Nghiên cứu biến tính than hoạt tính làm vật liệu xử lý một số chất độc tồn tại dưới dạng ion trong nước

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC
VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM

HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ
-----------------------------

PHẠM THỊ HẢI THỊNH

NGHIÊN CỨU BIẾN TÍNH THAN HOẠT TÍNH LÀM VẬT
LIỆU XỬ LÍ MỘT SỐ CHẤT ĐỘC TỒN TẠI DƯỚI DẠNG
ION TRONG NƯỚC

LUẬN ÁN TIẾN SỸ CHUYÊN NGÀNH KĨ THUẬT MÔI TRƯỜNG

HÀ NỘI – 2020


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC
VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM

HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ
-----------------------------

Phạm Thị Hải Thịnh

NGHIÊN CỨU BIẾN TÍNH THAN HOẠT TÍNH LÀM VẬT
LIỆU XỬ LÍ MỘT SỐ CHẤT ĐỘC TỒN TẠI DƯỚI DẠNG

ION TRONG NƯỚC

Chuyên ngành: Kĩ thuật môi trường
Mã số: 9 52 03 20

LUẬN ÁN TIẾN SỸ CHUYÊN NGÀNH KĨ THUẬT MÔI TRƯỜNG
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
1. PGS. TS. Trần Hồng Côn
2. TS. Phương Thảo

Hà Nội – 2020


LỜI CAM ĐOAN

Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của riêng tôi và không trùng
lặp với bất kỳ cơng trình khoa học nào khác. Các số liệu, kết quả nêu trong luận án
là trung thực và chưa sử dụng để bảo vệ một học vị nào, chưa được ai cơng bố trong
bất kỳ một cơng trình nghiên cứu nào.

Tác giả luận án

Phạm Thị Hải Thịnh


LỜI CẢM ƠN
Tôi xin bày tỏ lời cảm ơn chân thành, sâu sắc, sự kính trọng tới PGS.TS.
Trần Hồng Cơn - người Thầy đã tận tâm hướng dẫn khoa học, định hướng nghiên
cứu, động viên và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tơi trong suốt q trình thực hiện
luận án. Tôi cũng xin chân thành cảm ơn TS. Phương Thảo đã tận tình chỉ dẫn, giúp

đỡ tơi về khoa học và định hướng nghiên cứu trong suốt quá trình tôi thực hiện luận
án.
Tôi xin chân thành cảm ơn Lãnh đạo Viện Cơng nghệ mơi trường, Lãnh đạo
phịng Cơng nghệ xử lí nước cùng các đồng nghiệp phịng Cơng nghệ xử lí nước –
Viện Cơng nghệ mơi trường đã tạo điều kiện về mọi mặt, động viên và đóng góp
các ý kiến quý báu về chuyên môn trong suốt quá trình tơi thực hiện và bảo vệ Luận
án. Tơi xin trân trọng cảm ơn tập thể cán bộ của Phòng thí nghiệm Hóa mơi trường
– Khoa Hóa học – Trường Đại học Khoa học tự nhiên đã quan tâm giúp đỡ và đã
tạo mọi điều kiện thuận lợi về cơ sở vật chất cho tơi trong suốt q trình nghiên
cứu.
Tơi xin trân trọng cảm ơn Lãnh đạo và cán bộ Khoa Công nghệ môi trường,
Học viện Khoa học và Công nghệ đã giúp đỡ tôi mọi thủ tục cần thiết trong q
trình hồn thành Luận án.
Cuối cùng tơi xin bày tỏ lời cảm ơn sâu sắc nhất đến gia đình, người thân đã
luôn chia sẻ, động viên và giúp đỡ tơi vượt qua mọi khó khăn trong suốt q trình
thực hiện Luận án.


MỤC LỤC
MỤC LỤC ...................................................................................................................v
DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT............................................................................... viii
DANH MỤC BẢNG ................................................................................................. ix
DANH MỤC HÌNH .................................................................................................. xi
MỞ ĐẦU .....................................................................................................................1
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN .......................................................................................5
1.1. Hiện trạng ô nhiễm amoni, asen, kim loại nặng trongnước ngầm và các
nghiên cứu, ứng dụng trong nước về xử lí amoni, asen ..........................................5
1.1.1. Hiện trạng ơ nhiễm amoni, asen và kim loại nặng trong nước ngầm ........5
1.1.2. Các nghiên cứu, ứng dụng trong nước về xử lí amoni, asen trong nước
ngầm .....................................................................................................................7

1.1.2.1. Các nghiên cứu, ứng dụng xử lí amoni trong nước ngầm ...................7
1.1.2.2. Các nghiên cứu, ứng dụng xử lí asen trong nước ngầm ....................11
1.2. Tổng quan về than hoạt tính ...........................................................................14
1.2.1. Khái niệm chung về than hoạt tính và tiềm năng ứng dụng trong mơi
trường .................................................................................................................14
1.2.2. Đặc tính của than hoạt tính .......................................................................16
1.2.2.1. Cấu trúc xốp của bề mặt than hoạt tính..............................................16
1.2.2.2. Cấu trúc hóa học của bề mặt than hoạt tính .......................................18
1.2.3. Biến đổi bề mặt than hoạt tính .................................................................21
1.2.4. Các nghiên cứu trong và ngồi nước về biến tính than hoạt tính bằng các
tác nhân oxi hóa ..................................................................................................26
1.3. Tổng quan về hấp phụ và trao đổi ion ............................................................36
1.3.1. Tổng quan về hấp phụ ..............................................................................36
1.3.1.1. Phân loại đường đẳng nhiệt hấp phụ ..................................................36
1.3.1.2. Kĩ thuật hấp phụ động ........................................................................38
1.3.2. Tổng quan về trao đổi ion ........................................................................41
1.3.2.1. Cơ sở lí thuyết của q trình trao đổi ion...........................................41
1.3.2.2. Nguyên tắc cơ bản của phản ứng trao đổi ion....................................42
CHƯƠNG 2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ......................................................44
2.1. Đối tượng nghiên cứu .....................................................................................44


2.2. Hóa chất, dụng cụ và thiết bị thí nghiệm ........................................................44
2.3. Phương pháp thực nghiệm ..............................................................................45
2.3.1. Phương pháp oxi hóa than hoạt tính .........................................................45
2.3.1.1. Oxi hóa than hoạt tính bằng HNO3 và trung hịa bề mặt bằng NaOH
.........................................................................................................................45
2.3.1.2. Oxi hóa than bằng KMnO4 ................................................................47
2.3.1.3. Oxi hóa than bằng K2Cr2O7 ...............................................................47
2.3.2. Nghiên cứu khả năng hấp phụ của than biến tính trong điều kiện tĩnh ....48

