Nghiên Cứu Biến Tính Vật Liệu Từ Vỏ Cây Dướng Để Xử Lý Một Số Chất Ô Nhiễm Trong Nước

Biến tính vật liệu từ vỏ cây Dướng là một nghiên cứu quan trọng trong việc xử lý ô nhiễm nước. 86 trang · Đại học Lâm Nghiệp · 2018.

• Tác giả: Nguyễn Thị Minh Trang
• Người hướng dẫn: Th.S. Bùi Văn Năng
• Trường học: Đại học Lâm Nghiệp
• Chuyên ngành: Kỹ thuật Môi trường
• Đề tài: Nghiên Cứu Biến Tính Vật Liệu Từ Vỏ Cây Dướng Để Xử Lý Một Số Chất Ô Nhiễm Trong Nước
• Loại tài liệu: khóa luận tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2018
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
• DANH MỤC BẢNG
• DANH MỤC HÌNH
• TÓM TẮT KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP
• ĐẶT VẤN ĐỀ
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
• 1.1. Giới thiệu về cây Dướng
• 1.1.1. Tên khoa học
• 1.1.2. Đặc điểm hình thái
• 1.1.3. Đặc điểm sinh học
• 1.1.4. Thành phần hóa học và dược chất
• 1.1.5. Nghiên cứu về cây Dướng
• 1.1.6. Hiệu quả xấu và rủi ro
• 1.2. Một số phương pháp điều chế vật liệu từ sinh khối thực vật
• 1.2.1. Biến tính hóa học
• 1.3. Giới thiệu về phương pháp hấp phụ
• 1.3.1. Các mô hình cơ bản của quá trình hấp phụ
• 2. CHƯƠNG 2: MỤC TIÊU, ĐỐI TƯỢNG, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 2.1. Mục tiêu nghiên cứu
• 2.2. Đối tượng nghiên cứu
• 2.3. Nội dung nghiên cứu
• 2.4. Phương pháp nghiên cứu
• 2.4.1. Phương pháp kế thừa tài liệu
• 2.4.2. Phương pháp lấy mẫu Dướng
• 2.4.3. Phương pháp biến tính vật liệu từ vỏ cây Dướng
• 2.4.4. Phương pháp bố trí thí nghiệm đánh giá khả năng hấp phụ của vật liệu hấp phụ từ vỏ cây Dướng
• 2.4.5. Phương pháp phân tích các chỉ tiêu, thông số ô nhiễm
• 2.4.5.1. Phương pháp Scanning Electron Microscope (SEM)
• 2.4.5.2. Phương pháp phổ hồng ngoại (phổ IR)
• 2.4.6. Phương pháp xử lý số liệu
• 2.5. Hóa chất, dụng cụ và thiết bị thí nghiệm
• 2.5.1. Dụng cụ và thiết bị thí nghiệm
• 2.6. Xử lý sơ bộ mẫu từ vỏ cây Dướng
• 2.7. Khảo sát thời gian hấp phụ Fe2+ trong nước bằng các mẫu vật liệu hấp phụ từ vỏ cây Dướng
• 2.8. Xác định khả năng hấp phụ Fe3+ trong nước bằng các mẫu vật liệu hấp phụ từ vỏ cây Dướng
• 2.9. Xác định khả năng hấp phụ Zn2+ trong nước bằng các mẫu vật liệu hấp phụ từ vỏ cây Dướng
• 2.10. Xác định khả năng hấp phụ Ni2+ trong nước bằng các mẫu vật liệu hấp phụ từ vỏ cây Dướng
• 2.11. Xác định khả năng hấp phụ Xanh Metylen trong dung dịch bằng các mẫu vật liệu hấp phụ từ vỏ cây Dướng
• 2.12. Biến tính vật liệu hấp phụ từ vỏ cây Dướng bằng phản ứng đồng trùng hợp ghép Acrylamide
• 2.13. Xác định khả năng hấp phụ Zn2+ trong dung dịch bằng các mẫu vật liệu biến tính bằng phản ứng đồng trùng hợp ghép Acrylamide
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU
• 3.1. Kết quả tổng hợp vật liệu hấp phụ từ vỏ cây Dướng
• 3.1.1. Đặc tính cơ bản của vỏ cây Dướng trước biến tính và mẫu vật liệu hấp phụ từ vỏ cây Dướng sau biến tính
• 3.1.2. Đặc điểm liên kết, nhóm chức trên bề mặt của vật liệu trước và sau biến tính
• 3.2. Đánh giá khả năng hấp phụ một số kim loại nặng của vật liệu
• 3.2.1. Khảo sát thời gian hấp phụ tối ưu của mẫu vật liệu hấp phụ từ vỏ cây Dướng
• 3.2.2. Kết quả khảo sát khả năng hấp phụ Fe2+ trong nước bằng các mẫu biến tính bằng NaOH từ vỏ cây Dướng
• 3.2.3. Kết quả khảo sát khả năng hấp phụ Zn2+ trong nước bằng các mẫu biến tính bằng NaOH từ vỏ cây Dướng
• 3.2.4. Kết quả khảo sát khả năng hấp phụ Ni2+ trong nước bằng các mẫu biến tính bằng NaOH từ vỏ cây Dướng
• 3.3. Kết quả khảo sát khả năng hấp phụ Xanh Metylen trong nước bằng các mẫu biến tính bằng NaOH từ vỏ cây Dướng
• 3.3.1. Kết quả xây dựng đường chuẩn để định lượng hàm lượng Xanh Metylen trong các mẫu nghiên cứu
• 3.3.2. Kết quả khảo sát khả năng hấp phụ Xanh Metylen của mẫu vật liệu hấp phụ biến tính bằng NaOH từ vỏ cây Dướng
• 3.4. Đánh giá khả năng hấp phụ của vật liệu biến tính bằng phản ứng đồng trùng hợp ghép Acrylamide từ vỏ cây Dướng
• 3.4.1. Kết quả khảo sát khả năng hấp phụ Zn2+ trong nước bằng các mẫu vật liệu biến tính bằng phản ứng đồng trùng hợp ghép acrylamide từ vỏ cây Dướng
• 3.5. So sánh kết quả khảo sát khả năng hấp phụ Zn2+ trong nước bằng các mẫu vật liệu biến tính từ vỏ cây Dướng
• 3.6. Đề xuất hướng ứng dụng
• KẾT LUẬN – TỒN TẠI – KHUYẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• PHỤ LỤC

Tóm tắt

I. Tổng quan về biến tính vật liệu từ vỏ cây Dướng

Biến tính vật liệu từ vỏ cây Dướng là một nghiên cứu quan trọng trong việc xử lý ô nhiễm nước. Vỏ cây Dướng, với thành phần hóa học phong phú, có khả năng hấp phụ tốt các chất ô nhiễm. Nghiên cứu này không chỉ giúp giảm thiểu ô nhiễm mà còn tạo ra vật liệu thân thiện với môi trường.

