Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Ô nhiễm môi trường nước do hoạt động công nghiệp là thách thức lớn đối với quá trình phát triển kinh tế - xã hội tại Việt Nam. Trong các nguồn thải công nghiệp, nước thải ngành dệt nhuộm là đối tượng gây ô nhiễm nghiêm trọng do đặc thù sử dụng khối lượng nước rất lớn (từ 50 đến 300 lít nước sạch để gia công hoàn tất 1 kg vải sợi) và lượng phẩm nhuộm dư thừa thất thoát ra môi trường có thể lên tới 50% tổng lượng sử dụng ban đầu. Nước thải dệt nhuộm thường có độ kiềm hoặc độ axit dao động mạnh, độ màu rất cao (đo được tại một số làng nghề lên tới 750 Pt-Co), nồng độ nhu cầu oxy hóa học (COD) và nhu cầu oxy sinh học (BOD) vượt quy chuẩn kỹ thuật quốc gia nhiều lần (như tại làng nghề Vạn Phúc, Dương Nội, COD đo được từ 380 - 890 mg/L, vượt QCVN 13-MT:2015/BTNMT từ 3 đến 8 lần). Sự hiện diện của các hợp chất màu tổng hợp, đặc biệt là phẩm nhuộm cation bền quang hóa và khó phân hủy sinh học như xanh Methylene (MB), cản trở ánh sáng mặt trời thâm nhập vào tầng nước sâu, làm suy giảm hoạt động quang hợp của thủy sinh thực vật, giảm nồng độ oxy hòa tan và gây độc đối với hệ sinh thái thủy vực cũng như sức khỏe con người.

Song song với thách thức xử lý nước thải dệt nhuộm, Việt Nam với nền sản xuất lúa nước hàng chục triệu tấn mỗi năm đang đối mặt với bài toán quản lý phế phụ phẩm nông nghiệp. Thống kê của Bộ Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn năm 2021 cho thấy sản lượng lúa cả nước đạt 43,88 triệu tấn, phát sinh lượng rơm rạ ước tính hơn 40 triệu tấn (khoảng 42,8 triệu tấn). Khoảng 50% lượng rơm rạ này được tái sử dụng để trồng nấm hoặc lót chuồng trại, trong khi phần còn lại chủ yếu bị đốt trực tiếp ngoài đồng ruộng hoặc thải bỏ tự phát. Hoạt động đốt rơm rạ lộ thiên làm thất thoát chất dinh dưỡng của đất, gây ô nhiễm không khí cục bộ, phát thải khí nhà kính ($CO_2, CH_4$) và gây mất an toàn giao thông.

Xuất phát từ thực trạng trên, việc tận dụng nguồn phụ phẩm rơm rạ dồi dào để chế tạo vật liệu hấp phụ dạng than sinh học (biochar) nhằm xử lý chất màu trong môi trường nước là hướng tiếp cận mang tính kinh tế tuần hoàn. Khóa luận tốt nghiệp "Đánh giá khả năng xử lý màu xanh Methylene của than sinh học từ phụ phẩm nông nghiệp (rơm rạ)" do sinh viên Bùi Thị Thùy Vân thực hiện tại Khoa Khoa học Sinh học, Trường Đại học Nông Lâm TP. Hồ Chí Minh nhằm giải quyết các nhiệm vụ khoa học sau:

  1. Nghiên cứu thành phần, đặc điểm và cấu trúc bề mặt của than sinh học chế tạo từ rơm rạ.
  2. Khảo sát ảnh hưởng của các yếu tố công nghệ (khối lượng vật liệu, nồng độ ban đầu của phẩm nhuộm, thời gian tiếp xúc) đến hiệu suất và dung lượng hấp phụ xanh Methylene trong môi trường nước giả lập; đồng thời mô hình hóa quá trình hấp phụ bằng các phương trình đẳng nhiệt Langmuir và Freundlich.
  3. Đánh giá hiệu quả xử lý màu xanh Methylene trên nền mẫu nước thải dệt nhuộm thực tế thu thập tại khu vực Suối Cái, TP. Thủ Đức.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Củi rơm nén được nhiệt phân thành than sinh học; dung dịch thuốc nhuộm xanh Methylene giả lập trong phòng thí nghiệm và mẫu nước thải dệt nhuộm thực tế.
  • Phạm vi không gian: Các thí nghiệm được tiến hành tại Phòng thử nghiệm Môi trường thuộc Viện nghiên cứu Công nghệ Sinh học và Môi trường - Trường Đại học Nông Lâm TP. Hồ Chí Minh. Mẫu nước thải thực tế được lấy tại 4 vị trí trên tuyến suối Cái, phường Linh Trung, TP. Thủ Đức, TP. Hồ Chí Minh.
  • Phạm vi thời gian: Đề tài được thực hiện trong thời gian 4 tháng, hoàn thành và nghiệm thu vào tháng 8/2023.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Cơ sở lý thuyết và vật liệu