2.3.3. Nghiên cứu khả năng trao đổi ion /hấp phụ của than oxi hóa trên mơ hình
động ....................................................................................................................49
2.3.4. Nghiên cứu khả năng tái sinh của than sau hấp phụ ................................50
2.3.5. Phương pháp gắn Mn2+ và Fe3+ trên than biến tính ..................................50
2.4. Các phương pháp xác định đặc trưng bề mặt của vật liệu ..............................51
2.5. Phương pháp phân tích ...................................................................................53
2.6. Phương pháp tính tốn ....................................................................................54
CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN ..................................56
3.1. Kết quả oxi hóa than hoạt tính bằng các tác nhân oxi hóa khác nhau ............56
3.1.1. Các vật liệu thu được sau oxi hóa và xử lí bề mặt ...................................56
3.1.2. Đặc trưng bề mặt vật liệu trước và sau oxi hóa ........................................58
3.1.2.1. Kết quả hình thái học và thành phần các nguyên tố của than hoạt tính
và than oxi hóa ................................................................................................58
3.1.2.2. Kết quả xác định phổ hồng ngoại (FTIR) ..........................................60
3.1.2.3. Kết quả xác định diện tích bề mặt riêng ............................................64
3.1.2.4. Kết quả chuẩn độ Boehm và xác định giá trị pHpzc ...........................67
3.1.2.5. Định lượng dung lượng khử của than khi oxi hóa bằng KMnO4 và
K2Cr2O7 ...........................................................................................................71
3.2. Khả năng trao đổi ion của than oxi hóa bằng HNO3, KMnO4, K2Cr2O7 với
NH4+ .......................................................................................................................73
3.2.1. Khả năng trao đổi của than oxi hóa bằng HNO3 với NH4+ ......................73
3.2.1.1. Ảnh hưởng của điều kiện biến tính than đến khả năng trao đổi với
NH4+ ................................................................................................................73
3.2.1.2. Khả năng trao đổi ion của than OAC14 và OAC10-4Navới NH4+ .........76


3.3.2. Khả năng trao đổi ion của than oxi hóa bằng KMnO4 với NH4+ .............78
3.3.3. Khả năng trao đổi ion của than oxi hóa bằng K2Cr2O7 với NH4+ ............79
3.3. Khả năng trao đổi ion của than oxi hóa bằng HNO3và xử lí bề mặt bằng
NaOH đối với các cation hóa trị 2 và 3 trên mơ hình tĩnh.....................................81

3.3.1. Ảnh hưởng của thời gian tiếp xúc ............................................................81
3.3.2. Ảnh hưởng của pH đến quá trình hấp phụ/trao đổi ..................................84
3.3.3. Ảnh hưởng của nồng độ ion đầu vào đến khả năng hấp phụ/trao đổi ......88
3.4. Khả năng trao đổi của than biến tính với NH4+ trên mơ hình động................96
3.4.1. Ảnh hưởng của nồng độ amoni đầu vào..................................................97
3.4.2. Ảnh hưởng của lưu lượng dòng vào .........................................................97
3.4.3. Ảnh hưởng của chiều cao cột than ...........................................................98
3.4.4. Động học trao đổi theo các mơ hình hấp phụ động................................101
3.5. Khả năng tái sinh của than hoạt tính sau khi trao đổi với NH4+ ...................101
3.5.1. Tái sinh trên mô hình tĩnh ......................................................................101
3.5.2. Tái sinh trên mơ hình động ....................................................................103
3.6. Gắn kim loại lên than oxi hóa và ứng dụng xử lí As trong nước .................105
3.6.1. Đặc trưng của than oxi hóa sau khi gắn Mn và Fe .................................106
3.6.2. Kết quả hấp phụ As của vật liệu than oxi hóa gắn Mn và Fe .................110
3.6.2.1. Ảnh hưởng của pH đến khả năng hấp phụ As(III) và As(V) ...........110
3.6.2.2. Ảnh hưởng của nồng độ As đầu vào và hàm lượng Mn, Fe mang lên
than oxi hóa đến khả năng hấp phụ As(III)...................................................111
3.6.2.3. Ảnh hưởng của nồng độ As đầu vào và hàm lượng Fe, Mn gắn trên
than đến khả năng hấp phụ As(V).................................................................114
3.7. Ứng dụng trong xử lí nước chứa Cr(VI), amoni...........................................116
3.7.1. Khả năng xử lí Cr(VI) của than hoạt tính trên mơ hình động ................116
3.7.2. Ứng dụng xử lí amoni trong nước cấp ...................................................120
KẾT LUẬN .............................................................................................................123
NHỮNG ĐÓNG GÓP MỚI CỦA LUẬN ÁN .......................................................124
DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH CƠNG BỐ .....................................................125
TÀI LIỆU THAM KHẢO .......................................................................................126


DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT

Chữ viết tắt

Tên tiếng Việt

Tên tiếng Anh

AC

Than hoạt tính

Activated carbon

SEM

Hiển vi điện tử quét

Scanning

Electron

Microscopy
IR

Quang phổ hồng ngoại

BET

Phương pháp đo diện tích bề mặt Brunauer
riêng BET

ASTM

EDX

Ingrared Spectroscopy
–

Emmett

Teller

Tiêu chuẩn thử nghiệm vật liệu của American

Society

for

Hiệp hội Mỹ

Testing And Materials

Phổ năng lượng tán xạ tia X

Energy-dispersive
spectroscopy

pHpzc

Giá trị pH tại điểm trung hịa điện Point of zero charge
tích

TLTK

Tài liệu tham khảo

QCVN

Quy chuẩn Việt Nam

BYT

Bộ y tế

–

X-ray


DANH MỤC BẢNG
Bảng 1.1. Đặc tính than hoạt tính được sản xuất từ các nguồn gốc khác nhau [24] .15
Bảng 1.2. Thuận lợi và bất lợi của các phương pháp biến tính than hoạt tính .........22
Bảng 1.3. Mối tương quan của RL và dạng mơ hình [94] .........................................37
Bảng 4. 3.1. Bảng tổng kết các mẫu than thu được sau oxi hóa bằng HNO3 và xử lí
bề mặt bằng NaOH ....................................................................................................56
Bảng 5 3.2. Thành phần các nguyên tố của than hoạt tính và than oxi hóa ..............58
Bảng 6 3.3. Kết quả phân tích phổ hồng ngoại của than hoạt tính và than biến tính61
Bảng 7 3.4. Bề mặt riêng và đặc trưng mao quản của than trước và sau oxi hóa .....64
Bảng 8 3.5. Bề mặt riêng và đặc trưng mao quản của than trước và sau oxi hóa bằng
các tác nhân khác nhau ..............................................................................................65
Bảng 9 3.6. Kết quả chuẩn độ Boehm của than oxi hóa bằng HNO3 .......................67

Bảng 10 3.7. Kết quả chuẩn độ Boehm và pHpzc của than oxi hóa ..........................69
Bảng 11 3.8. Các thơng số đẳng nhiệt hấp phụ NH4+ của mẫu than oxi hóa bằng
HNO3 với thời gian khác nhau theo Langmuir .........................................................74
Bảng 12 3.9. Các thông số đẳng nhiệt hấp phụ NH4+ của mẫu than OAC10-4 và
OAC10-4Na theo Langmuir ..........................................................................................78
Bảng 13 3.10. Các thông số đẳng nhiệt hấp phụ NH4+ của mẫu than ACKMnO4 và
OACKMnO4-Na theo Langmuir .....................................................................................79
Bảng 14 3.11. Các thông số đẳng nhiệt hấp phụ NH4+ của mẫu than ACK2Cr2O7 và
than OACK2Cr2O7-Na theo Langmuir............................................................................80
Bảng 15 3.12. Các thông số đẳng nhiệt hấp phụ NH4+ theo Langmuir và Freundlich
...................................................................................................................................91
Bảng 16 3.13. Một số nghiên cứu khả năng hấp phụ NH4+ của than hoạt tính.........92
Bảng 17 3.14. Các thông số đẳng nhiệt hấp phụ Ca2+ theo Langmuir và Freundlich
...................................................................................................................................93
Bảng 18 3.15. Các thông số đẳng nhiệt hấp phụ Cr3+ theo Langmuir và Freundlich
...................................................................................................................................95
Bảng 19 3.16. Bảng tính tốn các thơng số của cột trao đổi với NH4+ .....................96
Bảng 20 3.17. Tổng kết các thơng số thí nghiệm khi trao đổi với NH4+ ................100
Bảng 21 3.18. Tổng kết các tham số hấp phụ NH4+theo phương trình động học hấp
phụ Bohart – Adam và Thomas ..............................................................................101