1.1. Giới thiệu về cây Dướng và ứng dụng

Cây Dướng (Broussonetia papyrifera) là loài cây gỗ nhỏ, có nhiều ứng dụng trong sản xuất giấy và y học. Vỏ cây Dướng chứa nhiều lignin và cellulose, là nguồn nguyên liệu tiềm năng cho việc chế tạo vật liệu hấp phụ.

1.2. Tầm quan trọng của việc xử lý ô nhiễm nước

Ô nhiễm nước do kim loại nặng và chất hữu cơ là vấn đề nghiêm trọng. Việc tìm kiếm các phương pháp xử lý hiệu quả và kinh tế là cần thiết để bảo vệ sức khỏe cộng đồng và môi trường.

II. Vấn đề ô nhiễm nước và thách thức hiện nay

Ô nhiễm nước do các chất độc hại như kim loại nặng và hợp chất hữu cơ đang gia tăng. Những chất này không chỉ ảnh hưởng đến sức khỏe con người mà còn gây hại cho hệ sinh thái. Việc xử lý ô nhiễm nước là một thách thức lớn cho các nhà khoa học và kỹ sư môi trường.

2.1. Nguyên nhân gây ô nhiễm nước

Các hoạt động công nghiệp, nông nghiệp và sinh hoạt hàng ngày đều góp phần vào ô nhiễm nước. Các chất thải chứa kim loại nặng như chì, cadmium, và đồng là những tác nhân chính gây ô nhiễm.

2.2. Hệ quả của ô nhiễm nước

Ô nhiễm nước dẫn đến sự suy giảm chất lượng nước, ảnh hưởng đến sức khỏe con người và động thực vật. Các bệnh liên quan đến nước ô nhiễm ngày càng gia tăng, đe dọa sự sống của nhiều loài.

III. Phương pháp biến tính vật liệu từ vỏ cây Dướng

Biến tính vật liệu từ vỏ cây Dướng có thể thực hiện qua nhiều phương pháp khác nhau, bao gồm hóa học và vật lý. Những phương pháp này giúp cải thiện khả năng hấp phụ của vật liệu, từ đó nâng cao hiệu quả xử lý ô nhiễm nước.

3.1. Phương pháp hóa học trong biến tính

Phương pháp hóa học như sử dụng dung dịch NaOH để biến tính vỏ cây Dướng giúp tăng cường khả năng hấp phụ. Quá trình này làm thay đổi cấu trúc bề mặt và tăng diện tích tiếp xúc của vật liệu.

3.2. Phương pháp vật lý và ứng dụng

Phương pháp vật lý như hấp phụ cộng kết hóa học cũng được áp dụng để cải thiện tính chất của vật liệu. Những phương pháp này giúp tạo ra vật liệu hấp phụ hiệu quả hơn cho việc xử lý ô nhiễm.

IV. Kết quả nghiên cứu và ứng dụng thực tiễn

Nghiên cứu đã chỉ ra rằng vật liệu từ vỏ cây Dướng có khả năng hấp phụ tốt các kim loại nặng và chất hữu cơ. Kết quả này mở ra hướng đi mới trong việc xử lý ô nhiễm nước bằng vật liệu tự nhiên, thân thiện với môi trường.

4.1. Khả năng hấp phụ của vật liệu

Các thí nghiệm cho thấy vật liệu từ vỏ cây Dướng có khả năng hấp phụ cao đối với các ion kim loại như Fe2+, Zn2+, và Ni2+. Hiệu suất hấp phụ đạt trên 90% trong nhiều trường hợp.

4.2. Ứng dụng trong xử lý nước thải

Vật liệu hấp phụ từ vỏ cây Dướng có thể được ứng dụng trong các hệ thống xử lý nước thải, giúp giảm thiểu ô nhiễm một cách hiệu quả và tiết kiệm chi phí.

V. Kết luận và triển vọng tương lai

Nghiên cứu về biến tính vật liệu từ vỏ cây Dướng không chỉ mang lại giá trị kinh tế mà còn góp phần bảo vệ môi trường. Việc phát triển và ứng dụng vật liệu này trong xử lý ô nhiễm nước là một hướng đi tiềm năng cho tương lai.

5.1. Tầm quan trọng của nghiên cứu

Nghiên cứu này khẳng định vai trò của vật liệu tự nhiên trong việc xử lý ô nhiễm nước. Việc sử dụng vỏ cây Dướng không chỉ hiệu quả mà còn bền vững.

5.2. Hướng phát triển trong tương lai

Cần tiếp tục nghiên cứu và phát triển các phương pháp biến tính mới để tối ưu hóa khả năng hấp phụ của vật liệu. Hợp tác giữa các nhà khoa học và doanh nghiệp sẽ thúc đẩy ứng dụng thực tiễn hơn nữa.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Sự phát triển mạnh của các ngành công nghiệp trong những thập niên gần đây kéo theo lượng nước thải chứa kim loại nặng và chất hữu cơ ngày càng tăng, đặt ra yêu cầu cấp thiết về các phương pháp xử lý hiệu quả, kinh tế và thân thiện với môi trường. Các công nghệ hóa lý truyền thống như kết tủa hóa học, điện hóa, trao đổi ion hoặc hấp phụ cộng kết hóa học đều có hạn chế nhất định: cần bổ sung nhiều hóa chất vào dòng thải, có nguy cơ gây ô nhiễm thứ cấp hoặc chi phí cao. Xu hướng nghiên cứu sử dụng vật liệu tự nhiên bản địa có giá thành thấp để tách loại kim loại nặng trong nước được xem là hướng mới có tiềm năng, vừa hạn chế hóa chất bổ sung, vừa có khả năng thu hồi kim loại.

