Luận văn thạc sĩ hóa học nghiên cứu chế tạo than hoạt tính từ thân cây sắn ứng dụng hấp thụ chất kháng sinh trong môi trường nước

Luận văn thạc sĩ trình bày nghiên cứu chế tạo than hoạt tính từ thân cây sắn, ứng dụng hấp thụ chất kháng sinh trong nước hiệu quả.

• Tác giả: Lê Đinh Tâm
• Người hướng dẫn: TS. Trần Thị Thu Phương
• Trường học: Trường Đại học Quy Nhơn
• Chuyên ngành: Hóa vô cơ
• Đề tài: Chế Tạo Than Hoạt Tính Từ Thân Cây Sắn Để Hấp Thụ Kháng Sinh Trong Nước
• Loại tài liệu: Đề án thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Bình Định

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
• DANH MỤC CÁC BẢNG
• DANH MỤC HÌNH VẼ
• 1. MỞ ĐẦU
• 1.1. Lý do chọn đề tài
• 1.2. Mục tiêu của đề tài
• 1.3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
• 1.3.1. Đối tượng nghiên cứu
• 1.3.2. Phạm vi nghiên cứu
• 1.4. Nội dung nghiên cứu
• 1.5. Phương pháp luận và phương pháp nghiên cứu
• 1.5.1. Phương pháp luận
• 1.5.2. Phương pháp nghiên cứu
• 1.5.2.1. Phương pháp điều chế vật liệu hấp phụ
• 1.5.2.2. Phương pháp đặc trưng vật liệu hấp phụ
• 1.5.2.3. Phương pháp đánh giá khả năng hấp phụ của than hoạt tính điều chế được
• 1.6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
• 1.6.1. Ý nghĩa khoa học
• 1.6.2. Ý nghĩa thực tiễn
• 1.7. Giới thiệu chung về vật liệu hấp phụ ứng dụng trong hấp phụ chất kháng sinh
• 2. HÓA CHẤT VÀ DỤNG CỤ
• 2.1. Điều chế than hoạt tính
• 2.1.1. Chuẩn bị nguyên liệu thân sắn
• 2.1.2. Điều chế than hoạt tính từ thân sắn
• 2.2. Các phương pháp nghiên cứu đặc trưng vật liệu
• 2.2.1. Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD)
• 2.2.2. Phương pháp phổ hồng ngoại (IR)
• 2.2.3. Phương pháp hiển vi điện tử quét (SEM)
• 2.2.4. Phương pháp tán xạ năng lượng tia X (EDX)
• 2.2.5. Phương pháp đẳng nhiệt hấp phụ - giải hấp phụ N2 ở 77K
• 2.2.6. Phương pháp phân tích nhiệt (TG-DTA)
• 2.3. Phân tích định lượng tetracycline
• 2.3.1. Xây dựng đường chuẩn xác định nồng độ tetracycline
• 2.4. Thí nghiệm khảo sát khả năng hấp phụ TC của AC và AC-x
• 2.4.1. Khảo sát sự ảnh hưởng của pH đến quá trình hấp phụ TC trên vật liệu AC-7
• 2.4.2. Động học hấp phụ TC trong dung dịch trên AC-7
• 2.4.3. Đẳng nhiệt hấp phụ TC trên AC-7
• 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 3.1. Đặc trưng vật liệu than hoạt tính điều chế từ thân sắn
• 3.1.1. Đặc điểm nguyên liệu và than hoạt tính điều chế từ thân cây sắn
• 3.1.2. Thành phần pha và cấu trúc của than hoạt tính điều chế từ thân cây sắn (AC-x)
• 3.1.3. Đặc điểm hình thái bề mặt và tính chất xốp của vật liệu AC-x
• 3.1.4. Đặc điểm liên kết trong vật liệu AC-x
• 3.1.5. Thành phần các nguyên tố và độ bền nhiệt của vật liệu AC và AC-7
• 3.1.6. Độ bền nhiệt của vật liệu AC-7
• 3.2. Đánh giá khả năng hấp phụ của vật liệu than hoạt tính
• 3.2.1. Khảo sát thời gian đạt cân bằng hấp phụ
• 3.2.2. Khảo sát khả năng hấp phụ tetracycline của vật liệu AC-x
• 3.2.3. Ảnh hưởng của pH đến quá trình hấp phụ TC trên vật liệu AC-7
• 3.2.4. Động học hấp phụ TC trong dung dịch trên AC-7
• 4. KẾT LUẬN – KIẾN NGHỊ
• DANH MỤC CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Giới thiệu về than hoạt tính và thân cây sắn

Than hoạt tính là một vật liệu hấp phụ quan trọng, được sử dụng rộng rãi trong xử lý nước và nước thải. Than hoạt tính có khả năng hấp phụ cao nhờ vào cấu trúc xốp và diện tích bề mặt lớn. Việc chế tạo than hoạt tính từ thân cây sắn không chỉ giúp tận dụng nguồn nguyên liệu sẵn có mà còn góp phần giảm thiểu ô nhiễm môi trường. Thân cây sắn là phụ phẩm nông nghiệp thường bị bỏ đi sau khi thu hoạch, tuy nhiên, với quy trình chế tạo hợp lý, chúng có thể trở thành nguồn nguyên liệu quý giá cho việc sản xuất than hoạt tính. Theo thống kê, diện tích trồng sắn tại Việt Nam đạt khoảng 520 nghìn ha, trong đó khu vực Duyên hải Nam Trung Bộ chiếm 50,9%. Điều này cho thấy tiềm năng lớn trong việc khai thác thân cây sắn để chế tạo than hoạt tính phục vụ cho việc hấp thụ các chất ô nhiễm, đặc biệt là kháng sinh trong nước.

II. Quy trình chế tạo than hoạt tính từ thân cây sắn

Quy trình chế tạo than hoạt tính từ thân cây sắn bao gồm hai bước chính: than hóa và hoạt hóa. Trong đó, than hóa diễn ra ở nhiệt độ cao trong môi trường yếm khí, giúp biến đổi cấu trúc của thân cây sắn thành than hoạt tính. Tác nhân hoạt hóa như KOH được sử dụng để tăng cường khả năng hấp phụ của than hoạt tính. Quá trình này không chỉ tạo ra than hoạt tính với diện tích bề mặt lớn mà còn làm tăng tính xốp, từ đó nâng cao khả năng hấp phụ các chất ô nhiễm như kháng sinh. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng, than hoạt tính từ thân cây sắn có khả năng hấp phụ tốt các chất như tetracycline, một trong những kháng sinh phổ biến trong môi trường nước. Việc sử dụng than hoạt tính này không chỉ mang lại lợi ích kinh tế mà còn góp phần bảo vệ môi trường.

III. Khả năng hấp phụ kháng sinh của than hoạt tính từ thân cây sắn

Khả năng hấp phụ của than hoạt tính từ thân cây sắn đối với kháng sinh được đánh giá thông qua các thí nghiệm thực nghiệm. Kết quả cho thấy than hoạt tính có thể hấp phụ hiệu quả kháng sinh như tetracycline với dung lượng hấp phụ cao. Các yếu tố như pH, thời gian hấp phụ và nồng độ ban đầu của kháng sinh đều ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ. Nghiên cứu chỉ ra rằng, dung lượng hấp phụ tối ưu đạt được ở pH nhất định, và thời gian hấp phụ cũng cần được tối ưu hóa để đạt hiệu quả cao nhất. Những thông tin này không chỉ giúp khẳng định giá trị của than hoạt tính từ thân cây sắn trong việc xử lý ô nhiễm môi trường mà còn mở ra hướng đi mới trong nghiên cứu và ứng dụng vật liệu hấp phụ trong tương lai.

IV. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của nghiên cứu

Nghiên cứu chế tạo than hoạt tính từ thân cây sắn không chỉ có ý nghĩa khoa học mà còn mang lại giá trị thực tiễn cao. Việc phát triển quy trình chế tạo mới từ nguồn nguyên liệu sẵn có sẽ giúp đa dạng hóa các phương pháp xử lý ô nhiễm trong nước. Hơn nữa, việc sử dụng than hoạt tính không chỉ giúp loại bỏ kháng sinh mà còn góp phần bảo vệ môi trường nông thôn khỏi ô nhiễm do phụ phẩm nông nghiệp. Kết quả nghiên cứu mở ra cơ hội cho việc phát triển các ứng dụng thực tiễn trong lĩnh vực xử lý nước thải và bảo vệ môi trường, đồng thời thúc đẩy việc sử dụng bền vững nguồn tài nguyên nông nghiệp tại Việt Nam.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Theo thống kê năm 2022, diện tích trồng sắn tại Việt Nam đạt khoảng 520 nghìn ha, đứng thứ ba sau lúa và ngô, trong đó khu vực Duyên hải Nam Trung Bộ và Tây Nguyên chiếm gần 50,9% diện tích với năng suất trung bình 19,4 tấn/ha. Thân cây sắn, phụ phẩm nông nghiệp sau thu hoạch, thường bị bỏ đi hoặc đốt gây ô nhiễm môi trường. Việc tận dụng thân cây sắn để chế tạo than hoạt tính không chỉ giúp giảm thiểu chi phí sản xuất mà còn góp phần bảo vệ môi trường. Than hoạt tính là vật liệu hấp phụ hiệu quả, được điều chế từ nguyên liệu giàu carbon qua quá trình than hóa và hoạt hóa. Đề tài nghiên cứu nhằm tổng hợp than hoạt tính từ thân cây sắn sử dụng chất hoạt hóa KOH và khảo sát khả năng hấp phụ kháng sinh tetracycline trong môi trường nước. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào điều chế than hoạt tính quy mô phòng thí nghiệm và đánh giá khả năng hấp phụ tetracycline trong dung dịch nước. Mục tiêu cụ thể là tạo ra vật liệu than hoạt tính có diện tích bề mặt lớn, cấu trúc mao quản phát triển, từ đó nâng cao hiệu quả hấp phụ các chất kháng sinh, góp phần xử lý ô nhiễm môi trường nước.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết hấp phụ vật lý và hóa học, trong đó hấp phụ vật lý là quá trình tương tác yếu giữa chất hấp phụ và chất bị hấp phụ, thuận nghịch và xảy ra ở nhiệt độ thấp, còn hấp phụ hóa học là phản ứng hóa học tạo liên kết bền, thường xảy ra ở nhiệt độ cao. Mô hình động học hấp phụ gồm phương trình biểu kiến bậc nhất và bậc hai được sử dụng để mô tả quá trình hấp phụ tetracycline. Đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir và Freundlich được áp dụng để phân tích cơ chế hấp phụ và dung lượng hấp phụ cực đại của than hoạt tính. Than hoạt tính có cấu trúc mao quản đa dạng gồm mao quản nhỏ (<2 nm), trung bình (2-50 nm) và lớn (>50 nm), ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng hấp phụ. Thành phần hóa học của thân cây sắn gồm cellulose (33,7%), hemicellulose (31,6%) và lignin (27%), là nguồn nguyên liệu giàu carbon phù hợp cho điều chế than hoạt tính.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu thu thập từ các thí nghiệm điều chế than hoạt tính từ thân cây sắn tại phòng thí nghiệm Trường Đại học Quy Nhơn. Nguyên liệu thân cây sắn được sấy khô dưới 10% độ ẩm, nghiền thành hạt kích thước 500 μm đến 1 mm. Than hoạt tính được điều chế bằng phương pháp nhiệt phân yếm khí kết hợp hoạt hóa hóa học với KOH 10% theo tỷ lệ 1:2 (khối lượng/thể tích), nung ở các nhiệt độ 500, 600, 700 và 800°C trong 2 giờ. Mẫu than sau nung được rửa bằng HCl 0,5N và nước đến pH 6,5, sau đó sấy khô và bảo quản. Phương pháp phân tích đặc trưng vật liệu gồm: nhiễu xạ tia X (XRD) xác định cấu trúc tinh thể; phổ hồng ngoại (IR) xác định nhóm chức; hiển vi điện tử quét (SEM) khảo sát hình thái bề mặt; phổ tán xạ năng lượng tia X (EDX) phân tích thành phần nguyên tố; đẳng nhiệt hấp phụ nitrogen ở 77K (BET) đo diện tích bề mặt và kích thước mao quản; phân tích nhiệt TG-DTA đánh giá độ bền nhiệt. Khả năng hấp phụ tetracycline được đánh giá qua thí nghiệm hấp phụ trong dung dịch nước, xác định nồng độ còn lại bằng phương pháp đo quang. Cỡ mẫu thí nghiệm được lựa chọn phù hợp để đảm bảo độ tin cậy, dữ liệu được xử lý bằng các mô hình toán học phù hợp nhằm tối ưu hóa điều kiện hấp phụ.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Đặc trưng vật liệu than hoạt tính: Than hoạt tính điều chế từ thân cây sắn có hàm lượng carbon cố định khoảng 27%, tro 4%, độ ẩm 8%. Diện tích bề mặt riêng của các mẫu than hoạt tính AC-x tăng theo nhiệt độ nung, với AC-7 (700°C) đạt diện tích bề mặt lớn nhất khoảng 850 m²/g, thể tích mao quản micropore chiếm trên 0,5 cm³/g, vượt trội so với than không hoạt hóa AC có diện tích bề mặt chỉ khoảng 200 m²/g.

2. Khả năng hấp phụ tetracycline: Mẫu AC-7 có hiệu suất hấp phụ tetracycline cao nhất, đạt khoảng 92% ở nồng độ 9,56 mg/L, vượt trội hơn hẳn so với mẫu AC không hoạt hóa chỉ đạt 45%. Thời gian cân bằng hấp phụ đạt sau khoảng 120 phút. Động học hấp phụ phù hợp với mô hình bậc hai, hằng số tốc độ k2 đạt 0,015 g/mg.min, cho thấy quá trình hấp phụ chủ yếu do tương tác hóa học.

3. Ảnh hưởng của pH: Khả năng hấp phụ tetracycline trên AC-7 phụ thuộc rõ rệt vào pH dung dịch. Ở pH 7, hiệu suất hấp phụ đạt tối đa khoảng 92%, trong khi ở pH thấp hơn 4 hoặc cao hơn 9, hiệu suất giảm xuống còn khoảng 60-65%. Điều này liên quan đến trạng thái ion hóa của tetracycline và bề mặt than hoạt tính, ảnh hưởng đến tương tác π-π và trao đổi ion.

4. Cấu trúc và thành phần vật liệu: Phân tích XRD cho thấy than hoạt tính có cấu trúc vô định hình với các đỉnh rộng đặc trưng của carbon vô định hình. Phổ IR xác định các nhóm chức như hydroxyl, carbonyl và ether trên bề mặt than, góp phần vào khả năng hấp phụ. Phân tích EDX cho thấy thành phần carbon chiếm trên 80%, oxy khoảng 15%, các nguyên tố khác rất thấp. SEM cho thấy bề mặt than hoạt tính có cấu trúc xốp phát triển với nhiều mao quản nhỏ và trung bình.

Thảo luận kết quả

Kết quả cho thấy than hoạt tính từ thân cây sắn hoạt hóa bằng KOH ở nhiệt độ 700°C có cấu trúc mao quản phát triển, diện tích bề mặt lớn, phù hợp để hấp phụ các phân tử kháng sinh như tetracycline. So với các nghiên cứu trước đây sử dụng than hoạt tính từ các nguyên liệu khác, than từ thân cây sắn có hiệu suất hấp phụ tương đương hoặc cao hơn, đồng thời tận dụng được phụ phẩm nông nghiệp dồi dào tại Việt Nam. Sự phụ thuộc của hiệu suất hấp phụ vào pH phù hợp với các nghiên cứu về tương tác ion hóa và π-π giữa tetracycline và bề mặt than hoạt tính. Động học hấp phụ bậc hai cho thấy quá trình hấp phụ chủ yếu là hấp phụ hóa học, liên quan đến sự tạo liên kết bền giữa các nhóm chức trên than và phân tử tetracycline. Các biểu đồ đẳng nhiệt Langmuir và Freundlich minh họa rõ ràng dung lượng hấp phụ cực đại và tính không đồng nhất của bề mặt than. Việc sử dụng than hoạt tính từ thân cây sắn không chỉ giảm chi phí sản xuất mà còn góp phần giảm thiểu ô nhiễm môi trường do phụ phẩm nông nghiệp.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Tối ưu hóa quy trình điều chế than hoạt tính: Khuyến nghị áp dụng nhiệt độ hoạt hóa khoảng 700°C với tỷ lệ KOH 1:2 để đạt diện tích bề mặt và hiệu suất hấp phụ tối ưu. Thời gian nung nên duy trì 2 giờ để đảm bảo cấu trúc mao quản phát triển đồng đều.

2. Ứng dụng trong xử lý nước thải: Khuyến khích sử dụng than hoạt tính từ thân cây sắn trong các hệ thống xử lý nước thải chứa kháng sinh, đặc biệt là tetracycline, nhằm giảm thiểu ô nhiễm môi trường nước. Thời gian tiếp xúc tối ưu khoảng 120 phút, pH điều chỉnh về khoảng 7 để đạt hiệu quả cao nhất.

3. Phát triển sản phẩm than hoạt tính thương mại: Đề xuất phối hợp với các doanh nghiệp nông nghiệp và công nghiệp để thu gom phụ phẩm thân cây sắn, chế tạo than hoạt tính quy mô công nghiệp, góp phần tạo giá trị gia tăng cho nông sản và giảm thiểu chất thải.

4. Nghiên cứu mở rộng: Khuyến nghị tiếp tục nghiên cứu khả năng hấp phụ các loại kháng sinh khác và các chất ô nhiễm hữu cơ khác trên than hoạt tính từ thân cây sắn, đồng thời khảo sát khả năng tái sử dụng vật liệu để nâng cao tính bền vững.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Hóa học, Môi trường: Luận văn cung cấp cơ sở lý thuyết và thực nghiệm chi tiết về điều chế than hoạt tính từ phụ phẩm nông nghiệp và ứng dụng hấp phụ kháng sinh, hỗ trợ nghiên cứu phát triển vật liệu hấp phụ mới.

2. Doanh nghiệp sản xuất than hoạt tính và xử lý nước thải: Thông tin về quy trình điều chế, đặc tính vật liệu và hiệu quả hấp phụ giúp doanh nghiệp tối ưu sản xuất và ứng dụng than hoạt tính trong xử lý ô nhiễm.

3. Cơ quan quản lý môi trường và nông nghiệp: Cung cấp dữ liệu khoa học về tận dụng phụ phẩm nông nghiệp, góp phần xây dựng chính sách phát triển bền vững và bảo vệ môi trường.

4. Người làm công tác phát triển nông thôn và quản lý chất thải nông nghiệp: Hướng dẫn tận dụng phụ phẩm thân cây sắn hiệu quả, giảm thiểu ô nhiễm và tạo ra sản phẩm có giá trị kinh tế.

Câu hỏi thường gặp

1. Than hoạt tính từ thân cây sắn có ưu điểm gì so với nguyên liệu khác?
   Than hoạt tính từ thân cây sắn có diện tích bề mặt lớn, cấu trúc mao quản phát triển, tận dụng được phụ phẩm nông nghiệp dồi dào, giảm chi phí nguyên liệu và góp phần bảo vệ môi trường.

2. Quy trình điều chế than hoạt tính gồm những bước nào?
   Quy trình gồm hai bước chính: than hóa thân cây sắn trong điều kiện yếm khí và hoạt hóa hóa học bằng KOH ở nhiệt độ từ 500 đến 800°C, sau đó rửa sạch và sấy khô sản phẩm.

3. Khả năng hấp phụ tetracycline của than hoạt tính được đánh giá như thế nào?
   Khả năng hấp phụ được đánh giá qua thí nghiệm hấp phụ trong dung dịch nước, xác định nồng độ tetracycline còn lại bằng phương pháp đo quang, kết quả cho thấy hiệu suất hấp phụ đạt trên 90% với than hoạt tính hoạt hóa ở 700°C.

4. Ảnh hưởng của pH đến quá trình hấp phụ tetracycline ra sao?
   pH ảnh hưởng đến trạng thái ion hóa của tetracycline và bề mặt than hoạt tính, hiệu suất hấp phụ cao nhất ở pH khoảng 7, giảm khi pH quá thấp hoặc quá cao do thay đổi tương tác hóa học.

5. Than hoạt tính có thể tái sử dụng được không?
   Than hoạt tính có thể tái sử dụng sau quá trình rửa và xử lý, tuy nhiên hiệu quả hấp phụ có thể giảm dần theo số lần sử dụng, cần nghiên cứu thêm để tối ưu hóa khả năng tái sử dụng.

Kết luận

• Đã thành công trong việc điều chế than hoạt tính từ thân cây sắn sử dụng KOH làm chất hoạt hóa với diện tích bề mặt lên đến khoảng 850 m²/g.
• Than hoạt tính AC-7 (nhiệt độ nung 700°C) có khả năng hấp phụ tetracycline hiệu quả, đạt hiệu suất hấp phụ trên 90% trong điều kiện pH trung tính.
• Quá trình hấp phụ tuân theo động học bậc hai và mô hình đẳng nhiệt Langmuir, cho thấy hấp phụ hóa học chiếm ưu thế.
• Nghiên cứu góp phần tận dụng phụ phẩm nông nghiệp, giảm thiểu ô nhiễm môi trường và tạo ra vật liệu hấp phụ giá trị cao.
• Đề xuất tiếp tục nghiên cứu mở rộng ứng dụng than hoạt tính trong xử lý các chất ô nhiễm khác và phát triển quy mô công nghiệp trong thời gian tới.

Hành động tiếp theo là triển khai thử nghiệm quy mô lớn và khảo sát khả năng tái sử dụng than hoạt tính trong môi trường thực tế, đồng thời hợp tác với các đơn vị sản xuất để thương mại hóa sản phẩm.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Than hoạt tính là một trong những chất hấp phụ lâu đời nhất và được sử dụng rộng rãi để xử lý nước và nước thải với nhiều mục đích như loại bỏ màu, mùi, vị không mong muốn và các tạp chất hữu cơ, vô cơ,. Than hoạt tính có thể được điều chế bằng cách nhiệt phân nguyên liệu chứa carbon như thực vật ở nhiệt độ dưới 1000 oC. Trong khi đó, sắn là loại cây lương thực có đặc tính nông học dễ trồng, là một trong những cây trồng có khả năng chịu hạn tốt nhất và thích nghi được với nhiều loại đất và nhiều vùng sinh thái khác nhau.

Hiện nay, cây sắn được trồng nhiều ở vùng Nam Trung Bộ Và Tây Nguyên. Lượng phụ phẩm thân cây sắn bị loại bỏ sau khi trồng sắn là khá lớn, khác với phụ phẩm của các cây lương thực khác như lúa, ngô, lạc,. được sử dụng trong chăn nuôi, thân cây sắn gần như chỉ thải bỏ/đốt bỏ sau mỗi vụ mùa. Trong khi đó chúng có thể tận dụng để chế tạo ra than hoạt tính có giá trị kinh tế, ngoài ra còn góp phần hạn chế ô nhiễm môi trường do lượng dư phụ phẩm nông nghiệp gây ra.

Theo thống kê năm 2022, diện tích trồng sắn cả nước là 520 nghìn ha đứng thứ 3 về diện tích sau lúa và ngô. Chỉ riêng khu vực Duyên hải Nam Trung Bộ và và Tây Nguyên đang có diện tích trồng sắn gần 265 nghìn ha, chiếm 50,9% diện tích của cả nước, năng suất trung bình đạt 19,4 tấn/ha. Chính vì vậy, phụ phẩm nông nghiệp từ quá trình trồng cây sắn ở khu vực Duyên hải Nam Trung Bộ tương đối lớn nên việc tận dụng thân cây sắn để sản xuất than hoạt tính sẽ giúp giảm thiểu được chi phí sản xuất ngoài ra còn góp phần hạn chế ô nhiễm môi trường do lượng dư phụ phẩm nông nghiệp gây ra. Tính chất hấp phụ của than hoạt tính phụ thuộc nhiều vào cấu trúc, đặc tính hóa học bề mặt của than, tức là phụ thuộc vào nguồn nguyên liệu ban đầu và phương thức hoạt hóa chúng.

Quá trình điều chế gồm 2 bước: than hóa và hoạt hóa trong môi trường yếm khí. Hai bước này có thể thực hiện trong cùng 1 giai đoạn hoặc 2 giai đoạn với bước than hóa trước và hoạt hóa sau. Tác nhân hoạt hóa thường được sử dụng như khí CO2, Na2CO3, K2CO3, KOH, ZnCl2. Trong 2 nghiên cứu này, thân sắn và KOH được sử dụng như nguồn nguyên liệu carbon và tác nhân hoạt hóa.

Kết hợp hai bước than hóa và hoạt hóa đồng thời trong cùng một giai đoạn để chế tạo than hoạt tính có khả năng hấp phụ các chất kháng sinh ô nhiễm trong môi trường nước. Từ những cơ sở khoa học trên và xuất phát từ thực tiễn, chúng tôi chọn đề tài về “Nghiên cứu chế tạo than hoạt tính từ thân cây sắn ứng dụng hấp phụ chất kháng sinh trong môi trường nước” nhằm tạo ra vật liệu có khả năng hấp phụ tốt các chất hữu cơ nói chung và các chất kháng sinh nói riêng. Mục tiêu của đề tài Tổng hợp than hoạt tính từ thân cây sắn sử dụng chất hoạt hóa KOH và khảo sát khả năng hấp phụ các chất kháng sinh trong môi trường nước. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 3.

Đối tượng nghiên cứu - Thân cây sắn. - Tác nhân hoạt hóa KOH. - Chất kháng sinh tetracycline (TC) trong môi trường nước.2 Phạm vi nghiên cứu - Điều chế than hoạt tính từ nguồn nguyên liệu thân cây sắn bằng cách than hóa và sau đó được hoạt hóa bằng KOH ở quy mô phòng thí nghiệm. - Đánh giá khả năng hấp phụ chất kháng sinh tetracycline trong dung dịch nước của vật liệu than hoạt tính điều chế.

Nội dung nghiên cứu - Tổng hợp và đặc trưng vật liệu than và than hoạt tính từ thân cây sắn. - Khảo sát khả năng hấp phụ của vật liệu than và than hoạt tính đối với chất kháng sinh TC trong môi trường nước. Phương pháp luận và phương pháp nghiên cứu 5. Phương pháp luận - Sử dụng phương pháp tổng hợp tài liệu - Ứng dụng các lý thuyết hấp phụ trong thực nghiệm.

- Sử dụng các công cụ toán học để xử lý số liệu thực nghiệm và tối ưu hóa các điều kiện thực nghiệm. Phương pháp nghiên cứu a) Phương pháp điều chế vật liệu hấp phụ: - Điều chế than hoạt tính từ nguyên liệu thân cây sắn với tác nhân hoạt hóa KOH bằng phương pháp nhiệt phân trong điều kiện yếm khí. b) Phương pháp đặc trưng vật liệu hấp phụ: - Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD) để tìm hiểu cấu trúc và những thay đổi trong cấu trúc tinh thể của vật liệu tổng hợp. - Phương pháp phổ hồng ngoại (IR) để xác định các liên kết.

- Phương pháp phổ tán xạ năng lượng tia X (EDX) để xác định thành phần nguyên tố trong vật liệu. - Phương pháp hiển vi điện tử quét (SEM) để nghiên cứu hình thái bề mặt của các vật liệu tổng hợp. - Phương pháp hấp phụ và giải hấp phụ nitrogen ở 77K kết hợp với phương trình đẳng nhiệt Brunauer-Emmett-Teller (BET) để xác định diện tích bề mặt, kích thước mao quản của vật liệu tổng hợp. c) Phương pháp đánh giá khả năng hấp phụ của than hoạt tính điều chế được - Đánh giá khả năng hấp phụ của vật liệu thông qua thí nghiệm hấp phụ các chất kháng sinh trong dung dịch nước.

Hàm lượng chất kháng sinh còn lại được xác định bằng phương pháp đo quang. Số liệu thực nghiệm được xử lý bằng 4 các phương pháp phù hợp từ đó rút ra mối quan hệ giữa điều kiện thí nghiệm và tính chất vật liệu. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài. Ý nghĩa khoa học Quy trình điều chế than hoạt tính từ thân cây sắn bằng tác nhân hoạt hóa KOH sẽ góp phần vào đa dạng phương pháp điều chế than hoạt từ phụ phẩm nông nghiệp nói chung và thân cây sắn nói riêng.

Ý nghĩa thực tiễn Kết quả của đề tài không chỉ là điều chế ra một loại vật liệu hấp phụ mà còn góp phần sử dụng tận thu nguồn phụ phẩm nông nghiệp sẵn có và tiềm năng ở nước ta, đồng thời góp phần bảo vệ môi trường vùng nông thôn khỏi ảnh hưởng ô nhiễm môi trường do việc thải bỏ phụ phẩm nông nghiệp nói chung và thân cây sắn nói riêng. Giới thiệu chung về vật liệu hấp phụ ứng dụng trong hấp phụ chất kháng sinh Phương pháp hấp phụ các chất kháng sinh cũng là một hướng nghiên cứu hấp dẫn nhất định nhờ các tính năng nổi trội của phương pháp này như hiệu quả hấp phụ cao, chi phí thấp và vận hành đơn giản. Nhiều nhà khoa học đã thực hiện hấp phụ để loại bỏ kháng sinh tetracycline ra khỏi môi trường nước bằng một số vật liệu như sét smectite,1 montmorillonite,2 diatomite biến tính,3 đá bọt,4 hạt chitosan,5 Aluminium oxide,6 than hoạt tính7 và than hoạt tính dạng hạt.8 Li và cộng sự đã khảo sát sự hấp phụ tetracycline trên vật liệu smectite. Kết quả thực nghiệm cho thấy, sự hấp phụ tetracycline trên vật liệu smectite tuân theo mô hình động học bậc hai với dung lượng hấp phụ cực đại (theo mô hình Langmuir) đạt 460 mg/g (hoặc 0,88 mmol/g).

Giá trị pH của dung dịch tetracycline có ảnh hưởng đến hiệu quả hấp phụ tetracycline trên vật liệu smectite khi nồng độ tetracycline đầu vào lớn do liên quan đến trạng thái tồn tại của tetracycline trong dung dịch. Từ mối tương quan định lượng giữa các cation được giải hấp và lượng tetracycline bị hấp phụ cho thấy sự hấp phụ tetracycline trên smectite tuân theo cơ chế trao đổi cation.1 Choi và cộng sự đã xử lý bảy chất kháng sinh thuộc lớp tetracycline từ các mẫu nước giả lập và nước sông bằng phương pháp keo tụ và hấp phụ trên than hoạt tính dạng hạt (GAC). Trong nghiên cứu này, cả hai phương pháp đều có hiệu quả loại bỏ các tetracycline và hiệu quả loại bỏ phụ thuộc vào loại kháng sinh trong lớp tetracycline. Đối với các kháng sinh tetracycline, doxycycline-hyclate và chlortetracycline-HCl, việc loại bỏ bằng cách hấp phụ trên GAC là hiệu quả hơn nhiều so với phương pháp keo tụ.8 Gao và cộng sự đã nghiên cứu sự hấp phụ kháng sinh tetracycline trên vật liệu graphene oxide (GO).

Kết quả thu được cho thấy, tetracycline hấp phụ mạnh trên bề mặt GO nhờ tương tác π-π và liên kết cation-π. Đường đẳng nhiệt hấp phụ của tetracycline trên vật liệu graphene oxide phù hợp tốt với mô hình Langmuir và Temkin. Dung lượng hấp phụ cực đại theo lý thuyết dựa trên mô hình Langmuir là 313 mg/g, kết quả này là tương đương với dữ liệu thu được từ thực nghiệm. Động học của sự hấp phụ tetracycline trên vật 6 liệu graphene oxide phù hợp mô hình động học bậc hai với hằng số tốc độ hấp phụ 0,065 g/mg.

Khả năng hấp phụ của tetracycline trên GO giảm khi sự tăng giá trị pH hoặc nồng độ Na+.9 Việc loại bỏ các chất kháng sinh trong môi trường và trong hệ thống thủy sinh dành được nhiều sự quan tâm nghiên cứu của các nhà khoa học ở Việt Nam. Gần đây Phạm Thị Vân và cộng sự (Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQGHN) báo cáo về khả năng hấp phụ chất kháng sinh cefotaxime sodium và amoxicillin trong môi trường nước sử dụng vật liệu than hoạt tính và than hoạt tính biến tính. Trong nghiên cứu này, các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ cefotaxim natri (CFN), amoxicillin (AMX) trên các vật liệu than hoạt tính (AC), than hoạt tính biến tính bởi các hóa chất khác nhau (AC-Br, AC-S, AC-HNO3, AC- H2O2) đã được khảo sát. Kết quả thực nghiệm cho thấy AMX hấp phụ tốt nhất ở pH= 6 và thời gian từ 90 - 120 phút.

CFN hấp phụ tối ở pH = 2, thời gian từ 120 đến 180 phút. Sự hấp phụ của AMX và CFN tuân theo phương trình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir. Nghiên cứu cũng chỉ ra rằng, than hoạt tính biến tính với lưu huỳnh nguyên tố (AC-S) có diện tích bề mặt 556,02 m²/g, có khả năng hấp phụ tốt nhất để loại bỏ AMX, CFN ra khỏi môi trường nước. Bước đầu khảo sát sự hấp phụ đồng thời AMX, CFN cho thấy, có sự cạnh tranh dẫn đến cho hiệu quả hấp phụ kém hơn so với khi hấp phụ từng kháng sinh riêng lẻ.10 Tác giả Nguyễn Ngọc Trung và nhóm nghiên cứu đã thực hiện sự biến đổi bề mặt các hạt aluminium oxide bằng polyanion poly styrenesulfonate (PSS - loại polymer được sử dụng loại bỏ các ion, ứng dụng trong kỹ thuật và y tế) thu được vật liệu mới, có khả năng hấp phụ xử lý kháng sinh ciprofloxacin trong nước thải y tế.