ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

PHAN PHƯỚC TOÀN

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU MỚI TỪ TRO TRẤU
HẤP PHỤ ĐỒNG THỜI CHẤT HỮU CƠ, NITRAT,
PHỐT PHÁT TRONG NƯỚC THẢI

LUẬN ÁN TIẾN SĨ

TP. HỒ CHÍ MINH - NĂM 2023


ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

PHAN PHƯỚC TOÀN

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU MỚI TỪ TRO TRẤU
HẤP PHỤ ĐỒNG THỜI CHẤT HỮU CƠ, NITRAT,
PHỐT PHÁT TRONG NƯỚC THẢI

Chuyên ngành: Kỹ thuật môi trường
Mã số chuyên ngành: 62520320

Phản biện độc lập:
Phản biện độc lập:

Phản biện: PGS.TS. Hồ Thị Thanh Vân
Phản biện: PGS.TS. Lê Thị Kim Phụng

Phản biện: PGS.TS. Bùi Mạnh Hà

NGƯỜI HƯỚNG DẪN:
1. PGS.TS. Nguyễn Trung Thành
2. PGS.TS. Nguyễn Nhật Huy


LỜI CAM ĐOAN
Tác giả xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân tác giả. Các kết quả
nghiên cứu và các kết luận trong luận án này là trung thực, và không sao chép từ bất kỳ
một nguồn nào và dưới bất kỳ hình thức nào. Việc tham khảo các nguồn tài liệu (nếu
có) đã được thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định.

Tác giả luận án

Phan Phước Toàn

i


TÓM TẮT LUẬN ÁN
Tro trấu thải với khối lượng lớn từ các lị nung gạch, lị sấy nơng sản hiện chưa được tận
dụng hiệu quả và gây ra khơng ít vấn đề khó khăn cho các địa phương hiện nay như An
Giang. Tro trấu có thành phần chủ yếu là oxit silic và cacbon như một composite tự
nhiên với những đặc trưng riêng biệt rất phù hợp để làm chất hấp phụ hoặc làm chất
mang. Nghiên cứu này tập trung tận dụng nguồn tro trấu thải ở địa phương làm nguyên
liệu để chế tạo một vật liệu mới có khả năng hấp phụ đồng thời ba thành phần hữu cơ,
nitrat và phốt phát trong nước thải.
Vật liệu mới từ tro trấu (TRI-ARHA) được tổng hợp bằng cách ghép các nhóm triamin
lên bề mặt chất mang tro trấu sau khi đã hoạt hóa bằng phương pháp tạo lỗ xốp với axit

flohidric (HF). Kết quả tối ưu hóa bằng quy hoạch thực nghiệm đã xác định được nồng
độ dung dịch axit HF  5% và tỷ lệ triamin silan/ARHA  3 mL/g là điều kiện tối ưu để
tổng hợp vật liệu. Các kết quả phân tích FTIR, XRD, TGA, BET, SEM, EDX và SEMmapping đã thể hiện rõ các đặc trưng và thành phần hóa học cơ bản của vật liệu TRIARHA với diện tích bề mặt riêng  402 m2/g và hàm lượng amin  23%. Các nguyên tố
O (36,4%), C (33,6%), Si (22,6%) và N (7,4%) được phân tán rất tốt trên bề mặt vật
liệu.
Các thí nghiệm đánh giá khả năng hấp phụ chất hữu cơ, nitrat và phốt phát trong điều
kiện phịng thí nghiệm đã cho thấy vật liệu TRI-ARHA có nhiều ưu điểm nổi bật như
khả năng hấp phụ cao (Qmax  172 mgMO/g, 132 mgNO3--N/g và 84,4 mgPO43--P/g),
thời gian đạt cân bằng hấp phụ nhanh (10-20 phút), môi trường pH thuận lợi (pH  5-7)
và độ bền tốt. Đặc biệt, TRI-ARHA có khả năng hấp phụ tốt đồng thời cả ba thành phần
chất hữu cơ, nitrat và phốt phát so với các vật liệu hấp phụ khác nhờ vào đặc trưng nổi
bật của chất mang ARHA kết hợp với hoạt tính của các nhóm triamin ghép trên bề mặt
vật liệu và cơ chế hấp phụ liên hợp mới đã được chứng minh bằng thực nghiệm và hóa
học tính tốn với bộ cơ sở B3LYP/6-32G* được xử lý bằng phần mềm Gaussian 16. Kết
quả thử nghiệm xử lý nước thải thực tế đã cho thấy TRI-ARHA có khả năng hấp phụ
vượt trội so với hai loại chất hấp phụ thương mại thơng dụng là than hoạt tính và nhựa
trao đổi ion. Đồng thời, TRI-ARHA đã thể hiện rõ khả năng xử lý đa thành phần ô nhiễm

ii


đối với mẫu nước thải hỗn hợp (từ dệt nhuộm, chăn nuôi và sinh hoạt), làm cơ sở đề
xuất quy trình xử lý nước thải và định hướng ứng dụng vật liệu mới này vào thực tế.
Tóm lại, luận án đã tận dụng hiệu quả nguồn cacbon và silica tự nhiên trong cấu trúc
của tro trấu để làm chất mang cho phản ứng ghép với các nhóm chức năng amin tạo ra
một vật liệu tiên tiến. Vật liệu TRI-ARHA mới này cho thấy khả năng loại bỏ tốt đồng
thời các thành phần ô nhiễm hữu cơ, nitrat và phốt phát, có thể ứng dụng trong các q
trình xử lý nước và nước thải với những tính năng ưu việt khác so với các vật liệu có
mặt trên thị trường, góp phần giảm thiểu ô nhiễm môi trường trong nhiều lĩnh vực.


iii


ABSTRACT
Waste rice husk ash in large quantities from brick kilns and agricultural drying kilns has
not been effectively utilized and causes many problems for current localities such as An
Giang province. Rice husk ash (mainly silicon oxide and carbon) as a natural composite
with specific characteristics is very suitable as an adsorbent or as a carrier. This study
focuses on utilizing the local waste rice husk ash as a raw material to prepare a new
material capable of simultaneously absorbing three components including organic
matter - nitrate - phosphate in wastewater.
A novel material from rice husk ash (TRI-ARHA) was synthesized by grafting triamine
groups onto the surface of rice husk ash carrier after being activated by corrosion method
with hydrofluoric acid (HF). The results of optimization by design of experiment
determined that the concentration of HF acid solution  5% and the ratio of triamine
silane/ARHA  3 mL/g were the optimal conditions for the synthesis of the material.
The analysis results of FTIR, XRD, TGA, BET, SEM, EDX, and SEM-mapping clearly
showed the basic characteristics and chemical composition of TRI-ARHA material with
specific surface area of  402 m2/g and amine content of  23%. The elements of O
(36.4%), C (33.6%), Si (22.6%), and N (7.4%) are very well dispersed on the surface of
the material.
Experiments to evaluate the adsorption capacity of organic matter, nitrate and phosphate
under laboratory conditions showed that TRI-ARHA material has many outstanding
advantages such as high adsorption capacity (Qmax  172 mgMO/g, 132 mgNO3--N/g
and 84.4 mgPO43--P/g), fast adsorption equilibrium (10-20 minutes), favorable pH
environment (pH 5-7) and good durability. In particular, TRI-ARHA has a good ability
to simultaneously adsorb all three components of organic matter, nitrate and phosphate
compared to other adsorbent materials thanks to the outstanding characteristics of the
ARHA carrier combined with triamine groups grafted on the surface of the material and
the new conjugated adsorption mechanism proven by experiments and computational