Trong bối cảnh đó, tác giả lựa chọn đề tài "Nghiên cứu biến tính vật liệu từ vỏ cây Dướng để xử lý một số chất ô nhiễm trong nước", với lý do cây Dướng (Broussonetia papyrifera, họ Dâu tằm – Moraceae) là loài mọc hoang dã, phân bố nhiều ở miền Bắc Việt Nam, vỏ có cấu trúc sợi dai, hàm lượng lignin cao và đã được sử dụng truyền thống trong sản xuất giấy chất lượng cao. Việc tận dụng nguồn sinh khối này vừa chi phí thấp, vừa mở ra khả năng ứng dụng mới trong xử lý nước thải.

Mục tiêu nghiên cứu:

1. Mục tiêu chung: Góp phần tìm kiếm những vật liệu thân thiện với môi trường để xử lý ô nhiễm.
2. Mục tiêu cụ thể:
   • Biến tính được vật liệu hấp phụ từ vỏ cây Dướng.
   • Đánh giá khả năng xử lý các kim loại nặng và chất màu hữu cơ của vật liệu biến tính từ vỏ cây Dướng.

Đối tượng nghiên cứu:

• Vật liệu hấp phụ: vỏ cây Dướng (mẫu chưa biến tính V0, biến tính NaOH 5% ký hiệu V5, biến tính NaOH 15% ký hiệu V15, và mẫu biến tính thêm bằng phản ứng đồng trùng hợp ghép Acrylamide).
• Dung dịch thử nghiệm: Fe²⁺, Fe³⁺, Zn²⁺, Ni²⁺ và Xanh Metylen (methylene blue).

Phạm vi nghiên cứu:

• Không gian: Thực nghiệm quy mô phòng thí nghiệm tại Trung tâm Phân tích Môi trường, Trường Đại học Lâm Nghiệp Việt Nam (thị trấn Xuân Mai, huyện Chương Mỹ, Hà Nội). Mẫu cây Dướng thu tại khu vực đồi Lâm Nghiệp thuộc trường, chọn cây từ 3–5 tuổi, đường kính thân khoảng 15–20 cm.
• Thời gian: từ 13/2 đến 21/4/2018.

---

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết và khái niệm nền

Nghiên cứu đặt trên nền lý thuyết hấp phụ bề mặt, bao gồm các khái niệm: dung lượng hấp phụ cân bằng (q, đơn vị mg/g), hiệu suất hấp phụ (H, %), cân bằng hấp phụ và các mô hình đẳng nhiệt hấp phụ. Ba mô hình đẳng nhiệt được trình bày là:

• Mô hình Henry: tương quan tuyến tính giữa lượng chất bị hấp phụ và nồng độ/áp suất cân bằng (a = K.P).
• Mô hình Freundlich: phương trình thực nghiệm dạng hàm mũ q = k·C^(1/n), phản ánh tốt vùng nồng độ thấp đến trung bình.
• Mô hình Langmuir: mô tả vùng hấp phụ tuyến tính (nồng độ thấp) và vùng bão hòa (nồng độ cao), cho phép xác định dung lượng hấp phụ cực đại q_max.

Về sinh khối thực vật, nghiên cứu tập trung vào thành phần lignocellulose (cellulose, hemicellulose, lignin) của vỏ cây Dướng. Lignin có các nhóm chức hydroxyl tự do, metoxyl, carbonyl và nối đôi; cellulose có nhóm hydroxyl chính và hai nhóm hydroxyl thứ cấp; hemicellulose có cấu trúc vô định hình, dễ bị thủy phân trong kiềm loãng. Biến tính hóa học nhằm phá vỡ cấu trúc lignin, tăng hàm lượng cellulose, tăng độ xốp bề mặt và tạo bề mặt âm điện – điều kiện cần để hấp phụ ion kim loại nặng (cation).

Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp	Mô tả thực hiện
Kế thừa tài liệu	Thu thập chọn lọc tài liệu về cây Dướng, biến tính vật liệu hấp phụ từ sinh khối thực vật
Lấy mẫu cây Dướng	Thu mẫu vỏ cây Dướng tại khu đồi Lâm Nghiệp, chọn cây đại diện 3–5 tuổi
Biến tính vật liệu	Biến tính bằng kiềm NaOH (5% và 15%); biến tính thêm bằng phản ứng đồng trùng hợp ghép Acrylamide
Bố trí thí nghiệm hấp phụ	Phương pháp động (máy lắc/khuấy), tốc độ 100 vòng/phút
Phân tích SEM	Kính hiển vi điện tử quét – quan sát hình thái bề mặt vật liệu trước và sau biến tính
Phổ IR (hồng ngoại)	Xác định nhóm chức trên bề mặt vật liệu, vùng số sóng 625–4000 cm⁻¹
Phân tích nồng độ chất ô nhiễm	So màu quang điện (DR3900) ở bước sóng 510 nm (Fe²⁺, Fe³⁺) và 664 nm (Xanh Metylen); chuẩn độ EDTA 0,02N (Zn²⁺, Ni²⁺)
Xử lý số liệu	Tính dung lượng hấp phụ q và hiệu suất H từ nồng độ đầu (C₀) và nồng độ cân bằng (C_cb)

Nguồn dữ liệu: Toàn bộ số liệu được tạo ra từ thực nghiệm trong phòng thí nghiệm tại Trường Đại học Lâm Nghiệp; không sử dụng dữ liệu thứ cấp từ nguồn khác để đánh giá khả năng hấp phụ.