Bảng 22 3.19. Thành phần nguyên tố của than biến tính sau khi gắn Mn 7%, Fe 5%
.................................................................................................................................108
Bảng 23 3.20. Hàm lượng Fe, Mn của than hoạt tính, than biến tính, than gắn Fe,
Mn ...........................................................................................................................108
Bảng 24 3.21. Các thơng số đẳng nhiệt Langmuir hấp phụ As(III), As(V) ............115
Bảng 25 3.22. Tổng kết các thông số hấp phụ Cr(VI) ............................................119
Bảng 26 3.23. Tổng kết các tham số khử/hấp phụ Cr(VI) theo các mơ hình Bohart –
Adam, Yoon Nelson và Thomas .............................................................................120

DANH MỤC HÌNH
Hình 1.1. Mơ hình bề mặt oxi hóa của than hoạt tính [23] .......................................19
Hình 1.2. Phân loại các phương pháp biến tính than hoạt tính .................................22
Hình 1.3. Sơ đồ đơn giản của một vài nhóm chức axit bề mặt của than hoạt tính ...24
Hình 1.4. Cơ chế trao đổi ion với các nhóm axit bề mặt ..........................................24
Hình 1.5. Đường cong thốt của cột hấp phụ [96] ....................................................39
Hình 2.1 6. Qui trình chế tạo than biến tính bằng HNO3 và NaOH ..........................46
Hình 2.2 7. Dụng cụ oxi hóa than hoạt tính bằng HNO3 trong phịng thí nghiệm....47
Hình 2.3 8. Mơ hình cột hấp phụ quy mơ phịng thí nghiệm ....................................49
Hình 9 3.1. Ảnh SEM của các mẫu than hoạt tính và than oxi hóa ..........................59
Hình 10 3.2. Kết quả phân tích EDX của than hoạt tính và than oxi hóa bằng HNO3
...................................................................................................................................60
Hình 11 3.3. Hình ảnh phổ FTIR của mẫu than hoạt tính oxi hóa bằng HNO3 ........63
Hình 12 3.4. Hình ảnh phổ FTIR của than oxi hóa và xử lí bề mặt bằng
HNO3/NaOH .............................................................................................................63
Hình 13 3.5. Hình ảnh phổ FTIR của than hoạt tính với tác nhân oxi hóa khác nhau
...................................................................................................................................64
Hình 14 3.6. Đường đẳng nhiệt Langmuir biểu diễn ảnh hưởng của thời gian oxi
hóa đến hiệu quả trao đổi với NH4+ ..........................................................................74
Hình 15 3.7. Ảnh hưởng của nồng độ HNO3 đến hiệu quả trao đổi ion với NH4+ ...76
Hình 16 3.8. Đường đẳng nhiệt hấp phụ của NH4+ trên than OCA10-4 và OAC10-4Na 77
Hình 17 3.9. Đường đẳng nhiệt hấp phụ NH4+ của than oxi hóa bằng KMnO4 .......78
Hình 18 3.10. Đường đẳng nhiệt hấp phụ NH4+ của than oxi hóa bằng K2Cr2O7 ....80
Hình 19 3.11. Ảnh hưởng của thời gian tiếp xúc đến dung lượng trao đổi NH4+ .....82
Hình 20 3.12. Ảnh hưởng của thời gian tiếp xúc đến dung lượng trao đổi của Ca2+83
Hình 21 3.13. Ảnh hưởng của thời gian tiếp xúc đến dung lượng trao đổi Cr3+ ......84
Hình 22 3.14. Ảnh hưởng của pH đến dung lượng trao đổi NH4+ ............................86
Hình 23 3.15. Ảnh hưởng của pH đến dung lượng hấp phụ Ca2+ .............................87

Hình 24 3.16. Ảnh hưởng của pH đến dung lượng hấp phụ Cr3+ .............................88
Hình 25 3.17. Đường đẳng nhiệt Langmuir hấp phụ NH4+ bằng các loại than khác
nhau ...........................................................................................................................90


Hình 26 3.18. Đường đẳng nhiệt Freundlich hấp phụ NH4+ bằng các loại than khác nhau
...................................................................................................................................90
Hình 27 3.19. Đường đẳng nhiệt Langmuir hấp phụ Ca2+ của các loại than khác
nhau ...........................................................................................................................92
Hình 28 3.20. Đường hấp phụ Freudlich hấp phụ Ca2+ đối với các loại than khác
nhau ...........................................................................................................................93
Hình 29 3.21. Đường đẳng nhiệt Langmuir hấp phụ Cr3+ của các loại than khác nhau
...................................................................................................................................94
Hình 30 3.22. Đường đẳng nhiệt Freundlich hấp phụ Cr3+ của các loại than khác
nhau ...........................................................................................................................95
Hình 31 3.23. Ảnh hưởng của nồng độ NH4+ vào đến đường cong thoát hấp phụ
NH4+ ..........................................................................................................................97
Hình 32 3.24. Ảnh hưởng của lưu lượng dịng vào đến đường cong thốt của amoni
...................................................................................................................................98
Hình 33 3.25. Ảnh hưởng của chiều cao cột đến đường cong thoát của amoni .......99
Hình 34 3.26. Ảnh hưởng của nồng độ HCl đến khả tái sinh của OAC14Na ...........102
Hình 35 3.27. Ảnh hưởng của nồng độ NaOH đến khả năng tái sinh của than
OAC14Na ...................................................................................................................103
Hình 36 3.28. Đường cong thốt q trình trao đổi amoni với vật liệu tái sinh .....104
Hình 37 3.29. Kết quả đo SEM mẫu than hoạt tính (a, b), mẫu than biến tính gắn
Mn (c, d), mẫu than biến tính gắn Fe (e, f) .............................................................107
Hình 38 3.30. Phổ EDX các nguyên tố có mặt trên than biến tính sau khi gắn Mn
7%............................................................................................................................107
Hình 39 3.31. Phổ EDX các ngun tố có mặt trên than biến tính sau khi gắn Fe 8%
.................................................................................................................................108

Hình 40 3.32. Ảnh hưởng của pH đến khả năng hấp phụ As(III) và As(V) ...........110
Hình 41 3.33. Đường đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir As(III) của vật liệu gắn Mn .112
Hình 42 3.34. Đường đẳng nhiệt Langmuir hấp phụ As(III) của vật liệu gắn Fe ...113
Hình 43 3.35. Đường đẳng nhiệt Langmuir hấp phụ As(V) của vật liệu gắn Mn ..114
Hình 44 3.36. Đường đẳng nhiệt Langmuir hấp phụ As(V) của vật liệu gắn Fe ....114
Hình 45 3.37. Đường cong thoát hấp phụ Cr(VI) tại các lưu lượng dòng vào khác
nhau .........................................................................................................................117


Hình 46 3.38. Đường cong thốt trao đổi amoni trong nước cấp qui mơ phịng thí
nghiệm .....................................................................................................................121
Hình 47 3.39. Đường cong thoát hấp phụ amoni trong nước cấp trên quy mơ máy
lọc nước hộ gia đình ................................................................................................121