chemistry with the basis set of B3LYP/6-32G* processed by Gaussian 16 software. For
the actual wastewater treatment experiment, the results showed that TRI-ARHA has
superior adsorption capacity compared to two common commercial adsorbents of
iv


activated carbon and ion exchange resin. In particular, TRI-ARHA has clearly
demonstrated the ability to treat multi-pollutants for the mixed wastewater sample (from
textile dyeing, livestock and domestic wastewater), as a basis for proposing wastewater
treatment processes and orient the application of this new material into practice.
In summary, the thesis has effectively utilized the natural source of carbon and silica in
the structure of rice husk ash as a support for amine-grafting reaction to create an
advanced material. The novel TRI-ARHA material showed a good ability to
simultaneously remove organic matter, nitrate, and phosphate, which can be applied in
water and wastewater treatment processes with other advanced features compared to
available materials on the market, contributing to reducing environmental pollution in
many fields.

v


LỜI CẢM ƠN
Trong suốt q trình nghiên cứu sinh, tơi đã nhận được rất nhiều sự chỉ dạy, hướng dẫn
và giúp đỡ tận tình của q thầy cơ, anh chị, đồng nghiệp, bạn bè cùng với đó là sự hỗ
trợ của người thân, gia đình và cơ quan cơng tác.
Trước tiên, tôi xin gửi lời tri ân sâu sắc nhất đến PGS.TS. Nguyễn Trung Thành và
PGS.TS. Nguyễn Nhật Huy là hai cán bộ hướng dẫn khoa học đã cung cấp những kinh
nghiệm cũng như kiến thức chuyên môn quý báu, dành nhiều tâm huyết và thời gian để
hướng dẫn, góp ý giúp tơi hồn thành luận án này. Trong đó, tôi đặc biệt cảm ơn PGS.TS.
Nguyễn Trung Thành – người thầy đã luôn đồng hành cùng tôi suốt từ đại học đến nay.

Xin gửi lời cảm ơn chân thành đến tất cả cán bộ, giảng viên thuộc Bộ môn Kỹ thuật môi
trường cũng như Ban Chủ nhiệm Khoa Môi trường và Tài nguyên, Trường Đại học Bách
Khoa – Đại học Quốc gia TP.HCM đã truyền đạt kiến thức quý báu và tạo điều kiện
thuận lợi cho tôi trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu.
Xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ của Bộ phận quản lý và các anh, chị, em nhân viên
Khu Thí nghiệm – Thực hành, Trường Đại học An Giang – ĐHQG-HCM đã hỗ trợ và
tạo điều kiện thuận lợi trong quá trình thực hiện nghiên cứu. Cảm ơn các bạn học viên
cao học và sinh viên đại học đã hỗ trợ trong quá trình thực hiện các thí nghiệm.
Xin chân thành cảm ơn quý thầy, cô là thành viên trong Hội đồng đánh giá luận án các
cấp đã có những nhận xét, góp ý vơ cùng q báu về chun mơn giúp tơi hồn thiện
luận án, đồng thời giúp tôi nhận rõ thêm những hạn chế, làm cơ sở để phát triển những
định hướng nghiên cứu mới trong tương lai.
Xin chân thành cảm ơn Trường Đại học An Giang – ĐHQG-HCM và UBND tỉnh An
Giang đã hỗ trợ kinh phí đào tạo. Đồng thời, nghiên cứu này cũng được tài trợ bởi Đại
học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh theo đề tài mã số A2020-16-01.
Sau cùng, xin được gửi sự biết ơn yêu thương nhất đến những người thân và gia đình đã
ln ủng hộ, động viên tinh thần tôi trong suốt quá trình nghiên cứu sinh và hồn thành
luận án tốt nghiệp này.
Một lần nữa xin được chân thành cảm ơn tất cả!
vi


MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH................................................................................... xii
DANH MỤC BẢNG BIỂU ..........................................................................................xvi
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ........................................................................... xviii
CHƯƠNG 1

MỞ ĐẦU ............................................................................................... 1


Đặt vấn đề ...........................................................................................................1
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ......................................................................3
1.2.1 Đối tượng nghiên cứu ..................................................................................3
1.2.2 Phạm vi nghiên cứu .....................................................................................3
CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU, MỤC TIÊU, Ý NGHĨA
VÀ TÍNH MỚI ...............................................................................................................4
Tổng quan về tro trấu và vật liệu hấp phụ chế tạo từ tro trấu ............................4
2.1.1 Sơ lược về trấu và tro trấu ...........................................................................4
2.1.2 Hiện trạng phát sinh và xử lý tro trấu thải trên địa bàn tỉnh An Giang .......5
2.1.2.1 Nguồn phát sinh và khối lượng tro trấu thải từ các cơ sở sản xuất .......5
2.1.2.2 Ảnh hưởng của tro trấu đến sức khỏe con người và môi trường ..........6
2.1.2.3 Các biện pháp xử lý và tái sử dụng tro trấu thải hiện nay .....................7
2.1.3 Tình hình nghiên cứu ứng dụng tro trấu trong và ngồi nước .....................8
2.1.4 Thành phần, đặc tính của tro trấu ................................................................ 9
2.1.5 Vật liệu hấp phụ chế tạo từ tro trấu ứng dụng trong xử lý nước và nước
thải..............................................................................................................12
2.1.5.1 Hấp phụ các thành phần hữu cơ ..........................................................12
2.1.5.2 Hấp phụ các thành phần vô cơ ............................................................ 15
Tổng quan phương pháp xử lý các hợp chất hữu cơ, nitrat và phốt phát trong
nước thải ...........................................................................................................17
2.2.1 Sơ lược về các hợp chất hữu cơ azo và metyl da cam ............................... 17
2.2.2 Sơ lược về ô nhiễm nitrat và phốt phát ......................................................19
2.2.3 Sơ lược về nước thải chăn nuôi .................................................................21
2.2.4 Các phương pháp xử lý ô nhiễm hữu cơ, nitrat và phốt phát ....................23
2.2.5 Phương pháp hấp phụ và ứng dụng quá trình hấp phụ để xử lý ô nhiễm
hữu cơ, nitrat, phốt phát .............................................................................25
2.2.5.1 Khái niệm và bản chất quá trình hấp phụ ............................................25

