Nghiên cứu kết hợp phương pháp vi sinh và xúc tác quang sử dụng vật liệu TiO2 phủ trên một số pha nền để xử lý nước thải hồ nuôi tôm

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUY NHƠN

TÔ TÚ TRÂN

NGHIÊN CỨU KẾT HỢP PHƯƠNG PHÁP VI SINH VÀ

XÚC TÁC QUANG SỬ DỤNG VẬT LIỆU TiO2 PHỦ TRÊN

MỘT SỐ PHA NỀN ĐỂ XỬ LÝ NƯỚC THẢI

HỒ NUÔI TÔM

LUẬN VĂN THẠC SĨ HÓA LÝ THUYẾT & HÓA LÝ

Bình Định – Năm 2020

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUY NHƠN

TÔ TÚ TRÂN

NGHIÊN CỨU KẾT HỢP PHƯƠNG PHÁP VI SINH VÀ

XÚC TÁC QUANG SỬ DỤNG VẬT LIỆU TiO2 PHỦ TRÊN

MỘT SỐ PHA NỀN ĐỂ XỬ LÝ NƯỚC THẢI

HỒ NUÔI TÔM

Chuyên ngành: Hóa Lý Thuyết & Hóa Lý

Mã số : 8440119

Người hướng dẫn: TS. HOÀNG ĐỨC AN

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan công trình này là kết quả nghiên cứu của riêng tôi. Các

số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa được công bố trong

bất cứ một công trình nghiên cứu nào.

LỜI CẢM ƠN

Em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới thầy giáo TS. Hoàng Đức An, thầy

đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ, chỉ bảo và động viên em hoàn thành tốt luận

văn này.

Em xin chân thành cảm ơn thầy giáo TS. Nguyễn Tấn Lâm đã đóng góp

định hướng giúp em hoàn thiện luận văn.

Trong quá trình thực hiện luận văn, em đã nhận được rất nhiều sự quan

tâm và tạo điều kiện của các Thầy, Cô khoa Hóa và Trung tâm thí nghiệm thực

hành A6 – Trường Đại học Quy Nhơn. Em xin bày tỏ lòng cảm ơn chân thành

tới quý Thầy, Cô.

Em xin chân thành cảm ơn gia đình, bạn bè và tập thể lớp Cao học Hóa

K21 đã luôn động viên, khích lệ tinh thần trong suốt quá trình học tập và nghiên

cứu khoa học.

Mặc dù đã rất cố gắng trong thời gian thực hiện luận văn nhưng vì còn hạn

chế về kiến thức cũng như thời gian, kinh nghiệm nghiên cứu nên không tránh

khỏi những thiếu sót. Em rất mong nhận được sự thông cảm và những ý kiến

đóng góp quý báu từ quý Thầy, Cô để luận văn được hoàn thiện hơn.

Em xin chân thành cảm ơn!

MỤC LỤC

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

1. Lý do chọn đề tài ....................................................................................... 1

2. Mục tiêu đề tài........................................................................................... 2

3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu............................................................. 3

4. Phương pháp nghiên cứu........................................................................... 3

5. Cấu trúc luận văn....................................................................................... 4

Chương I. TỔNG QUAN................................................................................ 5

1.1. TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH NUÔI TÔM TRÊN THẾ GIỚI VÀ

VIỆT NAM.................................................................................................... 5

1.1.1. Trên thế giới..................................................................................... 5

1.1.2. Tại Việt Nam ................................................................................... 6

1.1.3. Tại tỉnh Bình Định........................................................................... 7

1.2. NHỮNG HẠN CHẾ, BẤT CẬP VÀ THÁCH THỨC CỦA NGÀNH

NUÔI TÔM ................................................................................................... 9

1.2.1. Chịu tác động nặng nề của ô nhiễm môi trường và biến đổi khí hậu

..................................................................................................... 9

