Nghiên cứu chế tạo than sinh học từ vỏ trấu để xử lý amoni trong nước

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Nghiên cứu sử dụng vỏ trấu
để xử lý amoni trong nước
TỐNG KHÁNH LINH


Ngành Kỹ thuật môi trường
Chuyên ngành Công nghệ môi trường

Giảng viên hướng dẫn:

TS. Trần Lệ Minh

Bộ môn:
Viện:

Công nghệ môi trường
Khoa học và Công nghệ Môi trường

Chữ ký của GVHD


HÀ NỘI, 7/2021
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

CỘNG HOÀ XÃ HỢI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Viện Khoa học & Cơng nghệ Môi trường

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

______________

______________

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Họ và tên: Tống Khánh Linh

Số hiệu sinh viên: 20174835

Khố: 62

Viện: Khoa học & Cơng nghệ Môi trường
Ngành: Kỹ thuật môi trường
1.Đề tài tốt nghiệp
Nghiên cứu sử dụng vỏ trấu để xử lý amoni trong nước
2. Các số liệu ban đầu
 Vật liệu: chế tạo từ vỏ trấu.
 Nồng độ ban đầu của dung dịch amoni: ~20 mg/L.
3. Nội dung các phần nghiên cứu
 Chế tạo 2 vật liệu hấp phụ từ trấu. Xác định phổ FTIR, diện tích bề mặt của vật liệu.
 Đánh giá khả năng xử lý amoni của 2 vật liệu đã chế tạo.
 Nghiên cứu ảnh hưởng của thời gian tiếp xúc, pH, tỉ lệ rắn – lỏng, nồng độ amoni
ban đầu đến hiệu suất xử lý amoni trong nước.
 Xác định đường đẳng nhiệt Langmuir và Freundlich.
 Động học quá trình xử lý amoni.
 Thăm dị khả năng xử lý nước ngầm nhiễm amoni.
4. Các đồ thị, hình
5. Cán bộ hướng dẫn: TS. Trần Lệ Minh

6. Ngày giao nhiệm vụ đồ án: 22/02/2021
7. Ngày hoàn thành đồ án: 09/07/2021
Ngày 09
tháng 07 năm 2021
CHỦ NHIỆM BỘ MÔN
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

Sinh viên đã hoàn thành và nộp đồ án tốt nghiệp ngày
Người duyệt

tháng 07 năm 2021


Lời cảm ơn
Lời cảm ơn đầu tiên tôi xin gửi đến người đã giúp đỡ tôi rất nhiều trong suốt quá
trình thực hiện đề tài tốt nghiệp này – tiến sĩ Trần Lệ Minh. Không chỉ là người trực tiếp
hướng dẫn tơi làm thí nghiệm, nghiên cứu trên phịng thí nghiệm và chỉnh sửa, góp ý từng
chút một trong luận án của tơi; cơ cịn là một mentor định hướng tôi trong con đường học
tập, công việc và cả trong cuộc sống.
Trong suốt quá trình học tập tại mái trường Bách Khoa, tôi đã học được rất nhiều
kiến thức chuyên ngành lẫn kỹ năng học tập và làm việc từ các thầy cơ giáo trong và ngồi
viện. Những kiến thức đó sẽ là hành trang cho tơi trong cơng việc sau này, hay gần hơn, là
tiền đề giúp tơi hồn thành đồ án tốt nghiệp này của mình.
Cuối cùng là lời cảm ơn gửi đến tất cả những người anh, người chị, người bạn và cả
các em trong trường. Tất cả mọi người đều góp phần làm cho quãng đời sinh viên của tôi trở
nên thật ý nghĩa và đáng nhớ.
Xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất đến với tất cả mọi người!

Hà Nội, ngày 09 tháng 07 năm 2021
Tác giả

Tống Khánh Linh


Tóm tắt nội dung đồ án
Những năm gần đây, nguồn tài nguyên nước ngầm ở Việt Nam đang có xu hướng suy giảm
cả về số lượng và chất lượng do ảnh hưởng của biến đổi khí hậu và các hoạt động sản xuất,
khai thác của con người. Đặc biệt ở các tỉnh Bắc Bộ như Hà Nội, Hà Tây, Hà Nam, Nam
Định, Hải Dương, Hưng Yên, nguồn nước ngầm đang bị ô nhiễm nặng nề bởi amoni. Để
loại bỏ amoni trong nước, bên cạnh các phương pháp truyền thống như kết tủa hóa học, điện
hóa, trao đổi ion... các nghiên cứu theo hướng sử dụng than sinh học được chế tạo từ phụ
phẩm nông nghiệp đã và đang rất được quan tâm do giá thành thấp và thân thiện với môi
trường. Việt Nam là nước nông nghiệp nên nguồn phụ phẩm nông nghiệp nhiều và đa dạng,
thuận lợi cho việc tìm tịi, nghiên cứu, chế tạo than sinh học. Chính vì vậy, với mong muốn
tận dụng nguồn chất thải từ quá trình sản xuất gạo để xử lý amoni trong nước đề tài:
“Nghiên cứu sử dụng vỏ trấu để xử lý amoni trong nước” được thực hiện không chỉ đáp ứng
yêu cầu loại bỏ amoni trong nước mà còn tận dụng được nguồn phế thải nông nghiệp: vỏ
trấu.
Đề tài đã nghiên cứu chế tạo hai vật liệu than sinh học BCRH1 và BCRH2 từ vỏ trấu bằng
cách nhiệt phân trong điều kiện yếm khí. Sau đó, áp dụng phương pháp thực nghiệm theo
mẻ để đánh giá hiệu suất xử lý amoni của các vật liệu cũng như là điều kiện xử lý tối ưu
(thời gian tiếp xúc, pH, tỉ lệ rắn – lỏng, nồng độ amoni ban đầu) đối với từng vật liệu. Kết
quả nghiên cứu cho thấy, hiệu suất xử lý amoni của vật liệu BCRH2 là than sinh học từ vỏ
trấu được biến tính bởi NaOH có hiệu quả xử lý amoni cao hơn, đạt 77,7% với dung lượng
12,3 mg/g. Các số liệu thực nghiệm chứng tỏ quá trình hấp phụ amoni của vật liệu phù hợp
với cả 2 thuyết hấp phụ Langmuir và Freundlich. Quá trình hấp phụ tn theo mơ hình giả
động học bậc 2.
Than sinh học không chỉ đạt hiệu suất xử lý amoni cao đối với nước ơ nhiễm nồng độ thấp
và trung bình mà còn là vật liệu giá thành thấp, thân thiện mơi trường.
Nghiên cứu được thực hiện tại phịng thí nghiệm tại Trung tâm Nghiên cứu phát triển công

nghệ và quản lý môi trường – INEST/HUST.

Sinh viên thực hiện
(Ký và ghi rõ họ tên)


MỤC LỤC
ĐẶT VẤN ĐÊ......................................................................................................9
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VÊ CÁC VẤN ĐÊ NGHIÊN CỨU...................10
1.1 Hiện trạng ô nhiễm amoni trong nước.......................................................10
1.1.1 Nguyên nhân gây ô nhiễm amoni trong nước......................................10
1.1.2 Thực trạng ô nhiễm amoni trong nước sinh hoạt hiện nay...................11
1.1.3 Tác hại của amoni đến con người........................................................13
1.2 Một số phương pháp xử lý amoni trong nước............................................14
1.2.1 Phương pháp oxi hóa – khử.................................................................14
1.2.2 Phương pháp trao đổi ion.....................................................................14
1.2.3 Phương pháp làm thoáng.....................................................................15
1.2.4 Phương pháp lọc sinh học....................................................................15
1.2.5 Phương pháp hấp phụ..........................................................................16
1.3 Xử lý amoni trong nước bằng than sinh học từ phụ phẩm nông nghiệp.....16
1.3.1 Một số nghiên cứu sử dụng phụ phẩm nông nghiệp làm vật liệu hấp phụ 16
1.3.2 Đặc điểm của than sinh học chế tạo từ phụ phẩm nông nghiệp...........17
1.3.3 Cơ chế xử lý........................................................................................20
1.4 Lý thuyết về quá trình hấp phụ..................................................................21
1.4.1 Tổng quan về quá trình hấp phụ..........................................................21
1.4.2 Một số yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hấp phụ trong dung dịch........22
1.4.3 Các phương trình hấp phụ đẳng nhiệt..................................................23
1.4.4 Phương trình động học mơ tả q trình xử lý......................................25
CHƯƠNG 2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ QUY TRÌNH THỰC NGHIỆM 28
2.1 Hóa chất và thiết bị....................................................................................28