vii



2.2.5.2 Phân loại và cơ chế hấp phụ ................................................................ 25
2.2.5.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hấp phụ ......................................26
2.2.5.4 Ứng dụng quá trình hấp phụ để xử lý các thành phần ô nhiễm hữu cơ,
nitrat và phốt phát trong nước thải ......................................................26
Phương pháp hoạt hóa và biến tính bề mặt tro trấu làm vật liệu hấp phụ ........31
2.3.1 Phương pháp hoạt hóa tro trấu ...................................................................31
2.3.2 Phương pháp biến tính bề mặt ...................................................................32
2.3.2.1 Proton hóa............................................................................................ 34
2.3.2.2 Tẩm với kim loại/oxit kim loại............................................................ 34
2.3.2.3 Ghép các nhóm amin ...........................................................................35
2.3.3 Một số vật liệu biến tính amin trên nền silica và các chất thải nông nghiệp .
...................................................................................................................36
Phần mềm Gaussian 16 và các ứng dụng phần mềm Gaussian trong nghiên
cứu mô phỏng các quá trình trong kỹ thuật hấp phụ ........................................40
2.4.1 Phần mềm Gaussian và phiên bản Gaussian 16.........................................40
2.4.2 Phần mềm GaussView 6 ............................................................................41
2.4.3 Một số nghiên cứu ứng dụng phương pháp hóa tính tốn trong hấp phụ ..41
Mục tiêu, ý nghĩa và tính mới của luận án .......................................................42
2.5.1 Mục tiêu .....................................................................................................42
2.5.1.1 Mục tiêu tổng quát ...............................................................................42
2.5.1.2 Mục tiêu cụ thể ....................................................................................42
2.5.2 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn ...................................................................43
2.5.2.1 Ý nghĩa khoa học .................................................................................43
2.5.2.2 Ý nghĩa thực tiễn .................................................................................43
2.5.3 Những đóng góp mới của luận án .............................................................. 43
CHƯƠNG 3

NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ...........................45


Nội dung nghiên cứu ........................................................................................45
3.1.1 Nội dung 1: Chế tạo vật liệu hấp phụ mới có khả năng loại bỏ hiệu quả các
thành phần hữu cơ, nitrat và phốt phát từ nguồn tro trấu thải ...................45
3.1.2 Nội dung 2: Nghiên cứu khả năng hấp phụ các thành phần hữu cơ (metyl
da cam), nitrat và phốt phát của vật liệu đã tổng hợp trong điều kiện phịng
thí nghiệm ..................................................................................................45
Hóa chất và thiết bị nghiên cứu ........................................................................47
viii


3.2.1 Hóa chất .....................................................................................................47
3.2.2 Thiết bị .......................................................................................................47
Phương pháp nghiên cứu ..................................................................................49
3.3.1 Chế tạo vật liệu hấp phụ chất hữu cơ, nitrat và phốt phát từ tro trấu ........49
3.3.1.1 Hoạt hoá tro trấu ..................................................................................49
3.3.1.2 Ghép amin trên chất mang tro trấu hoạt hoá .......................................51
3.3.1.3 Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình tổng hợp vật liệu .........52
3.3.1.4 Tối ưu hố quy trình tổng hợp vật liệu bằng quy hoạch thực nghiệm 52
3.3.1.5 Phân tích các đặc trưng hố lý của vật liệu .........................................53
3.3.2 Nghiên cứu khả năng hấp phụ chất hữu cơ, nitrat và phốt phát của vật liệu
tổng hợp từ tro trấu ....................................................................................55
3.3.2.1 Khảo sát khả năng hấp phụ chất hữu cơ (metyl da cam) ....................55
3.3.2.2 Khảo sát khả năng hấp phụ nitrat ........................................................58
3.3.2.3 Khảo sát khả năng hấp phụ phốt phát .................................................60
3.3.2.4 Khảo sát khả năng hấp phụ đồng thời chất hữu cơ, nitrat và phốt phát
của vật liệu tổng hợp từ tro trấu ..........................................................63
3.3.2.5 Thử nghiệm khả năng xử lý nước thải thực tế ....................................63
3.3.3 Phân tích mẫu, tính tốn và xử lý số liệu ...................................................65
CHƯƠNG 4


KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU, PHÂN TÍCH VÀ BÀN LUẬN ..............71

Chế tạo vật liệu mới từ tro trấu có khả năng hấp phụ đồng thời chất hữu cơ,
nitrat và phốt phát ............................................................................................. 71
4.1.1 Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình tổng hợp vật liệu ................73
4.1.1.1 Ảnh hưởng của nồng độ axit HF trong q trình hoạt hố tro trấu .....73
4.1.1.2 Ảnh hưởng của tỷ lệ thể tích triamin silan và chất mang ARHA .......75
4.1.1.3 Ảnh hưởng của nhóm amin ghép trên chất mang ARHA ...................77
4.1.2 Tối ưu hoá quy trình tổng hợp vật liệu TRI-ARHA ..................................78
4.1.3 Các đặc trưng cơ bản của vật liệu ARHA và TRI-ARHA.........................83
4.1.3.1 Diện tích bề mặt riêng .........................................................................83
4.1.3.2 Phổ hồng ngoại biến đổi (FTIR) .........................................................83
4.1.3.3 Ảnh chụp hiển vi điện tử quét (SEM) .................................................85
4.1.3.4 Phổ tán sắc năng lượng tia X (EDX) và ảnh SEM-mapping ..............86
4.1.3.5 Phổ nhiễu xạ tia X (XRD) ...................................................................87

ix


4.1.3.6 Phổ nhiệt trọng trường (TGA-DTG) ...................................................88
4.1.3.7 Điểm đẳng điện (pHpzc) .......................................................................89
Khả năng hấp phụ chất hữu cơ, nitrat và phốt phát của vật liệu TRI-ARHA ở
điều kiện phịng thí nghiệm ..............................................................................90
4.2.1 Khả năng hấp phụ chất hữu cơ của vật liệu TRI-ARHA ...........................90
4.2.1.1 Ảnh hưởng của pH và liều lượng TRI-ARHA đến khả năng hấp phụ
MO.......................................................................................................90
4.2.1.2 Động học hấp phụ metyl da cam của vật liệu TRI-ARHA .................93
4.2.1.3 Cân bằng hấp phụ metyl da cam của vật liệu TRI-ARHA ..................95
4.2.1.4 Các đại lượng nhiệt động của hấp phụ metyl da cam trên vật liệu TRIARHA ..................................................................................................98
4.2.1.5 Quá trình tái sinh và độ bền hấp phụ MO ...........................................99

