh hưởng của pH dung dịch đến q trình hấp phụ;
• Ảnh hưởng của nồng độ ion nitrat trong dung dịch ban đầu và nhiệt độ mơi
trường đến q trình hấp phụ;
• Ảnh hưởng của khối lượng chất hấp phụ đến quá trình hấp phụ;
• Ảnh hưởng của tỷ lệ Fe: Mg đến quá trình hấp phụ;
− Thử nghiệm khả năng hấp phụ kết hợp trao đổi ion của vật liệu nano oxit sắt- magie
trên nền nhựa cation đối với ion nitrat trong nước thải sinh hoạt sau xử lý sinh học,
ở các điều kiện thích hợp đã khảo sát tại phịng thí nghiệm.
1.5.

Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn của đề tài

1.5.1. Ý nghĩa khoa học
Nâng cao hiệu quả hấp phụ, cũng như khả năng loại bỏ ion nitrat của vật liệu oxit
sắt- magie trên nền nhựa cation.
1.5.2. Ý nghĩa thực tiễn
Ý nghĩa thực tiễn của đề tài này là đề xuất một loại vật liệu mới để loại bỏ nitrat
trong mơi trường.
1.6.

Tính mới của đề tài

Tính mới của đề tài là đề xuất một giải pháp thiết kế vật liệu hiệu quả ứng dụng trong
loại bỏ nitrat trong môi trường nước.

3


CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN
Ô nhiễm do chất dinh dưỡng

2.1.

Nitrat được xem là một trong những chất dinh dưỡng cần thiết cho sinh vật phát
triển [12]. Tuy nhiên, khi sự hiện diện của chúng quá nhiều, vượt quá khả năng tự làm
sạch sẽ gây ra ô nhiễm môi trường.
Nitrat (NO3-) là một dạng tồn tại của nitơ trong môi trường, bên cạnh một số dạng
khác của nitơ như nitrit (NO2-), amoniac (NH3) và nitơ hữu cơ (amino axit, protein,
purines, pyrimidines và axit nucleic) [13]. Hầu như tất cả các muối nitrat đều tan tốt
trong nước và phân li thành các ion trong môi trường nước. Trong môi trường nước tự
nhiên, các hợp chất amoniac, hợp chất hữu cơ chứa nitơ, khí nitơ, nitrat và nitrit có nồng
độ khơng đáng kể, tuy vậy chúng là nguồn nitơ cho phần lớn sinh vật trong đất và nước.
Vi sinh vật sử dụng nguồn nitơ kể trên vào tổng hợp axit amin, protein, tế bào và chuyển
hố năng lượng. Trong các q trình đó, hợp chất nitơ thay đổi hoá trị và chuyển hoá
thành các hợp chất hoá học khác.
2.1.1. Nguồn gốc phát sinh nitrat
Từ nước thải sinh hoạt
Thành phần nitơ trong thức ăn của người và động vật nói chung chỉ được cơ thể hấp
thu một phần, phần còn lại được thải ra dưới dạng chất rắn (phân) và các chất bài tiết
khác (nước tiểu, mồ hôi) [13]. Nguồn nước thải từ sinh hoạt gồm: nước vệ sinh tắm,
giặt, nước rửa rau, thịt, cá, nước từ bể phốt, từ khách sạn, nhà hàng, các dịch vụ công
cộng như thương mại, bến tàu xe, bệnh viện, trường học, khu du lịch, vui chơi, giải trí.
Chúng thường được thu gom vào các kênh dẫn thải. Hợp chất nitơ trong nước thải là các
hợp chất amoniac, protein, peptid, axit amin, amin cũng như các thành phần khác trong

chất thải rắn và lỏng. Mỗi người hàng ngày tiêu thụ 5 – 16 gam nitơ dưới dạng protein
và thải ra khoảng 30% trong số đó. Hàm lượng nitơ thải qua nước tiểu lớn hơn trong
phân khoảng 8 lần [14]. Các hợp chất chứa nitơ, đặc biệt là protein và urin trong nước
tiểu bị thủy phân rất nhanh tạo thành amoni/ammoniac. Trong các bể phốt xảy ra quá
trình phân hủy yếm khí các chất thải, q trình phân hủy này làm giảm đáng kể lượng
chất hữu cơ dạng cacbon nhưng tác dụng làm giảm hợp chất nitơ không đáng kể, trừ