2.2 Vật liệu hấp phụ.........................................................................................28
2.2.1 Nguồn gốc vật liệu...............................................................................28
2.2.2 Chế tạo vật liệu....................................................................................29
2.3 Phương pháp nghiên cứu và phương pháp phân tích..................................30
2.3.1 Phương pháp nghiên cứu.....................................................................30
2.3.2 Phương pháp phân tích........................................................................31
2.4 Quy trình thực nghiệm...............................................................................33
2.4.1 Xác định ảnh hưởng của thời gian tiếp xúc đến hiệu suất xử lý...........33
2.4.2 Xác định ảnh hưởng của pH đến hiệu suất xử lý.................................34


2.4.3 Xác định ảnh hưởng của tỷ lệ rắn – lỏng đến hiệu suất xử lý..............34
2.4.4 Xác định ảnh hưởng của nồng độ NH4+ ban đầu đến hiệu suất xử lý...34
2.4.5 Thăm dò xử lý nước ngầm...................................................................35
CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN....................................................36
3.1 Xác định đặc tính của vật liệu....................................................................36
3.2 Nghiên cứu một số yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất xử lý amoni...............37
3.2.1 Ảnh hưởng của thời gian tiếp xúc........................................................37
3.2.2 Ảnh hưởng của pH...............................................................................38
3.2.3 Ảnh hưởng của tỉ lệ rắn – lỏng............................................................40
3.2.4 Ảnh hưởng của nồng độ amoni ban đầu..............................................41
3.3 Động học mơ tả q trình xử lý amoni trong dung dịch.............................42
3.4 Đẳng nhiệt hấp phụ....................................................................................43
3.5 Xử lý nước ngầm.......................................................................................45
KẾT LUẬN........................................................................................................47
TÀI LIỆU THAM KHẢO................................................................................48
PHỤ LỤC...........................................................................................................51


DANH MỤC HÌNH VE

Hình 1.1 Chu trình nitơ trong tự nhiên................................................................10
Hình 1.2 Hàm lượng amoni trong nước dưới đất tại một số khu vực đơ thị giai đoạn 2014 –
2015....................................................................................................................12
Hình 1.3 Thành phần cấu tạo của chất thải nơng nghiệp.....................................18
Hình 1.4 Hóa học bề mặt và cấu trúc phân tử của than sinh học.........................20
Hình 1.5 Các cơ chế hấp phụ amoni điển hình của than sinh học.......................20
Hình 2.1 Sơ đồ quy trình chế tạo vật liệu BCRH1, BCRH2................................30
Hình 2.2 Sơ đồ quy trình thực nghiệm................................................................31
Hình 2.3 Đường chuẩn amoni.............................................................................32
Hình 2.4 Đồ thị biểu diễn sự biến thiên của P/[V(P0-P)] theo P/P0......................33
Hình 3.1 Vật liệu than sinh học từ vỏ trấu dùng trong nghiên cứu......................36
Hình 3.2 Kết quả phân tích phổ hồng ngoại FTIR của 2 vật liệu........................37
Hình 3.3 Ảnh hưởng của thời gian tiếp xúc đến hiệu suất hấp phụ amoni..........38
Hình 3.4 Ảnh hưởng của pH ban đầu đến hiệu suất xử lý amoni........................39
Hình 3.5 Ảnh hưởng của tỉ lệ R/L đến hiệu suất xử lý amoni và lượng amoni hấp phụ trên
vật liệu.................................................................................................................40
Hình 3.6 Ảnh hưởng của nồng độ amoni ban đầu đến hiệu suất xử lý................41
Hình 3.7 Đường động học bậc 1..........................................................................42
Hình 3.8 Đường động học bậc 2..........................................................................43
Hình 3.9 Đẳng nhiệt Langmuir............................................................................44
Hình 3.10 Đẳng nhiệt Freundlich........................................................................44


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1 Tình hình khai thác tài nguyên nước dưới đất năm 2013.....................11
Bảng 1.2 Chất lượng nước giếng khoan một số xã ở Hà Nam.............................13
Bảng 1.3 Các phương trình hấp phụ đẳng nhiệt..................................................24
Bảng 3.1 Động học bậc 1 của quá trình hấp phụ amoni......................................42
Bảng 3.2 Động học bậc 2 của quá trình hấp phụ amoni......................................42
Bảng 3.3 Hằng số đẳng nhiệt Langmuir..............................................................43

Bảng 3.4 Hằng số đẳng nhiệt Freundlich............................................................44
Bảng 3.5 Dung lượng hấp phụ cực đại của một số vật liệu khác.........................45
Bảng 3.6 Kết quả xử lý amoni trong nước ngầm ở Đền Lừ, Hà Nội...................45
Bảng 3.7 Kết quả xử lý amoni trong nước ngầm ở Bắc Lý, Hà Nam..................46


ĐẶT VẤN ĐÊ
Những năm gần đây, nguồn tài nguyên nước ngầm ở Việt Nam đang có xu hướng suy giảm
về số lượng và chất lượng do ảnh hưởng của biến đổi khí hậu và các hoạt động sản xuất,
khai thác. Theo số liệu điều tra, khảo sát chất lượng nước giếng khoan và giếng đào tại tỉnh
Hà Nam, nồng độ amoni trong một số giếng có giá trị 5÷20 mg/L, vượt tiêu chuẩn cho phép
theo QCVN 09-MT:2015/BTNMT về chất lượng nước dưới đất. Người dân có thể chịu rủi
ro về sức khỏe khi dùng trực tiếp nguồn nước chưa được kiểm soát chất lượng.
Trong những năm gần đây, phương pháp hấp phụ được xem là kỹ thuật đơn giản, hiệu quả,
tiềm năng để loại bỏ amoni trong nước. Các vật liệu có nguồn gốc từ cacbon như than hoạt
tính, than sinh học được biết đến là chất hấp phụ hứa hẹn để loại bỏ amoni trong nước. Than
sinh học được chế tạo từ phụ phẩm nông nghiệp đang là một xu hướng nghiên cứu và ứng
dụng được nhiều nhà khoa học quan tâm. Theo số liệu của Tổng cục thống kê năm 2019,
Việt Nam là nước sản xuất nông nghiệp với diện tích trồng lúa 7,47 triệu ha, sản lượng 43,8
triệu tấn lúa. Trấu là lớp vỏ ngoài cùng của hạt lúa và được tách ra trong quá trình xay xát.
Trong vỏ trấu chứa khoảng 75% chất hữu cơ dễ bay hơi sẽ cháy trong quá trình đốt và
khoảng 25% còn lại chuyển thành tro. Chất hữu cơ chứa chủ yếu xenllulo, lignin và hemi –
xenllulo (90%), ngồi ra có thêm thành phần khác như hợp chất nitơ và vô cơ; lignin chiếm
khoảng 25÷30% và xenllulo chiếm khoảng 35÷40%,…chứa các nhóm chức hoạt động như
phenolic, alcohol, keton, carboxylic,... Các nhóm chức này có khả năng tham gia phản ứng
tạo phức, trao đổi ion, hình thành hợp chất dạng liên kết phối trí với các ion kim loại và
amoni nên có khả năng hấp phụ các ion (+) tương đối tốt.
Vỏ trấu có rất nhiều tại Đồng bằng sơng Cửu Long và Đồng bằng sông Hồng, 2 vùng trồng
lúa lớn nhất cả nước. Chúng thường được thải ra môi trường hoặc đốt ngoài đồng ruộng với
lượng lớn. Đây là một trong những nguồn năng lượng sinh khối tiềm năng để phục vụ cho

nhu cầu sản xuất than sinh học. Theo khảo sát, lượng vỏ trấu thải ra tại Đồng bằng sông Cửu
Long ước tính khoảng hơn 3 triệu tấn/năm, nhưng chỉ khoảng 10% trong số đó được sử
dụng. Trấu có ưu thế rất lớn là nguồn phụ phẩm dồi dào, sẵn có và giá thành thấp nếu tận
dụng để chế tạo than sinh học nên việc nghiên cứu sử dụng trấu vào sản xuất luôn mang lại
hiệu quả kinh tế cao và tiết kiệm chi phí góp phần cải thiện, khắc phục và bảo vệ, hạn chế ô
nhiễm môi trường, giúp giảm thiểu phát thải khí nhà kính. Với mong muốn tận dụng nguồn
chất thải từ quá trình xay xát gạo, đề tài “Nghiên cứu sử dụng vỏ trấu để xử lý amoni trong
nước” được thực hiện.