4.2.1.6 So sánh khả năng hấp phụ chất hữu cơ của TRI-ARHA và các vật liệu
khác ...................................................................................................100
4.2.2 Khả năng hấp phụ nitrat của vật liệu TRI-ARHA ...................................102
4.2.2.1 Ảnh hưởng của pH và liều lượng TRI-ARHA đến khả năng hấp phụ
nitrat...................................................................................................102
4.2.2.2 Động học hấp phụ nitrat của vật liệu TRI-ARHA ............................104
4.2.2.3 Cân bằng hấp phụ nitrat của vật liệu TRI-ARHA .............................106
4.2.2.4 Các đại lượng nhiệt động của hấp phụ nitrat trên vật liệu TRI-ARHA ..
..........................................................................................................109
4.2.2.5 Quá trình tái sinh và độ bền hấp phụ nitrat .......................................110
4.2.2.6 So sánh khả năng hấp phụ nitrat của TRI-ARHA và các vật liệu khác ..
..........................................................................................................111
4.2.3 Khả năng hấp phụ phốt phát của vật liệu TRI-ARHA.............................114
4.2.3.1 Ảnh hưởng của pH và liều lượng TRI-ARHA đến khả năng hấp phụ
phốt phát ............................................................................................114
4.2.3.2 Động học hấp phụ phốt phát của vật liệu TRI-ARHA ......................116
4.2.3.3 Cân bằng hấp phụ phốt phát của vật liệu TRI-ARHA ......................118
4.2.3.4 Các đại lượng nhiệt động của hấp phụ phốt phát trên vật liệu TRIARHA ................................................................................................121
4.2.3.5 Quá trình tái sinh và độ bền hấp phụ phốt phát.................................121
4.2.3.6 So sánh khả năng hấp phụ phốt phát của TRI-ARHA và các vật liệu
khác ...................................................................................................122
x


4.2.4 Khả năng hấp phụ đồng thời chất hữu cơ, nitrat và phốt phát của vật liệu
TRI-ARHA ..............................................................................................126
4.2.5 Kết quả tính tốn hóa lý thuyết ................................................................128
4.2.6 Cơ chế q trình tổng hợp và hấp phụ của vật liệu TRI-ARHA .............131
4.2.7 Thử nghiệm ứng dụng vật liệu TRI-ARHA và đề xuất quy trình cơng nghệ
xử lý nước thải thực tế .............................................................................135

CHƯƠNG 5

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ...........................................................144

Kết luận ..........................................................................................................144
Kiến nghị ........................................................................................................146
DANH MỤC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ ............................................................147
TÀI LIỆU THAM KHẢO ...........................................................................................150
PHỤ LỤC ....................................................................................................................161

xi


DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH
Hình 2.1 Vỏ trấu ..............................................................................................................5
Hình 2.2 Tro trấu .............................................................................................................5
Hình 2.3 Các biện pháp xử lý và tái sử dụng tro trấu từ các cơ sở sản xuất (n = 150) ...7
Hình 2.4 Tro trấu (a) đổ xuống sông [29] và (b) thải bỏ tại một cơ sở sản xuất gạch trên
địa bàn xã Nhơn Mỹ, huyện Chợ Mới, tỉnh An Giang ....................................................9
Hình 2.5 (a) Phổ FTIR và (b) XRD của tro trấu thô và tro trấu sau hoạt hóa [7] .........11
Hình 2.6 Ảnh SEM của tro trấu thơ (A) và tro trấu sau hoạt hóa (B) [7] .....................12
Hình 2.7 Ảnh hưởng của phú dưỡng đến một số thủy vực [65] ....................................20
Hình 2.8 Nước thải chăn ni heo được xử lý (a) bằng túi biogas và (b) thải ra hầm chứa
[70].................................................................................................................................22
Hình 2.9 Cơ chế tạo cấu trúc gồ ghề trên bề mặt (A) và các hệ thống mao quản (B) từ
q trình hoạt hóa tro trấu bằng HF [94]. ......................................................................32
Hình 2.10 Một số kỹ thuật biến tính bề mặt vật liệu để tăng cường khả năng hấp phụ đối
với các anion như nitrat, phốt phát ................................................................................33
Hình 2.11 Mơ tả cơ chế biến tính bề mặt chất hấp phụ bằng phương pháp (a) proton hóa,
(b) ghép amin và (c) ngâm tẩm với kim loại/oxit kim loại để hấp phụ nitrat ...............33

Hình 2.12 Mơ tả cơ chế proton hóa các nhóm mono-, di- và tri-amin trên chất mang
silica mao quản trung bình (M-silica) [98] ....................................................................34
Hình 2.13 Sơ đồ minh họa cơ chế hấp phụ ion nitrat trên vật liệu bột củ cải đường được
tẩm kim loại zirconi (Zr4+) [96] .....................................................................................35
Hình 2.14 Mơ tả cơ chế ghép nhóm amin trên chất mang silica mao quản trung bình và
proton hóa nhóm amin [96] ...........................................................................................36
Hình 3.1 Sơ đồ nghiên cứu của đề tài ............................................................................46
Hình 3.2 Sơ đồ nghiên cứu chế tạo vật liệu hấp phụ mới từ tro trấu ............................ 49
Hình 3.3 Minh họa quy trình hoạt hóa tro trấu tạo chất mang ARHA ..........................50
Hình 3.4 Minh họa quy trình tổng hợp vật liệu TRI-ARHA .........................................51
Hình 4.1 Ảnh hưởng của nồng độ HF đến diện tích bề mặt riêng và khả năng hấp phụ
của tro trấu sau khi hoạt hóa ..........................................................................................72
Hình 4.2 Ảnh hưởng của nồng độ axit HF trong quá trình hoạt hóa tro trấu đến khả năng
hấp phụ của vật liệu TRI-ARHA ...................................................................................74
Hình 4.3 Phổ FTIR của tro trấu hoạt hoá (ARHA) với các nồng độ HF khác nhau: 0%
(1), 1% (2), 3% (3), 5% (4), 7% (5) và 9% (6).............................................................. 74

xii


Hình 4.4 Phổ XRD của ARHA với nồng độ HF 0% (1), 5% (2) và 9% (3) .................75
Hình 4.5 Ảnh hưởng của tỷ lệ thể tích triamin silan và ARHA đến khả năng hấp phụ của
vật liệu TRI-ARHA .......................................................................................................76
Hình 4.6 Ảnh hưởng của nhóm amin ghép trên chất mang ARHA .............................. 77
Hình 4.7 Đồ thị mơ tả mức độ mong đợi và đồ thị đồng mức của các hàm mục tiêu ...80
Hình 4.8 Bản đồ che phủ giữa các vùng khảo sát và vị trí điểm tối ưu ........................81
Hình 4.9 Quy trình và các thơng số kỹ thuật chế tạo vật liệu TRI-ARHA ở quy mơ phịng
thí nghiệm ......................................................................................................................82
Hình 4.10 Tro trấu thơ (RHA), tro trấu hoạt hóa (ARHA) và tro trấu hoạt hóa sau khi
ghép amin (TRI-ARHA)................................................................................................ 83