---

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan về vấn đề nghiên cứu

Chương này cung cấp nền tảng lý luận toàn diện cho nghiên cứu. Phần đầu giới thiệu chi tiết về cây Dướng: phân loại khoa học (giới Plantae, bộ Rosales, họ Moraceae, chi Broussonetia, loài B. papyrifera); đặc điểm hình thái (thân gỗ nhỏ cao đến 15 m, lá to 7–20 cm, hoa đơn tính khác gốc, quả phì màu đỏ cam đường kính 1,5–2 cm); đặc điểm sinh học (ưa sáng, mọc nhanh, tái sinh tốt bằng hạt/chồi/rễ, có thể trở thành loài xâm hại ngoài vùng bản địa). Thành phần hóa học của hoa Dướng được dẫn từ nghiên cứu tại Trung Quốc: chất đạm thô 7,08% và chất béo thô 3,72% trong vành hoa; nồng độ acid béo không bão hòa đạt 68% tổng acid béo; hàm lượng calcium 10.015 mg/kg và magnesium 19.896 mg/kg trong vành hoa.

Tiếp theo, chương trình bày hệ thống các phương pháp điều chế vật liệu từ sinh khối thực vật: vật lý (nghiền, chiếu xạ, nhiệt), sinh học (vi nấm, vi khuẩn phân hủy lignin/hemicellulose), hóa học (biến tính bằng kiềm, acid vô cơ, acid hữu cơ, dung môi hữu cơ, tác nhân oxi hóa) và tổ hợp. Đặc biệt, phương pháp biến tính bằng dung dịch kiềm (NaOH, Ca(OH)₂, NH₄OH) được phân tích kỹ: quá trình thủy phân xảy ra ở nhiệt độ dưới 140°C, phá vỡ liên kết chéo lignin, tạo muối acid carboxylic và rượu, đồng thời tạo bề mặt âm điện nhờ tách ion H⁺ từ nhóm hydroxyl và carboxyl để trung hòa OH⁻. Phương pháp đồng trùng hợp ghép (graft copolymerization) – ghép monomer Acrylamide lên mạch cellulose – được trình bày gồm ba bước: tạo vị trí hoạt động trên bề mặt polymer, bổ sung monomer, và ghép monomer vào vật liệu; chất khơi mào sử dụng là hệ NaHSO₃/(NH₄)₂S₂O₈.

Phần lý thuyết hấp phụ trình bày đầy đủ các khái niệm cơ bản, công thức tính dung lượng hấp phụ và hiệu suất hấp phụ, mô hình động học hấp phụ (4 giai đoạn khuếch tán), và ba mô hình đẳng nhiệt Henry, Freundlich, Langmuir.

Chương 2: Mục tiêu, đối tượng, nội dung và phương pháp nghiên cứu

Chương này xác định rõ mục tiêu nghiên cứu (đã trình bày ở mục trên), đối tượng nghiên cứu là vỏ cây Dướng và các dung dịch thử nghiệm (Fe²⁺, Fe³⁺, Zn²⁺, Ni²⁺, Xanh Metylen), phạm vi quy mô phòng thí nghiệm trong khoảng thời gian 13/2–21/4/2018. Nội dung nghiên cứu gồm ba nhóm nhiệm vụ: (1) biến tính vỏ cây Dướng để tạo vật liệu hấp phụ; (2) khảo sát khả năng hấp phụ kim loại nặng (Fe³⁺, Zn²⁺, Ni²⁺) và chất hữu cơ (Xanh Metylen); (3) đề xuất hướng ứng dụng.

Chương mô tả chi tiết từng phương pháp phân tích: Fe²⁺ và Fe³⁺ được phân tích bằng thuốc thử 1–10 phenantrolin ở bước sóng 510 nm, với phương trình đường chuẩn Fe²⁺: y = 0,0122x và Fe³⁺: y = 0,0763x; Zn²⁺ và Ni²⁺ phân tích bằng chuẩn độ EDTA 0,02N với chỉ thị Eriocrom đen T (Zn²⁺) và Murexit (Ni²⁺); Xanh Metylen đo so màu ở bước sóng 664 nm bằng máy DR3900 trong dải nồng độ 0–9 mg/L.

Chương 3: Thực nghiệm

Chương trình bày toàn bộ quy trình thực nghiệm. Nguyên liệu vỏ cây Dướng được thu, chẻ nhỏ, phơi khô tự nhiên, băm và nghiền đến kích thước 0,5 mm, bảo quản bằng túi nilon. Quy trình biến tính kiềm: 10g bột vỏ Dướng/500 ml dung dịch NaOH (tỉ lệ 1/50 g/ml), khuấy từ 60 phút ở 25°C, sau đó lọc, rửa đến pH trung tính bằng máy ly tâm (4.000 vòng/phút), sấy ở 105°C đến khối lượng không đổi. Pha dung dịch NaOH: cân 25 g NaOH/500 ml (NaOH 5% – mẫu V5) và 37,5 g NaOH/500 ml (NaOH 15% – mẫu V15).

Quy trình biến tính bằng đồng trùng hợp ghép Acrylamide sử dụng hệ khơi mào NaHSO₃ (0,15 mol/L)/(NH₄)₂S₂O₈ (0,2 mol/L) trong môi trường dung môi etanol và N,N-dimethylformamit. Các thí nghiệm hấp phụ sử dụng phương pháp động với máy khuấy 100 vòng/phút, thời gian khảo sát 30 phút, 1 giờ, 2 giờ để xác định thời gian tối ưu; dải nồng độ Fe³⁺: 5–70 mg/L; Zn²⁺: 30–150 mg/L; Ni²⁺: 10–70 mg/L; Xanh Metylen: 0–9 mg/L (đường chuẩn) và dải hấp phụ thực tế đến 50 mg/L; lượng vật liệu hấp phụ dùng trong mỗi thí nghiệm là 0,1 g/100 ml dung dịch.

Chương 4: Kết quả nghiên cứu

Đây là chương trọng tâm, trình bày kết quả tổng hợp và đánh giá toàn diện khả năng hấp phụ của vật liệu. Kết quả phân tích lignin cho thấy vỏ cây Dướng có hàm lượng lignin khá cao; sau khi biến tính bằng NaOH, hàm lượng lignin giảm đáng kể (Bảng 4.1). Ảnh SEM cho thấy: mẫu V0 có bề mặt có nhiều vảy; mẫu V5 và V15 có bề mặt nhẵn nhịn, các vảy gần như biến mất; mẫu biến tính thêm bằng đồng trùng hợp ghép Acrylamide có bề mặt xù xì hơn so với V5 và V15. Phổ IR xác định các nhóm chức trên bề mặt vỏ Dướng: nhóm (–OH) tại số sóng 3.624 cm⁻¹; liên kết C=O trong nhóm carboxyl tại 1.737 cm⁻¹; liên kết C–O tại vị trí vòng thơm của lignin; dao động dãn của liên kết C=C trong acid béo tại 1.516 cm⁻¹.