4


một phần nhỏ tham gia vào cấu trúc tế bào vi sinh vật. Hàm lượng hợp chất nitơ trong
nước thải từ các bể phốt cao hơn so với các nguồn thải chưa qua phân hủy yếm khí.
Trong nước thải sinh hoạt, nitrat và nitrit có hàm lượng rất thấp do lượng oxy hòa
tan và mật độ vi sinh tự dưỡng (vi sinh có khả năng oxy hóa amoni) thấp. Thành phần
amoni chiếm 60 – 80% hàm lượng nitơ tổng trong nước thải. Nồng độ hợp chất nitơ
trong nước thải sinh hoạt biến động theo: lưu lượng nguồn nước thải, mức độ sử dụng
nước của dân cư, mức độ tập trung các dịch vụ cơng cộng, thời tiết, khí hậu trong vùng,
tập quán ăn uống sinh hoạt (thức ăn nguội, tự nấu nướng), thay đổi mạnh theo chu kỳ
thời gian ngày tháng cũng như mức sống và tiện nghi cộng đồng. Lượng chất thải vì vậy
thường được tính theo đầu người (khối lượng khô) hoặc nồng độ sau khi được pha loãng
với mức nước sử dụng trên đầu người (ở các nước cơng nghiệp khoảng 190
lít/người/ngày) hoặc trong các cống rãnh thải (450 lít/người/ngày) [13].
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). Các hợp chất nitơ là các chất dinh
dưỡng, chúng luôn vận động trong tự nhiên, chủ yếu nhờ các q trình sinh hố. Nitrat
(NO3-) là dạng hợp chất vơ cơ của nitơ có hố trị cao nhất và có nguồn gốc chính từ
nước thải sinh hoạt hoặc nước thải một số ngành cơng nghiệp thực phẩm, hố chất, ...
chứa một lượng lớn các hợp chất nitơ. Khi vào sông hồ, chúng tiếp tục bị nitrat hoá, tạo
thành nitrat. Nitrat hố là giai đoạn cuối cùng của q trình khống hố các chất hữu cơ
chứa nitơ. Mặt khác, q trình nitrat hố cịn tạo nên sự tích luỹ oxy trong hợp chất nitơ

để cho các q trình oxy hố sinh hoá các chất hữu cơ tiếp theo, khi lượng oxy hồ tan
trong nước rất ít [13].
Nồng độ nitrat trong nước thải sinh hoạt biến động theo: lưu lượng nguồn nước thải,
mức độ sử dụng nước của cư dân, mức độ tập trung các dịch vụ cơng cộng, thời tiết, khí
hậu trong vùng, tập quán ăn uống sinh hoạt, thay đổi mạnh theo chu kỳ thời gian cũng
như mức sống và tiện nghi của cộng đồng [15].
Từ nước thải cơng nghiệp
Ơ nhiễm do hợp chất nitrat từ sản xuất công nghiệp liên quan tới các ngành nghề như
chế biến thực phẩm, chế biến thủy hải sản, giết mổ gia súc [16]. Lượng nước được sử
dụng khá lớn ở nhiều công đoạn trong quá trình chế biến, các hợp chất chứa nitrat theo

5


đó được thải ra ngồi, lượng nước và nồng độ nitơ thải ra khác nhau tùy vào nguyên liệu
chế biến, ngành nghề sản xuất.
Từ nông nghiệp
Trong nông nghiệp, phân N-P-K thường được sử dụng để bổ sung dinh dưỡng cho
cây trồng, nhưng cây trồng chỉ sử dụng một phần, chẳng hạn như phân đạm khi bón cho
cây, thực vật chỉ hấp thu ở dạng nitrat và amoni, một số giải phóng ra khí quyển ở dạng
khí N2 và NH3, cịn lại tích tụ trong đất có thể bị cuốn theo dòng chảy hoặc thấm vào
tầng nước dưới đất [17]. Với nhu cầu lớn lượng phân bón cần sử dụng cho nơng nghiệp,
nếu bón phân khơng hợp lý, vượt q nhu cầu của cây trồng gây dư thừa và thải ra môi
trường cũng là nguyên nhân ô nghiễm, không chỉ nguồn nước mặt mà nguồn nước ngầm
cũng bị ảnh hưởng [17].
Nguồn nước thải phát sinh do chăn nuôi gia súc, gia cầm có lưu lượng nhỏ hơn so
với nước sinh hoạt, chủ yếu là nước tắm rửa và vệ sinh chuồng trại. Nước thải từ chuồng
trại chăn nuôi chứa một lượng lớn chất rắn không tan: phân, rác rưởi, bùn đất, thức ăn
thừa rơi vãi, các hợp chất hữu cơ chứa nitrat được phân tách ra từ các chất thải rắn khi
gặp nước [18].