Hình 4.11 Phổ FTIR của (1) RHA, (2) ARHA, (3) TRI-ARHA (chưa kích hoạt với HCl),
(4) TRI-ARHA (đã kích hoạt với HCl) và (5) nhựa trao đổi anion Akualite A420 ......84
Hình 4.12 Ảnh SEM của RHA với độ phóng đại X500 (A) và ARHA với độ phóng đại
X500 (B), X1000 (C), X5000 (D) .................................................................................86
Hình 4.13 Ảnh (a) SEM, (b) EDX, (c) C mapping, (d) N mapping, (e) O mapping và (f)
Si mapping của vật liệu TRI-ARHA .............................................................................87
Hình 4.14 Phổ XRD của (1) ARHA, (2) TRI-ARHA chưa kích hoạt với HCl và (3) TRIARHA đã kích hoạt với HCl ..........................................................................................88
Hình 4.15 Đường cong (a) TG và (b) DTG của ARHA và TRI-ARHA .......................89
Hình 4.16 Điểm đẳng điện (pHpzc) của vật liệu TRI-ARHA .........................................89
Hình 4.17 Ảnh hưởng của pH dung dịch MO ban đầu đến khả năng hấp phụ của vật liệu
TRI-ARHA ....................................................................................................................92
Hình 4.18 Ảnh hưởng của liều lượng chất hấp phụ đến khả năng loại bỏ MO của vật liệu
TRI-ARHA ....................................................................................................................92
Hình 4.19 (a) Ảnh hưởng của thời gian tiếp xúc đến khả năng hấp phụ MO ở các nồng
độ ban đầu khác nhau và (b) đồ thị biểu kiến bậc 2 của vật liệu TRI-ARHA ..............95
Hình 4.20 Đẳng nhiệt hấp phụ MO của vật liệu TRI-ARHA ở các nhiệt độ khác nhau
.......................................................................................................................................97
Hình 4.21 Độ bền hấp phụ MO của TRI-ARHA và AC .............................................100
Hình 4.22 Khả năng hấp phụ MO của TRI-ARHA so với các loại vật liệu khác .......101
Hình 4.23 Ảnh hưởng của pH dung dịch ban đầu đến khả năng hấp phụ nitrat của vật
liệu TRI-ARHA ...........................................................................................................103
Hình 4.24 Ảnh hưởng của liều lượng TRI-ARHA đến khả năng hấp phụ nitrat ........104

xiii


Hình 4.25 (a) Ảnh hưởng của thời gian tiếp xúc đến khả năng hấp phụ nitrat ở các nồng
độ ban đầu khác nhau và (b) đồ thị biểu kiến bậc 2 ....................................................106
Hình 4.26 Đẳng nhiệt hấp phụ nitrat của vật liệu TRI-ARHA ở các nhiệt độ khác nhau
.....................................................................................................................................108

Hình 4.27 Độ bền hấp phụ nitrat của TRI-ARHA và Akualite A420 .........................111
Hình 4.28 Khả năng hấp phụ nitrat của TRI-ARHA so với các loại vật liệu khác .....112
Hình 4.29 Ảnh hưởng của pH dung dịch ban đầu đến khả năng hấp phụ phốt phát của
vật liệu TRI-ARHA .....................................................................................................115
Hình 4.30 Ảnh hưởng của liều lượng chất hấp phụ đến khả năng loại bỏ phốt phát của
vật liệu TRI-ARHA .....................................................................................................116
Hình 4.31 (a) Ảnh hưởng của thời gian tiếp xúc đến khả năng hấp phụ phốt phát ở các
nồng độ ban đầu khác nhau và (b) đồ thị biểu kiến bậc 2 của vật liệu TRI-ARHA ...117
Hình 4.32 Đẳng nhiệt hấp phụ phốt phát của TRI-ARHA ở các nhiệt độ khác nhau .119
Hình 4.33 Độ bền hấp phụ phốt phát của TRI-ARHA và nhựa Akuakite A420 sau 10 lần
tái sinh..........................................................................................................................122
Hình 4.34 Khả năng hấp phụ phốt phát của TRI-ARHA so với các loại vật liệu khác
.....................................................................................................................................123
Hình 4.35 Khả năng hấp phụ đa thành phần của vật liệu Fe-ARHA, TRI-Fe-ARHA và
TRI-ARHA ..................................................................................................................125
Hình 4.36 Khả năng hấp phụ của vật liệu TRI-ARHA trong các trường hợp xử lý riêng
lẻ và đồng thời các thành phần MO, nitrat và phốt phát .............................................127
Hình 4.37 Các cấu trúc tối ưu của metyl da cam: (a) cis-MO, (b) trans-MO, (c) cis-MO
đã proton hóa, (d) trans-MO đã proton hóa và (e) hợp chất trans-MO được kích hoạt với
Na+ ...............................................................................................................................129
Hình 4.38 (a) Cơ chế tổng hợp vật liệu TRI-ARHA và (b) cơ chế kích hoạt các tâm amin
trong cấu trúc MO giúp tăng cường khả năng hấp phụ anion nitrat và phốt phát của vật
liệu TRI-ARHA ...........................................................................................................132
Hình 4.39 Phổ FTIR của vật liệu TRI-ARHA trước và sau khi hấp phụ MO, nitrat và
phốt phát ......................................................................................................................133
Hình 4.40 Minh họa cơ chế hấp phụ của vật liệu TRI-ARHA ....................................134
Hình 4.41 Vị trí thu mẫu (1) nước thải chăn ni .......................................................135
Hình 4.42 Vị trí thu mẫu (2) nước thải hỗn hợp..........................................................136
Hình 4.43 Khả năng hấp phụ đồng thời các thành phần hữu cơ, nitrat và phốt phát của
vật liệu TRI-ARHA so với than hoạt tính và nhựa trao đổi ion thương mại trong mẫu

nước thải thực tế ..........................................................................................................138