1.2.2. Tác động do sử dụng hóa chất và thức ăn nuôi tôm ...................... 10

1.2.3. Tác động của bùn đáy .................................................................... 11

1.3. MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ NƯỚC THẢI HỒ NUÔI TÔM.. 12

1.3.1. Phương pháp vật lý ........................................................................ 12

1.3.2. Phương pháp sinh học.................................................................... 13

1.3.3. Phương pháp hóa học..................................................................... 15

1.4. GIỚI THIỆU VỀ TITAN DIOXIT KÍCH THƯỚC NANO BIẾN TÍNH

PHỦ TRÊN PHA NỀN VÀ ỨNG DỤNG.................................................. 18

1.4.1. Vật liệu TiO2 .................................................................................. 18

1.4.2. Tính chất xúc tác quang của TiO2 ................................................. 21

1.4.2.1. Khái niệm phản ứng quang xúc tác .................................................21

1.4.2.2. Cơ chế phản ứng xúc tác quang hóa................................................22

1.4.3. Vật liệu TiO2 biến tính................................................................... 26

1.4.4. Vật liệu nano TiO2 biến tính phủ trên các pha nền........................ 27

1.4.5. Ứng dụng........................................................................................ 30

1.4.5.1. Ứng dụng xúc tác quang hóa xử lý môi trường..............................30

1.4.5.2. Ứng dụng trong các lĩnh vực sơn tự làm sạch .................................33

1.4.5.3. Các ứng dụng khác của TiO2 ...........................................................34

1.5. CHẾ PHẨM SINH HỌC...................................................................... 34

1.5.1. Giới thiệu về chế phẩm sinh học.................................................... 34

1.5.2. Tác dụng của chế phẩm sinh học ................................................... 36

1.5.3. Cơ chế hoạt động của chế phẩm sinh học...................................... 38

1.5.4. Chế phẩm vi sinh Remediate ......................................................... 38

Chương II. THỰC NGHIỆM....................................................................... 41

2.1. THIẾT BỊ, HÓA CHẤT, DỤNG CỤ................................................... 41

2.1.1. Thiết bị........................................................................................... 41

2.1.2. Hóa chất......................................................................................... 41

2.1.3. Dụng cụ.......................................................................................... 41

2.1.4. Giới thiệu về vật liệu composite BiOI/TiO2 .................................. 42

2.1.4.1. Hình thái cấu trúc của vật liệu.........................................................42

2.1.4.2. Đặc trưng liên kết hóa học của vật liệu...........................................44

2.1.4.3. Tính chất hấp thụ quang của vật liệu...............................................45

2.2. PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH............................................................ 46

2.2.1. Phương pháp xác định pH theo TCVN 6492:2011 (ISO 10523 :

2008) về chất lượng nước ........................................................................ 46

2.2.2. Phương pháp xác định NH4

+

theo TCVN 2662:1978 về chất lượng

nước ................................................................................................... 47

2.2.3. Phương pháp xác định Nito tổng theo SMEWW 4500 - N.C (2012)

................................................................................................... 48

2.2.4. Phương pháp xác định COD theo TCVN 6491:1999 (ISO

6060:1989) về chất lượng nước............................................................... 49

2.2.5. Phương pháp xác định BOD5 theo TCVN 6001:1995 (ISO 5815:

1989) về chất lượng nước ........................................................................ 51

2.2.6. Phương pháp xác định TSS theo TCVN 6625:2000 (ISO

11923:1997) về chất lượng nước............................................................. 53

2.2.7. Phương pháp xác định PO4

3-

theo SMEWW 4500 - P.E (2012) ... 53

2.3. KHẢO SÁT HOẠT TÍNH XÚC TÁC QUANG CỦA VẬT LIỆU .... 56

2.3.1. Khảo sát thời gian đạt cân bằng hấp phụ....................................... 56

2.3.2. Khảo sát hoạt tính quang xúc tác................................................... 56

2.3.3. Phân tích định lượng tetracyclin (TC)........................................... 57

2.3.2.1. Nguyên tắc........................................................................................57

2.3.2.2. Xây dựng đường chuẩn xác định nồng độ TC..................................57

2.4. NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG XỬ LÝ NƯỚC THẢI HỒ NUÔI TÔM

TRÊN CƠ SỞ VẬT LIỆU COMPOSITE BiOI/TiO2 ................................. 58

2.4.1. Phương pháp lấy mẫu và bảo quản mẫu........................................ 58

2.4.2. Nghiên cứu điều kiện, thời gian và nồng độ chế phẩm vi sinh xử lý

nước thải hồ nuôi tôm hiệu quả nhất ....................................................... 58