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VÊ CÁC VẤN ĐÊ NGHIÊN CỨU
1.1 Hiện trạng ô nhiễm amoni trong nước
1.1.1 Nguyên nhân gây ô nhiễm amoni trong nước
Nitơ trong tự nhiêm tồn tại ở các dạng hữu cơ như amoni (NH 4+), nitrit (NO3-), nitơ oxit
(N2O), nitric oxit (NO), hoặc ở dạng vô cơ như khí nitơ (N 2). Các dạng tồn tại này của nitơ
được chuyển hóa qua lại nhờ các tác nhân vật lý (tia sét), hóa học (phản ứng hóa học), sinh
học (vi sinh vật,...) và giờ đây có cả tác động của con người.

Hình 1.1 Chu trình nitơ trong tự nhiên [ CITATION Bio21 \l 1033 ]
Trong nước, nitơ tồn tại ở cả dạng nitơ vô cơ và hữu cơ. Các dạng vô cơ chủ yếu bao gồm
nitrit (NO2-), nitrat (NO3-) và amoni (NH4+). Trong môi trường nước chứa nhiều oxi hịa tan
thì dạng tồn tại chủ yếu của nitơ là nitrat. Ngược lại, ở điều kiện kỵ khí, nitơ sẽ tồn tại chủ
yếu ở dạng amoni (NH4+). Nitrit tồn tại trong điều kiện đặc biệt [ CITATION Cá07 \l 1033 ].
* Nguồn ơ nhiễm tự nhiên:
Amoni có thể có sẵn trong nước ngầm do sự phân hủy hợp chất hữu cơ từ q trình trầm
tích ngun thủy. Amoni cịn có thể sinh ra từ sự phân hủy chất hữu cơ tự nhiên có trong
đất, bao gồm xác động thực vật, mùn,... Sau đó ngấm vào đất và đi vào nguồn nước ngầm
hay nước mặt. Các tác động tự nhiên của mưa, gió... cũng làm lan truyền, phát tán amoni
vào nguồn nước. Điều kiện địa lý cũng ảnh hưởng không nhỏ đến chất lượng nước, bởi
những khu vực nằm ở dưới dốc cao thường có hàm lượng ơ nhiễm nặng hơn những vùng có

độ dốc thấp. Điều này phù hợp với qui luật vận động tự nhiên của vật chất.
* Nguồn nhân tạo:
Nước thải từ các hoạt động của con người đặc biệt là từ các nguồn giàu nitơ như nước thải
ngành thủy sản, nước thải chăn nuôi, nước sinh hoạt từ các hộ dân cư... nếu không được xử
lý đạt quy chuẩn trước khi xả ra môi trường sẽ đóng góp một lượng amoni lớn gây ơ nhiễm.
Trong nông nghiệp, chất thải gia súc, phế phẩm nông nghiệp hay phân đạm bón trong đất
khi phân hủy cũng sẽ tạo ra amoni. Khi con người khai thác nước ngầm quá mức thì sẽ xảy


ra hiện tượng xâm thực tự nhiên để bổ sung lại một lượng nước mới sau khi nước ngầm
được lấy đi. Từ đó dẫn đến việc nước mặt chứa các hợp chất nitơ thấm xuống và làm tăng
nồng độ amoni trong nước ngầm.
Rác thải sinh hoạt từ các hộ dân cư khi không được chôn lấp hợp vệ sinh khi phân hủy sẽ
tạo ra một lượng nước ríc với nồng độ nitơ cao làm ô nhiễm khu vực xung quanh.
1.1.2 Thực trạng ô nhiễm amoni trong nước sinh hoạt hiện nay
Tính đến năm 2015, nước ngầm đóng góp khoảng 40% tổng lượng nước cấp cho các đơ thị.
Có nhiều đơ thị sử dụng 100% là nước ngầm như Hà Nội, Vĩnh Phúc, Thái Nguyên, Lạng
Sơn, Buôn Ma Thuột, Quy Nhơn, Sóc Trăng, Bạc Liêu, Cà Mau và phần lớn các đơ thị cịn
lại đều kết hợp sử dụng cả nước mặt và nước ngầm. Ở nơng thơn, có tới 80% dân số nông
thôn sử dụng nước ngầm, với các loại cơng trình: giếng đào, giếng khoan và mạch lộ. Mục
đích chính của người dân là dùng nước ngầm để tưới hoa màu và chăn nuôi gia súc, gia
cầm, nuôi trồng thủy sản [CITATION Trâ20 \l 1033 ].
Bảng 1.1 Tình hình khai thác tài nguyên nước dưới đất năm 2013 [ CITATION trư16 \l
1033 ]

TT

1
2
3

4
5
6
7

Thành phố, vùng
Đồng bằng Bắc Bộ
Hà Nội
Đồng bằng Nam Bộ
TP HCM
Tây Nguyên
Tây Bắc Bộ
Đông Bắc Bộ
Bắc Trung Bộ
Nam Trung Bộ
Tổng

Lượng nước
đang khai thác,
m3/ngày

Tài nguyên dự
báo, m3/ngày

2.264.898
1.779.398
3.602.447
850.000
985.000
5.000

20.000
1.000.000
24.500
10.531.243

17.191.102
8.362.000
23.843.731
2.501.059
18.489.000
15.521.338
27.995.378
17.101.539
8.941.093
172.599.897

Tỉ lệ khai
thác so với
tài nguyên,
%
13,2
21,3
15,1
33,9
5,3
0,3
0,07
5,8
0,3
6,1

Tình hình khai thác tài nguyên nước dưới đất ở các vùng địa lý tại Việt Nam vào năm 2013
đã được thống kê ở bảng 1.1, nguồn Cục Quản lý tài nguyên nước – Bộ Tài nguyên và mơi
trường. Có thể thấy rằng đồng bằng Bắc Bộ và đồng bằng Nam Bộ là hai khu vực khai thác
nhiều nước ngầm nhất, chiếm hơn 50% tổng lượng khai thác trên tồn quốc. Trong đó,
lượng nước khai thác tập trung ở 2 thành phố lớn là Hà Nội và TP HCM [ CITATION
Bộ15 \l 1033 ].
Những năm gần đây, nguồn tài nguyên nước ngầm ở Việt Nam đang có xu hướng suy giảm
về số lượng và chất lượng do ảnh hưởng của biến đổi khí hậu và các hoạt động sản xuất,
khai thác. Nguyên nhân chính phải kể đến đó là do bùng nổ dân số, hệ quả nguồn thải do
sinh hoạt của con người ngày càng tăng. Không chỉ thế, các ngành công nghiệp, nông


nghiệp cũng phải phát triển để phục vụ đời sống con người. Hàm lượng amoni trong nước
dưới đất tại một số khu vực đô thị ở vùng Nam Bộ và Nam Trung Bộ được mơ tả ở hình 1.2.