xiv


Hình 4.44 Nồng độ các thành phần ơ nhiễm trước và sau khi xử lý bằng vật liệu TRIARHA, AC và Akualite A420 so với QCVN về nước thải chăn ni ........................139
Hình 4.45 Nồng độ các thành phần ơ nhiễm trong nước thải trước và sau khi hấp phụ
bằng vật liệu TRI-ARHA ............................................................................................140
Hình 4.46 Đề xuất quy trình xử lý nước thải thực tế...................................................142

xv


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 2.1 Phần trăm khối lượng các oxit có trong tro trấu ............................................10
Bảng 2.2 Thành phần hóa học của trấu và tro trấu [30] ................................................10
Bảng 2.3 Khả năng hấp phụ các thành phần hữu cơ của tro trấu và vật liệu chế tạo từ tro
trấu .................................................................................................................................14
Bảng 2.4 Khả năng hấp phụ thành phần vô cơ của các vật liệu chế tạo từ tro trấu ......16
Bảng 2.5 Nồng độ phốt pho và trạng thái phú dưỡng của thủy vực [65] ......................21
Bảng 2.6 Đặc trưng chất lượng nước thải chăn ni heo sau q trình ủ biogas ..........22
Bảng 2.7 So sánh một số phương pháp xử lý ô nhiễm nước thải [73] ..........................24
Bảng 2.8 Khả năng hấp phụ metyl da cam và các chất hữu cơ khác của một số vật liệu
đã nghiên cứu.................................................................................................................28
Bảng 2.9 Khả năng hấp phụ nitrat và phốt phát của một số vật liệu đã nghiên cứu .....29
Bảng 2.10 Khả năng hấp phụ nitrat và phốt phát của một số vật liệu hấp phụ được biến
tính với amin trên nền chất mang silica .........................................................................39
Bảng 3.1 Danh mục các hóa chất chính sử dụng trong nghiên cứu .............................. 48
Bảng 3.2 Tổng hợp các điều kiện thực hiện thí nghiệm khảo sát khả năng hấp phụ chất
hữu cơ (metyl da cam) của vật liệu TRI-ARHA ...........................................................57

Bảng 3.3 Tổng hợp các điều kiện thực hiện thí nghiệm khảo sát khả năng hấp phụ nitrat
của vật liệu TRI-ARHA.................................................................................................60
Bảng 3.4 Tổng hợp các điều kiện thực hiện thí nghiệm khảo sát khả năng hấp phụ phốt
phát của vật liệu TRI-ARHA .........................................................................................62
Bảng 4.1 Các hệ số tính tốn mơ hình đa thức bậc 2 cho các hàm mục tiêu ................79
Bảng 4.2 Kết quả kiểm nghiệm ở điều kiện tổng hợp vật liệu tối ưu............................ 81
Bảng 4.3 Diện tích bề mặt riêng và hàm lượng amin trên ARHA và TRI-ARHA .......83
Bảng 4.4 Thơng số động học của các mơ hình hấp phụ MO trên vật liệu TRI-ARHA 94
Bảng 4.5 Các thông số đẳng nhiệt hấp phụ MO của vật liệu TRI-ARHA ở các nhiệt độ
khác nhau .......................................................................................................................97
Bảng 4.6 Các đại lượng nhiệt động của hấp phụ MO bằng vật liệu TRI-ARHA ở các
nhiệt độ khác nhau .........................................................................................................99
Bảng 4.7 So sánh khả năng hấp phụ MO của TRI-ARHA với một số vật liệu hấp phụ đã
được nghiên cứu và công bố ........................................................................................102
Bảng 4.8 Thơng số động học của các mơ hình hấp phụ nitrat bằng vật liệu TRI-ARHA
.....................................................................................................................................105
xvi


Bảng 4.9 Thơng số của các mơ hình đẳng nhiệt hấp phụ nitrat bằng vật liệu TRI-ARHA
ở các nhiệt độ khác nhau .............................................................................................108
Bảng 4.10 Các đại lượng nhiệt động của hấp phụ nitrat bằng vật liệu TRI-ARHA ở các
nhiệt độ khác nhau .......................................................................................................110
Bảng 4.11 So sánh khả năng hấp phụ nitrat của TRI-ARHA với một số vật liệu hấp phụ
đã được nghiên cứu và công bố ...................................................................................113
Bảng 4.12 Thông số động học của các mơ hình hấp phụ phốt phát trên vật liệu TRIARHA ..........................................................................................................................118
Bảng 4.13 Các thông số đẳng nhiệt hấp phụ phốt phát của vật liệu TRI-ARHA ở các
nhiệt độ khác nhau .......................................................................................................120
Bảng 4.14 Các đại lượng nhiệt động của hấp phụ phốt phát bằng vật liệu TRI-ARHA ở
các nhiệt độ khác nhau ................................................................................................121

Bảng 4.15 So sánh khả năng hấp phụ phốt phát của TRI-ARHA với một số vật liệu hấp
phụ đã được nghiên cứu và công bố ............................................................................124
Bảng 4.16 Các giá trị năng lượng tổng và năng lượng tương đối được tính tốn của đồng
phân cis- và trans- của metyl da cam ở mức lý thuyết B3LYP/6-31G*......................128
Bảng 4.17 Các giá trị năng lượng tổng và năng lượng tương đối được tính tốn của các
đồng phân cis-MO, trans-MO, và các dạng đã được proton hóa hoặc kích hoạt với Na+
ở mức lý thuyết B3LYP/6-31G* .................................................................................130
Bảng 4.18 Nồng độ, thành phần ô nhiễm trong mẫu nước thải ban đầu và sau quá trình
xử lý sơ bộ dùng cho các thí nghiệm hấp phụ .............................................................136
Bảng 4.19 Khả năng xử lý các chất ô nhiễm trong nước thải đa thành phần của vật liệu
TRI-ARHA ..................................................................................................................141

