Đang tải... (xem toàn văn)
Nhằm mục tiêu khống chế hiện tượng phú dưỡng trong tự nhiên, đồng thời góp phần giải quyết bài toán thiếu hụt phospho (P) trong sản xuất phân bón, nhiều nhà khoa học đã đề nghị sử dụng kỹ thuật kết tủa struvite hoặc phát triển các loại vật liệu hydroxid kép có khả năng hấp phụ và trao đổi hiệu quả ion phosphate. Tuy nhiên, phương pháp tạo kết tủa struvite chỉ hiệu quả với các loại nước thải có hàm lượng phosphate cao. Ngược lại, các hydroxid kép được nhận thấy có ái lực rất tốt với ion phosphate, khiến cho quá trình giải hấp phosphate và tái sử dụng hydroxid kép trở nên rất khó khăn. Chính vì vậy, GS Kaimin Shih và các nhà khoa học thuộc Khoa Công nghệ kỹ thuật hóa học, Đại học Hồng Kông đã đề nghị kết hợp giữa hydroxid kép và kỹ thuật tạo kết tủa struvite nhằm tạo ra một hệ vật liệu mới cho phép thu hồi hiệu quả phosphate trong nước thải, đồng thời có khả năng tiết chậm dưỡng chất theo thời gian.
KH&CN nước ngồi GIẢI PHÁP MỚI CHO BÀI TỐN THU HỒI PHOSPHO VÀ TỔNG HỢP PHÂN BÓN TIẾT CHẬM Nhằm mục tiêu khống chế tượng phú dưỡng tự nhiên, đồng thời góp phần giải tốn thiếu hụt phospho (P) sản xuất phân bón, nhiều nhà khoa học đề nghị sử dụng kỹ thuật kết tủa struvite phát triển loại vật liệu hydroxid kép có khả hấp phụ trao đổi hiệu ion phosphate Tuy nhiên, phương pháp tạo kết tủa struvite hiệu với loại nước thải có hàm lượng phosphate cao Ngược lại, hydroxid kép nhận thấy có lực tốt với ion phosphate, khiến cho trình giải hấp phosphate tái sử dụng hydroxid kép trở nên khó khăn Chính vậy, GS Kaimin Shih nhà khoa học thuộc Khoa Cơng nghệ kỹ thuật hóa học, Đại học Hồng Kông đề nghị kết hợp hydroxid kép kỹ thuật tạo kết tủa struvite nhằm tạo hệ vật liệu cho phép thu hồi hiệu phosphate nước thải, đồng thời có khả tiết chậm dưỡng chất theo thời gian Nhu cầu thu hồi tái sử dụng P P nguồn dưỡng chất quan trọng cho trình phát triển thực vật, bao gồm loài thực vật phù du nước Vì vậy, phân lân bị lạm dụng cách tràn lan nông nghiệp, lượng P dư thừa phân không hấp thụ xâm nhập vào nguồn nước tự nhiên, từ gây tượng phú dưỡng Chính thế, loại bỏ P khỏi nguồn nước quy trình quan trọng để khống chế tượng phú dưỡng (hình 1) Cho đến thời điểm tại, công nghệ xử lý P thông thường đạt hiệu định, nhiên mục tiêu loại bỏ P nước nhằm đạt tiêu chuẩn nước thải ngày nghiêm ngặt thách thức nhà khoa học giới [1, 2] Trong đó, cơng nghiệp sản xuất phân lân phải đối mặt với nhiều trở ngại, chủ yếu đến từ việc phụ thuộc nhiều vào trình khai thác quặng phosphorite Trong vài năm gần đây, khan P dần trở thành khủng hoảng công nghiệp phân bón nói riêng hệ thống lương thực tồn cầu nói chung [3, 4] Xuất phát từ áp lực kép, vừa phải kiểm soát tượng phú dưỡng, vừa phải đáp ứng nguồn cung P cho ngành phân bón, nhiều nghiên cứu tập trung phát triển giải pháp khác nhằm thu hồi P từ Hình Hiện tượng phú dưỡng đến từ việc lạm dụng phân bón hóa học nước thải Mehta cộng chia đường thu hồi dưỡng chất đất thành ba giai đoạn: tích lũy dưỡng chất, giải phóng dưỡng chất phân tách dưỡng chất [5] Đối với dưỡng chất P, hầu hết