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.