Kết quả đánh giá khả năng hấp phụ các chất ô nhiễm:

Chất ô nhiễm	Mẫu	Nồng độ tối ưu (mg/L)	Hiệu suất hấp phụ tối đa
Fe³⁺	V5	5	92,51%
Fe³⁺	V15	5	94,78%
Xanh Metylen	V5	50	98,05%
Xanh Metylen	V15	15	98,29%
Zn²⁺ (ghép Acrylamide)	Mẫu biến tính ghép	100	65,33%

Kết quả so sánh khả năng hấp phụ Zn²⁺ của các mẫu biến tính kiềm (V5, V15) và mẫu ghép Acrylamide được tổng hợp tại Bảng 4.10 và Hình 29–30. Phần cuối chương đề xuất hướng ứng dụng vật liệu hấp phụ từ vỏ cây Dướng trong xử lý nước thải công nghiệp.

---

Kết quả và đóng góp

Kết quả chính

Khóa luận đạt được các kết quả thực nghiệm cụ thể sau:

• Biến tính thành công vỏ cây Dướng theo hai hướng: (i) xử lý kiềm NaOH 5% và 15%, tạo ra mẫu V5 và V15 với bề mặt nhẵn, hàm lượng lignin giảm; (ii) biến tính tiếp bằng phản ứng đồng trùng hợp ghép Acrylamide, tạo bề mặt xù xì hơn với nhóm chức mới.
• Hấp phụ Fe³⁺: Hiệu suất cao nhất của V5 đạt 92,51% và V15 đạt 94,78% ở nồng độ Fe³⁺ = 5 mg/L.
• Hấp phụ Xanh Metylen: V5 đạt 98,05% ở nồng độ 50 mg/L; V15 đạt 98,29% ở nồng độ 15 mg/L — đây là kết quả nổi bật nhất về hiệu suất xử lý.
• Hấp phụ Zn²⁺ bằng mẫu ghép Acrylamide: hiệu suất đạt 65,33% ở nồng độ Zn²⁺ = 100 mg/L.
• Xác định được các nhóm chức chủ yếu trên bề mặt vỏ Dướng: (–OH), C=O, C=C, C–C, C–H tại các số sóng đặc trưng, cung cấp cơ sở giải thích cơ chế hấp phụ.

Giải pháp và kiến nghị tác giả đề xuất

Tác giả đề xuất khuyến khích các nhà môi trường và người dân sử dụng vỏ cây Dướng làm vật liệu hấp phụ xử lý nước thải, với lý do quy trình biến tính đơn giản, chi phí thấp và nguồn nguyên liệu dồi dào tại miền Bắc Việt Nam. Hướng ứng dụng cụ thể là xử lý nước thải chứa kim loại nặng và chất màu hữu cơ trong công nghiệp.

Đóng góp so với nghiên cứu trước

Nghiên cứu đóng góp vào hướng khai thác vật liệu bản địa ít giá trị kinh tế (Broussonetia papyrifera) làm chất hấp phụ — một loài chưa được nghiên cứu đánh giá khả năng hấp phụ trong các tài liệu được kế thừa. Việc kết hợp hai phương pháp biến tính (kiềm NaOH và đồng trùng hợp ghép Acrylamide) trên cùng một nguồn sinh khối, đồng thời khảo sát song song với nhiều chất ô nhiễm (4 ion kim loại và 1 chất màu hữu cơ), mang lại cơ sở dữ liệu thực nghiệm đa chiều mà các nghiên cứu trước trên cùng loại vật liệu chưa thực hiện.

---

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Phạm vi nghiên cứu giới hạn ở quy mô phòng thí nghiệm trong thời gian ngắn (khoảng 2 tháng), với các dung dịch đơn thành phần được chuẩn bị trong phòng thí nghiệm, chưa thử nghiệm trên mẫu nước thải thực từ cơ sở sản xuất. Nghiên cứu chưa xây dựng đầy đủ đường đẳng nhiệt hấp phụ (Langmuir, Freundlich) với đầy đủ số liệu để xác định q_max cho tất cả các cặp vật liệu–chất ô nhiễm, và chưa đánh giá khả năng tái sử dụng (giải hấp phụ và tái sinh) vật liệu sau hấp phụ — yếu tố quan trọng về mặt kinh tế nếu triển khai thực tế.

Hướng nghiên cứu tiếp theo có thể mở rộng sang: (i) thử nghiệm với nước thải thực tế đa thành phần; (ii) tối ưu hóa điều kiện biến tính (nồng độ NaOH, thời gian, nhiệt độ, tỉ lệ monomer ghép); (iii) đánh giá khả năng tái sinh vật liệu sau hấp phụ; (iv) thử nghiệm với các ion kim loại nặng khác như Cu²⁺, Pb²⁺, Cd²⁺ mà tác giả chưa đề cập.

---

Giá trị tham khảo

Khóa luận này phù hợp để tham khảo cho:

• Sinh viên ngành Kỹ thuật Môi trường, Khoa học Môi trường, Hóa học nghiên cứu về vật liệu hấp phụ từ sinh khối thực vật, đặc biệt phần Chương 1 về tổng quan phương pháp biến tính và lý thuyết hấp phụ.
• Sinh viên thực hiện đề tài tương tự với các loại vỏ cây bản địa khác, có thể kế thừa toàn bộ quy trình biến tính kiềm, quy trình thực nghiệm bố trí thí nghiệm hấp phụ (Chương 3) và phương pháp phân tích bằng SEM, phổ IR.
• Người làm nghiên cứu về xử lý nước thải dệt nhuộm có thể tham khảo kết quả hấp phụ Xanh Metylen với hiệu suất đạt trên 98% của cả hai mẫu V5 và V15.
• Nghiên cứu viên quan tâm đến đồng trùng hợp ghép cellulose có thể tham khảo Chương 1 (mục biến tính đồng trùng hợp ghép) và Chương 3 (quy trình biến tính ghép Acrylamide).