MỞ ĐẦU
Hiện nay, Việt Nam đang phải đối mặt với thách thức lớn về tình trạng ơ
nhiễm nguồn nước do các hoạt động sản xuất, khai thác, kinh doanh, dịch vụ và
nông nghiệp. Lượng nước thải ô nhiễm không được xử lí làm ơ nhiễm mơi trường
nước tiếp nhận và thấm xuống đất hoặc bị rửa trôi nơi nguồn nước ô nhiễm chảy
qua. Tại hai thành phố lớn Hà Nội và Hồ Chí Minh cùng với ơ nhiễm nguồn nước
mặt tình trạng ơ nhiễm, suy thối nguồn nước ngầm đang là vấn đề đáng lo ngại.
Nguồn nước cung cấp cho ăn uống, sinh hoạt của nước ta chủ yếu khai thác từ nước
ngầm, theo số liệu thống kê năm 2015 của Cục quản lý tài nguyên nước, Bộ Tài
nguyên và Môi trường, khoảng 40% lượng nước cấp cho đô thị và gần 80% lượng
nước sử dụng cho sinh hoạt ở nông thôn được khai thác từ nước ngầm [1]. Nhiều
báo cáo cho thấy chỉ tiêu ô nhiễm amoni trải rộng trên tồn quốc thì một số khu vực
đơ thị đã và đang xảy ra hiện tượng ô nhiễm cục bộ asen, kim loại nặng như Pb, Fe,
Mn trong nước ngầm.
Ô nhiễm amoni, asen, kim loại nặng trong nước cấp, nước sinh hoạt ở Việt

Nam đặc biệt là qui mô hộ gia đình và vùng nơng thơn chưa được giải quyết triệt để
mặc dù đã có nhiều giải pháp như xử lí bằng sinh học, thổi khí ở pH cao, oxi hóa
bằng clo, hấp phụ và trao đổi ion… nhưng vẫn cịn những hạn chế. Các biện pháp
cơng nghệ thơng thường hiện đang áp dụng trong các nhà máy xử lí nước cấp chủ
yếu tập trung vào xử lí Fe, Mn, làm trong và khử trùng mà hầu như chưa xử lí triệt
để amoni, asen. Vì đặc tính khó xử lí đạt quy chuẩn bằng các công nghệ truyền
thống hiện đang áp dụng ở các nhà máy xử lý nước, mặt khác đây là nước cấp cho
sinh hoạt nên áp dụng phương pháp nào vừa đảm bảo hiệu quả kinh tế cũng như đáp
ứng được an toàn là hết sức cần thiết. Phương pháp hấp phụ sử dụng các vật liệu
như zeolite, silica, polime, than hoạt tính được xem là các kỹ thuật đơn giản, hiệu
quả, tiềm năng để loại bỏ các chất ơ nhiễm. Trong số đó, than hoạt tính là vật liệu
có nhiều ưu điểm vượt trội hơn như rẻ tiền, dễ kiếm, dễ ứng dụng, ổn định trong
môi trường axit và bazơ, sức bền cơ học cao, không nở ra hoặc co rút lại khi có sự
thay đổi pH và có khả năng tái sinh.
Than hoạt tính có bề mặt khá kị nước nên xử lí rất tốt các chất hữu cơ khơng
và ít phân cực [2] nhưng xử lí khơng hiệu quả các chất ở dạng ion [3], [4]. Than
1


hoạt tính về bản chất có các nhóm mang tính chất khử trên bề mặt và các nguyên tử
cacbon ở các vị trí có mức năng lượng cao như góc, mạng hở... nên có thể bị oxi
hóa để chuyển thành các nhóm chức axit cacboxylic và những axit yếu. Hidro trong
nhóm -OH của các nhóm axit này có thể trao đổi ion với các cation, đặc biệt như
ion NH4+. Chính vì vậy mà chúng tơi có ý tưởng oxi hóa, biến tính bề mặt than hoạt
tính tạo ra dạng vật liệu trao đổi cation hồn tồn sạch, có dung lượng trao đổi
tương đối cao, không tạo ra các monome hữu cơ độc hại như các nhựa trao đổi
cation hiện có trên thị trường. Do đó có khả năng ứng dụng trong xử lí nước ăn
uống, nước sinh hoạt mà khơng lo tạo ra các sản phẩm phụ tái ô nhiễm nước. Biến
tính than hoạt tính để tạo ra các nhóm axit trên bề mặt than hoạt tính làm tăng khả
năng hấp phụ cao hơn đối với các ion kim loại, asen, amoni… trong nước là một

hướng đi đầy triển vọng trong công nghệ xử lý ô nhiễm nước.
Trên thị trường có nhiều loại than có nguồn gốc và xuất xứ khác nhau, tuy
nhiên than hoạt tính sản xuất trong nước của Cơng ty TNHH Trà Bắc có thị phần
lớn nhất nước ta hiện nay, đó là than được làm từ gáo dừa, rẻ, ổn định và sẵn có trên
thị trường, nên loại than hoạt tính Trà Bắc dạng hạt đã được chọn cho các nghiên
cứu của luận án.
Từ những lí do trên chúng tôi chọn đề tài: “Nghiên cứu biến tính than hoạt
tính làm vật liệu xử lí một số chất độc tồn tại dưới dạng ion trong nước”.
Mục tiêu của luận án:
Nghiên cứu chế tạo và xác định đặc trưng của các vật liệu than hoạt tính biến
tính bằng các phương pháp oxi hóa bề mặt. Đánh giá khả năng trao đổi cation của
vật liệu, từ đó nghiên cứu gắn Mn và Fe trên bề mặt vật liệu thu được, tạo ra loại vật
liệu hấp phụ tốt các anion trong nước.
Đối tượng của luận án
Đối tượng của luận án là oxi hóa, biến tính bề mặt than hoạt tính Trà Bắc và
nghiên cứu định hướng ứng dụng sản phẩm này như một vật liệu hấp phụ/trao đổi
ion để xử lí các ion độc hại trong nước. Để đánh giá hiệu quả xử lý của than biến
tính, các loại nước nhân tạo được pha trong phịng thí nghiệm có chứa các ion với
nồng độ tương đồng trong thực tế được sử dụng. Nước ngầm có chứa amoni là các
mẫu thử nghiệm định hướng cho ứng dụng thực tế.
2


Nội dung nghiên cứu
Nội dung 1
Oxi hóa than bằng các tác nhân KMnO4, HNO3,
K2Cr2O7 → định lượng khả năng khử của than

Xác định đặc trưng vật liệu trước và sau oxi hóa
bằng: SEM, EDX, IR, BET, chuẩn độ Boehm, pHpzc

Nội dung 2
Đánh giá khả năng trao đổi với các cation khác nhau
(NH4+, Ca2+, Cr3+) của các loại than oxi hóa

Lựa chọn được vật liệu oxi hóa tối ưu cho
q trình trao đổi với các cation kim loại

Nội dung 3
Nghiên cứu khả năng tái sinh
của than oxi hóa

Nội dung 4
Gắn Fe và Mn trên than oxi hóa
ứng dụng để xử lí As

Nội dung 5
- Ứng dụng để xử lí Cr (VI)
- Ứng dụng xử lí NH4+ trong nước ngầm phục vụ cho ăn uống

- Oxi hóa than hoạt tính bằng các chất oxi hóa khác nhau, trên cơ sở đó đánh
giá khả năng khử (sự trao đổi điện tử) và đặc tính hình thành các nhóm chức chứa
oxi có tính axit khác nhau trên bề mặt than hoạt tính.
- Đánh giá đặc trưng hóa lí của vật liệu thơng qua các phương pháp: SEM,
EDX, IR, BET, chuẩn độ Boehm, xác định pHpzc.
- Đánh giá khả năng trao đổi ion của than biến tính với một số cation.
3


- Nghiên cứu khả năng tái sinh của vật liệu trao đổi ion.