xvii


DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
Từ viết tắt

Tiếng Anh

Tiếng Việt

AC

Activated carbon

Than hoạt tính

ARHA


Activated rice husk ash

Tro trấu hoạt hóa

BET

Brunauer Emmett Teller

BOD

Biochemical oxygen demand

Nhu cầu oxy sinh hóa

BTNMT

Bộ Tài nguyên và Môi trường

CHC

Chất hữu cơ

CHP

Chất hấp phụ

COD

Chemical oxygen demand


Nhu cầu oxy hóa học
Cơ sở sản xuất

CSSX
DI

Deionization

Khử ion

DTG

Derivative thermogravimetry

Nhiệt trọng lượng vi phân

ĐBSCL

Đồng bằng sông Cửu Long

ED

Electrodialysis

Điện thẩm tách

EDX

Energy-dispersive X-ray


Phổ tán sắc năng lượng tia X

spectroscopy
FRHA

Fresh rice husk ash

Tro trấu thô

FTIR

Fourier transform infrared

Quang phổ hồng ngoại biến

spectroscopy

đổi Fourier

GAC

Granular activated carbon

Than hoạt tính dạng hạt

IX

Ion exchange

Trao đổi ion


MO

Methyl orange

Metyl da cam

MB

Methylene blue

Methylen xanh

xviii


PAC

Powdered activated carbon

Than hoạt tính dạng bột
Quy chuẩn Việt Nam

QCVN
RHA

Rice husk ash

Tro trấu


RO

Reverse osmosis

Thẩm thấu ngược

SEM

Scanning electron microscopy

Kính hiển vi điện tử quét

SMEWW

Standard methods for the

Phương pháp chuẩn cho việc

examination of water and

kiểm tra nước và nước thải

wastewater
Tiêu chuẩn Việt Nam

TCVN
TDS

Total dissolved solids


Tổng chất rắn hịa tan

TGA

Thermogravimetry analysis

Phân tích nhiệt trọng lượng

TN

Total nitrogen

Tổng nitơ

TP

Total phosphorus

Tổng phốt pho

TRI-ARHA

Triamine-bearing activated rice

Tro trấu hoạt hóa chứa triamin

husk ash
TSS

Total suspended solids


Tổng chất rắn lơ lửng

US EPA

United States Environmental

Cơ quan Bảo vệ Môi trường

Protection Agency

Hoa Kỳ

X-ray difraction

Nhiễu xạ tia X

XRD

xix


CHƯƠNG 1

MỞ ĐẦU

Đặt vấn đề
Kỹ thuật tái chế chất thải rắn từ các quá trình sản xuất thành những vật liệu hữu ích cho
xử lý ơ nhiễm mơi trường để nâng cao giá trị của chất thải, đưa chất thải vào vịng tuần
hồn vật chất là một trong những xu hướng nghiên cứu thu hút nhiều sự quan tâm của

các nhà khoa học hiện nay. Giải pháp này đáp ứng đồng thời mục tiêu bảo vệ môi trường,
tiết kiệm tài nguyên và phát triển kinh tế tuần hoàn, phù hợp với nhu cầu và xu thế phát
triển tất yếu của thế giới và định hướng phát triển ở Việt Nam. Trong những năm gần
đây, rất nhiều nguồn chất thải đã được tận dụng làm nguyên liệu đốt để thu hồi năng
lượng. Chẳng hạn như vỏ trấu, một loại chất thải có khối lượng rất lớn đối với một nước
nơng nghiệp như Việt Nam, hiện đang được sử dụng một cách hiệu quả để làm nguyên
liệu đốt (như cung cấp nhiệt cho lị nung gạch, lị sấy nơng sản... [1, 2]). Theo đó, lượng
tro trấu thải sau khi đốt phát sinh với khối lượng lớn và trở thành một vấn đề mơi trường
đáng quan tâm ở Việt Nam nói chung và Đồng bằng sơng Cửu Long nói riêng. Hiện
nay, ở nước ta tro trấu đã được nghiên cứu ứng dụng vào một số lĩnh vực như cải tạo
đất trong nông nghiệp, làm phụ gia trong sản xuất xi măng, vật liệu xây dựng nhẹ [3, 4]
nhưng nhìn chung vẫn chưa có giải pháp nào mang tính hiệu quả để tận dụng nguồn chất
thải này. Gần đây, tro trấu và vật liệu hấp phụ có nguồn gốc từ tro trấu đã được nghiên
cứu để loại bỏ các hợp chất hữu cơ khó phân hủy sinh học [5-7] và một số ion kim loại
nặng [8, 9] trong mơi trường nước. Thêm vào đó, các nghiên cứu khác của Nguyễn
Trung Thành và các cộng sự [7, 10-12] cũng cho thấy tro trấu sau khi xử lý bề mặt (có
thành phần chủ yếu là oxit silic và cacbon) thể hiện với những đặc trưng riêng biệt rất
phù hợp để làm chất hấp phụ (CHP) hoặc làm chất mang bởi vật liệu này có cấu trúc
xốp, diện tích bề mặt riêng lớn và khả năng chịu nhiệt tốt. Các kết quả nghiên cứu đã
công bố cho thấy tro trấu là một nguồn nguyên liệu tiềm năng cho việc chế tạo các vật
liệu hấp phụ hữu ích để ứng dụng xử lý các chất ô nhiễm trong nước thải [13]. Tuy
nhiên, hạn chế của các cơng trình nghiên cứu trước đây là hiệu quả hấp phụ thường
không cao hoặc vật liệu chỉ có khả năng loại bỏ một thành phần ô nhiễm nhất định.

1


Trong khi đó, nước thải thường chứa rất nhiều thành phần ô nhiễm khác nhau như các
chất ô nhiễm hữu cơ và các anion vô cơ của nitơ, phốt pho.
Xử lý nước thải không chỉ là vấn đề lớn ở khu vực đơ thị mà cịn là vấn đề khó khăn ở

nhiều vùng nông thôn, nhất là những vùng đang trong q trình xây dựng nơng thơn
mới. Chẳng hạn như, ô nhiễm môi trường từ hoạt động chăn nuôi là một trong những
vấn đề nan giải ở nhiều vùng nông thôn hiện nay. Ở Việt Nam, chất thải chăn nuôi gia
súc (heo, bò) chủ yếu được xử lý bằng hầm phân hủy yếm khí (hầm biogas) nhằm tận
dụng nguồn biogas làm nhiên liệu [14, 15]. Sau quá trình phân hủy này, các thành phần
gây ô nhiễm trong nước thải như các chất hữu cơ và các hợp chất nitơ (tồn tại chủ yếu
ở dạng amoni), phốt pho vẫn còn ở mức cao. Đây là các tác nhân làm ô nhiễm nghiêm
trọng nguồn nước mặt như gây ra hiện tượng phú dưỡng, làm suy thoái chất lượng nước
và phá hủy hệ sinh thái ở các thủy vực [16, 17]. Ngoài ra, nước thải sinh hoạt và nước
thải sản xuất từ các làng nghề truyền thống (như dệt nhuộm) thường xử lý chưa đạt hiệu
quả cũng chứa rất nhiều thành phần ô nhiễm độc hại khác nhau. Do đó, việc tiếp tục xử
lý các tác nhân gây ô nhiễm (đặc biệt chú trọng là chất hữu cơ, nitrat, phốt phát còn lại
sau các q trình xử lý bậc 1, bậc 2) có trong các loại nước thải đa thành phần như nước
thải dệt nhuộm, nước thải sinh hoạt, nước thải chăn nuôi (sau q trình ủ biogas) bằng
các cơng trình xử lý nâng cao như hấp phụ là rất cần thiết.
Đối với lĩnh vực sản xuất chất hấp phụ, hiện nay than hoạt tính (AC) vẫn được xem là
chất hấp phụ phổ biến nhất và ở Việt Nam thường được sản xuất chủ yếu từ gáo dừa.
Tuy nhiên, sử dụng than hoạt tính gáo dừa chất lượng cao thường tốn kém chi phí và
nguồn cung hạn chế. Hơn nữa, vì bản chất của than hoạt tính chỉ dựa trên khả năng hấp
phụ vật lý nên ứng dụng của nó trong xử lý nước chỉ dừng lại ở việc loại bỏ các hợp chất
hữu cơ, một số ion kim loại nặng và thành phần khơng phân cực có hàm lượng nhỏ trong
nước [18]. Thêm vào đó, đối với kỹ thuật hấp phụ, trong q trình thiết kế và thi cơng
các thiết bị hấp phụ thường có thể tích khá lớn do sử dụng các vật liệu có khả năng hấp
phụ riêng lẻ đối với các chất ơ nhiễm. Ngồi ra, tính chịu nhiệt độ của các vật liệu cũng
là một hạn chế cần xem xét khi sử dụng (ví dụ như các loại nhựa trao đổi ion). Do đó,
điều chắc chắn rằng chế tạo một vật liệu chịu nhiệt tốt và có khả năng hấp phụ đồng thời
nhiều chất ô nhiễm trên các tâm hấp phụ khác nhau với thể tích hạt hấp phụ nhỏ nhất là