Hình 1.2 Hàm lượng amoni trong nước dưới đất tại một số khu vực đô thị
giai đoạn 2014 – 2015 [ CITATION Bộ15 \l 1033 ]
Nồng độ amoni trong nước ngầm ở các tỉnh Long An, Ninh Tḥn, Khánh Hịa, Bình
Dương, Đồng Nai có xu hướng tăng trong giai đoạn 2014 – 2015. Năm 2014, duy nhất thơn
Lương Hịa, thành phố Nha Trang có nồng độ amoni vượt quy chuẩn. Tuy nhiên đến năm
2015, có thêm phường Tấn Tài – thành phố Phan Rang và khu vực Bình Tân – thành phố
Nha Trang có nồng độ amoni vượt chuẩn.
Đối với các tỉnh Bắc Bộ như Hà Nội, Hà Tây, Hà Nam, Nam Định, Hải Dương, Hưng Yên,
nguồn nước ngầm đang bị ô nhiễm nặng nề bởi amoni. Theo kết quả quan trắc của Trung
tâm Quan trắc tài nguyên và môi trường Hà Nội, đa số các giếng quan trắc nước dưới đất
đều bị ô nhiễm amoni (mức vượt từ vài lần đến vài chục lần so với QCVN) [CITATION
trư16 \l 1033 ]. Còn theo số liệu điều tra, khảo sát thực nghiệm chất lượng nước giếng
khoan và giếng đào tại tỉnh Hà Nam, nồng độ amoni trong một số giếng có giá trị 5÷20
mg/L, vượt tiêu chuẩn cho phép theo QCVN 09-MT:2015/BTNMT về chất lượng nước dưới

đất. Cụ thể, nồng độ amoni ở một số giếng khoan tại các xã ở Hà Nam đã được thống kê ở
bảng 1.2.


Bảng 1.2 Chất lượng nước giếng khoan một số xã ở Hà Nam
khảo sát năm 2019 – 2020
T
T

Địa điểm

1

Nhà cô Cậy xã Đồng Du
Nhà cơ Loan xã Đồng
2
Du Dỗn
Nhà anh
3
xã
Nhân
Nhà
bác Nghĩa
Kim
4
xã
NhàNhân
anh Nghĩa
Nhân
5

xã Nhân Nghĩa
Nhà
anh Đức Dương
6
xã Bắc Lý
QCVN 09-MT:2015/BTNMT

NH4+
(mg/L)
2,54
4,76
15,94
8,32
20,53
9,27
1

1.1.3 Tác hại của amoni đến con người
Trong nước ngầm nitơ tồn tại chủ yếu ở dạng amoni do khơng có oxi để chuyển hóa thành
nitrit, nitrat. Amoni thực ra khơng gây độc cho con người, tuy nhiên, nếu không được xử lý
thì chất này sẽ làm giảm hiệu quả của khâu khử trùng nước. Bởi amoni có khả năng tác
dụng với clo để tạo thành các cloramin làm giảm khoảng 1000 lần hiệu quả khử trùng của
clo [ CITATION Đứ18 \l 1033 ]. Khơng chỉ thế, amoni cịn là nguồn dinh dưỡng cho các vi
sinh vật sinh sôi, phát triển, qua đó gián tiếp gây ra các bệnh cho con người.
Khi nước được khai thác để sử dụng cho mục đích sinh hoạt, các vi sinh vật trong nước sẽ
sử dụng oxi trong khơng khí và chuyển hóa amoni thành các nitrit và nitrat. Khác với
amoni, hai dạng tồn tại này của nitơ lại vô cùng độc hại với con người. Theo QCVN
01:2009/BYT, hàm lượng nitrat và nitrit cho phép trong nước ăn uống tương ứng không
được vượt quá 50 mg/L và 3 mg/L [ CITATION Cụ09 \l 1033 ].
Khi ăn uống nước có chứa nitrit, cơ thể sẽ hấp thu nitrit vào máu và chất này sẽ tranh oxy

của hồng cầu, dẫn đến tình trạng thiếu máu, xanh da. Vì vậy, nitrit đặc biệt nguy hiểm cho
trẻ mới sinh dưới sáu tháng, nó có thể làm chậm sự phát triển, gây bệnh ở đường hô hấp, trẻ
bị xanh xao, ốm yếu, thiếu máu, khó thở do thiếu oxi trong máu. Đối với người lớn, nitrit
kết hợp với các axit amin trong thực phẩm làm thành một họ chất nitrosamin. Nitrosamin có
thể gây tổn thương di truyền tế bào – nguyên nhân gây bệnh ung thư. Những thí nghiệm cho
nitrit vào thức ăn, nước uống của chuột, thỏ… với hàm lượng vượt ngưỡng cho phép thì sau
một thời gian thấy những khối u sinh ra trong gan, phổi, vòm họng của chúng.
Các hợp chất nitơ trong nước có thể gây nên một số bệnh nguy hiểm cho người sử dụng
nước. Nitrat tạo ra chứng thiếu vitamin và có thể kết hợp với các amin để tạo nên những
nitrosamin là nguyên nhân gây ung thư ở người cao tuổi. Trẻ sơ sinh đặc biệt nhạy cảm với
nitrat lọt vào sữa mẹ, hoặc qua nước dùng để pha sữa. Sau khi lọt vào cơ thể, nitrat được
chuyển hoá nhanh thành nitrit nhờ vi khuẩn đường ruột. Nitrit khi tác dụng với các amin hay
alkyl cacbonat trong cơ thể người tạo thành các hợp chất chứa nitơ gây ung thư.


1.2 Một số phương pháp xử lý amoni trong nước
1.2.1 Phương pháp oxi hóa – khử
Clo thường được chọn làm chất oxi hóa amoni do khả năng oxi hóa mạnh và đem lại hiệu
quả xử lý amoni cao hơn các chất oxi hóa mạnh khác như ozon O 3, clodioxit ClO2, kali
pemanganat KMnO4…
Nguyên tắc: Khi hòa tan clo vào trong nước thì clo sẽ tồn tại ở 2 dạng là HClO hay ion ClO tùy theo pH của nước [ CITATION Cá07 \l 1033 ]:
Cl2 + H2O → HCl + HClO
(1.1)
HClO → H+ + ClO-

(1.2)

Khi trong nước có amoni sẽ xảy ra các phản ứng sau:
HClO + NH3 → H2O + NH2Cl (monicloramin)

(1.3)

HClO + NH2Cl → H2O + NHCl2 (dicloramin)

(1.4)

HClO + NHCl2 → H2O + NCl3 (tricloramin)

(1.5)

Nếu clo vẫn còn dư sau phản ứng tác dụng với NH 3 thì clo dư sẽ tham gia phản ứng phân
hủy các cloramin.
Ưu điểm: Thời gian xử lý nhanh, đơn giản về mặt thiết bị, rẻ về chi phí vận hành và xây
dựng.
Nhược điểm: Tốn clo, phạm vi ứng dụng hẹp (chỉ dành cho nước có nồng độ amoni thấp),
ăn mịn cơng trình bởi clo cao, ô nhiễm môi trường, độc hai cho cơng nhân vận hành. Kiểm
sốt q trình khó khăn sao cho khơng dư thừa clo.
Phạm vi ứng dụng: Nước có nồng độ amoni trong khoảng 0,5÷1 mg/L [ CITATION Đứ18 \l
1033 ], phù hợp với xử lý nước ngầm do nồng độ ô nhiễm amoni rất thấp.
1.2.2 Phương pháp trao đổi ion
Nguyên tắc: Sử dụng vật liệu trao đổi ion dạng rắn, không tan trong nước để loại bỏ ion
NH4+ trong nước. Trong mạng chất rắn của vật liệu trao đổi ion có chứa các nhóm chức, gắn
trực tiếp vào các nhóm chức là các ion có khả năng trao đổi. Có 2 loại vật liệu trao đổi ion:
vật liệu trao đổi ion dương (cationit), vật liệu trao đổi ion âm (anionit) [ CITATION Lai09 \l
1033 ]. Cationit là loại vật liệu được sử dụng để loại bỏ NH 4+. Một số loại cationit có hiệu
quả xử lý amoni cao có thể kể đến như: zeolit tự nhiên, zeolit tổng hợp, nhựa tổng hợp
(resin)…
Khi tiếp xúc với vật liệu trao đổi ion, NH 4+ trong nước sẽ thế chỗ các ion dương gắn với
nhóm chức của vật liệu. Nhờ đó được giữ lại trên bề mặt vật liệu. Phương trình trao đổi ion
được mô tả như sau:

R-H + NH4+ → R-NH4 + H+

(1.6)