- Gắn ion Mn và Fe trên than oxi hóa, ứng dụng xử lí As trong nước ngầm
- Nghiên cứu ứng dụng xử lí các chất oxi hóa trong nước như Cr(VI)
- Nghiên cứu ứng dụng than oxi hóa xử lí NH4+ trong nước cấp.
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án
- Đã tiến hành oxi hóa than hoạt tính bằng 3 tác nhân oxi hóa có tính khử
mạnh, trong đó oxi hóa bằng HNO3 đạt dung lượng hấp phụ đối với amoni cao nhất.
- Than oxi hóa bằng HNO3 là chất trao đổi cation axit yếu, do đó dễ dàng hấp
phụ/trao đổi đối với các cation khác nhau. Khả năng trao đổi của than oxi hóa và xử
lí bề mặt bằng HNO3 và NaOH đối với các cation hóa trị 1, 2, 3 cao hơn rất nhiều
lần so với than hoạt tính ban đầu.
- Khả năng tái sinh than oxi hóa bằng HCl và xử lý bề mặt bằng NaOH rất dễ
dàng và đạt hiệu quả cao so với than ban đầu. Thực nghiệm chứng minh qua ba lần
tái sinh ở cả mơ hình tĩnh và mơ hình động hiệu quả hấp phụ đều đạt gần 90% so
với hấp phụ lần đầu.
- Do oxi hóa tạo ra chất trao đổi dạng cation axit yếu nên dễ dàng gắn các
kim loại chuyển tiếp như Mn, Fe lên than oxi hóa. Sau khi gắn Mn và Fe lên than
tăng cường khả năng hấp phụ As(III) và As(V).
- Đã thử nghiệm than oxi hóa với HNO3 xử lí amoni trong nước cấp ở qui mơ
phịng thí nghiệm 1 g than oxi hóa xử lý được 500 ml nước có độ ơ nhiễm amoni 10
mg/l đạt qui chuẩn. Đối với qui mơ thiết bị lọc nước gia đình 1 kg than xử lí được
700 lít nước có độ ơ nhiễm amoni 7,2 mg/l đạt qui chuẩn QCVN 01:2009/BYT.
Bố cục chính của luận án được trình bày trong 3 chương:
Chương 1 giới thiệu hiện trạng ô nhiễm amoni, asen và các kim loại trong
nước ăn uống, sinh hoạt, tổng quan về than hoạt tính, các phương pháp biến tính
than hoạt tính và tổng quan về hấp phụ và trao đổi ion.
Chương 2 trình bày phương pháp thực nghiệm sử dụng trong luận án
Chương 3 trình bày kết quả định lượng khả năng khử của than hoạt tính đối
với một số chất oxi hóa, xác định đặc trưng của vật liệu, đánh giá khả năng hấp phụ
- trao đổi ion của vật liệu biến tính, nghiên cứu xử lí asen và các chất độc hại có
trong nước.

4


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN
1.1. Hiện trạng ô nhiễm amoni, asen, kim loại nặng trong nước ngầm và các
nghiên cứu, ứng dụng trong nước về xử lí amoni, asen
1.1.1. Hiện trạng ô nhiễm amoni, asen và kim loại nặng trong nước ngầm
Hiện nay, nguồn nước cung cấp cho ăn uống sinh hoạt của nước ta chủ yếu
khai thác từ nước ngầm vì Việt Nam là một trong số các quốc gia có nguồn tài
nguyên nước ngầm rất lớn và nguồn nước mặt ở nhiều nơi đã bị ô nhiễm, nhất là
trong các khu đô thị, xung quanh các khu công nghiệp, làng nghề. Theo số liệu
thống kê năm 2015 của Cục quản lý tài nguyên nước, Bộ Tài nguyên và Môi
trường, khoảng 40% lượng nước cấp cho đô thị và gần 80% lượng nước sử dụng
cho sinh hoạt ở nông thôn được khai thác từ nước ngầm [1]. Theo Báo cáo môi
trường quốc gia về môi trường đô thị do Bộ Tài nguyên và Môi trường công bố năm
2017 [5], cùng với ơ nhiễm nguồn nước mặt tình trạng ơ nhiễm, suy thoái nguồn
nước ngầm đang là vấn đề đáng lo ngại, nhất là đối với các thành phố lớn như Hà
Nội, Thành phố Hồ Chí Minh.
Chất lượng nước ngầm ở Việt Nam đang xuất hiện tình trạng ơ nhiễm cục bộ
trên cả nước, trong đó amoni là một trong số các chỉ tiêu được phát hiện với hàm
lượng cao hơn giới hạn cho phép so với các quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về chất
lượng nước ngầm, nước sinh hoạt. Ở hai khu vực đô thị lớn Hà Nội và Thành phố
Hồ Chí Minh, hàm lượng amoni quan trắc được cao hơn giới hạn cho phép nhiều
lần [1]. Điển hình, một số điểm quan trắc tại phường Phú Lãm, quận Hà Đông, Hà
Nội, hàm lượng amoni ghi nhận được là 70 mg/l cao hơn giá trị cho phép trong
QCVN 01:2009/BYT là 23 lần hay mẫu nước ngầm ở trạm Đông Thạch (huyện Hóc
Mơn) bị ơ nhiễm amoni cao hơn nhiều lần mức cho phép (68,73 mg/l) [1]. Ngoài ra,
hàm lượng amoni trong nước ngầm ở cả tầng nông và tầng sâu khảo sát được tại các
tỉnh trung du, đồng bằng Bắc Bộ vượt ngưỡng cho phép nhiều lần. Các điểm quan
trắc phát hiện hàm lượng amoni cao nhất ở miền Bắc thuộc các tỉnh Vĩnh Phúc, Bắc

Ninh, Hải Dương, Hưng n, Hà Nam, Thái Bình, Nam Định... Ơ nhiễm amoni
trong nước ngầm ở Hà Nam đều ở mức đáng báo động, chẳng hạn ở Lý Nhân, Duy
Tiên có mẫu nước với hàm lượng amoni tương ứng lên đến 111,8 và 93,6 mg/l (gấp
74 lần và 63 lần so với QCVN 01:2009/BYT). Chỉ có khu vực Tây Nguyên, nguồn
5


nước ngầm chưa có dấu hiệu ơ nhiễm cịn lại hầu như các địa phương khác trên cả
nước đều phát hiện thấy sự ô nhiễm nguồn nước ngầm ở các mức độ khác nhau.
Ngồi chỉ tiêu ơ nhiễm amoni trải rộng trên tồn quốc thì một số khu vực đơ
thị đã và đang xảy ra hiện tượng ô nhiễm cục bộ asen, kim loại nặng như Pb, Fe,
Mn trong nước ngầm. Theo thống kê của Bộ Y tế năm 2017 [6], cả nước có 17 triệu
người dân (ước khoảng 21,5% dân số) sử dụng nước bị nhiễm asen do dùng nước từ
giếng khoan chưa qua xử lý hoặc xử lý chưa triệt để, ảnh hưởng trực tiếp đến sức
khỏe. Cả nước có hơn 4 triệu giếng khoan, trong đó nhiều giếng có nồng độ asen
cao hơn 20 - 50 lần giới hạn cho phép (0,01 mg/l) [6]. Ô nhiễm asen trong nước tập
trung tại một số vùng nông thôn các tỉnh, thành phố: Hà Nội, Hà Nam, Vĩnh Phúc,
Hưng Yên, Nam Định, Ninh Bình, Thanh Hố... Có 3/4 số hộ dân được điều tra tại
8 tỉnh Đồng bằng sông Hồng bị nhiễm asen cao hơn nhiều mức cho phép, trong đó
tỉnh Hà Nam nhiễm cao nhất với 50/160 xã (chiếm 43%) có nguồn nước bị nhiễm
asen. Tính riêng thành phố Hà Nội, theo đánh giá của tổ chức UNICEF, khu vực
nơng thơn của Hà Nội như: Thường Tín, Ứng Hồ, Đan Phượng, Thanh Oai, Thanh
Trì, nguồn nước ngầm bị nhiễm asen rất nặng. Kết quả khảo sát nồng độ asen trong
nước ngầm tại 345 mẫu trên địa bàn thành phố Hà Nội cho thấy có 338/345 mẫu
nước (97,97%) có hàm lượng asen cao từ 2 - 50 lần so với qui chuẩn cho phép. Sự ô
nhiễm asen ở miền Bắc phổ biến và cao hơn miền Nam, ở vùng đồng bằng sông
Cửu Long, cũng phát hiện nhiều giếng khoan ở Long An, Đồng Tháp và An Giang
có nồng độ asen cao hơn qui chuẩn cho phép. Ở Thành phố Hồ Chí Minh [7], các
mẫu nước kiểm tra tại 3 nhà máy nước lớn nhất gồm Thủ Đức, Bình Chánh và
Phong Phú đều phát hiện lượng Mn, Fe cũng cao hơn mức cho phép. Người dân và