2.4.3. Ảnh hưởng của khối lượng chất xúc tác BiOI/TiO2 trên một đơn vị

diện tích đến hoạt tính quang xúc tác của vật liệu khi sử dụng nguồn sáng

đèn ................................................................................................... 59

2.4.4. Ảnh hưởng của khối lượng chất xúc tác BiOI/TiO2 trên một đơn vị

diện tích đến hoạt tính quang xúc tác của vật liệu khi sử dụng nguồn sáng

mặt trời ................................................................................................... 60

2.4.5. Nghiên cứu kết hợp vật liệu TiO2 biến tính phân tán trên pha nền và

phương pháp vi sinh để xử lý nước thải hồ nuôi tôm.............................. 61

Chương III. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN................................................. 63

3.1. ĐÁNH GIÁ HOẠT TÍNH XÚC TÁC QUANG CỦA VẬT LIỆU TiO2

BIẾN TÍNH ĐƯỢC PHÂN TÁN TRÊN PHA NỀN.................................. 63

3.1.1. Khảo sát thời gian cân bằng hấp phụ............................................. 63

3.1.2. Khảo sát các yếu tố thực nghiệm ảnh hưởng đến hoạt tính quang xúc

tác của vật liệu ......................................................................................... 64

3.2. ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG NƯỚC THẢI BAN ĐẦU..................... 67

3.3. NGHIÊN CỨU ĐIỀU KIỆN, THỜI GIAN VÀ NỒNG ĐỘ CHẾ PHẨM

VI SINH XỬ LÝ NƯỚC THẢI HỒ NUÔI TÔM HIỆU QUẢ NHẤT...... 69

3.4. NGHIÊN CỨU CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN KHẢ NĂNG XỬ

LÝ NƯỚC THẢI NUÔI TÔM CỦA VẬT LIỆU BiOI/TiO2 PHÂN TÁN

TRÊN PHA NỀN ........................................................................................ 73

3.4.1. Ảnh hưởng của khối lượng chất xúc tác BiOI/TiO2 trên một đơn vị

diện tích đến hoạt tính quang xúc tác của vật liệu khi sử dụng nguồn sáng

đèn 73

3.4.1.1. Kết quả khảo sát pH.........................................................................74

3.4.1.2. Kết quả khảo sát NH4

+

.....................................................................75

3.4.1.3. Kết quả khảo sát BOD5 ....................................................................76

3.4.1.4. Kết quả khảo sát COD .....................................................................78

3.4.2. Ảnh hưởng của khối lượng chất xúc tác BiOI/TiO2 trên một đơn vị

diện tích đến hoạt tính quang xúc tác của vật liệu khi sử dụng nguồn sáng

mặt trời ................................................................................................... 80

3.4.2.1. Kết quả khảo sát pH.........................................................................80

3.4.2.2. Kết quả khảo sát NH4

+

.....................................................................81

3.4.2.3. Kết quả khảo sát BOD5 ....................................................................83

3.4.2.4. Kết quả khảo sát COD .....................................................................84

3.4.3. Đánh giá khả năng tái sử dụng của vật liệu................................... 88

3.5. HIỆU QUẢ XỬ LÝ NƯỚC THẢI HỒ NUÔI TÔM BẰNG PHƯƠNG

PHÁP KẾT HỢP ......................................................................................... 89

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ...................................................................... 94

TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................ 96

PHỤ LỤC..................................................................................................... 104

QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN THẠC SĨ (Bản sao).......... 115

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

AOPs Advanced Oxidation Processes (Các quá trình oxi hóa nâng cao)

BNNPTNT Bộ nông nghiệp phát triển nông thôn

BOD Biochemical Oxygen Demand (Nhu cầu oxy sinh hoá)