---

Câu hỏi thường gặp

1. Vỏ cây Dướng chưa biến tính (V0) có khả năng hấp phụ như thế nào so với sau khi biến tính?

Văn bản cho biết sinh khối thực vật chưa biến tính có khả năng hấp phụ kim loại nặng thấp và tính chất vật lý không ổn định. Sau khi biến tính bằng NaOH, hàm lượng lignin giảm, bề mặt trở nên nhẵn và các vảy biến mất (quan sát qua SEM), đồng thời bề mặt mang điện tích âm — điều kiện thuận lợi cho việc hút bắt cation kim loại. Nghiên cứu không cung cấp số liệu hấp phụ trực tiếp của mẫu V0 để so sánh định lượng.

2. Tại sao V15 (NaOH 15%) cho hiệu suất hấp phụ Fe³⁺ cao hơn V5 (NaOH 5%), nhưng lại hấp phụ Xanh Metylen tốt nhất ở nồng độ thấp hơn (15 mg/L so với 50 mg/L của V5)?

Kết quả thực nghiệm cho thấy V15 đạt hiệu suất Fe³⁺ = 94,78% so với V5 = 92,51% ở cùng nồng độ 5 mg/L, cho thấy nồng độ kiềm cao hơn loại bỏ lignin và hemicellulose nhiều hơn, tạo nhiều vị trí hấp phụ hơn. Đối với Xanh Metylen, V15 đạt hiệu suất 98,29% ở 15 mg/L và V5 đạt 98,05% ở 50 mg/L, phản ánh sự khác biệt về đặc tính bề mặt (nhóm chức, độ xốp) giữa hai mức biến tính ảnh hưởng khác nhau đến cơ chế hấp phụ chất màu hữu cơ phân tử lớn so với ion kim loại.

3. Phản ứng đồng trùng hợp ghép Acrylamide có cải thiện khả năng hấp phụ Zn²⁺ so với biến tính kiềm đơn thuần không?

Văn bản trình bày riêng kết quả của mẫu biến tính ghép Acrylamide đạt 65,33% ở nồng độ Zn²⁺ = 100 mg/L, và so sánh với kết quả của V5, V15 được tổng hợp tại Bảng 4.10 và Hình 29–30. Tuy nhiên, văn bản cung cấp tại đây chưa nêu con số hiệu suất hấp phụ Zn²⁺ cụ thể của riêng V5 và V15 để so sánh định lượng trực tiếp.

4. Vì sao thời gian tối ưu cho quá trình hấp phụ được xác định là 60 phút?

Khảo sát thời gian hấp phụ Fe²⁺ tiến hành ở các mốc 30 phút, 1 giờ và 2 giờ với mẫu V5 ở các nồng độ 5, 10, 20, 30, 40 mg/L (Bảng 4.2). Kết quả cho thấy 60 phút (1 giờ) là thời gian được chọn cho các thí nghiệm hấp phụ Fe³⁺, Zn²⁺, Ni²⁺ và Xanh Metylen tiếp theo. Tại thời điểm này, quá trình hấp phụ đạt trạng thái gần cân bằng; kéo dài thêm thời gian không tăng đáng kể dung lượng hấp phụ.

5. Nhóm chức nào trên bề mặt vỏ Dướng đóng vai trò chủ yếu trong cơ chế hấp phụ ion kim loại?

Phổ IR xác định trên bề mặt vỏ Dướng có các nhóm (–OH) tại 3.624 cm⁻¹, C=O trong nhóm carboxyl tại 1.737 cm⁻¹, C–O tại vị trí vòng thơm của lignin và C=C tại 1.516 cm⁻¹. Sau khi biến tính kiềm, ion H⁺ trong các nhóm hydroxyl và carboxyl được tách ra để trung hòa OH⁻, tạo bề mặt âm điện. Chính điện tích âm trên bề mặt từ nhóm hydroxyl và carboxyl là lực hút tĩnh điện kéo các cation kim loại nặng (Fe³⁺, Zn²⁺, Ni²⁺) đến bề mặt vật liệu.

---

Kết luận

Khóa luận đã chứng minh tính khả thi của việc biến tính vỏ cây Dướng — nguồn sinh khối bản địa chi phí thấp — thành vật liệu hấp phụ xử lý cả ion kim loại nặng (Fe³⁺, Zn²⁺, Ni²⁺) và chất màu hữu cơ (Xanh Metylen) trong nước. Biến tính bằng NaOH 15% cho hiệu suất hấp phụ Fe³⁺ đạt 94,78% và Xanh Metylen đạt 98,29%, là những kết quả thực nghiệm đáng chú ý ở quy mô phòng thí nghiệm. Việc kết hợp phân tích SEM và phổ IR cung cấp bằng chứng cơ sở về sự thay đổi hình thái và nhóm chức bề mặt sau biến tính, góp phần giải thích cơ chế hấp phụ. Nghiên cứu mở ra hướng ứng dụng tiềm năng trong xử lý nước thải công nghiệp bằng vật liệu xanh, song cần các nghiên cứu tiếp theo ở quy mô thực tế để đánh giá toàn diện hơn tính kinh tế và hiệu quả lâu dài.

Trích đoạn nội dung tài liệu

ĐẶT VẤN ĐỀ Hiện nay nền kinh tế vẫn đang trên đà phát triển kéo theo đó là sự phát triển của các ngành công nghiệp cùng với lƣợng thải lớn các chất thải chứa nhiều kim loại nặng, các chất hữu cơ khó và dễ phân hủy, các chất thải có độc tính cao,… có hại đến môi trƣờng và sức khỏe của con ngƣời. Ion kim loại nặng và những hợp chất của chúng đƣợc biết đến nhƣ các chất độc tiềm ẩn tồn tại lâu dài trong thiên nhiên và có khả năng tích tụ trong cơ thể sinh vật. Khi ở nồng độ cao, các ion kim loại nặng trong nƣớc gây những tác động xấu tới các hoạt động và quá trình duy trì các nguồn nƣớc trong thiên nhiên. Một số ion kim loại nặng độc hại nhƣ đồng, chì, cadimi, crom,.

có thể gây những rủi ro lâu dài đến sức khỏe con ngƣời và hệ sinh thái. Những kim loại này không có khả năng phân hủy sinh học và có xu hƣớng tích tụ trong cơ thể sống. Mặc dù sự có mặt của một số kim loại nặng ở một mức độ nào đó là cần thiết cho sự phát triển và tồn tại của sinh vật sống nhƣng chúng sẽ gây ra những phản ứng tiêu cực khi hàm lƣợng vƣợt quá giới hạn cho phép. Chính vì vậy, việc áp dụng các phƣơng pháp xử lý nhằm giảm thiểu hoặc loại bỏ kim loại nặng ra khỏi môi trƣờng là cần thiết và ngày càng đƣợc quan tâm để bảo vệ môi trƣờng sống và sức khỏe cộng đồng.