Để lựa chọn được vật liệu cationit phù hợp, có 2 đặc trưng rất quan trọng của vật liệu cần
được quan tâm:
- Dung lượng trao đổi: là lượng amoni tối đa vật liệu xử lý được, đặc trưng này quyết định
đến hiệu suất xử lý, thời gian sử dụng đến khi vật liệu bão hịa.
- Độ chọn lọc ion: mỡi vật liệu sẽ ưu tiên loại bỏ các ion theo một thứ tự nhất định
Ưu điểm: Cấu tạo hệ thống xử lý đơn giản, dễ thao tác. Phương pháp cho hiệu quả xử lý rất
cao và ổn định.
Nhược điểm: Phải đảm bảo điều kiện pH của nước ở khoảng thích hợp trong suốt quá trình
xử lý để hiệu suất xử lý đạt cao nhất. Hiệu quả xử lý amoni phụ thuộc vào độ chọn lọc ion
và thường thì độ chọn lọc của amoni không cao nên phương pháp này đặc biệt khơng kinh
tế với nước có độ cứng cao. Sau xử lý, vật liệu nhựa thải ra môi trường sẽ gây ô nhiễm nếu
không được xử lý đúng cách.
1.2.3 Phương pháp làm thoáng
Nguyên tắc: Phương pháp này dựa trên nguyên lý về ảnh hưởng của pH đến dạng tồn tại của
amoni trong nước. Cụ thể, ở điều kiện pH nước đạt 10,5÷11,0 thì NH 4+ sẽ chuyển thành
dạng khí NH3. Nếu pH nước lớn hơn 11, phản ứng sẽ phụ thuộc thêm một yếu tố nữa chính
là nhiệt độ của nước [ CITATION Cá07 \l 1033 ]. Nhiệt độ nước càng lớn thì hiệu quả
chuyển thành dạng khí càng cao. Người ta thường dùng vôi hoặc xút NaOH để tăng độ kiềm
của nước và sau đó dùng axit để đưa pH về cân bằng.
Sau khi chuyển NH4+ về dạng khí NH3 thì khí này sẽ được “đuổi” ra khỏi nước bằng phương
pháp làm thoáng sử dụng tháp làm thoáng.
Ưu điểm: Nguyên tắc xử lý đơn giản, dễ hiểu. Hóa chất sử dụng đơn giản, dễ xử lý.
Nhược điểm: Cấu tạo hệ thống xử lý do phải dùng tháp làm thoáng, các thiết bị phụ trợ như
máy bơm, máy thổi khí nên tốn kém và cồng kềnh, khó khăn trong thao tác vận hành. Việc
điều chỉnh pH lên cao rồi sau đó trung hịa lại gây ra tốn kém về mặt hóa chất. Hiệu quả xử

lý trung bình.
Phạm vi ứng dụng: Nước có nồng độ amoni trong khoảng 20÷40 mg/L, phù hợp xử lý nước
thải nhiễm amoni ở nồng độ thấp.
1.2.4 Phương pháp lọc sinh học
Nguyên ly: Phương pháp này sử dụng vi sinh vật để chuyển hóa amoni thành nitơ phân tử
N2: NH4+ → NO2- → NO3- → NO → N2O → N2
Q trình nitrat hóa gồm 2 bước: đầu tiên, amoni được chuyển thành nitrit nhờ vào vi khuẩn
Nitosomonas và sau đó là thành nitrat nhờ vi khuẩn Nitobacteria [ CITATION Cá07 \l
1033 ].
Phương trình:
Bước 1: NH4+ + 3/2O2 → NO2- + 2H+ + H2O

(1.7)


Bước 2: NO2- + 1/2O2 → NO3-

(1.8)

Kế đó là quá trình khử nitrat hóa: NO 3- được phân hủy thiếu khí nhờ vào vi khuẩn
Denitrificans. Vi khuẩn này sẽ tách oxi của nitrat và nitrit để oxi hóa chất hữu cơ và N 2
được tạo thành trong giai đoạn này sẽ thoát ra khỏi nước.
Hệ thống lọc sinh học sẽ hoạt động dựa vào sự sinh trưởng các vi sinh vật cố định trên lớn
màng bám trên lớp vật liệu lọc. Nước ô nhiễm tiếp xúc với màng sinh học ở trên bề mặt của
vật liệu lọc và tại đây các vi sinh vật tiến hành quá trình phân hủy hiếu khí và kỵ khí amoni
trong nước.
Ưu điểm: Thân thiện với mơi trường do khơng sử dụng hóa chất; hiệu suất xử lý cao; phạm
vi nồng độ amoni có thể xử lý được ở mức rộng.
Nhược điểm: Thiết bị xử lý cồng kềnh, chi phí cao; kỹ thuật viên vận hành địi hỏi hiểu sâu
về phương pháp và có khả năng xử lý tình huống linh hoạt do vi sinh vật rất nhạy cảm với

sự thay đổi điều kiện môi trường nước.
Phạm vi ứng dụng: Nước có nồng độ amoni trong khoảng 10÷20 mg/L
1.2.5 Phương pháp hấp phu
Nguyên ly: Khi trong mơi trường nước có chất hấp phụ (thường là chất rắn) thì ion amoni sẽ
di chuyển từ pha lỏng sang pha rắn và bị giữ lại ở tâm hấp phụ của chất hấp phụ nhờ vào
các liên kết vật lý (Vander Walls) hay liên kết hóa học (liên kết cộng hóa trị, lực ion, lực liên
kết phối trí). Việc lọc bỏ vật liệu hấp phụ ra khỏi nước theo đó sẽ loại bỏ amoni bị hấp phụ
trên đó và làm giảm nồng độ amoni trong nước [ CITATION Cá02 \l 1033 ]. Một số vật liệu
hấp phụ quen thuộc có thể kể đến là: ống nano carbon (CNTs), than hoạt tính, graphene…
Ưu điểm: Chi phí xử lý thấp do vật liệu hấp phụ dễ kiếm, rẻ tiền, hệ thống xử lý không phức
tạp, dễ vận hành; khi sử dụng than sinh học điều chế từ phế phẩm nông nghiệp làm vật liệu
hấp phụ thì đồng thời cịn giảm lượng rác thải nông nghiệp ra môi trường.
Nhược điểm: Chỉ xử lý được nước ô nhiễm amoni nồng độ thấp; phương pháp này thường
khơng có tính chọn lọc cao do vậy hiệu suất xử lý bị ảnh hưởng bởi các ion khác tồn tại
trong nước.
1.3 Xử lý amoni trong nước bằng than sinh học từ phụ phẩm nông nghiệp
1.3.1 Một số nghiên cứu sử dung phu phẩm nông nghiệp làm vật liệu hấp phu
Với những giá trị thực tiễn về mặt kinh tế và môi trường mà phương pháp xử lý amoni bằng
than sinh học đem lại, rất nhiều cơng trình nghiên cứu đã được thực hiện.
Lê Thị Vân (2018) đã nghiên cứu chế tạo được 8 vật liệu hấp phụ than sinh học từ bã mía.
Các phương pháp chế tạo đã được sử dụng là nung bã mía ở nhiệt độ 200 oC, 300oC, biến
tính với HNO3, NaOH, H2SO4 đặc, NaHCO3. Kết quả phân tích cho thấy, vật liệu hoạt hóa
bằng H2SO4 đặc cho kết quả hấp phụ tốt nhất với dung lượng hấp phụ cực đại là 7,806 mg/g,
hiệu suất xử lý dung dịch amoni nồng độ 20 mg/L là 94,34% [ CITATION Vân18 \l 1033 ].


