Luận văn Nghiên cứu sử dụng xỉ lò cao biến tính để xử lý amoni trong nước ngầm bằng phương pháp hấp phụ

Nội dung tài liệu: Luận văn Nghiên cứu sử dụng xỉ lò cao biến tính để xử lý amoni trong nước ngầm bằng phương pháp hấp phụ

1. BỘ GIÁO DỤC VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ ĐÀO TẠO VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ----------------------------- Phùng Linh Phương NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG XỈ LÒ CAO BIẾN TÍNH ĐỂ XỬ LÝ AMONI TRONG NƯỚC NGẦM BẰNG PHƯƠNG PHÁP HẤP PHỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ: KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG Hà Nội- 2021
2. BỘ GIÁO DỤC VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ ĐÀO TẠO VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ----------------------------- Phùng Linh Phương NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG XỈ LÒ CAO BIẾN TÍNH ĐỂ XỬ LÝ AMONI TRONG NƯỚC NGẦM BẰNG PHƯƠNG PHÁP HẤP PHỤ Chuyên ngành: Kỹ thuật môi trường Mã số: 8520320 LUẬN VĂN THẠC SĨ: KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. Nguyễn Tuấn Minh Hà Nội - 2021
3. i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn “Nghiên cứu sử dụng xỉ lò cao biến tính để xử lý amoni trong nước ngầm bằng phương pháp hấp phụ” là do tôi thực hiện và không trùng lặp với bất kỳ công trình khoa học nào khác. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa được ai công bố trong bất kỳ một công trình nghiên cứu nào. Tôi hoàn toàn chịu trách nhiệm về nội dung luận văn. Hà Nội, tháng năm Học viên Phùng Linh Phương
4. ii LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên với lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc nhất, tôi xin gửi lời cảm ơn tới TS Nguyễn Tuấn Minh– người đã truyền cho tôi tri thức cũng như tâm huyết nghiên cứu khoa học, người đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ và tạo điều kiện tốt nhất để tôi hoàn thành bản luận văn này. Tôi xin chân thành cảm ơn các anh chị em phòng Công nghệ xử lý chất thải rắn và khí thải – Viện Công nghệ môi trường đã tạo điều kiện thuận lợi giúp đỡ tôi về cơ sở vật chất, kinh nghiệm và trợ giúp tôi rất nhiều trong thời gian tôi thực hiện luận văn. Tôi cũng xin chân thành cảm ơn ban lãnh đạo, các thầy cô tại Học Viện Khoa học Công nghệ – Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam đã tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong suốt thời gian tôi học tập cao học. Cuối cùng tôi xin bày tỏ lời cảm ơn sâu sắc tới gia đình, người thân, và bạn bè đã luôn tin tưởng động viên, chia sẻ và tiếp sức cho tôi có thêm nghị lực để tôi vững bước và vượt qua khó khăn trong cuộc sống, hoàn thành bản luận văn này. Học viên Phùng Linh Phương
5. iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN .................................................................................................. i LỜI CẢM ƠN ....................................................................................................... ii DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT .............................................................................. vi DANH MỤC CÁC BẢNG .................................................................................. vii DANH MỤC HÌNH VẼ ..................................................................................... viii MỞ ĐẦU ............................................................................................................... 1 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN TÀI LIỆU .............................................................. 4 1.1. Ô NHIỄM AMONI TRONG MÔI TRƯỜNG NƯỚC ..................................... 4 1.1.1. Nguồn gốc, tính chất hoá học và vật lý của amoni ............................. 4 1.1.2. Hiện trạng ô nhiễm amoni môi trường nước ...................................... 7 1.1.3. Tác hại của amoni trong môi trường nước ......................................... 8 1.2. Các phương pháp xử lý nước nhiễm amoni ..................................................... 9 1.2.1. Xử lý sinh học ................................................................................... 9 1.2.2. Keo tụ hoá học ................................................................................ 12 1.2.3. Màng lọc ......................................................................................... 15 1.2.4. Phương pháp tách khí ...................................................................... 17 1.3. TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP HẤP PHỤ ........................................... 20 1.3.1. Tổng quan về phương pháp hấp phụ ................................................ 20 1.3.2. Xu hướng sử dụng vật liệu hấp phụ giá rẻ ....................................... 22 1.4. TỔNG QUAN VỀ XỈ LÒ CAO ..................................................................... 28 1.4.1. Sự hình thành và đặc tính của xỉ lò cao............................................ 28 1.4.2. Các ứng dụng của xỉ lò cao .............................................................. 30