2.1.2. Ảnh hưởng của nitrat đến con người và môi trường
Ảnh hưởng tới môi trường
Khi nước thải chứa nitrat chảy vào sông, hồ làm tăng đáng kể hàm lượng chất dinh
dưỡng cho sinh vật. Khi đó sự phát triển mạnh mẽ của các loại thực vật phù du như rêu,
tảo gây tình trạng thiếu oxy trong nước, phá vỡ cân bằng sinh thái, sản sinh nhiều chất
độc trong nước như NH4+, H2S, CO2, CH4 ... tiêu diệt nhiều loại sinh vật có trong nước,
hiện tượng đó gọi là phú dưỡng nguồn nước [19]. Đặc biệt là vào mùa xuân, khi nhiệt
độ, ánh sáng tăng lên và nước phân tầng, sinh khối tảo tăng nhanh, rồi chết đi gây ra
màu nước xanh, phát sinh mùi hơi khó chịu và một số chất độc, làm giảm hàm lượng
oxy của nước một cách nghiêm trọng [15].
Hiện nay, phú dưỡng thường gặp trong các hồ đô thị, các sông và kênh dẫn nước
thải. Đặc biệt tại các khu vực đô thị, một số kênh, sơng thốt nước có màu xanh đen
hoặc đen, mùi hơi thối do thốt khí H2S tăng thêm mức độ ơ nhiễm khơng khí của khu

6


dân cư, hiện tượng này tác động tiêu cực tới hoạt động sống của dân cư đơ thị. Để kiểm
sốt sự phú dững hóa, cơ quan mơi trường ở nhiều quốc gia đã đưa ra mức giới hạn cho
phép của nitơ trong môi trường nước, cũng như mức giới hạn của những chất này trong
nước thải trước khi được xả ra mơi trường [20]. Việt Nam cũng có ban hành quy chuẩn
quốc gia quy định giá trị tới hạn nồng độ của hai thông số này như đối với nước thải
sinh hoạt (QCVN14:2008/BTNMT), nước thải công nghiệp (QCVN 40:2011/BTNMT).
Ảnh hưởng tới con người
Ngồi việc gây phú dưỡng hóa, nitơ tồn tại trong nước thải gây ơ nhiễm mơi trường,
cịn ảnh hưởng xấu đến hệ sinh thái và sức khoẻ cộng đồng [21].
Khi hợp chất nitơ trong nước thải không được xử lý, nó đi vào trong chuỗi thức ăn
hay trong nước cấp ăn uống trực tiếp có thể gây nên một số bệnh nguy hiểm. Nitrat tạo
chứng thiếu vitamin và có thể kết hợp với các amin để tạo thành các nitrosamin là nguyên
nhân gây ung thư, gây quái thai, gây đột biến, ion nitrat cũng liên quan đến bệnh tiểu

đường [22]. Trẻ sơ sinh đặc biệt nhạy cảm với nitrat có nhiều trong sữa mẹ hoặc qua
nước dùng để pha sữa, nitrit kết hợp với hemoglobin tạo thành methanemoglobinemia
gây ra bệnh “Blue-baby” cho trẻ [21]. Ion nitrit còn nguy hiểm hơn nitrat đối với sức
khỏe con người. Khi vào cơ thể, nitrat chuyển hóa thành nitrit nhờ vi khuẩn đường ruột,
tác dụng với các amin hay alkyl cacbonat trong cơ thể người chúng có thể tạo thành các
hợp chất chứa nitơ gây ung thư. Nitrit có thể oxy hố sắt II ngăn cản quá trình hình thành
hemoglobin làm giảm lượng oxy trong máu có thể gây thiếu oxy não, nôn, khi nồng độ
cao dẫn đến buồn ngủ và thờ ơ [23].
2.2.

Một số phương pháp loại bỏ nitrat

Hiện nay có rất nhiều phương pháp đã được ứng dụng để xử lý nitrat như phương
pháp hóa lý (hấp thụ, hấp phụ,…) [16]. Phương pháp sinh học hoặc kết hợp các phương
pháp với nhau để đạt hiệu quả xử lý cao hơn. Tùy vào từng loại nước thải khác nhau sẽ
có đặc tính ơ nhiễm, nồng độ nitrat khác nhau từ đó áp dụng các phương pháp xử lý cho
phù hợp. Khi lựa chọn công nghệ không thể bỏ qua các yếu tố như diện tích cho cơng
trình xử lý, chi phí xây dựng, vận hành hệ thống (chi phí năng lượng và hóa chất), kỹ
thuật vận hành và cơng tác bảo trì bảo dưỡng cũng cần được xem xét để vừa đảm bảo
hiệu quả xử lý cũng như hiệu quả về kinh tế.