BTNMT Bộ tài nguyên môi trường

CB Condution band (Vùng dẫn)

COD Chemical Oxygen Demand (Nhu cầu oxy hóa học)

Eg Band gap energy (Năng lượng vùng cấm)

QCVN Quy chuẩn Việt Nam

TC Tetracyclin

TCVN Tiêu chuẩn Việt Nam

THMs Trihalomethanes

TSS Total Suspended Solids (Tổng chất rắn lơ lửng)

TT-BNN Thông tư – Bộ nông nghiệp

VB Valance band (Vùng hóa trị)

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1. 1. Diện tích nuôi tôm ở các khu vực thuộc tỉnh Bình Định năm 2017..

........................................................................................................................... 9

Bảng 1. 2. Áp dụng các công trình cơ học xử lý nước thải ........................... 13

Bảng 1. 3. Áp dụng các quá trình hóa học trong xử lý nước thải .................. 16

Bảng 2. 1. Sự phụ thuộc của mật độ quang A vào nồng độ NH4

+

(mg/L).......48

Bảng 2. 2. Kết quả xây dựng đường chuẩn COD (mg/L)............................... 50

Bảng 2. 3. Nồng độ và thể tích mẫu octophosphat ......................................... 54

Bảng 2. 4. Sự phụ thuộc của mật độ quang A vào nồng độ TC (mg/L) ......... 57

Bảng 3. 1. Kết quả phân tích nước thải hồ nuôi tôm.......................................67

Bảng 3. 2. Hiệu quả xử lý nước thải hồ nuôi tôm trên cơ sở kết hợp phương

pháp vi sinh với phương pháp oxy hóa nâng cao (3 h)................................... 90

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1. 1. Bản đồ hành chính tỉnh Bình Định .................................................. 8

Hình 1. 2. Cấu trúc tinh thể các dạng thù hình của TiO2 ............................... 19

Hình 1. 3. Hình khối bát diện của TiO2 .......................................................... 19

Hình 1. 4. Sơ đồ nguyên lý cơ chế quang xúc tác của TiO2 ........................... 23

Hình 1. 5. Giản đồ năng lượng của anatase và rutile ..................................... 25

Hình 1. 6. Vi khuẩn Bacillus subtilis.............................................................. 35

Hình 1. 7. Vi khuẩn Nitrosomonas ................................................................. 36

Hình 1. 8. Vi khuẩn Nitrobacter..................................................................... 36

Hình 1. 9. Chế phẩm vi sinh Remediate ......................................................... 39

Hình 2. 1. Ảnh SEM của vật liệu (a) BiOI; (b) TiO2 và (c) composite

BiOI/TiO2........................................................................................................42

Hình 2. 2. Giản đồ XRD của các mẫu vật liệu................................................ 43

Hình 2. 3. Phổ FT-IR của các mẫu vật liệu..................................................... 44

Hình 2. 4. (a) Phổ UV-Vis-DRS và (b) xác định năng lượng Eg của các mẫu

vật liệu............................................................................................................. 45

Hình 2. 5. Đồ thị đường chuẩn NH4

+

.............................................................. 48

Hình 2. 6. Đồ thị đường chuẩn COD .............................................................. 51

Hình 2. 7. Đồ thị đường chuẩn TC có nồng độ 0,1 – 12 mg/L....................... 58

Hình 2. 8. Sơ đồ thí nghiệm nghiên cứu điều kiện, thời gian và nồng độ chế

phẩm vi sinh để xử lý nước thải hồ nuôi tôm hiệu quả nhất........................... 59

Hình 2. 9. Sơ đồ thí nghiệm nghiên cứu khối lượng xúc tác trên một đơn vị

diện tích của vật liệu TiO2 biến tính phân tán trên pha nền trong xử lý nước

thải hồ nuôi tôm............................................................................................... 59

Hình 2. 10. Sơ đồ thí nghiệm nghiên cứu nguồn sáng khi xử lý quang xúc tác

của vật liệu TiO2 biến tính phân tán trên pha nền trong xử lý nước thải hồ

nuôi tôm........................................................................................................... 61