Các phƣơng pháp hóa lý và hóa học để xử lý kim loại nặng trong nƣớc đã đƣợc biết đến nhƣ phƣơng pháp kết tủa hóa học, điện hóa, trao đổi ion, hấp thụ sinh học, hấp phụ cộng kết hóa học. Mỗi phƣơng pháp đều có ƣu nhƣợc điểm nhất định và phạm vi ứng dụng khác nhau. Các công nghệ này cần bổ sung hóa chất vào dòng thải gây ô nhiễm thứ cấp hoặc giá thành cao, không kinh tế. Vì vậy, việc nghiên cứu và tìm kiếm các phƣơng pháp xử lý hiệu quả và kinh tế hơn là việc làm cấp thiết của các nhà khoa học.

Trong những năm gần đây, nghiên cứu tách các kim loại trong nƣớc bằng các vật liệu tự nhiên là một trong những hƣớng nghiên cứu mới, thân thiện với môi trƣờng vì ít phải bổ sung hoá chất vào dòng thải nên không gây ảnh hƣởng thứ cấp tới môi trƣờng mà còn có thể thu hồi kim loại. Một số vật liệu giá thành 1 thấp đã đƣợc các nhà nghiên cứu ở nhiều nƣớc nghiên cứu để xử lý kim loại nặng trong nƣớc. Các kết quả nghiên cứu đã chứng minh rằng những vật liệu có sẵn ở địa phƣơng có thể sử dụng để thay thế vật liệu hấp phụ đắt tiền. Do đó, những nghiên cứu tìm tòi về lĩnh vực này vẫn luôn đƣợc quan tâm và việc phát hiện khả năng loại bỏ kim loại của những loài thực vật bản địa ít giá trị kinh tế sẽ mang lại lợi ích môi trƣờng và cả lợi ích kinh tế.

Để đóng góp vào hƣớng nghiên cứu tiềm năng này, đề tài đã đƣợc lựa chọn thực hiện là: “Nghiên cứu biến tính vật liệu từ vỏ cây Dướng để xử lý một số chất ô nhiễm trong nước”. Cây Dƣớng là loài cây gỗ nhỏ thuộc họ Dâu tằm, mọc hoang dã trong tự nhiên. Vỏ Dƣớng là loại vỏ tốt để sản xuất giấy và đem lại lợi ích về kinh tế. Khóa luận lựa chọn vỏ cây Dƣớng để xử lý chất ô nhiễm trong nƣớc nhằm phát triển công nghệ xử lý nƣớc thải.

2 Chƣơng 1 TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1. Giới thiệu về cây Dƣớng 1. Tên khoa học [20] Họ Dâu tằm: Moraceae Giới: Plantae Bộ: Rosales Họ: Moraceae Chi: Broussonetia Loài: B. Papyrifera Hình 1: Cây Dướng 1.

Nguồn gốc [19] Cây Dƣớng có nguồn gốc ở vùng ôn đới và nhiệt đới Đông Nam Á bao gồm Miến Điện, Cambodge, Đại Hàn, Lào, Malaisia, Thái Lan và Việt Nam, nơi đây cây Dƣớng có thể đạt đến 15 – 20 m bề cao, trong môi trƣờng thiên nhiên. Cây Dƣớng đƣợc du nhập vào Âu Châu khoảng năm 1750. Lần đầu tiên đến chỉ mang vào toàn cây đực ♂, cây cái ♀ đƣợc đem đến sau. Cây Dƣớng đƣợc du nhập để sử dụng nhƣ một cây cho bóng mát với sự tăng trƣởng rất nhanh.

Cây Dƣớng trồng trong những bản địa của vùng Thái Bình Dƣơng dùng để chế biến ra vải từ vỏ cây 1. Đặc điểm hình thái [19]  Thân gỗ nhỏ, đơn phái biệt chu, hoa đực và hoa cái mang trên 2 thân khác nhau, cây có lá rụng, có thể đạt đến 15 m chiều cao, vỏ láng, màu xám, hơi có đƣờng rạch. Nhánh hơi ngang có lông màu nâu đỏ, rỉ ra những nhựa trắng nếu bị tổn thƣơng. Gỗ mềm, và bở, chồi nụ hình chóp.

3  Lá mọc cách, to, từ 7 đến 20 cm, hình dạng thay đổi, (kể cả cùng một nhánh), phiến lá nguyên dạng hình trái tim, hình xoan, có thùy cạn hay sâu, với những lá có thùy thƣờng ở trên những cây non, gân lá hình chân vịt, phát xuất từ đáy 3, bìa lá không đều có răng, mặt trên nhám, mặt dƣới mềm, cuống lá dài 5 cm, có lông, lá bẹ hình tam giác, cao 8 mm  Đơm hoa, gồm hoa đực và hoa cái.  Hoa đực (tiểu nhụy) dạng gié đuôi mèo thòng dài, xoắn, 6 đến 8 cm, gồm nhiều hoa nhỏ hợp lại, có cuống ngắn, hoa 4 phân, 4 lá đài dính, nhụy cái lép, màu xanh lá cây nhạt.  Hoa cái (vòi nhụy), hình hoa đầu, to, hình cầu thận, 1,5 cm có lá hoa hình đinh, có lông, đài hình ống, vòi nhụy 1 dài, 1 ngắn  Vào cuối hè, cầu thận nở cho ra những ống nhỏ màu cam 1 cm dài với đầu ngọn ống ngƣời ta tìm thấy một hạt màu đỏ kích thƣớc 1 đến 2 mm đƣờng kính.  Trái, phì quả, ăn đƣợc, đỏ cam dính nhau, 1,5 – 2,0 cm đƣờng kính, hột đỏ 1.