phương pháp thu hồi tập trung vào hai giai đoạn, có thiết kế tiến hành ba giai đoạn Chẳng hạn, công nghệ sử dụng kết tủa struvite (MgNH4PO4.6H2O), vốn kỹ thuật ưa chuộng nhất, chủ yếu vận hành tốt giai đoạn phân tách dưỡng chất nhờ vào việc sản phẩm kết tủa trực tiếp sử dụng nguồn phân bón tiết chậm P chất lượng cao so với loại phân bón thương mại Số năm 2019 61 KH&CN nước ngồi khác [6] Tuy nhiên, q trình kết tinh struvite đòi hỏi hàm lượng P tương đối cao (>50 ppm P), vốn không phù hợp với hầu hết nguồn nước thải Ngược lại, kỹ thuật hấp phụ tỏ hứa hẹn khả tích lũy P lại gặp nhiều khó khăn việc phân tách P khỏi vật liệu hấp phụ chuyển hóa thành sản phẩm có giá trị [7] Ứng dụng vật liệu hydroxid kép để thu hồi P Trong bối cảnh đó, vật liệu hydroxid kép dần trở thành lựa chọn nhà khoa học Hydroxid kép (hay biết đến hợp chất giống hydrotalcite, hình 2) nhóm vật liệu đất sét tổng hợp có cơng thức tổng qt [MII1–xMIIIx(OH)2]x+[An–]x/n.yH2O, với MII MIII ion kim loại, An– anion liên kết lớp n có giá trị từ 0,17 đến 0,33 [8] Vật liệu có cấu trúc tinh thể dạng lớp brucite, phần ion hóa trị hai (MII) thay ion hóa trị ba (MIII), tạo mặt bát diện tích điện dương Để trung hòa phần điện tích dương này, vùng xen kẽ lớp đan cài anion phân tử nước có khả trao đổi Nhờ vậy, hydroxid Hình Cấu trúc hydroxid kép với phân tử nước ion đan cài lớp 62 Số năm 2019 kép có tiềm sử dụng lớn việc hấp phụ trao đổi anion nước Hơn nữa, trình nung gia nhiệt nhận thấy phương pháp đơn giản để nâng cao khả hấp phụ vật liệu hydroxid kép đan cài carbonate, ion carbonate vốn có lực mạnh với lớp ion kim loại bị phân hủy suốt trình nung, hệ q trình tái cấu trúc (hay gọi "hiệu ứng nhớ" vật liệu) hỗ trợ anion khác dễ dàng hấp phụ lên vật liệu [9] Theo đó, loạt vật liệu hydroxid kép nung báo cáo xử lý hiệu P nước thải [10] Cụ thể, hydroxid kép AlMg qua nung với tỷ lệ mol Mg/Al 2/1 Das cộng báo cáo vật liệu hấp phụ phosphate tốt số vật liệu hydroxid kép thường dùng [11] Đặc biệt, nhóm nghiên cứu Zhan khẳng định lớp nano hydroxid kép Mg-Al siêu mỏng sau nung thể khả loại bỏ P hiệu dung dịch có hàm lượng P thấp (2 mg P/l) với hiệu suất xử lý đạt 93,5% [12] Tuy nhiên, để tái sử dụng vật liệu hydroxid kép sau hấp phụ phosphate, vấn đề giải hấp cần đặt Thực tế, nghiên cứu báo cáo liên quan đến khả giải hấp phosphate từ hydroxid kép Đối với nhiều nhà nghiên cứu, giai đoạn tốn thách thức muốn xây dựng hệ thống thu hồi dưỡng chất hồn chỉnh Trong nghiên cứu mình, Kuzawa cộng nhận thấy khả hấp phụ P hydroxid kép Mg-Al giảm đến 70% sau bốn vòng sử dụng liên tục, sử dụng dung dịch NaOH NaCl để tiến hành giải hấp [13] Tương tự, nghiên cứu Chen khoảng 60% hydroxid kép Zn-Al tái sử dụng thành cơng sau vòng hấp phụ - giải hấp với dung dịch NaOH 5% [14] Điều chứng tỏ phosphate có lực tốt với mặt phẳng bát diện tích điện dương hydroxid kép, từ gây nhiều khó khăn việc tách P khỏi vật liệu Ngồi ra, NaOH nhận thấy gây hòa tan nhơm từ cấu trúc hydroxid kép, từ làm giảm tuổi thọ vật liệu hấp phụ Chính thế, nhóm nghiên cứu GS Kaimin Shih (Khoa Công nghệ kỹ thuật hóa học, Đại học Hồng Kơng) đề nghị giải pháp mới, thay sử dụng NaOH để giải hấp phosphate nhằm tái sử dụng hydroxid kép, sử dụng trực tiếp vật liệu sau KH&CN nước hấp phụ loại phân bón tiết chậm [15] Cụ thể, vật liệu hydroxid kép Mg-Al sau hấp phụ P xử lý với dung dịch NH3 nhằm đem lại đồng thời hai hiệu ứng: vừa lôi kéo P khỏi cấu trúc vật liệu hydroxid, vừa tạo tinh thể kết tủa có cấu trúc struvite, thích hợp để sử dụng làm phân bón tiết chậm nơng nghiệp Tổng hợp vật liệu hydroxid kép Mg-Al Quá trình tổng hợp hydroxid kép Mg-Al đan cài carbonate nhóm nghiên cứu GS Kaimin Shih thực theo quy trình Chatelet [15] Đầu tiên, 500 ml dung dịch chứa Na2CO3 0,94M NaOH 3,5M nhỏ giọt từ từ vào hỗn hợp dung dịch chứa đồng thời Mg(NO3)2 1M Al(NO3)3 0,5M điều kiện khuấy trộn liên tục Hỗn hợp huyền phù gia nhiệt 65oC suốt 18 giờ, sau đem ly tâm rửa với nước tinh khiết Mẫu tiếp tục sấy chân khơng tiếp tục nung 300oC vòng 10 để thu vật liệu hydroxid kép Mg-Al mong muốn Hình trình bày giản đồ nhiễu xạ tia X mẫu hydroxid trước sau nung 300oC Tất mũi tín hiệu mẫu hydroxid kép trước nung (hình 3A) thuộc pha hydrotalcite ứng với nhóm khơng gian R-3m, khoảng cách mặt mạng hệ mặt mạng (003) số quan trọng để xác định khoảng cách lớp bát diện hydroxid Các ion carbonate đan cài cấu trúc hydroxid kép thông qua liên kết với nhóm hydroxyl thơng qua phân tử H2O với cầu hydrogen, vốn có độ bền Hệ ion carbonate phân tử H2O loại khỏi vật liệu hydroxid thông qua trình tái cấu trúc vật liệu Vì vậy, mẫu nhóm nghiên cứu nung 300oC nhằm thúc đẩy q trình tái cấu trúc vật liệu, từ gia tăng khả hấp phụ Cường độ (số lần đếm/giây) (B) Cường độ (số lần đếm/giây) (A) Góc nhiễu xạ 2θ (o) Góc nhiễu xạ 2θ (o) Hình Giản đồ nhiễu xạ tia X (A) Mẫu hydroxid kép Mg-Al chưa nung, (B) Mẫu hydroxid kép Mg-Al nung 300oC trao đổi ion Hình 3B cho thấy mũi tín hiệu pha hydrotalcite hồn tồn bị biến sau q trình nung mẫu 300oC, đồng thời có xuất vùng tín hiệu rộng ứng với pha periclase (MgO) cấu trúc vơ định hình, chứng tỏ có sụp đổ cấu trúc cũ lớp brucite tồn Hơn nữa, việc thiếu vắng mũi nhiễu xạ tương ứng với nhôm khẳng định cation Al3+ phân bố đồng khung mạng magnesium oxide sau nung Hình so sánh ảnh kính hiển vi điện tử truyền qua hai mẫu trước sau nung, cho thấy khơng có nhiều khác biệt hình thái bề mặt kích thước hạt hai mẫu (B) (A) Hình Ảnh kính hiển vi điện tử truyền qua (A) Mẫu hydroxid kép Mg-Al chưa nung, (B) Mẫu hydroxid kép Mg-Al nung 300oC Xử lý vật liệu hydroxid kép với dung dịch NH3 Mẫu vật liệu hydroxid kép Mg-Al sau nung 300oC tiến hành cho hấp phụ phosphate thơng qua q trình khuấy trộn với dung dịch KH2PO4 (nồng độ P 500 ppm) vòng 24 (hàm lượng hydroxid kép g/l) Nhờ vào q trình tái cấu trúc vật liệu, nhóm nghiên cứu nhận thấy sau 24 hấp phụ, hàm lượng P mẫu nung đạt đến giá trị 100,7 mg P/g vật liệu Tiếp theo, mẫu lọc, rửa với nước tinh khiết sấy chân không Sản phẩm khô xử lý với dung dịch NH3 24 NH3 có tính bazơ yếu, tạo lượng nhỏ ion OH–, kết hàm lượng ion PO43– trao đổi với OH– để chiết môi trường dung dịch không đáng kể (