Phạm Văn Phú (2020) đã nghiên cứu chế tạo 3 vật liệu than sinh học từ vỏ cà phê. Các
phương pháp chế tạo được sử dụng là biến tính vỏ cà phê bằng NaOH 1M, H 2SO4 5M, nhiệt
phân ở 300oC. Trong đó, than được biến tính bằng NaOH cho thấy khả năng xử lý amoni
cao nhất. Bằng chứng là quá trình hấp phụ dung dịch amoni nồng độ 20 mg/L cho hiệu suất

xử lý đạt 83% với thời gian đạt cân bằng là 30 phút [ CITATION Phú20 \l 1033 ].
Nhìn chung ở trong nước, rất nhiều loại phế phẩm nông nghiệp đã được sử dụng để nghiên
cứu chế tạo than sinh học, có thể kể đến như: bã mía, vỏ cà phê, lõi ngơ, xơ dừa, thân cây
sắn,… Kết quả đều cho hiệu quả xử lý amoni cao (trên 80%) đối với dung dịch amoni đầu
vào là 20 mg/L. Việc biến tính vật liệu trước khi nung bằng axit mạnh và kiềm đều giúp
tăng hiệu suất xử lý của than sinh học.
Nhóm nghiên cứu bao gồm Thi Mai Vu, Van Tuyen Trinh, Dinh Phuong Doan, Huu Tap
Van, Tien Vinh Nguyen, Saravanamuthu Vigneswaran, Huu Hao Ngo đã nghiên cứu chế tạo
than sinh học từ lõi ngô ở nhiệt độ nhiệt phân là 400oC, hóa chất biến tính sử dụng NaOH và
HNO3. Kết quả chỉ ra rằng vật liệu biến tính bằng axit nồng độ 6M, tỉ lệ than/HNO3 là 1:5
và sau đó ngâm trong NaOH 0,3M cho hiệu quả xử lý amoni cao nhất. Dung lượng hấp phụ
tối đa là 22,6 mg/g [CITATION Thi17 \l 1033 ].
Nhóm nghiên cứu Xiapu Gai, Hongyuan Wang, Jian Liu, Limei Zhai, Shen Liu, Tianzhi
Ren, Hongbin Liu nghiên cứu chế tạo các loại than sinh học từ rơm lúa mì, rơm ngơ, vỏ đậu
phộng ở các điều kiện nhiệt độ nhiệt phân là 400 oC, 500oC, 600oC và 700oC. Kết quả chỉ ra
rằng than sinh học từ rơm ngô điều chế ở 400 oC cho dung lượng hấp phụ lớn hơn cả (3,6
mg/g). Ngoài ra, đối với cả 3 loại vật liệu chế tạo than, nhiệt độ nhiệt phân càng cao thì
dung lượng hấp phụ cực đại của than tạo thành càng thấp [CITATION Xia14 \l 1033 ].
Nhìn chung kết quả ở các nghiên cứu trong và ngoài nước đều cho thấy khả năng loại bỏ
amoni ở nồng độ thấp của than sinh học, rất phù hợp xử lý nước ngầm bởi mức độ ơ nhiễm
thấp. Việc biến tính than bằng những hóa chất vô cơ đặc biệt là axit và kiềm khiến hiệu quả
xử lý amoni của than tăng lên đáng kể. Đây sẽ là hướng nghiên cứu cần được đi sâu và phát
triển hơn nữa.
1.3.2 Đặc điểm của than sinh học chế tạo từ phu phẩm nông nghiệp
* Thành phần cấu tạo chất thải nông nghiệp:
Các loại chất thải từ nông nghiệp như rơm rạ, vỏ các loại hạt, thân cây mía, ngơ, khoai
mì,...được gọi chung với một tên gọi là vật liệu lignocellulose. Lignocellulose là thành phần
chính cấu tạo nên thành tế bào thực vật. Lignocellulose có thành phần chủ yếu là cellulose
(35÷50%), hemicellulose (15÷30%) và lignin (10÷25%) [ CITATION Thẩ17 \l 1033 ].

Hình 1.3 Thành phần cấu tạo của chất thải nông nghiệp [ CITATION Rit08 \l 1033 ]
Cellulose là một polysaccharide bao gồm vài trăm đến hơn 10000 các mắt xích α-glucose
liên kết với nhau bằng liên kết 1,4-glycoside và liên kết hidro. Ngồi ra, phần lớn cellulose
có cấu trúc tinh thể nên bền và có tính đàn hồi.
Hemicellulose cũng là một polysaccharide, nhưng nó thường được tạo thành từ các chuỗi
xylose xen kẽ với các chuỗi bên chứa arabinose, galactose, mannose, glucose, acetyl và các
nhóm đường khác, tùy thuộc vào lồi thực vật. Hemicellulose chứa từ 500÷3000 mắt xích
đường và bao gồm một phần nhỏ pectin.
Lignin là một đại phân tử được cấu thành bởi 3 loại phenylpropanoid. Lignin lấp đầy không
gian của thành tế bào giữa cellulose, hemicellulose và pectin. Lignin liên kết cộng hóa trị
với hemicellulose và đóng vai trò như một “chất keo” để giữ ma trận lignocellulose với


nhau. Do vậy, lignin tạo độ cứng cáp cho thành tế bào và rất khó bị phân hủy [ CITATION
Phẩ17 \l 1033 ].
* Phương pháp chế tạo than sinh học:
Quá trình điều chế than sinh học thường gồm 2 bước là than hóa và hoạt hóa. Q trình hoạt
hóa than có thế tiến hành trước, sau hoặc đồng thời trong lúc than hóa [ CITATION Kiê16 \l
1033 ].
Than hóa là q trình nhiệt phân yếm khí ngun liệu, đưa nó về dạng cacbon, đồng thời
làm bay hơi một số chất hữu cơ nhẹ tạo lỗ xốp cho than. Nhiệt độ nhiệt phân rất cao, thường
trên 400oC. Trong quá trình nhiệt phân sẽ phát sinh các dạng năng lượng gồm nhiệt, dầu
sinh học, các loại khí tổng hợp, khí hydro, khí methane,... Tùy vào nhiệt độ và thời gian
nhiệt phân sẽ thu được các sản phẩm với tỷ trọng khác nhau. Trong đó, q trình nhiệt phân
chậm và trung bình (thời gian nhiệt phân từ vài phút đến vài giờ, thậm chí vài ngày) sẽ cho
hiệu suất thu hồi than sinh học cao nhất (khoảng 25÷35%). Đối với nhiệt phân nhanh (thời
gian nhiệt phân vài giây) chủ yếu tạo ra dầu sinh học. Do đó q trình nhiệt phân trung bình
và chậm thường được sử dụng để sản xuất than sinh học.
Hoạt hóa là q trình nâng cao hoạt tính của than bằng cách tăng độ xốp cho than, tạo các

tâm hoạt động trên bề mặt và gắn thêm các nhóm chức vào cấu trúc phân tử của than. Các
phương pháp hoạt hóa than: hoạt hóa hóa học, hoạt hóa vật lý,... Trong đó, hoạt hóa vật lý sẽ
sử dụng hơi nước hoặc khí CO 2 làm tác nhân hoạt hóa ở nhiệt độ cao khoảng 800÷850 oC.
Phương pháp này sẽ lấy đi các nguyên tử cacbon từ đó tạo thành lỡ xốp trên bề mặt than,
tăng diện tích bề mặt vật liệu. Đối với phương pháp hoạt hóa hóa học, đơn giản nhất là
ngâm than sinh học sau than hóa với các hóa chất như H 2SO4, HNO3, NaOH, ZnCl2...
Phương pháp này sẽ gắn thêm cho cấu trúc hóa học của than nhóm chức mới ngồi ra cịn
loại bỏ các tạp chất trong than, từ đó làm tăng hiệu quả hấp phụ của than sinh học
[ CITATION Lau20 \l 1033 ].
* Thành phần cấu tạo than sinh học:
Trong quá trình nhiệt phân sinh khối, các nguyên tố trong than sinh học trải qua các q
trình hóa lý khác nhau và góp phần hình thành nên sự đa dạng của than sinh học. Trong đó,
C, H, N, O là những nguyên tố chính và cấu tạo nên cấu trúc chính của than; Si, Fe, P và S
cho thấy phạm vi rộng về phần trăm khối lượng trong các loại than khác nhau; vài nguyên tố
khác như Si, N P, S, Fe… là các nguyên tố khoáng trong các thực vật đặc trưng [ CITATION
Xin19 \l 1033 ].
Cấu trúc “đồ sộ” của than sinh học được hình thành từ việc hình thành các liên kết hóa học
lớn giữa các nguyên tố đã đề cập ở trên. Cấu trúc bề mặt và cấu trúc phân tử của than sinh
học được mô tả ở hình 1.4.


Hình 1.4 Hóa học bề mặt và cấu trúc phân tử của than sinh học [ CITATION Xin19 \l
1033 ]
Bề mặt của than là nơi các phản ứng sinh, hóa học và các tương tác xảy ra. Các nhóm chức
bề mặt có thể bao gồm nhóm béo, nhóm thơm, hydroxyl, epoxy, cacboxyl, acyl, cacbonyl,
ete, este, amido, sulfonic và azyl.
Cấu trúc phân tử của than sinh học là một ma trận cacbon vơ định hình cứng chắc. Khi tăng
nhiệt độ nhiệt phân than, khung cacbon sẽ trải qua các giai đoạn carbon thơm vơ định hình,
carbon thơm liên hợp và carbon graphit [ CITATION Leh09 \l 1033 ]. Khung cacbon có cấu
trúc lớp, độ xốp và diện tích bề mặt lớn.