Đặc điểm sinh học [18] Dƣớng là loài cây ƣa sáng, mọc nhanh, phát triển trên nhiều loại đất khác nhau. Quả có vị ngọt và nhiều hạt, lại là thức ăn hấp dẫn của nhiều loài chim và thú nhỏ, nên hạt dƣớng có thể đƣợc các loài chim thú đó phát tán mạnh, đến các vùng xa nơi cây mẹ. Khi gặp đất ẩm, hạt dƣớng mọc rất nhanh thành cây con. Trong các thành phố còn có thể gặp dƣớng mọc khắp nơi cả trên mái nhà.

Trong các bãi đất hoang, dƣớng thƣờng là cây đến đầu tiên cùng với nhiều cây hoang dại khác. Tốc độ lớn của dƣớng mọc từ hạt rất nhanh, sau 4 – 5 năm có thể cao đến 5m và đã cho rất nhiều hoa, quả. Cây tái sinh bằng hạt, chồi và rễ đều tốt, dƣớng thƣờng mọc thuần loài thành các đám lớn trên các sƣờn đồi, ven song suối có đất ẩm, sâu dày. Thành phần hóa học và dược chất [19] 1.

Thành phần hóa học của Hoa Dướng: Vành hoa và đế hoa ở miền nam nƣớc Trung Quốc đã đƣợc phân tích riêng ra từng bộ phận của những thành phần hóa học : 4  Trong vành hoa của cây Dƣớng : Chất đạm thô 7,08 %, những chất béo thô 3,72 %, chất đƣờng 64,73% trên trọng lƣợng khô.  Trong đế hoa Dƣớng : Chất đạm thô 4,75 %, chất béo thô 8,08 %, hydrates de carbone 67,03% trên trọng lƣợng khô.  Nồng độ của acides béo không bảo hòa là 68% trên tổng số acides béo.  Tỉ lệ phần trăm của những acides amines thiết yếu (AAE) trong tổng số acides amines là : 34,52% trong vành hoa Dƣớng , 27,96% trong đế hoa Dƣớng.

Ngoài ra, có nhiều thành phần nguyên tố khoáng, vitamines giàu trong Hoa Dƣớng. Trong vành hoa Dƣớng, những nguyên tố: calcium Ca 10015 mg / kg, magnésium Mg 19896 mg / kg, kẽm Zn 62,6 mg / kg, sắt Fe 306,6 mg / kg, VE 1. Kết quả cho thấy rằng, hoa Dƣớng có thể là lợi ích trong thực phẩm bổ sung trong các chế phẩm hoặc nhƣ phụ gia thực phẩm. Dược chất: ● Những sử dụng y học : ▪ Cây Dƣớng đƣợc cho là: chất làm se thắt, lợi tiểu, thuốc bổ, chất làm lành vết thƣơng đƣợc.

▪ Nƣớc ép của lá cây Dƣớng là : thuốc bài tiết mồ hôi và nhuận trƣờng cũng đƣợc sử dụng trong chữa trị : bệnh kiết lỵ, và cũng dùng nhƣ thuốc dán cao trên những bệnh da khác nhau, vết chích của côn trùng, v. ▪ Lá Dƣớng đƣợc sử dụng để chữa trị những bệnh: máu trong đờm, nôn mửa ra máu, xuất huyết tử cung, chảu máu kinh nguyệt quá nhiều, chữa trị vết thƣơng trong y học Trung Quốc, và xuất huyết dạ dày dùng ở Hawaii. ▪ Lá cũng đƣợc dùng cho bệnh lậu, bệnh kiết lỵ, viêm ruột. ▪ Quả Dƣớng là chất : lợi tiểu, viêm mắt, chất kích thích, làm dễ tiêu, và là thuốc bổ ▪ Ở Hawaii, nhựa cây Dƣớng là chất nhuận tràng nhẹ 5 ▪ Những sử dụng khác bao gồm chất mủ trắng, đƣợc cho là hữu ích để sử dụng bên ngoài cơ thể, cho những bệnh: thần kinh bì ngứa mãn tính, nhiễm nấm ngoài da, chứng lở chóc, vết chích con ong, những vết chích côn trùng, và cũng đƣợc sử dụng nhƣ chất chữa lành đƣợc vết thƣơng.

▪ Vỏ của thân là thuốc cầm máu ▪ Nhựa đƣợc báo cáo là loại mủ dùng trong y học Trung Quốc. ▪ Lá Dƣớng đƣợc ngâm trong nƣớc đun sôi để chữa trị bệnh dạ dày, và những bệnh đau bụng theo kinh nghiệm dân gian Samoan. ▪ Thân Dƣớng dùng để điều trị cho những chứng phun mủ ở da dùng trong y học Trung Quốc ▪ Nƣớc ép cây Dƣớng sử dụng trong chữa trị bệnh vô niệu. ▪ Rễ Dƣớng nấu chín với những thức ăn khác có tác dụng lợi sữa.

▪ Nƣớc nấu sắc décoction của vỏ đƣợc dùng để chữa trị bệnh cổ trƣớng, giảm sƣng hoặc phù thũng và dùng chữa trị chứng trƣớng bụng. ● Chức năng cây Dƣớng ở Phƣơng Tây: chống tiêu chảy, cầm máu. ● Chức năng năng lƣợng: Theo y học cổ truyền Trung Quốc, cây Dƣớng là thuốc sử dụng năng lƣợng để bổ dƣỡng cho gan và thận , loại bỏ nhiệt, và làm mát máu, loại bỏ nhiệt ẩm ƣớt ở giữa, và đốt cháy bên dƣới cũng sử dụng để làm ngƣng tiêu chảy. Trong y học Tàu, dùng làm tầm nhìn rõ, nuôi dƣỡng mắt.

Dƣớng đƣợc sử dụng cho tình trạng suy nhƣợc của thận và của đầu gối, bệnh thiếu máu, chứng chóng mặt, và bệnh bất lực cũng nhƣ sự yếu kém của những khớp xƣơng, và những bắp cơ.