Đồ án tốt nghiệp Viện Khoa Học & Công Nghệ Môi Trường
Trường
Khoa……………….
………… o0o…………

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
ĐỀ TÀI:
XỬ LÝ NƯỚC NHIỄM AMONI
Sinh viên:Đào Chánh Thuận Lớp CNMT-K47-QN
1
Đồ án tốt nghiệp Viện Khoa Học & Công Nghệ Môi Trường
MỤC LỤC
Trường 1
Khoa………………. 1
Sinh viên:Đào Chánh Thuận Lớp CNMT-K47-QN
2
Đồ án tốt nghiệp Viện Khoa Học & Công Nghệ Môi Trường
LỜI MỞ ĐẦU
Khoảng 71% với 361 triệu km
2
bề mặt trái đất được bao phủ bởi nước. Nước là
dạng vật chất rất cần cho tất cả các sinh vật sống trên Trái Đất. Nước có nhiệt hoá hơi,
đóng băng và ngưng kết tương đối gần nhau, vì vậy nước tồn tại trên Trái Đất ở cả ba
dạng: rắn, lỏng và hơi.
Người ta đã phát hiện thấy khoảng 80% loại bệnh tật của con người có liên quan
đến chất lượng của nguồn nước dùng cho sinh hoạt. Vì vậy chất lượng nước có vai trò
hết sức quan trọng trong sự nghiệp bảo vệ và chăm sóc sức khoẻ cộng đồng.
Các nguồn nước được sử dụng chủ yếu là nước mặt và nước ngầm đã qua xử lý
hoặc sử dụng trực tiếp. Phần lớn chúng đều bị ô nhiễm bởi các tạp chất với thành phần
và mức độ khác nhau tuỳ thuộc vào điều kiện địa lý, đặc thù sản xuất, sinh hoạt của
từng vùng và phụ thuộc vào địa hình mà nó chảy qua hay vị trí tích tụ. Ngày nay, với

khai thác, xử lý, lưu trữ NH
4
+
chuyển hoá thành nitrit (NO
2
-
) và nitrat (NO
3
-
). Nitrit là
chất độc rất có hại cho sức khoẻ con người do nó chuyển hoá thành Nitrosamin, là một
chất có khả năng gây ung thư.
Nitơ tồn tại trong hệ thuỷ sinh ở nhiều dạng hợp chất vô cơ và hữu cơ. Các dạng
vô cơ cơ bản với tỷ lệ khác nhau tuỳ thuộc vào môi trường nước. Nitrat là muối Nitơ
vô cơ trong môi trường được sục khí đầy đủ và liên tục. Nitrit (NO
2
-
) tồn tại trong điều
kiện đặc biệt, còn amoniac (NH
3
) tồn tại ở dạng cơ bản trong điều kiện kỵ khí. Amoni
hòa tan trong nước tạo thành dạng hyđrôxit amoni (NH
4
OH) và sẽ phân ly thành ion
amoni (NH
4
+
) và ion hydroxit (OH
-
). Quá trình oxi hoá có thể chuyển tất cả các dạng

Quá trình oxi hoá các dạng Nitơ vô cơ thành NO
3
-
được gọi là quá trình nitrat hoá
(nitrification). Quá trình khử nitrat (denitrication) là quá trình chuyển khí NO
3
-
thành
khí Nitơ (N
2
) hoặc ôxit Nitơ (N
2
O). Quá trình cố định Nitơ (nitrogenfixation) là quá
trình Nitơ trong không khí được cố định vào hệ sinh học thông qua dạng amoni. Quá
trình này đòi hỏi một năng lượng đáng kể để chuyển hoá Nitơ không khí thành dạnh
Amon. Các prôtêin trong mùn động vật và thực vật sau đó có thể bị phân ly thành các
amoni axit rồi tiếp đến phân huỷ thành amoni và các dạng nitơ vô cơ trong nước đi vào
hệ sinh vật rồi cuối cùng chuyển hoá về dạng Nitơ vô cơ.
Các ion NO
3
-
trong nước thải chảy ra sông và biển ở hàm lượng lớn, chúng sẽ
kích thích sự phát triển của động vật thuỷ sinh. Sau khi chết xát của chúng sẽ gây ô
nhiễm nguồn nước. Nitơ và Photpho là hai yếu tố gây ảnh hưởng đến môi trường nước
ngọt. Nếu nồng độ NO
3
-
tăng lên nhưng Photpho không tăng, hoặc nồng độ Photpho
tăng lên nhưng nồng độ Nitơ không tăng thì sẽ không làm cho thực vật phát triển.
Qua hình 1.2 chúng ta có thể thấy nghiên nhân chính dẫn đến ô nhiễm amoni