chính quyền các địa phương đã có một số giải pháp như sử dụng bể lọc cát, cải tạo
đường ống cấp nước sạch, tuy nhiên tình trạng nước ngầm nhiễm asen vẫn chưa
được giải quyết triệt để.
Hiện nay, tổng công suất nước cung cấp trên địa bàn thành phố Hà Nội đạt
khoảng 1.065.145 m3/ngày, trong đó nguồn nước ngầm khoảng 629.850 m3/ngày
[8]. Khảo sát hiện trạng cấp nước tại các giếng ngầm tại các quận: Hai Bà Trưng,
Ba Đình, Hà Đơng, Thanh Xn, Tây Hồ, Hồng Mai, Bắc Từ Liêm, Nam Từ Liêm
có hàm lượng sắt cao. Các giếng ở các quận: Hai Bà Trưng, Ba Đình, Thanh Xuân,
6


Long Biên có hàm lượng mangan cao. Đặc biệt, các giếng tại các quận ở phía Nam
và Đơng Nam thành phố thuộc các nhà máy nước: Pháp Vân, Hạ Đình, Tương Mai
có hàm lượng amoni rất cao và bị nhiễm bẩn bởi nước thải sinh hoạt và nước thải
công nghiệp. Chất lượng nước tại các trạm xử lý nước Pháp Vân, có hàm lượng
amoni > 11,3 mg-N/l, trạm xử lý nước Tương Mai, Hạ Đình và các trạm xử lý nước
nơng thơn khu vực phía Nam như trạm Thường Tín, Phú Xuyên có hàm lượng
amoni từ 3 - 11,3 mg-N/l. Trong đó chỉ có các trạm cấp nước như Lương n, Ngơ
Sĩ Liên, Mai Dịch, Ngọc Hà, n Phụ có hàm lượng amoni < 2,3 mg-N/l đã đạt
QCVN 01/BYT nên không cần xử lý amoni.
Nguyên nhân ô nhiễm amoni, asen trong nước ngầm là do nguồn gốc tự
nhiên và nhân tạo. Do cấu tạo tự nhiên của địa chất, nhiều vùng của nước ta nước
ngầm bị nhiễm amoni, điển hình là hai vùng đồng bằng châu thổ sông Hồng và sơng
Mekong. Tầng khai thác nước ngầm có chứa các hạt than bùn, bùn đất có lẫn chất
hữu cơ, bùn đất chứa chất hữu cơ bị phân hủy sẽ giải phóng ra các hợp chất nitơ.
Asen là một nguyên tố tự nhiên nằm trong lớp vỏ trầm tích của trái đất (đặc biệt là
lớp trầm tích của các vùng Đồng bằng sơng Hồng có hàm lượng asen rất cao) được
giải phóng và hoà tan vào nguồn nước [9]. Nguồn gốc nhân tạo do các hoạt động
nơng nghiệp sử dụng phân bón hữu cơ, thuốc trừ sâu, hóa chất, hoạt động của các
ngành công nghiệp như: dầu mỏ, luyện kim, nhiệt điện... cũng như nước thải sinh

hoạt khơng được xử lí triệt để và hoạt động của các khu công nghiệp xâm nhập vào
các tầng chứa nước.
1.1.2. Các nghiên cứu, ứng dụng trong nước về xử lí amoni, asen trong nước
ngầm
1.1.2.1. Các nghiên cứu, ứng dụng xử lí amoni trong nước ngầm
Amoni không ảnh hưởng trực tiếp đến sức khỏe con người tuy nhiên khi có
mặt của oxi thì amoni sẽ chuyển thành NO2 và NO3 là những chất độc hại cho con
người. Khi vào cơ thể sẽ chuyển thành các hợp chất dạng nitrosamin có khả năng
gây ung thư cho con người. Ngồi ra, NO2- có thể gây ra hội chứng xanh xao ở trẻ
em do NO2- phản ứng với huyết sắc tố mang O2, làm giảm khả năng mang oxi trong
máu và có khả năng gây tử vong.

7


Hiện nay phần lớn các nhà máy nước hiện có của nước ta đang sử dụng dây
chuyền công nghệ xử lý nước truyền thống gồm có làm thống, lắng, lọc và khử
trùng bằng clo. Với dây chuyền công nghệ xử lý nước đang sử dụng, hiệu quả xử lý
nitơ trong nước ngầm rất thấp, đặc biệt ở những nơi nước ngầm chứa amoni và sắt
với nồng độ cao vì vậy lượng amoni có trong nước máy ở một số khu vực của Hà
Nội vượt quá mức độ cho phép theo tiêu chuẩn Việt Nam và tổ chức y tế thế giới.
Mặt khác, một số nơi sử dụng trực tiếp nước ngầm từ các giếng khoan nhiễm
amoni, asen mà không qua biện pháp xử lí nào hoặc chỉ qua cơng đoạn lọc cát.
Nhận thức đươc sự nguy hiểm tiềm tàng của amoni trong nước ăn uống nên các nhà
khoa học trong nước cũng đưa ra nhiều giải pháp nhằm giải quyết vấn đề này. Các
nghiên cứu, ứng dụng trong nước chủ yếu tập trung vào các nhóm phương pháp
sinh học, hấp phụ và trao đổi ion.
Đối với phương pháp xử lí amoni bằng phương pháp trao đổi ion, nhóm tác
giả Nguyễn Xuân Hiển, Cao Xuân Mai [10] thực hiện đề tài nghiên cứu xử lý amoni
trong nước ngầm ứng dụng kỹ thuật trao đổi ion trên vật liệu trao đổi ion là nhựa

cationit. Nhựa trao đổi cationit là loại C100, khảo sát NH4+ đầu vào trong khoảng từ
10 – 50 mg/l với thời gian cân bằng là 60 phút trong điều kiện tĩnh. Khi nghiên cứu
trên cột, tốc độ dòng vào ít ảnh hưởng đến hiệu suất xử lý amoni của nhựa cationit
C100. Tuy nhiên, nồng độ amoni đầu vào ảnh hưởng đáng kể đến hiệu suất xử lý
amoni trong cột. Chiều cao tầng chuyển khối trong cột phụ thuộc rất lớn vào tốc độ
dòng chảy, tốc độ dòng càng tăng thì chiều cao tầng chuyển khối càng tăng. Độ
cứng trong nước đầu vào ảnh hưởng rất lớn đến hiệu suất xử lý amoni của nhựa
cationit C100, độ chọn lọc của nhựa cationit C100 đối với ion Ca2+ cao hơn ion
NH4+. Khi nồng độ amoni đầu vào tăng thì chiều cao tầng chuyển khối tăng và dung
lượng hoạt động tổng của nhựa đối với ion amoni và ion canxi ít thay đổi (dao động
trong khoảng 1,1 mg đương lượng/l đến 1,14 mg đương lượng/l).
Cơng ty Vicen [11] triển khai mơ hình thực nghiệm đặt tại xã Tam Hưng,
huyện Thanh Oai, Hà Nội để xử lí amoni cho nước ngầm. Nghiên cứu này sử dụng
vật liệu hấp phụ zeolit, hàm lượng amoni đầu vào trong khoảng 12 mg/l, kết quả
amoni đầu ra rất tốt trong khoảng 0,12 mg/l. Để hoàn nguyên vật liệu các nhà
nghiên cứu đã dùng muối NaCl, lượng muối NaCl cần thiết để hoàn nguyên là 360
8


kg/m3 zeolite/lần, vậy tổng chi phí cho một lần hồn ngun rất lớn 1,5 triệu
đồng/m3 zeolit. Nếu tính tốn tổng chi phí giá thành xử lý nước lên tới 15.000
đồng/1 m3 nước sạch, cao gần gấp hơn 2 lần so với giá nước sạch tại Hà Nội (trung
bình 7.900 đ/m3 nước sạch), với mức giá này không phù hợp với điều kiện hiện tại
của nước ta.
Một số cơng trình nghiên cứu đã sử dụng phương pháp hấp phụ để xử lý
amoni trong nước. Tác giả Nguyễn Trọng Uyển và các cộng sự [12] nghiên cứu
biến tính bằng nanotitan dioxit ứng dụng trong xử lý mơi trường. Than hoạt tính Trà
Bắc kích thước 0,5 - 1 mm, được ngâm với dung dịch TiCl4, nước cất và cồn tuyệt
đối, khuấy từ ở nhiệt độ 60 oC trong 24 giờ. Nghiên cứu thử nghiệm hấp phụ amoni
trong điều kiện tĩnh, đạt dung lượng hấp phụ amoni cực đại là 47,8 mg/g. Nghiên

cứu theo hướng tận dụng phụ phẩm nông nghiệp, tác giả Vũ Thị Mai [13] cũng đã
chế tạo thành công than sinh học từ lõi ngơ và biến tính than sinh học thành vật liệu
có khả năng xử lí amoni trong nước sinh hoạt với hiệu quả cao. Điều kiện tối ưu để
tạo than sinh học biến tính ở nhiệt độ 400 oC với thời gian nhiệt phân là 60 phút,
ngâm trong axit HNO3 6M và NaOH 0,3M với tỉ lệ khối lượng than/thể tích dung
dịch tương ứng là 5/1 và 20/1. Quá trình hấp phụ amoni của than chế tạo ở trạng
thái tĩnh trong mơi trường pH trung tính và kiềm nhẹ, đạt cân bằng sau 60 phút và
dung lượng hấp phụ amoni cực đại đạt 22,6 mg/g. Cùng với mục tiêu tận dụng phụ
phẩm nông nghiệp chế tạo vật liệu hấp phụ chi phí thấp, tác giả Phạm Thị Ngọc Lan
[14] đã chế tạo than hoạt tính từ phế phẩm nơng nghiệp từ vỏ lạc và thân cây sắn.
Hoạt hóa than sinh học từ vỏ lạc ở điều kiện nhiệt độ 450 oC trong 60 phút, từ thân
cây sắn ở 500 oC trong 60 phút. Sau đó, biến tính than sinh học bằng ZnCl2 2M,
nhiệt phân ở nhiệt độ 350 oC trong 60 phút. Kết quả thử nghiệm cho thấy, dung
lượng hấp phụ cực đại đối với amoni của mẫu than thân cây sắn đạt 6,97 mg/g cao
hơn hẳn mẫu từ vỏ lạc (5,91 mg/g) và có sự chênh lệch khơng đáng kể so với mẫu
than hoạt tính gáo dừa trên thị trường (7,44 mg/g).
Theo hướng áp dụng phương pháp sinh học xử lí amoni tác giả Nguyễn Hồi
Châu và cộng sự [15], sử dụng vật liệu lọc Kezamite là vật liệu mang vi sinh vật,
với bể phản ứng gồm 3 ngăn, ngăn đầu tiên là thực hiện quá trình nitrat hóa, ngăn 2
là khử nitrat, ngăn 3 là tái sục khí. Mẫu nước ngầm được lấy từ giếng khoan ở Văn
9


Điển, Thanh Trì, Hà Nội với hàm lượng NH4+ cao nhất lên đến 34 mg/l, Fe 7,34
mg/l để thực hiện q trình xử lí amoni phải bổ sung thêm nguồn hữu cơ là axit
acetic với tỉ lệ 1 : 1 (về mặt khối lượng). Hiệu quả xử lí NH4+ đạt 98%, để đạt nồng
độ NO3- dưới tiêu chuẩn cho phép thì tải lượng NO3- ở ngăn nitrat hóa phải nhỏ hơn
1,2 kg N-NO3-/ngày.
Theo tác giả Lương Văn Anh [16] đã thử nghiệm hệ thống xử lí amoni bằng
phương pháp sinh học được Công ty Suidokiko Kaisha, Nhật Bản hỗ trợ cho Trung

tâm Quốc gia nước sạch và Vệ sinh môi trường nơng thơn xây dựng thí điểm một hệ
thống xử lý nước. Hệ thống được lắp đặt tại ngõ 3, Cầu Bươu, Thanh Trì, Hà Nội.
Cụm xử lý sinh học gồm 5 ngăn: ngăn 1 là ngăn lắng được cấp một lượng phèn
PAC thích hợp với cơng suất 5 m3/giờ, ngăn 2, 3, 4, 5 là ngăn được lắp màng sinh
học có hệ thống sục khí được phân phối ở dưới đáy. Tiếp theo nước được dẫn sang
cụm kết tủa và lắng được tạo bông tạo làm cho các hạt cặn kết tủa với nhau nhằm
mục đích xử lí cả Fe, Mn, As cũng kết tủa và được lắng xuống đáy rồi xả ra ngoài.
Ngăn lắng cuối cùng được bổ sung clo nhằm xử lý tiếp hàm lượng Fe, Mn còn lại
và khử trùng nước. Hệ thống xử lý amoni trên bằng phương pháp sinh học áp dụng
cho các công trình cấp nước sinh hoạt nơng thơn tập trung, hiệu quả là giải pháp
cơng nghệ xử lý nước ngầm có chứa amoni xuống đạt tiêu chuẩn, phù hợp với xử lí
amoni ở mức có nồng độ từ 10 – 20 mg/l và có thể xử lý được cao hơn nữa.
Nhìn chung, phần lớn các cơng trình nghiên cứu trên đều khẳng định có thể
xử lý tốt amoni trong nước ngầm, tuy nhiên khơng phải cơng trình nào cũng áp
dụng được vào thực tiễn phục vụ cho đời sống người dân. Đối với qui mô lớn và tập
trung phương pháp sinh học tương đối phù hợp, tuy nhiên phương pháp hấp phụ và
trao đổi ion thường được đề xuất áp dụng cho qui mô vừa và nhỏ. Phương pháp trao
đổi ion là phương pháp xử lí rất triệt để và có chọn lọc nhưng chi phí đầu tư, vận
hành khá cao nên ít được sử dụng cho các cơng trình lớn và thường sử dụng cho các
trường hợp đòi hỏi chất lượng nước sau xử lí cao. Với mức sống hiện nay của người
dân Việt Nam thì chi phí xử lí nước cấp quá cao người dân sẽ không chi trả được
đặc biệt là những hộ dân tại khu vực ven đô và khu vực nông thôn. Các nghiên cứu
về vật liệu hấp phụ amoni rẻ tiền, có sẵn trên thị trường đang còn hạn chế và hiệu