1.3.3 Cơ chế xử lý
Than sinh học hấp phụ amoni theo nhiều cơ chế và phụ thuộc chủ yếu vào 3 yếu tố: diện
tích bề mặt vật liệu, trao đổi ion, nhóm chức tương tác trên bề mặt vật liệu. Những cơ chế
hấp phụ điển hình được thể hiện ở hình 1.5.


Hình 1.5 Các cơ chế hấp phụ amoni điển hình của than sinh học [ CITATION Xin19 \l
1033 ]
* Diện tích bề mặt:
Diện tích bề mặt riêng được coi là một thông số quan trọng chi phối khả năng hấp phụ của
vật liệu cacbon. Bởi diện tích bề mặt riêng liên quan trực tiếp đến mật độ các tâm hấp phụ
trên một đơn vị khối lượng vật liệu, diện tích bề mặt riêng lớn sẽ dẫn đến khả năng hấp phụ
lớn. Tuy nhiên trong một vài nghiên cứu cũng chỉ ra rằng diện tích bề mặt riêng lớn khơng
nhất thiết đồng nghĩa với khả năng hấp phụ amoni cao. Bởi sự gia tăng diện tích bề mặt
riêng tương quan với sự mất mát của các nhóm chức chứa oxy – một yếu tố đóng vai trị
quan trọng trong q trình hấp phụ amoni [ CITATION Xin19 \l 1033 ].
* Trao đổi ion:
Than sinh học tích điện âm cân bằng với ion dương trong các môi trường nước. Nhận thấy
than sinh học nhiệt phân ở nhiệt độ thấp thường có dung lượng trao đổi cation lớn hơn, và
do đó dẫn đến việc dung lượng hấp phụ amoni cao hơn. Bởi amoni được hấp phụ theo cơ
chế trao đổi ion bằng việc thay thế các cation khác có ái lực thấp hơn với bề mặt than sinh
học [ CITATION Xin19 \l 1033 ].
* Các nhóm chức bề mặt:
Hóa học bề mặt của than sinh học thường được đặc trưng bới tính kỵ nước ở nhiệt độ nhiệt
phân cao hơn và nhóm chức bề mặt mang điện tích âm ở nhiệt độ thấp hơn, phần nhiều
trong số đó chứa oxy (ví dụ -OH, -COOH). Kết quả là, than sinh học có thể có một số ái lực
với NH4+. Vì vậy có thể tin tưởng rằng với sự phong phú của các nhóm chức chứa oxy trên
bề mặt than sẽ ảnh hưởng tới sự hấp phụ amoni.
Sự liên kết với proton hay tách proton của các nhóm chức bề mặt than bị ảnh hưởng bới pH
dung dịch và có thể ảnh hưởng đáng kể đến liên kết giữa nhóm chức bề mặt than với amoni,

do đó ảnh hưởng đến hiệu quả hấp phụ amoni của than. pH thấp sẽ làm proton hóa các


nhóm chức bề mặt bới H + dẫn đến suy yếu liên kết giữa nhóm chức và amoni, hay nói cách
khác pH thấp làm giảm khả năng hấp phụ amoni của than [ CITATION Xin19 \l 1033 ].
1.4 Lý thuyết về q trình hấp phụ
1.4.1 Tởng quan về q trình hấp phu
Hấp phụ là q trình tích lũy chất trên bề mặt phân cách các pha (rắn – khí, rắn – lỏng, khí –
lỏng, lỏng – lỏng). Tùy theo bản chất lực tương tác giữa các phân tử của chất hấp phụ và
chất bị hấp phụ mà người ta phân biệt thành hấp phụ vật lý và hấp phụ hóa học [ CITATION
Min13 \l 1033 ].
* Hấp phụ vật lý: Là quá trình hấp phụ gây ra bởi lực Vander Walls giữa phân tử chất bị hấp
phụ và bề mặt chất hấp phụ (bao gồm cả 2 loại lực: cảm ứng, định hướng, khuếch tán), liên
kết này yếu dễ bị phá vỡ. Vì vậy hấp phụ vật lý có tính tḥn nghịch cao.
Hấp phụ vật lý khơng có tính chọn lọc. Quá trình hấp phụ vật lý là một quá trình tḥn
nghịch tức là có cân bằng động giữa chất hấp phụ và bị hấp phụ. Sự hấp phụ vật lý ít phụ
thuộc vào bản chất hóa học của bề mặt, khơng có sự biến đổi cấu trúc của các phân tử chất
hấp phụ và chất bị hấp phụ [ CITATION Min13 \l 1033 ].
* Hấp phụ hóa học: Là quá trình hấp phụ gây ra bởi lực liên kết hóa học (liên kết cộng hóa
trị, lực ion, lực liên kết phối trí). Trong hấp phụ hóa học có sự trao đổi electron giữa chất
hấp phụ và chất bị hấp phụ. Cấu trúc electron phân tử các chất tham gia q trình hấp phụ
có sự biến đổi rất lớn dẫn đến hình thành liên kết hóa học.
Trong thực tế sự phân biệt giữa hấp phụ vật lý và hấp phụ hóa học chỉ là tương đối. Hai q
trình này có thể đồng thời xảy ra theo quy luật: Ở vùng nhiệt độ thấp xảy ra quá trình hấp
phụ vật lý, khi tăng nhiệt độ khả năng hấp phụ vật lý giảm và khả năng hấp phụ hóa học
tăng lên [ CITATION Min13 \l 1033 ].
* Hấp phụ trong môi trường nước: Trong nước, tương tác giữa một chất hấp phụ và chất bị
hấp phụ phức tạp hơn rất nhiều vì trong hệ có ít nhất là ba thành phần gây tư ơng tác: nước,
chất hấp phụ và chất bị hấp phụ. Do sự có mặt của dung mơi nên trong hệ sẽ xảy ra quá
trình hấp phụ cạnh tranh giữa chất bị hấp phụ và dung môi trên bề mặt chất hấp phụ. Cặp

nào có tương tác mạnh thì hấp phụ xảy ra cho cặp đó. Tính chọn lọc của cặp tương tác phụ
thuộc vào yếu tố: Độ tan của chất bị hấp phụ trong nước, tính ưa hoặc tính kỵ nước của chất
bị hấp phụ, mức độ kỵ nước của các chất bị hấp phụ trong môi trường nước.
1.4.2 Mợt số yếu tố ảnh hưởng đến q trình hấp phu trong dung dịch
* Đối với hấp phụ theo mẻ gián đoạn:
Ảnh hưởng của thời gian tiếp xúc: Thời gian tiếp xúc tối ưu nhất là thời gian để chất hấp
phụ và dung dịch đạt cân bằng. Yếu tố này phụ thuộc chủ yếu vào thời gian chất bị hấp phụ
khuếch tán đến các tâm hấp phụ trên bề mặt chất hấp phụ (vật liệu), hay nói cách khác, phụ
thuộc vào nồng độ dung dịch, kích thước hạt rắn, cường độ khuấy trộn…