6. iv 1.4.3. Tiềm năng sử dụng xỉ lò cao làm vật liệu hấp phụ tái chế chi phí thấp ............................................................................................................... 32 CHƯƠNG 2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ QUY HOẠCH THỰC NGHIỆM ................................................................................................ 34 2.1. ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU ....................................................................... 34 2.2. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU .......................................................................... 34 2.3. HOÁ CHẤT, VẬT LIỆU, DỤNG CỤ VÀ THIẾT BỊ SỬ DỤNG ................. 34 2.3.1. Hóa chất, vật liệu ............................................................................. 34 2.3.2. Thiết bị, dụng cụ.............................................................................. 34 2.4. PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH ..................................................................... 35 2.5. PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM ............................................................... 37 2.5.1. Phương pháp biến tính vật liệu ........................................................ 37 2.5.2. Quá trình hấp phụ Amoni sử dụng xỉ lò cao biến tính. ..................... 40 2.5.3. Phương pháp tính toán ..................................................................... 43 2.5.4. Phương pháp xác định tính chất vật lý của vật liệu .......................... 46 2.5.5. Phương pháp xử lý số liệu ............................................................... 46 CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN...................................................... 48 3.1. KHẢ NĂNG HẤP PHỤ AMONI CỦA CÁC VẬT LIỆU XỈ LÒ CAO......... 48 3.2. ẢNH HƯỞNG CỦA THỜI GIAN TIẾP XÚC TỚI HIỆU SUẤT HẤP PHỤ AMONI CỦA VẬT LIỆU XỈ LÒ CAO VL4............................................... 49 3.3. ẢNH HƯỞNG CỦA ĐIỀU KIỆN PH TỚI KHẢ NĂNG HẤP PHỤ CỦA AMONI TỚI VẬT LIỆU XỈ LÒ CAO VL4 ......................................................... 50 3.4. ẢNH HƯỞNG CỦA KHỐI LƯỢNG VẬT LIỆU TỚI KHẢ NĂNG HẤP PHỤ AMONI CỦA VẬT LIỆU XỈ LÒ CAO VL4............................................... 51 3.5. ẢNH HƯỞNG CỦA NỒNG ĐỘ BAN ĐẦU ĐẾN KHẢ NĂNG HẤP PHỤ AMONI CỦA VẬT LIỆU XỈ LÒ CAO VL4............................................... 52
7. v 3.6. KẾT QUẢ ĐÁNH GIÁ CẤU TRÚC BỀ MẶT CỦA VẬT LIỆU XỈ LÒ CAO ..................................................................................................................... 57 KẾT LUẬN ......................................................................................................... 59 TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................................. 61
8. vi DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT BET: Brunaumer-Emmet-Teller surface area analysis CANON: Completely Autotrophic Nitrogen Removal Over Nitrite COD: Chemical oxygen demand MF: Microfiltration NF: Nanofiltration KL: Hằng số Langmuir KF: Hằng số Freundlich OLAND: Oxygen-limited autotrophic nitrification and denitrification PVDF: Polyvinylidene difluoride PP: Polypropylene SEM: Scanning electron microscope SHARON: Single reactor system for High activity Ammonium Removal Over Nitrite RO: Reverse osmosis UF: Ultrafiltration VL1-4: Vật liệu xỉ lò cao và vật liệu xỉ lò cao biến tính (1-4) WHO: World Health Organization
9. vii DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1. Tính chất vật lý của ammoniac [1] ................................................. 4 Bảng 1. 2. Hiệu suất xử lý và hiệu suất hấp phụ amoni của 11 vật liệu hấp phụ [33]............................................................................................................... 26 Bảng 2.1. Các nồng độ và bước sóng đường chuẩn đo amoni. ...................... 36 Bảng 2.2. Mối tương gian của RL và các dạng mô hình ............................... 45 Bảng 3.1. Giá trị tham số RL của quá trình hấp phụ amoni bằng xỉ lò cao VL4. ..................................................................................................................... 55 Bảng 3.2. Diện tích bề mặt riêng và đặc trưng lỗ xốp của vật liệu trước và sau biến tính. ...................................................................................................... 58 Bảng PL.1. Kết quả thí nghiệm so sánh hiệu suất hấp phụ giữa các vật liệu xỉ lò cao biến tính. ............................................................................................ 65 Bảng PL.2. Kết quả thí nghiệm khảo sát ảnh hưởng của thời gian tiếp xúc đến hiệu quả hấp phụ amoni của vật liệu VL4. .................................................... 65 Bảng PL.3. Kết quả thí nghiệm khảo sát ảnh hưởng của điều kiện pH đến hiệu quả hấp phụ amoni của vật liệu VL4 ............................................................ 66 Bảng PL.4. Kết quả thí nghiệm khảo sát ảnh hưởng của khối lượng vật liệu đến hiệu quả hấp phụ amoni của vật liệu VL4. ............................................. 67 Bảng PL.5. Kết quả thí nghiệm khảo sát ảnh hưởng của nồng độ amoni ban đầu đến hiệu quả hấp phụ amoni của vật liệu VL4........................................ 68 Bảng PL.6. Các số liệu thực nghiệm và tính toán cho mô hình Langmuir. .... 69 Bảng PL.7. Các số liệu thực nghiệm và tính toán cho mô hình Freundlich. .. 70
10. viii DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1. Biểu đồ thể hiện sự dịch chuyển ion của ammoniac/amoni dưới tác động của pH [2] . ............................................................................................ 6 Hình 1.2. Chu trình nitơ trong tự nhiên [5] ..................................................... 7 Hình 1.3. Cấu tạo hệ phản ứng nito hoá từng phần (trái) và ô xi hoá kị khí amoni (phải). [19] ......................................................................................... 11 Hình 1.4. Quy trình hệ xử lý COD và tổng nito hiếu khí với màng lọc sinh học thẩm thấu [21] . ............................................................................................ 12 Hình 1.5. Quy trình thu hồi amoni từ nước thải chăn nuôi bằng phương pháp kết tủa struvite ([23] . ................................................................................... 13 Hình 1.6. Ảnh hưởng của liều lượng MgO tới nồng độ các ion amoni, photphat và sunfua dưới điều kiện pH khác nhau trong nước thải [22] . ....... 14 Hình 1.7. Ảnh hưởng của CaO lên nồng độ amoni, phosphate, và sunfua dưới điều kiện pH khác nhau trong nước thải [22] . .............................................. 15 Hình 1.8. So sánh hiệu năng của các loại màng lọc khác nhau [4] . .............. 16 Hình 1. 9. Sơ đồ hệ thống cột stripping/hấp thụ cho thí nghiệm stripping tách amoni [2] ...................................................................................................... 18 Hình 1.10. Mô hình vận hành của cột stripping pilot (a), ảnh chụp cột stripping và hấp thụ ammoniac (b), vật liệu nhồi cột (c). .............................. 19 Hình 1. 11. Thiết bị tiếp xúc li tâm dùng cho stripping amoni [29] ............... 20 Hình 1.12. Cơ chế của phương pháp hấp phụ trên than hoạt tính [4]. ........... 21 Hình 1. 13. Phân loại và quy trình phát triển nghiên cứu vật liệu hấp phụ giá rẻ [31]........................................................................................................... 23 Hình 1. 14. Hiệu suất xử lý amoni của vật liệu composite, zeolite và than hoạt tính [32]........................................................................................................ 25 Hình 1.15. Sự khác biệt trong cấu trích hạt than hoạt tính qua hai phương pháp biến tính bằng hơi nước (C6S9) và bằng KOH (C6K9) [34]. ............... 27 Hình 1. 16. Ảnh hưởng của nồng độ amoni ban đầu đến hiệu suất hấp phụ của than sinh học mùn cưa biến tính với HNO3 và Na2CO3 ................................ 28 Hình 2.1. Biểu đồ thể hiện đường chuẩn amoni đo tại bước sóng 659 nm .... 36 Hình 2.2. Quy trình chế tạo và biến tính vật liệu hấp phụ từ xỉ lò cao........... 38 Hình 2.3. Mẫu xỉ lò cao lấy tại Công ty Formosa ......................................... 39