lượng chất hữu cơ gây ô nhiễm sinh học cao.
Trình trạng khoan khai thác nước một cánh tuỳ tiện của tư nhân hiện nay rất phổ
biến. Giếng được khoan có độ sâu từ 25 m đến 30 m là nguồn gốc tạo ra các cửa sổ
thuỷ văn đưa chất nhiễm bẩn xuống nước ngầm. Ngoài ra việc khai thác nước ngầm
với khối lượng lớn mà lượng nước mới không kịp bổ xung và đã tạo ra các phểu hạ
thấp mực nước, đều này cũng gốp phần làm cho chất bẩn xâm nhập nhanh hơn. Để bù
đắp lượng nước ngầm bị khai thác, quá trình xâm thực tự nhiên được đẩy mạnh, nước
ngầm được bổ xung bằng việc thấm từ nguồn nước mặt xuống. Đây chính là nghiên
nhân của sự gia tăng nồng độ các chất ô nhiễm trong nước ngầm bởi các chất có nguồn
gốc nhân tạo. Do việc phóng thải một lượng lớn các chất thải, nước thải có chứa nhiều
hợp chất Nitơ hoà tan trong nước đã dẫn đến sự gia tăng nồng độ các chất Nitơ trong
nước bề mặt, ví dụ sản phẩm của quá trình Urê hoá, amoni và muối amon từ phân bón,
từ quá trình thối rửa và từ dây chuyền sinh học cũng như từ nước thải sinh hoạt và
nước thải công nghiệp…Các chất này theo nước mặt thấm xuyên từ trên xuống hoặc
thấm qua sườn các con sông, xâm nhập vào nước ngầm dẫn tới trình trạng tăng nồng
độ amoni trong nước ngầm.
Sinh viên:Đào Chánh Thuận Lớp CNMT-K47-QN
6
Đồ án tốt nghiệp Viện Khoa Học & Công Nghệ Môi Trường
iii. Do chiều dày đới thông khí
Khi chiều dày đới thông khí (hay chiều dày đường thấm) càng nhỏ khả năng
xâm nhập các chất bẩn vào tầng chứa nước càng nhiều. Nhưng riêng đối với hợp chất
nitrat và nitrit thì chiều dày đới thông khí lớn, quá trình nitrat hoá diễn ra thuận lợi, còn
chiều dày đới thông khí nhỏ quá trình nitrat hoá yếu hơn.
Đối với thực tế trong điều kiện đới thông khí càng dày khi đó hàm lượng oxy
xâm nhập từ khí quyển và các nguồn khác trên mặt đất vào đới thông khí sẽ lớn, thúc
đẩy các điều kiện thuận lợi cho sự phát triển của vi khuẩn hiếu khí. Khi đó quá trình
nitrat hoá xảy ra và làm tăng hàm lượng NO
2
-

7
Đồ án tốt nghiệp Viện Khoa Học & Công Nghệ Môi Trường
chứa nhiều hợp chất hữu cơ, độ oxi hoá có nguồn đạt 30-40 mg O
2
/l. Có thể cho rằng
phần lớn các nguồn nước ngầm đang sử dụng không đạt tiêu chuẩn về amoni và các
hợp chất hữu cơ [6].
Theo kết quả khảo sát của các nhà khoa học Viện Địa lý thuộc Viện Khoa Học và
Công Nghệ Việt Nam thì hầu như các mẫu nước từ các huyện của tỉnh Hà Nam đều có
tỷ lệ nhiễm amoni ở mức đáng báo động[9].Chẳng hạn như tại Lý Nhân có mẫu nước
với hàm lượng lên tới 111,8 mg/l gấp 74 lần so với tiêu chuẩn Bộ Y Tế (TC BYT), còn
ở Duy Tiên là 93,8 mg/l gấp 63 lần…Trong khi đó, các kết quả khảo sát của trường Đại
Học Mỏ-Địa Chất Hà Nội cũng cho biết chất lượng nước ngầm ở tầng mạch nông và
mạch sâu tại các địa phương này cũng có hàm lượng Nitơ trung bình > 20 mg/l vượt
mức tiêu chuẩn Việt Nam cho phép rất nhiều lần [10]. (Tiêu chuẩn nước vệ sinh ăn
uống 1329/BYT-2002 đối với nồng độ NH
4
+
tối đa cho phép là 1,5 mg/l)
Bảng 1.1 Chất lượng nước tại một số huyện thuộc tỉnh Hà Nam [9]
STT Tên các huyện
Số lượng
mẫu lấy
[N-NH
4
+
] theo giá
trị điển hình
(mg/l)
Tiêu chuẩn Bộ Y Tế

3
-
(mg/l)
Fe
(mg/l)
Cl
-
(mg/l)
Độ cứng
(
0
dH)
Mn
(mg/l)
Độ oxi
(mg/l)
-Ngô Sĩ Liên
Cao
Thấp
Trung bình
8,0
6,2
6,7
13,3
0
1,5
10,6
0
0,7
16,7

4
2
1
9
5
7
0,5
0
0,2
1,8
0
0,4
-Tương Mai
Cao
Thấp
Trung bình
8
6,3
6,8
30
2,6
10,4
5
0
0,3
27,4
4,4
10,3
105
6

4
8
0,4
0
0,1
8,2
1,3
3,0
-Pháp Vân
Cao
Thấp
Trung bình
7,8
6,5
7
60
6,6
19,7
3
0
0,2
12
3,8
8,1
31
9
22
11
5
8

0,7
3
0
0,3
-Ngọc Hà
Cao
Thấp
Trung bình
7,1
6,1
6,7
30
0
0,7
7,5
0
0,9
4,7
0,1
1,6
57
14
37
14
4
9
2,4
0
1,1
2,6

-Sóc Sơn
Trung bình 6,5 1,3 1,7 2,7 47 6 - 0,7
-Đông Anh
Sinh viên:Đào Chánh Thuận Lớp CNMT-K47-QN
9
Đồ án tốt nghiệp Viện Khoa Học & Công Nghệ Môi Trường
Trung bình 6,3 2,0 1,6 7,9 - - - 1,2
-Gia Lâm
Trung bình 6,7 2,1 1,2 8,1 - - - 1,0
Từ bảng 1.2 chúng ta có thể nhận thấy được hầu như nguồn nước ngầm Hà Nội
đều bị ô nhiễm amoni. Riêng các nhà máy phía nam thì bị ô nhiễm amoni nặng chẳng
hạn như: Tương Mai, Hạ Đình riêng Pháp Vân thì rất nặng. Mặc dù vậy nhưng sau khi
qua hệ thống xử lý nước ở các nhà máy để cấp cho người dân thì hàm lượng amoni
trong nước vẫn còn ở mức cao, vượt tiêu chuẩn cho phép nhiều lần.
Bảng 1.3 Hàm lượng NH
4
+
tại đầu ra của một số nhà máy nước ở Hà Nội[4]
STT Tên nhà máy nước
[NH
4
+
](mg/l) theo
giá trị trung bình
Tiêu chuẩn Bộ Y Tế
1329/2002 (mg/l)
1 Mai Dịch 0,85
1,5
2 Yên Phụ 1,45
3 Ngọc Hà 1,80

thực phẩm làm thành một họ chất nitrosami. Nitrosamin có thể gây tổn thương duy
truyền tế bào, nghiên nhân gây ung thư. Những thí nghiệm cho nitrit vào trong thức ăn,
thức uống của chuột, thỏ…với hàm lượng vượt ngưỡng cho phép thì thấy sau một thời
gian những khối u sinh ra trong gan, phổi, vòm họng của chúng [6].
Sinh viên:Đào Chánh Thuận Lớp CNMT-K47-QN
10
Đồ án tốt nghiệp Viện Khoa Học & Công Nghệ Môi Trường
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 nghiên 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 hóa nhanh thành nitrit nhờ vi khuẩn đường ruột. Ion nitrit còn
nguy hiểm hơn nitrat đối với sức khỏe con người. Khi tác dụng với các amin hay alkyl
cacbonat trong cơ thể người chúng có thể tạo thành các hợp chất chứa nitơ gây ung thư.
Một số nghiên cứu ở Nepan đã khẳng định, khi hàm lượng NO
3
-
trên 45 mg/l
nếu người dân dùng thường xuyên nguồn nước này sẽ mắc các bệnh ung thư về dạ dày,
thực quản và bệnh tiểu đường [9].
Ngoài ra, thức ăn có hàm lượng nitrit và nitrat cao cũng rất đáng lo ngại. Mối
quan hệ giữa nước giếng nhiễm nitrat và hội chứng BBS (Bady Blue Syndrome) lần
đầu tiên được Hunter Comly, bác sỹ ở Iowa tìm thấy hồi thập niên 40 khi ông điều trị
cho hai đứa trẻ mắc chứng da xanh [4].
Bên cạnh đó hàm lượng NH
4
+
trong nước uống cao có thể gây một số hậu quả như sau:
● Nó có thể kết hợp với Clo tạo ra Cloramin là một chất làm cho hiệu quả khử
trùng giảm đi rất nhiều so với Clo gốc.

-
4,4 0,1 3 3
Tóm lại tác hại của các hợp chất Nitơ trong nước được trình bày dưới dạng bảng sau:
Sinh viên:Đào Chánh Thuận Lớp CNMT-K47-QN
11
NO
3
-
trong
nước cấp
NO
2
-
trong
nước cấp
Nguồn gốc gây ra bệnh methmoglobin- huyết cho
trẻ sơ sinh (nhất là trẻ dưới sáu tháng tuổi)
Được xem là nguồn gốc gây bệnh ung thư
NH
4
+
trong
nước cấp
- NH
4
+
kết hợp với Clo tạo ra các hợp chất cơ Clo
trong quá trình khử trùng, một chất có tiềm năng
gây ung thư.
- NH

B
của chúng là 9,15 tức là tại PH = 7 hoặc
PH = 11 thì amoni hoặc amoniac có khả năng bốc hơi [13].
Trong nước ngầm, các hợp chất nitơ có thể tồn tại dưới dạng các hợp chất hữu
cơ là: nitrit, nitrat, và amoni. Có rất nhiều phương pháp xử lí amoni trong nước ngầm
đã được các nước trên thế giới thử nghiệm và đưa vào áp dụng: Làm thoáng để khử
NH
3
ở môi trường pH cao (pH = 10 - 11); Clo hóa với nồng độ cao hơn điểm đột biến
(break-point) trên đường cong hấp thụ Clo trong nước, tạo Cloramin; Trao đổi ion
NH
4
+
và NO
3
-
bằng các vật liệu trao đổi Cation/Anion; Nitrat hóa bằng phương pháp
sinh học; Nitrat hóa kết hợp với khử nitrat; Công nghệ Annamox, Sharon/Annamox
(nitrit hóa một phần amoni, sau đó amoni còn lại là chất trao điện tử, nitrit tạo thành là
chất nhận điện tử, được chuyển hóa thành khí nitơ nhờ các vi khuẩn kỵ khí; Phương
pháp điện hóa, điện thẩm tách, điện thẩm tách đảo chiều; v.v
1.3.1 Phương pháp Clo hoá đến điểm đột biến
Clo gần như là hoá chất duy nhất có khả năng oxi hoá amoni/amoniac ở nhiệt độ
phòng thành N
2
. Khi hoà tan Clo trong nước tuỳ theo PH của nước mà Clo có thể nằm
dạng HClO hay ion ClO
-
do có phản ứng theo phương trình:
Cl

HClO + NHCl
2
= H
2
O + NCl
3
(Tricloramin) (1.5)
Nếu có Clo dư sẽ xảy ra phản ứng phân huỷ các Cloramin
HClO +2 NH
2
Cl = N
2
+ 3Cl
-
+ H
2
O (1.6)
Lúc này lượng Clo dư trong nước sẻ giảm tới số lượng nhỏ nhất vì xảy ra phản
ứng phân huỷ Cloramin, điểm tương đương ứng với giá trị này gọi là điểm đột biến.
Hình1.3 Đường cong Clo hoá tới điểm đột biến đối với nước có amoni [12]
Theo lý thuyết để xử lý NH
4
+
phải dùng tỷ lệ Cl:N = 7,6:1 song trên thực tế phải
dùng 8:1 hoặc hơn để oxi hoá NH
3
. Do xảy ra các phản ứng đã nêu, quá trình Clo hoá
thực tế xảy ra theo một đường cong có dạng đặc biệt, có “điểm đột biến” như ở
hình1.3. Những nghiên cứu trước đây cho thấy, tốc độ phản ứng của Clo với các hợp
chất hữu cơ bằng một nửa so với phản ứng với amoni[12]. Khi amoni phản ứng gần

13
Phản ứng
với Fe
2+
,
S
2
-
NH
3
Amin
Amin
N
2
0
A
B
C
D
Lượng Clo cho
vào dư
Lượng Clo dư
mg/l
Đồ án tốt nghiệp Viện Khoa Học & Công Nghệ Môi Trường
phía tạo thành NH
3
. Khi đó nếu áp dụng các kỹ thuật sục khí hoặc thổi khí thì NH
3
sẽ
bay hơi theo định luật Henry, làm chuyển cân bằng về phía phải:

4
+
bằng O
3
với sự có mặt của Br
-
cũng diễn ra theo cơ chế giống như phương
pháp xử lý dùng Clo. Dưới tác dụng của O
3
, Br
-
bị oxi hoá thành BrO
-
theo phản ứng
sau đây:
Br
-
+ O
3
+ H
+
= HBrO + O
2
(1.9)
Phản ứng oxy hoá NH
4
+
được thực hiện bởi ion BrO
-
giống như của ion ClO

.
1.3.4 Phương pháp sinh học
Đây là phương pháp xử lý amoni được nhiều nhà khoa học trong và ngoài nước
quan tâm nghiên cứu và cũng cho được nhiều kết quả khả quan. Mặc dù xử lý sinh học
cũng được thực hiện bằng nhiều quá trình vật lý, hoá học và hoá lý nhưng phương pháp
sinh học lại mang một ý nghĩa hoàn toàn khác và ngày càng trở nên quan trọng.
Phương pháp vi sinh xuất phát từ những tính năng của nó như xử lý dể dàng các sản
phẩm trong nước, không gây ô nhiễm thứ cấp đồng thời cho ra sản phẩm nước với một
chất lượng hoàn toàn bảo đảm sạch về mặt hoá chất độc hại và ổn định về hoạt tính
sinh học, chất lượng cao (cả về mùi, vị và tính ăn mòn).
Ở phương pháp sinh học có thể thực hiện bao gồm hai quá trình nối tiếp nhau là
nitrat hoá và khử nitrat hoá như sau:
a) Quá trình nitrat hoá:
Quá trình chuyển hoá về mặt hoá học được viết như sau:
NH
4
+
+ 1,5O
2
→ NO
2
-
+ 2H
+
+ H
2
O (1.13)
Sinh viên:Đào Chánh Thuận Lớp CNMT-K47-QN
14
Đồ án tốt nghiệp Viện Khoa Học & Công Nghệ Môi Trường

+
tiêu thụ 4,57 g O
2
, 1mol
NH
4
+
tạo thành 1mol NO
3
-
, 1 mol NH
4
+
tạo thành 2 mol H
+
. Lượng H
+
tạo ra phản ứng
với độ kiềm HCO
3
-
, như vậy 1gN-NH
4
+
tiêu thụ 7,14g độ kiềm (qui về CaCO
3
). Các
phương trình (1.19 và 1.20) không tính đến quá trình sinh tổng hợp sinh khối (vi
khuẩn) [2].Ta có:
1,02NH

4
+
tiêu thụ 7,2 g độ kiềm (qui về
CaCO
3
).
Để thiết kế người ta hay dùng các con số suy ra từ phương trình (1.20) là 4,3
gO
2
và 7,14g độ kiềm trên 1gN-NH
4
+
để tính toán.
b) Quá trình khử nitrat hoá:
Khác với quá trình nitrat hoá quá trình khử nitrat hoá sử dụng oxi từ nitrat nên
gọi là anoxic (thiếu khí). Các vi khuẩn ở đây là dị dưỡng nghĩa là cần nguồn Cacbon
hữu cơ để tạo nên sinh khối mới.
Quá trình khử nitrat hoá là tổng hợp của bốn phản ứng nối tiếp nhau:
NO
3
-
NO
2
-
NO N
2
O N
2
Quá trình này đòi hỏi nguồn cơ chất (chất cho điện tử) chúng có thể là chất hữu
cơ (phổ biến là axit axetic), H

+
CD + Y
+
(1.25)
Sinh viên:Đào Chánh Thuận Lớp CNMT-K47-QN
15
Đồ án tốt nghiệp Viện Khoa Học & Công Nghệ Môi Trường
Trong đó AX là chất trao đổi anion, CY là chất trao đổi cation.
Phản ứng trao đổi là phản ứng thuận nghịch, chiều thuận được gọi là chiều trao đổi,
chiều nghịch được gọi là chiều phản ứng tái sinh. Mức độ trao đổi ion phụ thuộc vào:
● Kích thước hoá trị của ion.
● Nồng độ ion có trong dung dịch.
● Bản chất của chất trao đổi ion.
● Nhiệt độ.
Nhựa trao đổi ion dạng rắn được dùng để thu những ion nhất định trong dung
dịch và giải phóng vào dung dịch một lượng tương đương các ion khác có cùng dấu
điện tích. Nhựa trao đổi cation (Cationit) là những hợp chất cao phân tử hữu cơ có
chứa các nhóm chức có khả năng trao đổi với công thức chung là RX. Trong đó R là
gốc hữu cơ phức tạp, có thể là: COOH
-
, Cl
-
,…Phản ứng trao đổi cation giữa chất trao
đổi và cation có trong dung dịch.
R-H(Na) + NH
4
+
R-NH
4
+ H

K
4
)Al
20
O
40
.20H
2
O, độ lớn mao quản nằm trong khoảng 3-8A
0
, độ xốp
khoảng 34%. Độ chọn lọc của Clinoptilolit đối với ion amoni tuân theo thứ tự[13]:
Cs
+
>Rb
+
>K
+
>NH
4
+
>Ba
2+
>Na
+
>Ca
2+
>Fe
2+
>Al

-Hoàn thiện công nghệ xử lý nước để áp dụng cho một số nguồn nước bị nhiễm
arsenic; nguồn nước bị nhiễm amoni với hàm lượng lớn. Chủ nghiệm đề tài: KS. Đinh
Viết Đường, Công ty nước và môi trường Việt Nam.
-Nghiên cứu xử lý N-Amoni trong nước ngầm Hà Nội. Nguyễn Văn Khôi, Cao
Thế Hà(2002) -Đề tài cấp thành phố 01C-09/11-2002.
-Báo cáo kết quả nghiên cứu xử lý amoni tại Pilot Pháp Vân. Cao Thế Hà, Lê
Văn Chiểu, Nguyễn Văn Khôi, Bùi Văn Mật, Ngô Ngọc Anh (2004).
-Nghiên cứu công nghệ xử lý nước thải giàu hợp chất Nito(N), Photpho (P) thích
hợp với điều kiện Việt Nam. Lê Văn Cát, Báo cáo đề tài nghiên cứu khoa học công
nghệ thuộc chương trình nhà nước về bảo vệ môi trường, Hà Nội 2001-2002.
-Nghiên cứu xử lý các chất dinh dưỡng (các hợp chất N và P), trong các hệ xử lý
nước thải sinh hoạt. Lê Văn Chiều, Luận án tiến sĩ trường Đại học Khoa học Tự nhiên,
2003.
-Nuyên cứu xử lý amoni trong nước ngầm Hà Nội. Đề tài cấp thành phố 01C –
09/11-2002-2, Chủ trì Nguyễn Văn Khôi –Sở giao thông công chính Hà Nội.
-Báo cáo bước đầu xử lý amoni cho nhà máy nước Nam Dương công suất
30000m
3
/ngày.đêm , (2002) – công ty tư vấn thoát nước và môi trường Việt Nam.
(VIWASE Vietnam Water Supply and Environment).
-Các đề tài xử lý Nitơ quy mô nhỏ của viện khoa học và công nghệ Việt Nam
bằng phương pháp vi sinh, chủ trì đề tài Nguyễn Văn Nhị.
-Đề tài xử lý Nitơ quy mô nhỏ bằng phương pháp trao đổi ion với vật liệu Zeolit,
chủ trì Nguyễn Hưu Phú- Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam.
-Xử lý nitrat, báo cáo của Lâm Minh Triết và cộng tác viên, Đại học quốc gia
thành phố Hồ Chí Minh.
-Nghiên cứu xử lý amoni trong nước ngầm bằng điện thẩm tách (EDR), chủ trì
đề tài Nguyễn Thị Hà, đề tài cấp Đại học quốc gia Hà Nội, mã số QT.05.36,2005.
-Xây dựng công nghệ khả thi xử lý amoni và asen trong nước sinh hoạt, Viện
Công nghệ Môi trường….

, Mg
2+
(độ cứng) cao
hơn so với ion amoni.
Với mục đích là để xử lý amoni ra khỏi nước ngầm bằng phương pháp trao đổi
ion trên nhựa cationit C100 khi biết nồng độ amoni và hàm lượng độ cứng của một
nguồn nước ngầm bất kỳ, nội dung của đồ án bao gồm:
─ Xác định thời gian đạt cân bằng của nhựa C100 (Mỹ) và ion amoni.
─ Xây dựng đường đẳng nhiệt cân bằng trao đổi ion của nhựa C100 (Mỹ) với
ion amoni.
 Xác định ảnh hưởng của tốc độ dòng chảy đến hiệu quả xử lý amoni.
Sinh viên:Đào Chánh Thuận Lớp CNMT-K47-QN
18
Đồ án tốt nghiệp Viện Khoa Học & Công Nghệ Môi Trường
─ Xác định ảnh hưởng của độ cứng đến hiệu quả xử lý amoni.
─ Xác định ảnh hưởng của nồng độ amoni đầu vào đến hiệu quả xử lý.
Chương 2
CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA PHƯƠNG PHÁP
TRAO ĐỔI ION
Khái niệm quá trình trao đổi ion
Sinh viên:Đào Chánh Thuận Lớp CNMT-K47-QN
19
Đồ án tốt nghiệp Viện Khoa Học & Công Nghệ Môi Trường
Trao đổi ion là một phương pháp mà trong một số điều kiện, một chất không tan
(nhựa) hút một ion dương hay âm của một dung dịch và nhả ra một ion khác cùng dấu.
Hiện tượng này dựa trên phản ứng hoá học tổng quát sau[15]:
n(R
-
A
+

3
-
, COO
-
đối với cationit) hoặc (-NH
3
+
,-NH
2
+
,-S
-
đối với anionit),
các nhóm chức này tích điện âm đối với cation và tích điện dương đối với anionit. Một
chất trao đổi ion được gọi là mạnh khi độ phân ly của nhóm ion và nhóm chức hoàn
toàn không bị chi phối bởi độ pH của môi trường. Ngược lại, khi độ phân ly phụ thuộc
vào độ pH (độ phân ly của axit yếu tốt khi pH cao, độ phân ly của bazơ yếu khi pH
thấp) thì gọi là loại yếu.
Sự trao đổi ion tuân theo qui luật tỉ lượng, tức là qui luật trao đổi 1-1 theo hoá trị.
Trường hợp trao đổi không theo quy luật trên mà do các quá trình hấp phụ tạo phức
góp phần thì gọi là chất trao đổi tạo phức.
Ion có khả năng trao đổi nằm trong mạng chất rắn thường là Na
+
hoặc H
+
đối với
cationit và OH
-
hoặc Cl
-

Lưỡng tính
Vô cơ, hữu cơ
Vô cơ, hữu cơ
Vô cơ, hữu cơ
Âm
Dương
Âm, dương
Dương
Âm
Âm, dương
Có thể phân loại vật liệu trao đổi ion như sau:
a) Loại cationit
 Vô cơ
+ Tự nhiên (zeolit, khoáng sét)
+ Tổng hợp (zeolit tổng hợp, permutit, silicat tổng hợp)
 Hữu cơ
+ Tự nhiên (than bùn, lignin)
+ Than sulfon hoá
+ Tổng hợp (nhựa trao đổi ion trên cơ sở phản ứng trùng ngưng, polime hoá)
b) Loại anionit
 Vô cơ
+ Tự nhiên (dolomit, apatit, hydroxy apatit)
+ Tổng hợp (silicat của kim loại nặng)
 Hữu cơ
+ Tổng hợp (nhựa trao đổi ion
2.2.1 Khoáng vật trao đổi ion
Các khoáng vật có tính năng trao đổi ion phần lớn thuộc họ alumosilicat có cấu
trúc tinh thể hoặc lớp như: zeolit, vermiculit, bentonit, beidellit, glauconit. Những chất
này có khả năng trao đổi do mạng SiO
4

giống zeolit ngoại trừ tính không ổn định về cấu trúc nên hiện nay sản phẩm đó không
được sử dụng. Zeolit tổng hợp được điều chế theo phương pháp: tinh chế từ zeolit tự
nhiên, tái kết tinh zeolit tự nhiên và tổng hợp trực tiếp. Phương pháp tổng hợp trực tiếp
trừ natrisilicat và aluminat là phương pháp có hiệu quả nhất.
2.2.3 Vật liệu trao đổi ion trên than
Rất nhiều loại than có tính năng trao đổi ion. Các nhóm chức trên bề mặt than
như: COOH
-
, OH
-
là các axit yếu có khả năng trao đổi H
+
trong điều kiện thích hợp.
Tuy vậy các loại vật liệu này đã bị kiềm phá huỷ và có xu hướng peptit hoá. Vì vậy
trước khi sử dụng chúng cần được ổn định thông qua các biện pháp xử lý.
Than non, than lignin có thể xử lý với dung dịch muối đồng, muối Crom hay
muối nhôm. Một số loại than đá, than có độ cứng nhất định xử lý với xút hay với axit
clohydric, sản phẩm tạo thành có độ bền hoá học tốt hơn.
Nhiều loại than như than nâu, than đá có thể chế tạo thành loại cationit bằng cách
hoạt hoá với axit sunfurit đặc gắn vào bề mặt than nhóm chức sulfon SO
3
-
, đồng thời
tăng cường mật độ nhóm cacboxylic qua quá trình oxy hoá. Tác nhân hoạt hoá ngoài
axit sunfuric còn có thể sử dụng dẫn xuất như oleum (axit sunfurit đặc 120-140%), axit
pyrosunfuric, kali bisunfat, axit closulfonic.
Quá trình hoạt hoá toả nhiệt rất lớn, kèm theo nó là quá trình tương nở than gây ra
vở vụn, hiệu suất thu hồi sản phẩm rất thấp. Một trong các biện pháp nhằm cải thiện
trình trạng trên là hoạt hoá hai giai đoạn: ban đầu với axit loãng, sau đó với axit đặc.
Về một số phương diện than sulfon hoá giống với nhựa trao đổi ion: có các

, -NR
3
+
(amin bậc 4, amin bậc 3, amin bậc
2, ≡ S
+
đối với anionit).
Mạng polime có tính kỵ nước, ngược lại các nhóm chức trong mạng có tính ưa
nước. Polime mạch thẳng có chứa các nhóm chức trên tan trong nước, nhựa trao đổi
ion không tan nhờ cấu trúc ba chiều của mạng, nó cũng không tan trong hầu hết các
loại dung môi. Nhựa trao đổi ion có độ dẻo và tương nở khi ngậm dung môi, nó có độ
xốp khá lớn (nhựa thương phẩm có chứa 40 – 60% nước tính theo khối lượng). Lỗ xốp
của nó có kích thước không đều như zeolit, tuy vậy người ta vẫn coi nó là có cấu trúc
đồng nhất theo thể tích xốp. Độ bền hoá học, bền nhiệt, bền cơ của nhựa phụ thuộc vào
cấu trúc và mức độ liên kết ngang của mạng cũng như vào bản chất và mật độ của các
nhóm chức. Mức độ liên kết ngang quyết định độ xốp hay kích thước mao quản, độ
tương nở hay khả năng linh động của ion và độ dẫn điện của nhựa. Độ lớn (hiệu dụng)
của mao quản đối với nhựa có độ liên kết ngang thấp, trong trạng thái tương nở hoàn
toàn kích thước mao quản vượt trên 100 A
0
. Nhựa có liên kết ngang cao bền cơ học,
cứng và ít bị mài mòn.
Tính bền cơ và hoá của nhựa cũng chỉ có giới hạn. Nghiên nhân gây hỏng nhựa
thông thường là yếu tố hoá học và nhiệt như oxy hoá mạng, phá huỷ các nhóm chức do
thuỷ phân nhiệt. Phần lớn nhựa trao đổi ion bền trong các dung môi thông dụng trừ
trường hợp trong các dung môi có tính oxi hoá khử cao, thường chịu được tới 100
0
C.
Riêng anionit mạnh bắt đầu phân huỷ ở 60
0

bạc sulfonat, kim loại kiềm thổ cacboxylat, chelat-kim loại nặng.
Rất nhiều loại nhựa trao đổi ion với các tính chất khác nhau được sản xuất, chúng
không chỉ khác nhau về bản chất hoá học và mật độ nhóm chức mà còn khác nhau về
thành phần hoá học và mức độ liên kết ngang của mạch polyme nhằm tương thích với
điều kiện sử dụng. Nhựa trao đổi cũng có cấu trúc vật lý khác nhau: dạng gel, dạng xốp
lớn (macroporons resin), dạng xốp đều (isoporous), dạng bột mịn (micro resin) và dạng
từ tính (magnetic resin). Nhựa dạng gel được sản xuất sớm nhất, nước được phân bố
đều trong cả mạng polyme. Nhựa được tương nở trong những điều kiện nhất định và
chính sự có mặt của nước trong mạng làm tăng khoảng cách của các chuỗi polyme.
Các hạt nhựa thường dùng trong cột có kích thước 0,3 – 1,2 mm. Do quá trình
động học trao đổi ion bị khống chế bởi khếch tán trong nên tốc độ trao đổi ion thường
tỉ lệ nghịch với kích thước hạt. Để tăng tốc độ trao đổi ion cần sử dụng hạt có kích
thước nhỏ. Dạng bột được sử dụng cho mục đích này kiểu dạng lớp lót (precoat filter),
nó đóng vai trò hai chức năng: lọc và loại bỏ ion đồng thời. Nó được sử dụng để loại
bỏ lượng vết bẩn của nước ngưng trong công nghiệp điện. Do mịn nên việc tổn hao áp
suất rất lớn trong khi lọc và do là hỗn hợp bột của cationit và anionit nên rất khó tái
sinh, thường chỉ dùng một lần là bỏ. Để khắc phục khó khăn khi thao tác với bột trao
đổi ion mịn, người ta trộn thêm vào hạt một chất độn có từ tính, ví dụ với γ – Fe
2
O
3
,
chúng dễ dàng tạo thành các tập hợp lớn, lắng nhanh như các hạt nhựa thông dụng, các
Sinh viên:Đào Chánh Thuận Lớp CNMT-K47-QN
24
R
-
R
-
R

Đồ án tốt nghiệp Viện Khoa Học & Công Nghệ Môi Trường
hạt nhựa này cũng dễ dàng bị phá huỷ khi khuấy trộn. Chúng khắc phục được những
khó khăn nêu trên.
2.3 MỘT SỐ ĐẶC TRƯNG CỦA NHỰA TRAO ĐỔI ION
2.3.1 Dung lượng trao đổi
Dung lượng trao đổi ion là một thông số đặc trưng quan trọng cho một chất trao
đổi, tức là thể hiện về mặt chất lượng sản phẩm. Nó là thông số quan trọng dùng để
tính toán, thiết kế quá trình trao đổi ion kỹ thuật. Trong một chừng mực nào đó, dung
lượng trao đổi được xem là một đại lượng đặc trưng không phụ thuộc vào ngoại cảnh
hoặc phụ thuộc vào điều kiện tiến hành. Sau đây là một vài định nghĩ về dung lượng
trao đổi ion[14]:
Dung lượng tổng: là số nhóm chức tính bằng đương lượng gam trên một đơn vị
khối lượng khô chất trao đổi hay trên một đơn vị thể tích trao đổi ở trạng thái tương nở
(mđl/g hoặc mđl/l). Đại lượng này chỉ cho biết số nhóm chức tối đa mà vật liệu trao đổi
có, chứ không thể hiện tính năng sử dụng của nó.
Dung lượng hiệu dụng: là lượng ion trao đổi tiến hành trong điều kiện cụ thể.
Trị số của đại lượng này luôn nhỏ hơn dung lượng tổng phụ thuộc vào điều kiện tiến
hành như: pH, nồng độ ion cần trao đổi.
Dung lượng hấp thu: một số chất điện ly, chất tan được làm giàu lên trong lòng
chất trao đổi ion do quá trình hấp phụ, tạo phức cùng với quá trình trao đổi thật sự.
Dung lượng hấp phụ đôi khi cao hơn dung lượng tổng.
Dung lượng động: thường dùng trong trường hợp cột trao đổi ion hoạt động liên
tục trong dòng chảy dưới điều kiện dòng chảy qua cột, ví dụ trong dòng nước chứa ion
Ca
2+
có nồng độ C
o
khi cho qua cột cationit dạng Na
+
. Khi chảy qua cột xảy qua quá