10


quả xử lí chưa cao, do đó việc nghiên cứu tìm ra các vật liệu có khả năng hấp phụ
amoni với chi phí thấp, dung lượng hấp phụ cao là rất cần thiết.
1.1.2.2. Các nghiên cứu, ứng dụng xử lí asen trong nước ngầm

Asen được tổ chức Y tế thế giới xếp vào nhóm độc loại A. Việc sử dụng
nguồn nước nhiễm Asen sẽ gây ra rất nhiều bệnh cấp tính, mãn tính, biến đổi nhiễm
sắc thể, chậm phát triển thể chất và trí tuệ ở trẻ em. Đặt biệt nhiễm độc asen do
dùng nước lâu năm là một trong những nguyên nhân hàng đầu gây nên các bệnh
ung thư (ung thư da, ung thư phổi, ung thư bàng quang), mặc dù hàm lượng asen rất
nhỏ hiện diện trong nước ăn uống. Xử lý As và các kim loại nặng chủ yếu tập trung
vào các phương pháp: hóa học, hóa lí, màng và sinh học. Nhận thức được sự nguy
hiểm tiềm tàng của ô nhiễm asen trong nước cấp cho sinh hoạt, các nhà nghiên cứu
thử nghiệm đã đưa ra nhiều giải pháp để giải quyết ô nhiễm asen trong nước ngầm.
Nghiên cứu của Trần Hồng Côn và cộng sự [17] đã ứng dụng công nghệ lọc
bằng đá ong, tạo nên các bể lọc có thiết kế tương tự như bể lọc cát cộng thêm một
tầng đá ong. Tầng đá ong này sẽ giữ asen lại, khi hấp phụ no asen đem rửa và tái sử
dụng vật liệu. Cho đến nay tác giả Trần Hồng Côn đã nghiên cứu, chế tạo cứu thiết
bị lọc cuối nguồn với bốn tầng lọc, giúp loại bỏ an toàn asen, kim loại nặng, các
độc tố hữu cơ, nitơ và vi khuẩn. Thiết bị lọc mới dựa trên nguyên lý hấp phụ chọn
lọc, chỉ lọc chất độc và giữ lại những khoáng chất tự nhiên có lợi cho cơ thể ở dưới
ngưỡng cho phép.
Phạm Văn Lâm và cộng sự [18] đã nghiên cứu chế tạo thành công hệ thống
xử lý nước nhiễm asen và kim loại nặng sử dụng cơng nghệ Nano VAST, trong đó
có sử dụng 2 loại vật liệu hấp phụ asen tiên tiến chế tạo trong nước là NC-F20 và
NC-MF. NC–F20 là loại vật liệu lai tổ hợp giữa oxit sắt từ kích thước nano với
carbon hoạt tính, có khả năng hấp phụ cả hai dạng As(III) và As(V) dung lượng hấp
phụ tĩnh đạt qmax = 30 - 35 g-As(V)/kg vật liệu, với thời gian tiếp xúc ngắn (10 - 15
phút) trở lực thủy lực thấp. NC-MF là tổ hợp giữa oxit phức hợp Mn-Fe dạng vơ
định hình với cacbon hoạt tính, có khả năng hấp phụ cả hai loại As(III) và As(V),
dung lượng hấp phụ tĩnh qmax = 100 – 120 g-As(III)/kg, với tốc độ hấp phụ tương
đối cao (20 phút tiếp xúc). Hệ thống ghép nối hai vật liệu đã được triển khai ứng
dụng vào thực tiễn tại trạm xá xã Nhân Khang, Lý Nhân, Hà Nam, có khả năng loại
11

bỏ asen từ 200 ppb xuống dưới 5 ppb với công suất xử lý 1,5 m3/giờ đạt tiêu chuẩn
về asen trong nước ăn uống.
Nghiên cứu của Lê Hoàng Việt [19] đã nghiên cứu kết hợp qui trình oxi hóa,
keo tụ và lọc để xử lí nước ngầm nhiễm asen ở đồng bằng sơng Cửu Long ở qui mơ
hộ gia đình. Tác giả đã sử dụng chất keo tụ là FeCl3 và tác nhân oxi hóa là oxi và
ozon. Kết quả nghiên cứu cho thấy với hàm lượng FeCl3 là 30 mg/l, thời gian sục
ozon trong khoảng 15 phút thì nước đạt QCVN 01:2009/BYT về tiêu chuẩn sắt và
asen. Thông số này phù hợp với nước ngầm có độ ơ nhiễm asen < 100 µg/l. Từ kết
quả phịng thí nghiệm đã chế tạo và đưa vào vận hành tại hộ dân cư, nước sau khi
xử lý có nồng độ As < 10 µg/l đã đạt tiêu chuẩn ăn uống qui định bởi Bộ Y tế. Dựa
trên các kết quả vận hành, giá thành để xử lý 1 m3 nước được ước tính là 4.328
VNĐ. Thiết bị này có với giá thành tổng cộng là 6.310.000 VNĐ, giá thành này còn
khá cao đối với người dân nông thôn.
Nghiên cứu của Phạm Thị Mai Hương và cộng sự [20] biến tính bùn đỏ Tây
Nguyên để xử lí asen trong nước ngầm. Bùn đỏ Tân Rai (Tây Nguyên) là bùn thải
của quy trình tinh chế nhôm từ quặng boxit chứa hàm lượng lớn các oxit kim loại
như sắt oxit, nhôm oxit và một số các oxit kim loại khác được biến tính ở nhiệt độ
và thời gian khác nhau. Kết quả nghiên cứu cho thấy bùn đỏ được xử lý nhiệt ở 350
o

C (RMW 350) tăng đáng kể diện tích bề mặt riêng và có khả năng hấp phụ cao đối

với As(V), dung lượng hấp phụ qmax theo mơ hình đẳng nhiệt Langmuir đạt 16,10
mg/g.
Đại học Công nghệ Sydney (UTS) phối hợp với Viện Công nghệ môi trường
và Đại học Khoa học Tự nhiên [21] thử nghiệm rất nhiều loại vật liệu khác nhau
như cao lanh, đá ong, bentonit, bùn đỏ, quặng sắt oxit, than hoạt tính từ Úc, than
biến tính của Úc, than hoạt tính của cơng ty Phương Nam để xử lí asen trong nước
ngầm. Kết quả cho thấy trong các vật liệu thử nghiệm than biến tính của Úc hiệu

quả xử lí asen tốt nhất (12,5 mg/g), sau đó đến đá ong biến tính (5,2 mg/g), các vật
liệu cịn lại dung lượng hấp phụ rất thấp chỉ đạt chưa đến 1 mg/g. Ngoài ra, thử
nghiệm ứng dụng màng thẩm thấu ngược RO trong thiết bị lọc nước để loại bỏ asen,
kết quả loại bỏ As dưới mức 0,01 mg/l tuy nhiên chi phí đầu tư và bảo dưỡng cao,
chi phí vận hành cao vì địi hỏi điện năng cho bơm, nén khí, nhanh tắc màng nếu
12