Ảnh hưởng của pH: pH không những ảnh hưởng đến trạng thái tồn tại của amoni trong dung
dịch mà nồng độ H+ tương ứng sẽ là yếu tố cạnh tranh vị trí hấp phụ với ion NH 4+ trên vật
liệu hấp phụ [ CITATION Min20 \l 1033 ].
Ảnh hưởng của tỷ lệ rắn – lỏng: Tỉ lệ rắn – lỏng hay cũng chính là lượng vật liệu hấp phụ sử
dụng trong một đơn vị thể tích dung dịch. Lượng vật liệu sử dụng liên quan trực tiếp đến số
tâm hấp phụ, hay nói cách khác là dung lượng hấp phụ và từ đó ảnh hưởng đến hiệu suất xử
lý.
Ảnh hưởng của nhiệt độ: Nhiệt độ sẽ ảnh hưởng đến tốc độ khuếch tán ion amoni đến các
tâm hấp phụ trên bề mặt than. Khơng chỉ thế, nhiệt độ cịn ảnh hưởng đến quá trình hấp phụ
và nhả hấp phụ của than. Ở nhiệt độ càng cao thì sẽ xảy ra hiện tượng nhả hấp phụ làm giảm
hiệu suất xử lý amoni.
Ảnh hưởng của các ion khác trong nước: Các cation có độ chọn lọc trao đổi ion cao hơn
amoni khi tồn tại trong dung dịch xử lý sẽ cạnh tranh các vị trí hấp phụ với amoni làm giảm
hiệu suất xử lý, điển hình như K+, Ca2+, Mg2+,…[ CITATION Min20 \l 1033 ].
* Đối với hấp phụ trên cột liên tục:
Ảnh hưởng của chiều cao cột hấp phụ: Chiều cao cột hấp phụ sẽ ảnh hưởng đến thời gian
đạt bão hòa. Cụ thể, thời gian đạt bão hòa hấp phụ tăng lên cùng với sự gia tăng của chiều
cao cột hấp phụ. Bởi chiều cao cột hớn hơn tương ứng với lượng chất hấp phụ được sử dụng
nhiều hơn, do đó, diện tích bề mặt hấp phụ và số lượng các tâm hấp phụ trống trên bề mặt

vật liệu hấp phụ nhiều hơn [CITATION Phạ16 \l 1033 ].
Ảnh hưởng của tớc độ dòng vào: Tốc độ dịng chảy càng chậm thì thời gian tiếp xúc giữa
chất bị hấp phụ và vật liệu hấp phụ càng tăng. Do đó, lượng ion bị giữ lại trên bề mặt chất
hấp phụ tăng, hay nói cách khác, hiệu suất xử lý của vật liệu lớn hơn và thời gian đạt bão
hòa hấp phụ cũng lâu hơn [ CITATION Phạ16 \l 1033 ].
Ảnh hưởng của nồng độ ban đầu của chất bị hấp phu: Khi nồng độ ban đầu tăng lên, các
tâm hấp phụ trên vật liệu hấp phụ nhanh chóng bị bao phủ, vì vậy cột hấp phụ nhanh chóng
đạt bão hịa. Khi nồng độ ban đầu giảm, thời gian tiếp xúc cần thiết để cột hấp phụ đạt bão
hòa tăng lên do quá trình vận chuyển các cation tới các tâm hấp phụ trống trên bề mặt vật
liệu tăng lên [ CITATION Phạ16 \l 1033 ].
1.4.3 Các phương trình hấp phu đẳng nhiệt
Quá trình hấp phụ là một quá trình thuận nghịch. Các phần tử chất bị hấp phụ khi đã hấp
phụ trên bề mặt chất hấp phụ vẫn có thể di chuyển ngược lại pha mang. Theo thời gian,
lượng chất bị hấp phụ tích tụ trên bề mặt chất rắn càng nhiều thì tốc độ di chuyển ngược trở
lại pha mang càng lớn. Đến một thời điểm nào đó, tốc độ hấp phụ bằng tốc độ giải hấp thì
quá trình hấp phụ đạt cân bằng. Một hệ hấp phụ khi đạt đến trạng thái cân bằng, lượng chất
bị hấp phụ là một hàm của nhiệt độ, áp suất hoặc nồng độ của chất bị hấp phụ:
q = f (T, P hoặc C)

(I.1)


Ở nhiệt độ không đổi (T = const), đường biểu diễn sự phụ thuộc của q vào P hoặc C (q= f
(T, P hoặc C)) được gọi là đường đẳng nhiệt hấp phụ. Đường đẳng nhiệt hấp phụ có thể
được xây dựng trên cơ sở lý thuyết, kinh nghiệm hoặc bằng kinh nghiệm tùy thuộc vào tiền
đề, giả thiết, bản chất và kinh nghiệm xử lý số liệu thực nghiệm [CITATION Min13 \l
1033 ].
* Dung lượng hấp phụ cân bằng:
Dung lượng hấp phụ cân bằng là khối lượng chất bị hấp phụ trên một đơn vị khối lượng chất
hấp phụ ở trạng thái cân bằng trong điều kiện xác định về nồng độ và nhiệt độ.

Trong đó:
G - Dung lượng hấp phụ cân bằng (mg/g)
V - Thể tích dung dịch chất bị hấp phụ (L)
m - Khối lượng chất bị hấp phụ (g)
Co - Nồng độ của chất bị hấp phụ tại thời điểm ban đầu (mg/L)
Ccb - Nồng độ của chất hấp phụ tại thời điểm cân bằng (mg/L)
* Các phương trình hấp phụ đẳng nhiệt:
Bảng 1.3 Các phương trình hấp phụ đẳng nhiệt [ CITATION Gun13 \l 1033 ]
Đường đẳng nhiệt
hấp phụ
Langmuir

Phương trình

Henry
Freundlich
Shlygin – Frumkin –
Temken

Bản chất sự hấp
phụ
Vật lý và hóa học
Vật lý và hóa học
Vật lý và hóa học
Hóa học

Trong các phương trình trên, V là thể tích chất bị hấp phụ, V m là thể tích hấp phụ cực đại, p
là áp suất chất bị hấp phụ ở pha khí, p o là áp suất hơi bão hòa của chất bị hấp phụ ở trạng
thái lỏng tinh khiết ở cùng nhiệt độ. Các kí hiệu a, b, k, n là các hằng số.

Mơ hình tính tốn cho q trình hấp phụ thường sử dụng phương trình Langmuir và phương
trình Freundlich.
* Phương trình đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir:
Phương trình đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir được xây dựng dựa trên các giả thuyết:
1) Tiểu phân bị hấp phụ liên kết với bề mặt tại những trung tâm xác định.
2) Mỗi trung tâm chỉ hấp phụ một tiểu phân


3) Bề mặt chất hấp phụ là đồng nhất, nghĩa là năng lượng hấp phụ trên các tiểu phân
là như nhau và khơng phụ thuộc vào sự có mặt của các tiểu phân hấp phụ trên các trung tâm
bên cạnh.
Phương trình này cũng có thể áp dụng được cho q trình hấp phụ trong mơi trường nước.
Khi đó có thể biểu diễn phương trình Langmuir như sau:

Trong đó:
Ce - nồng độ chất bị hấp phụ ở trạng thái cân bằng (mg/L)
qe, qm - dung lượng hấp phụ ở trạng thái cân bằng và dung lượng hấp phụ cực đại. (mg/g)
KL - hằng số hấp phụ Langmuir (L/mg)
Với phương pháp đồ thị, phương trình trên được viết thành:

* Phương trình Freundlich:
Freundlich nghiên cứu ảnh hưởng của nồng độ chất tan trong dung dịch hay áp suất của chất
khí đến đại lượng hấp phụ của các chất ở nhiệt độ không đổi, Freundlich nhận thấy rằng:
Các đường hấp phụ đẳng nhiệt có dạng gần giống với một nhánh của đường parabol nên
ông đã đề nghị công thức thực nghiệm sau [ CITATION Gá18 \l 1066 ]:

Trong đó:
qe - dung lượng hấp phụ ở trạng thái cân bằng (mg/g)
Ce - nồng độ của chất bị hấp phụ ở trạng thái cân bằng (mg/L)
KF - hằng số hấp phụ Freundlich (mg/g) là đại lượng có thể dùng để đặc trưng cho khả năng

hấp phụ của hệ, giá trị KF lớn đồng nghĩa với hệ có khả năng hấp phụ cao.
n - số mũ Freundlich, 1/n là bậc mũ của C e. n là một đại lượng đánh giá mức độ không đồng
nhất của bề mặt chất hấp phụ và mô tả mức độ phù hợp của sự phân bố các phân tử hấp phụ
trên bề mặt chất hấp phụ. Giá trị n cao hơn 1 cho thấy sự hấp phụ thuận lợi của các phân tử
lên bề mặt chất hấp phụ. Giá trị của n cao hơn phản ánh cường độ hấp phụ cao hơn.
Với hệ hấp phụ lỏng – rắn, n có giá trị nằm trong khoảng từ 1÷10 thể hiện sự thuận lợi của
mơ hình. Như vậy, n cũng là một trong các giá trị đánh giá được sự phù hợp của mơ hình
với thực nghiệm.
Phương trình trên cịn viết dưới dạng tuyến tính như sau: