TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM HÀ NỘI 2
KHOA HÓA HỌC

LÊ THỊ VÂN

NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG HẤP PHỤ AMONI
TRONG NƢỚC CỦA VẬT LIỆU HẤP PHỤ
CHẾ TẠO TỪ BÃ MÍA

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
Chuyên ngành: Hóa Công nghệ - Môi trƣờng

HÀ NỘI, 2018


TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM HÀ NỘI 2
KHOA HÓA HỌC

LÊ THỊ VÂN

NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG HẤP PHỤ AMONI
TRONG NƢỚC CỦA VẬT LIỆU HẤP PHỤ
CHẾ TẠO TỪ BÃ MÍA

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
Chuyên ngành: Hóa Công nghệ - Môi trƣờng

Ngƣời hƣớng dẫn khoa học:

ThS. ĐỖ THỦY TIÊN


Hà Nội, tháng 5 năm 2018
Sinh viên thực hiện

Lê Thị Vân


DANH MỤC VIẾT TẮT
Ký hiệu viết tắt

Tên đầy đủ

VLHP

Vật liệu hấp phụ

SEM

Phƣơng pháp kính hiển vi điện tử quét (Scanning
Electron Microscope)

UV - Vis

Máy đo quang phổ (Ultraviolet Visble)


MỤC LỤC
MỞ ĐẦU ....................................................................................................... 1
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN .......................................................................... 3
1.1. Ô nhiễm amoni trong nƣớc ngầm ........................................................ 3
1.1.1. Giới thiệu vài nét về nước ngầm ở Việt Nam ................................. 3

3.3.4 Ảnh hưởng của nồng độ amoni đến hiệu suất xử lý amoni ........... 32
3.4. Xây dựng đƣờng đẳng nhiệt hấp phụ ................................................. 33
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ...................................................................... 38
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................ 39


DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1. Thành phần hoá học của bã mía ................................................... 18
Bảng 2.1. Các thiết bị chính đƣợc sử dụng trong khoá luận .......................... 20
Bảng 3.1. Kết quả xây dựng đƣờng chuẩn amoni theo phƣơng pháp
nessler .......................................................................................... 26
Bảng 3.2. Kết quả đánh giá khả năng hấp phụ amoni của các loại vật
liệu ............................................................................................... 27
Bảng 3.3. Ảnh hƣởng của pH đến hiệu suất xử lý amoni .............................. 28
Bảng 3.4. Ảnh hƣởng của thời gian khuấy đến hiệu suất xử lý amoni .......... 30
Bảng 3.5. Ảnh hƣởng của liều lƣợng VLHP đến hiệu suất xử lý amoni ........ 31
Bảng 3.6. Ảnh hƣởng của nồng độ amoni đến hiệu suất xử lý amoni ........... 32
Bảng 3.7. Các thông số khảo sát sự hấp phụ amoni của VLHP ..................... 34
Bảng 3.8. So sánh khả năng hấp phụ amoni của VLHP từ bã mía với các
VLHP khác ................................................................................... 35


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình 1.1. Đƣờng đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir............................................ 16
Hình 1.2. Sự phụ thuộc của

vào Ccb ................................................... 16

Hình 3.1. Đƣờng chuẩn xác định nồng độ amoni ......................................... 26

trƣờng làm cho nƣớc ngầm ngày càng bị ô nhiễm các hợp chất nitơ mà chủ
yếu là amoni.
Amoni không gây độc trực tiếp cho con ngƣời nhƣng sản phẩm chuyển
hoá từ amoni là nitrit và nitrat là yếu tố gây độc. Các hợp chất nitrit và nitrat
hình thành do quá trình oxi hoá của vi sinh vật trong quá trình xử lý, tàng trữ
và chuyển tải nƣớc đến ngƣời tiêu dùng. Vì vậy việc xử lý amoni trong nƣớc
là đối tƣợng rất đáng quan tâm.
Hiện nay, phƣơng pháp hấp phụ để xử lý amoni bằng việc tận dụng
nguồn nguyên liệu là các phế thải trong quá trình sản xuất nông nghiệp đang
cho thấy là giải pháp đem lại nhiều ƣu điểm nhất nhƣ không đƣa vào nguồn
nƣớc các hóa chất độc hại, xử lý hiệu quả amoni và nguyên liệu em dùng để
sản xuất vật liệu hấp phụ ở đây là bã mía có giá thành rẻ, dễ kiếm.
Với các lý do trên em đã chọn đề tài “Nghiên cứu khả năng hấp phụ
amoni trong nước của vật liệu hấp phụ chế tạo từ bã mía”.

Lê Thị Vân – K40B sư phạm hoá học

1


Khoá luận tốt nghiệp

Trường ĐHSP Hà Nội 2

 Mục đích nghiên cứu
Khoá luận đƣợc thực hiện nhằm chế tạo ra các vật liệu hấp phụ từ bã mía
bằng các phƣơng pháp khác nhau. Sau đó sử dụng vật liệu hấp phụ đã chế tạo
để xử lý amoni trong nƣớc.
 Nhiệm vụ nghiên cứu
- Chế tạo các vật liệu hấp phụ từ bã mía.

nƣớc mặt, nƣớc mƣa... Nƣớc ngầm có thể tồn tại cách mặt đất vài mét, vài
chục mét, hay hàng trăm mét. Hiện nay nguồn nƣớc ngầm chiếm 35-50% tổng
lƣợng nƣớc cấp cho sinh hoạt ở các đô thị trên toàn quốc [1],[5].
Các nguồn nƣớc ngầm hầu nhƣ không chứa rong tảo, một trong những
nguyên nhân gây ô nhiễm nƣớc. Thành phần đáng quan tâm trong nƣớc ngầm
là các tạp chất hòa tan do ảnh hƣởng của điều kiện địa tầng, thời tiết, các quá
trình phong hóa, sinh hóa trong khu vực. Ở những vùng có điều kiện phong
hóa tốt, có nhiều chất bẩn và lƣợng mƣa lớn thì chất lƣợng nƣớc ngầm dễ bị ô
nhiễm bởi các chất khoáng hòa tan, các chất hữu cơ và mùn lâu ngày theo
nƣớc mƣa ngấm vào đất. Ngoài ra, nƣớc ngầm cũng có thể bị ảnh hƣởng do
tác động của con ngƣời. Các chất thải của con ngƣời và động vật, chất thải
sinh hoạt, chất thải hóa học, công nghiệp và việc sử dụng phân bón hóa học
theo thời gian sẽ ngấm vào nguồn nƣớc, tích tụ dần và làm ô nhiễm nguồn
nƣớc ngầm.
1.1.2. Ô nhiễm amoni trong nước ngầm.
 Nguồn gốc ô nhiễm amoni trong nước ngầm ở Việt Nam
Có nhiều nguyên nhân dẫn đến tình trạng ô nhiễm amoni và các chất hữu
cơ trong nƣớc ngầm nhƣng một trong những nguyên nhân chính là do việc sử
dụng quá mức lƣợng phân bón hữu cơ, thuốc trừ sâu, hoá chất bảo vệ thực vật

Lê Thị Vân – K40B sư phạm hoá học

3


Khoá luận tốt nghiệp

Trường ĐHSP Hà Nội 2

đã gây ảnh hƣởng nghiêm trọng đến nguồn nƣớc, hoặc do quá trình phân huỷ



Khoá luận tốt nghiệp

Trường ĐHSP Hà Nội 2

Hiện tƣợng phú dƣỡng trong nƣớc là do dƣ thừa chất dinh dƣỡng dẫn
đến sự phát triển bùng nổ của các loại tảo và vi sinh vật. Khi đó, mật độ thuỷ
sinh trong hồ rất dày đặc, làm cho nƣớc có độ màu, độ đục cao. Ngoài ra khi
một lƣợng lớn tảo chết đi sẽ cần lƣợng oxi lớn tƣớng ứng để phân huỷ dẫn
đến hàm lƣợng oxi hoà tan trong nƣớc bị cạn kiệt, làm chết đi các sinh vật
sống trong nƣớc.
Amoni là nguồn dinh dƣỡng để rêu tảo phát triển, vi sinh vật phát triển
trong đƣờng ống gây ăn mòn, rò rỉ và mất mỹ quan [1].
* Tác hại đối với sức khoẻ con người.
Amoni không gây ảnh hƣởng trực tiếp đến sức khoẻ con ngƣời, nhƣng
trong quá trình khai thác, lƣu trữ và xử lý... amoni đƣợc chuyển hoá thành
nitrit (NO2-) và nitrat (NO3-) là những chất có tính độc hại, vì nó có thể
chuyển hoá thành nitrosamin có khả năng gây ung thƣ cho con ngƣời. Chính
vì vậy quy định nồng độ nitrit cho phép trong nƣớc sinh hoạt là khá thấp.
Nhƣ vậy ở trong nƣớc ngầm, amoni không thể chuyển hoá đƣợc do thiếu
oxy, khi khai thác lên vi sinh vật trong nƣớc nhờ oxy trong không khí chuyển
amoni thành nitrit (NO2-) và nitrat (NO3-) tích tụ trong thức ăn. Khi ăn uống
nƣớc có chứa nitrit thì cơ thể sẽ hấp thu nitrit vào máu và chất này sẽ chiếm
oxy của hồng cầu làm hemoglobin mất khả năng lấy oxy, dẫn đến tình trạng
thiếu máu, xanh da. Vì vậy, nitrit đặc biệt nguy hiểm đối với trẻ mới sinh dƣới
sáu tháng tuổi, nó có thể làm chậm sự phát triển, gây bệnh ở đƣờng hô hấp.
Đối với ngƣời lớn, nitrit kết hợp với các axit amin trong thực phẩm làm thành
một họ chất nitrosamin. Nitrosamin có thể gây tổn thƣơng di truyền tế bào,
nguyên nhân gây ung thƣ. Những thí nghiệm cho nitrit vào trong thức ăn, thức

NH4+

NH3 (khí hoà tan) + H+

pKa = 9,25

Nhƣ vậy, ở pH gần 7 chỉ có một lƣợng rất nhỏ khí NH3 so với ion amoni.
Nếu ta nâng pH tới 9,25 tỷ lệ [NH3]/[ NH4+] = 1 và càng tăng pH cân bằng
càng chuyển về phía tạo thành NH3. Khi đó nếu áp dụng các kỹ thuật sục khí
hoặc thổi khí thì NH3 sẽ bay hơi theo định luật Henry, làm chuyển cân bằng
về phía phải:
NH4+ + OH -

NH3 + H2O

Trong thực tế pH phải nâng lên xấp xỉ 11, lƣợng khí cần để đuổi NH4 ở
mức 1600m3 không khí/m3 nƣớc và quá trình phụ thuộc vào nhiệt độ của môi

Lê Thị Vân – K40B sư phạm hoá học

6


Trường ĐHSP Hà Nội 2

Khoá luận tốt nghiệp

trƣờng. Phƣơng pháp này áp dụng đƣợc cho nƣớc thải, khó có thể đƣa đƣợc
nồng độ amoni xuống dƣới 1,5mg/l nên rất hiếm khi đƣợc áp dụng để xử lý
nƣớc cấp.

Khoá luận tốt nghiệp

Trường ĐHSP Hà Nội 2

cho các trƣờng hợp đòi hỏi chất lƣợng xử lý cao. Ƣu điểm của phƣơng pháp
là rất triệt để và xử lý có chọn lựa đối tƣợng. Thực chất của phƣơng pháp này
là quá trình trao đổi ion dựa trên sự tƣơng tác hóa học giữa ion trong pha lỏng
và ion trong pha rắn. Trao đổi ion là một quá trình gồm các phản ứng hóa học
đổi chỗ (phản ứng thế) giữa các ion trong pha lỏng và các ion trong pha rắn
(là nhựa trao đổi). Sự ƣu tiên hấp thụ của nhựa trao đổi dành cho các ion trong
pha lỏng nhờ đó các ion trong pha lỏng dễ dàng thế chỗ các ion có trên khung
mang của nhựa trao đổi. Quá trình này phụ thuộc vào từng loại nhựa trao đổi
và các loại ion khác nhau.
 Phương pháp sinh học [3].
Ở phƣơng pháp sinh học bao gồm hai quá trình nối tiếp nhau là nitrat
hoá và khử nitrat hoá nhƣ sau:
a) Quá trình nitrat hoá:

Quá trình chuyển hoá về mặt hoá học đƣợc viết nhƣ sau:
NH4+ + 3/2O2 → NO2 - + 2H+ + H2O
NO2 - + 1/2O2 → NO3 Phƣơng trình tổng:
NH4+ + 2O2 → NO3 - + 2H+ + H2O
Đầu tiên, amoni đƣợc oxy hóa thành các nitrit nhờ các vi khuẩn
Nitrosomonas, Nitrosospire, Nitrosococcus, Nitrosolobus. Sau đó các ion
nitrit bị oxy hóa thành nitrat nhờ các vi khuẩn Nitrobacter, Nitrospina,
Nitrococcus. Các vi khuẩn nitrat hóa Nitrosomonas và Nitrobacter thuộc loại
vi khuẩn tự dƣỡng hóa năng. Năng lƣợng sinh ra từ phản ứng nitrat hóa đƣợc
vi khuẩn sử dụng trong quá trình tổng hợp tế bào. Nguồn cacbon để sinh tổng
họp ra các tế bào vi khuẩn mới là cacbon vô cơ (HCO 3- là chính). Ngoài ra
chúng tiêu thụ mạnh O2.

Để thực hiện phƣơng pháp này, ngƣời ta cho nƣớc qua bể lọc kỵ khí với
vật liệu lọc, nơi dính bám và sinh trƣởng của vi sinh vật khử nitrat. Quá trình
này đòi hỏi nguồn cơ chất - chất cho điện tử. Chúng có thể là chất hữu cơ,
H2S, ... Nếu trong nƣớc không có oxy nhƣng có mặt các hợp chất hữu cơ mà
vi sinh hấp thụ đƣợc, trong môi trƣờng anoxic, khi đó vi khuẩn dị dƣỡng sẽ sử
dụng NO3- nhƣ nguồn oxy để oxy hóa chất hữu cơ (chất nhƣờng điện tử), còn
NO3- (chất nhận điện tử) bị khử thành khí N2.

Lê Thị Vân – K40B sư phạm hoá học

9


Khoá luận tốt nghiệp

Trường ĐHSP Hà Nội 2

Vi khuẩn thu năng lƣợng để tăng trƣởng từ quá trình chuyển hoá NO 3thành khí N2 và cần có nguồn cacbon để tổng hợp tế bào. Do đó khi khử NO3sau quá trình nitrat hóa mà thiếu các hợp chất hữu cơ chứa cacbon thì phải
đƣa thêm các chất này vào nƣớc. Hiện nay, ngƣời ta thƣờng sử dụng khí tự
nhiên (chứa metan), rƣợu, đƣờng, cồn, dấm, axetat natri, ... Axetat natri là
một trong những hoá chất thích hợp nhất.
Mặc dù có nhiều phƣơng pháp xử lý amoni, nhƣng phƣơng pháp hấp phụ
amoni là phƣơng pháp hiệu quả và đơn giản về kĩ thuật nhất hiện nay.
1.2.2. Phương pháp hấp phụ
 Hấp phụ: là quá trình tích lũy chất trên bề mặt phân cách các pha
(rắn - khí, rắn - lỏng, khí - lỏng, lỏng - lỏng).
Trong đó:
- Chất hấp phụ: là chất mà phần tử ở lớp bề mặt có khả năng hút các
phần tử của pha khác nằm tiếp xúc với nó.
- Chất bị hấp phụ: là chất bị hút khỏi pha thể tích đến tập trung trên bề

tử các chất tham gia quá trình hấp phụ có sự biến đổi rất lớn dẫn đến hình
thành liên kết hóa học. Nhiệt lƣợng tỏa ra khi hấp phụ hóa học thƣờng lớn
hơn 22 kcal/mol.
Trong thực tế sự phân biệt giữa hấp phụ hóa học và hấp phụ vật lý chỉ là
tƣơng đối vì ranh giới giữa chúng không rõ rệt. Một số trƣờng hợp tồn tại cả
quá trình hấp phụ vật lý và hấp phụ hóa học. 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.
Rất khó phân biệt rõ ràng hấp phụ hóa học và hấp phụ vật lý. Tốc độ của
quá trình hấp phụ vật lý thƣờng cao còn hấp phụ hóa học thì ngƣợc lại và
đƣợc xác định theo công thức:
Khpc= k0.z.e –E/RT
Trong đó:

Khpc: hằng số tốc độ của hấp phụ hóa học
K0 : hệ số hấp phụ
E: năng lƣợng hoạt hóa
z: số va chạm của phần tử chất bị hấp phụ trên một đơn vị
bề mặt trong một đơn vị thời gian

Lê Thị Vân – K40B sư phạm hoá học

11


Khoá luận tốt nghiệp

Trường ĐHSP Hà Nội 2

 Đặc điểm chung của hấp phụ trong môi trƣờng nƣớc [7].



Khoá luận tốt nghiệp

Trường ĐHSP Hà Nội 2

ion diễn biến của hệ cũng phức tạp do sự phân li của các nhóm chức và các
cấu tử trao đổi cũng phụ thuộc vào pH của môi trƣờng, đồng thời trong hệ
cũng xảy ra cả quá trình hấp phụ và tạo phức chất.
Ngoài ra, độ xốp, sự phân bố lỗ xốp, diện tích bề mặt, kích thƣớc mao
quản cũng ảnh hƣởng tới sự hấp phụ.
Đối với các hợp chất hữu cơ, trong môi trƣờng nƣớc chúng có độ tan
khác nhau do đó khả năng hấp phụ chúng trên VLHP là khác nhau. Phần lớn
các chất hữu cơ tồn tại trong nƣớc dạng phân tử trung hòa, ít bị phân cực nên
quá trình hấp phụ trên VLHP đối với chất hữu cơ chủ yếu theo cơ chế hấp phụ
vật lý. Khả năng hấp phụ các chất hữu cơ trên VLHP phụ thuộc vào: pH của
môi trƣờng, lƣợng chất hấp phụ, nồng độ chất bị hấp phụ…
Đặc tính của ion kim loại nặng trong môi trƣờng nƣớc: để tồn tại đƣợc ở
trạng thái bền, các ion kim loại trong môi trƣờng nƣớc bị hydrat hóa tạo ra lớp
vỏ là các phân tử nƣớc, các phức chất hidroxo, các cặp ion hay phức chất
khác. Tùy thuộc vào bản chất hóa học của các ion, pH của môi trƣờng, các
thành phần khác cùng có mặt mà hình thành các dạng tồn tại khác nhau.
 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hấp phụ
Quá trình hấp phụ về cơ bản ảnh hƣởng bởi các yếu tố sau:
- Khối lƣợng phân tử
- Cấu trúc phân tử
- Loại và số lƣợng các nhóm chức
- Hàm lƣợng tro và các hợp chất dễ bay hơi
- Diện tích bề mặt riêng
- Số lƣợng vi lỗ có trong vật liệu

Hiệu suất hấp phụ là tỷ số giữa nồng độ dung dịch bị hấp phụ và nồng độ
dung dịch ban đầu.
H=

(

)

. 100%

(1.2)

Trong đó: H: Hiệu suất hấp phụ (%)
Co: nồng độ dung dịch ban đầu (mg/l)
Ccb: nồng độ dung dịch khi đạt cân bằng hấp phụ (mg/l).
- Mối quan hệ q = f(C) đƣợc gọi là phƣơng trình đẳng nhiệt, nó có thể
đƣợc xây dựng trên cơ sở lý thuyết hoặc thực nghiệm. Các phƣơng trình đẳng
nhiệt thƣờng dùng là Langmuir và Freudlich.
❖ Phương trình đẳng nhiệt Langmuir.

Q = qmax
Trong đó: q - dung lƣợng hấp phụ tại thời điểm cân bằng
qmax - dung lƣợng hấp phụ cực đại
Ccb - nồng độ tại thời điểm cân bằng
KL - hằng số đặc trƣng tƣơng tác của chất hấp phụ và chất bị
hấp phụ.

Lê Thị Vân – K40B sư phạm hoá học

14

=θ=
Trong đó:

q, qm: dung lƣợng hấp phụ cân bằng, dung lƣợng hấp phụ cực đại (mg/g)
: độ che phủ
KL: hằng số Langmuir
Ccb: nồng độ chất bị hấp phụ khi đạt trạng thái cân bằng hấp phụ (mg/l)
Phƣơng trình Langmuir chỉ ra hai tính chất đặc trƣng của hệ:
- Trong vùng nồng độ nhỏ: KL.Ccb > 1 thì q =

mô tả vùng hấp phụ

bão hòa.
Khi nồng độ chất bị hấp phụ nằm giữa hai giới hạn trên thì đƣờng đẳng
nhiệt biểu diễn là một đoạn cong. Để xác định các hằng số trong phƣơng trình
đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir, đƣa phƣơng trình (1.3) về dạng phƣơng trình

Ngày nay, trên thế giới và ở Việt Nam đã có nhiều công trình nghiên
cứu, nhiều đề tài khoa học nhằm tìm các giải pháp sử dụng vật liệu hấp phụ từ
phụ phẩm nông nghiệp để loại bỏ kim loại nặng trong nƣớc thải. Nhiều công

Lê Thị Vân – K40B sư phạm hoá học

16