2



điều cần thiết và là giải pháp hiệu quả để giảm thể tích thiết bị hấp phụ trong cơng
nghiệp. Tuy nhiên, việc khám phá hướng nghiên cứu này còn nhiều hạn chế.
Xuất phát từ các vấn đề đặt ra, đề tài “Nghiên cứu chế tạo vật liệu mới từ tro trấu hấp
phụ đồng thời chất hữu cơ, nitrat, phốt phát trong nước thải” đã được thực hiện. Đây là
đề tài có ý nghĩa khoa học cao và mang nhiều ý nghĩa thực tiễn, đưa ra một giải pháp kỹ
thuật mới để tái chế nguồn tro trấu thải rất lớn ở nước ta thành các vật liệu hấp phụ tiên
tiến có khả năng ứng dụng xử lý các loại nước thải đa thành phần trong thực tế.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
1.2.1 Đối tượng nghiên cứu
Luận án này tập trung vào đối tượng nghiên cứu chính là tro trấu thải từ các lò đốt để
làm nguồn nguyên liệu chế tạo vật liệu hấp phụ mới. Đối tượng xử lý hướng đến là chất
ô nhiễm hữu cơ, nitrat và phốt phát trong các loại nước thải đa thành phần.
1.2.2 Phạm vi nghiên cứu
Luận án tiến hành các thí nghiệm chế tạo vật liệu, phân tích đặc trưng và nghiên cứu
tính chất hấp phụ của vật liệu đối với 03 thành phần là chất hữu cơ (cụ thể là metyl da
cam), nitrat và phốt phát trong dung dịch nước thải giả lập ở điều kiện phịng thí nghiệm
và tiến hành thử nghiệm cơ bản đối với các loại nước thải thực tế chứa đa thành phần ô
nhiễm từ nhiều nguồn như nước thải chăn nuôi (heo), nước thải dệt nhuộm, nước thải
sinh hoạt.

3


CHƯƠNG 2

TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU, MỤC TIÊU,
Ý NGHĨA VÀ TÍNH MỚI

Tổng quan về tro trấu và vật liệu hấp phụ chế tạo từ tro trấu

2.1.1 Sơ lược về trấu và tro trấu
Trấu là phần vỏ ngoài bao quanh hạt lúa và được tách ra dưới dạng phụ phẩm khi xay
xát thành gạo. Vỏ trấu có kích thước trung bình dài 8-10 mm, rộng 2-3 mm và dày 0,2
mm với khối lượng riêng khi nén chỉ khoảng 122 kg/m3 [19]. Vì vậy, cần phải tốn khá
nhiều khơng gian để chứa chúng. Đối với các cơ sở xay xát gạo tập trung, có cơng suất
lớn thì việc quản lý và xử lý lượng trấu thải ra hàng ngày là một vấn đề khó khăn thường
xuyên phải đối mặt. Theo nghiên cứu tổng quan của Chandrasekhar, et al. [20], hầu hết
các loại vỏ trấu có thành phần hữu cơ chiếm trên 90% khối lượng. Các hợp chất chính
ở dạng xenlulose và lignin có cấu trúc xốp. Những hợp chất này khi cháy chứa chủ yếu
là SiO2 và các khí CO2, CO thải vào mơi trường. Ngồi ra, trấu có giá trị dinh dưỡng rất
thấp và chậm phân hủy nên cũng không thích hợp để sản xuất phân compost. Một trong
các phương pháp xử lý phổ biến nhất hiện nay là đốt trấu để giảm khối lượng và thể tích
của nó, đồng thời có thể tận dụng được lượng nhiệt tỏa ra trong quá trình đốt trấu để
phục vụ cho các ngành công nghiệp như nung gạch, sấy nông sản,... Theo Mehta and
Monteiro [21], hàm lượng trấu chiếm khoảng 20% hạt lúa và khi đốt trấu tạo thành một
lượng tro khoảng 20% khối lượng trấu ban đầu. Như vậy, ước tính khi xay xát mỗi tấn
lúa sẽ thải ra 200 kg trấu và khi đốt sẽ còn lại khoảng 40 kg tro (hay than trấu). Tuy
nhiên, đây chỉ là số liệu trung bình vì hàm lượng trấu trong lúa và hàm lượng tro trong
trấu dao động trong một phạm vi khá lớn, phụ thuộc vào nhiều yếu tố như giống lúa,
chất lượng đất, phân bón, thời vụ, khí hậu,... [21]. Những năm gần đây, ngành nông
nghiệp trồng lúa trên thế giới đã có những phát triển vượt bậc. Việt Nam là một nước có
thế mạnh về chuyên canh, chế biến và xuất khẩu lúa gạo với tổng sản lượng bình quân
là 43,22 triệu tấn lúa trong giai đoạn 2016 - 2020 và đạt mức 42,76 triệu tấn lúa trong
năm 2020 [22]. Nếu sử dụng các số liệu trung bình về hàm lượng trấu và tro trấu theo
Mehta and Monteiro [21] để tính tốn thì lượng vỏ trấu (Hình 2.1) và tro trấu (Hình 2.2)
ước tính phát sinh trong cả nước năm 2020 sẽ tương ứng là 8,552 và 1,71 triệu tấn.

4