7


a. Phương pháp sinh học
Một trong những phương pháp thường được sử dụng hiện nay là phương pháp sinh
học, phương pháp này được ứng dụng rộng rãi trong các hệ thống xử lý nước thải, có
thể xử lý đồng thời nhiều chất ô nhiễm, bao gồm các ion nitrat và các thành phần ô
nhiễm khác [24]. Với phương pháp sinh học nitơ sẽ được chuyển quá dựa vào hai quá
trình như sau:

- Q trình nitrat hóa: là q trình chuyển hóa các hợp chất nitơ ở dạng hữu cơ
thành nitơ ở dạng nitrit, nitrat nhờ các vi sinh hiếu khí trong điều kiện hiếu khí.
Nitrosomonas + NH3 + 3/2O2  NO2-+ H+ + H2O + Nitrosomonas

(2.1)

Nitrobacter + NO2- + 1/2O2  NO3-+ Nitrobacter

(2.2)

- Quá trình khử nitrat: là quá trình khử các hợp chất nitơ ở dạng nitrat thành nitơ
tự do nhờ các vi sinh vật thiếu khí trong điều kiện thiếu khí.
NO3- + 1,08CH3OH + H+  0,065C5H7O2N + 0,47N2 + 0,76CO2 +2,44H2O (2.3)
Trong bể sinh học, vi sinh vật tồn tại dưới dạng bơng bùn lơ lửng có vai trị chuyển
hố các chất hữu cơ thành sản phẩm cuối cùng là sinh khối, CO2, H2O và giải phóng khí
N2 .
Phương pháp sinh học được áp dụng với nhiều biến thể bằng việc kết hợp các giai
đoạn khác nhau gồm kỵ khí (Anaerobic), thiếu khí (Anoxic) và hiếu khí (Oxic) cùng với
bể lắng. Với mỗi cách bố trí và kết hợp sẽ cho ra quy trình xử lý riêng, chẳng hạn quy
trình kết hợp kỵ khí – hiếu khí, hay kết hợp ba q trình kỵ khí - thiếu khí - hiếu khí,
thường được gọi là cơng nghệ AAO, hoặc kỹ thuật mẻ kế tiếp theo giai đoạn được thực
hiện trong cùng một bể với tên gọi là SBR [24].
Một số quá trình sinh học đã được áp dụng để xử lý nitrat:
-

Q trình A2/O.

A2/O là một cơng nghệ cải tiến của công nghệ Anaerobic/Oxic bao gồm các công
đoạn xử lý kỵ khí (Anaerobic), thiếu khí (Anoxic) và hiếu khí (Oxic). Giai đoạn xử lý
thiếu khí được bổ sung nitrat, nitrit từ bể hiếu khí (quay vịng), bùn từ bể lắng thứ cấp

8


được hồi lưu về bể yếm khí. Sơ đồ A2/O có khả năng xử lý hợp chất nitơ [13].
Tuần hồn
Nước thải
vào Giai đoạn
kỵ khí

Giai đoạn
thiếu khí

Bể
lắng

Giai đoạn
hiếu khí

Nước đầu
ra
Bùn thải

Bùn tuần hồn
Hình 2.1: Q trình A2/O
-

Q trình Bardenpho năm giai đoạn.

So với A2/O thì thời gian lưu tế bào của Bardenpho năm giai đoạn dài hơn (10-40

ngày) [13]. Quá trình Bardenpho có thể khử nitơ rất tốt mà khơng dùng bất cứ tác nhân
hóa học nào, hiệu suất khử nitơ khoảng 93%.
Tuần hồn

Nước thải
vào Giai
đoạn
yếm
khí

Giai
đoạn
thiếu
khí

Giai
đoạn
hiếu
khí
n

Giai
đoạn
thiếu
khí

Giai
đoạn
hiếu
khí

Bùn tuần hồn

Bể
lắng

Nước đầu
ra

Bùn thải

Hình 2.2: Q trình Bardenpho
-

Q trình UCT

Cơng nghệ này có khả năng đồng thời loại bỏ BOD, hợp chất nitơ …. Chất hữu cơ
có trong dịng quay vịng từ bể xử lý thiếu khí là loại dễ phân hủy và hàm lượng nitrat
trong đó thấp vì vậy thích hợp cho q trình tách phốt pho từ vi sinh vật. Dòng quay
vòng từ bể hiếu khí về bể thiếu khí có tác dụng khử nitrat [13].

9