  • Phẩm nhuộm xanh Methylene (MB): Là hợp chất hữu cơ dị vòng thuộc họ thiazine, công thức phân tử $C_{16}H_{18}ClN_3S \cdot 3H_2O$, khối lượng mol 319,85 g/mol, nhiệt độ nóng chảy 100 - 110 °C. Khi hòa tan trong nước, MB phân ly thành cation ($MB^+$), có tính ổn định cao ở nhiệt độ phòng và mang màu xanh đậm đặc trưng.
  • Vật liệu rơm rạ và củi rơm nén: Thành phần hóa học của rơm rạ khô bao gồm Cellulose (42,41%), Hemicellulose (12,65%), Lignin (18,62%), Tro (6,48%), Các hợp chất trích ly (12,76%) và Độ ẩm (7,08%). Thành phần tro chứa $SiO_2$ chiếm chủ đạo (72,593%), $K$ (2,636%), $Na$ (0,369%) và các hợp chất khác (24,402%). Mẫu nguyên liệu củi rơm nén dùng trong nghiên cứu có đường kính ngoài 85 - 90 mm, đường kính trong 20 mm, chiều dài 200 - 400 mm, độ ẩm < 10%, nhiệt lượng 3986 - 4100 kcal/kg, khối lượng tro < 17%, khối lượng riêng $1,05\ g/cm^3$, hàm lượng Carbon > 65%, Lưu huỳnh < 0,01% và Nitơ 0,3 - 0,5%.
  • Lý thuyết nhiệt phân và tạo than sinh học: Than sinh học hình thành qua quá trình nhiệt phân yếm khí sinh khối thực vật. Ở dải nhiệt độ 170 - 180 °C nguyên liệu khô và bắt đầu biến tính; từ 280 - 380 °C diễn ra phản ứng phân hủy phát nhiệt giải phóng các hợp chất bay hơi; quá trình cacbon hóa hoàn tất ở nhiệt độ cao hơn, tạo nên khung carbon xốp chứa hệ thống vi mao quản và các nhóm chức bề mặt chứa oxy.

Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm

Quy trình / Nội dung Thiết bị / Hóa chất sử dụng Điều kiện và thông số thực nghiệm
Nhiệt phân sinh khối Lò nung Carbolite; rây Retsch 600 Mic (Đức) Nung củi rơm nén gói kín trong điều kiện yếm khí ở 300 °C trong 2 giờ; làm nguội, nghiền nhỏ và sàng qua rây kích thước 600 $\mu m$.
Quan sát hình thái bề mặt Kính hiển vi điện tử quét SEM (Thermo Scientific Prisma E, Hoa Kỳ) Chụp ảnh vi cấu trúc bề mặt than sinh học ở độ phóng đại 800 lần.
Phân tích nhóm chức bề mặt Máy quang phổ hồng ngoại biến đổi Fourier FTIR (Thermo Scientific Nicolet iS5, Hoa Kỳ) Đo quang phổ hấp thụ hồng ngoại để xác định các dao động liên kết hóa học đặc trưng ($O-H, C\equiv C, O=C=O$).
Đo quang phổ xác định nồng độ Máy quang phổ UV-Vis (Model T80+, Vương quốc Anh) Đo độ hấp thụ quang ở bước sóng $\lambda = 660\ nm$. Xây dựng đường chuẩn với dải nồng độ MB: 2, 5, 10, 15, 20 mg/L.
Khảo sát hấp phụ gián đoạn (Batch) Máy lắc ổn nhiệt Stuart Scientific (SI50, Anh); máy ly tâm Hettich (Universal 32, Đức) Thể tích dung dịch $V = 30\ mL$; cố định $pH = 6$ (điều chỉnh bằng HCl 0,1 M và NaOH 0,1 M); tốc độ lắc 200 vòng/phút; ly tâm lắng 3000 vòng/phút trong 5 phút.
Lấy mẫu nước thải thực tế Dụng cụ lấy mẫu sông suối chuẩn TCVN 6663-6:2018 Thu 4 mẫu đơn (5 lít/mẫu) tại Suối Cái (tọa độ điểm Đ1: 10°51'57.9"N - 106°47'22.1"E), phối trộn đồng nhất thành mẫu đại diện ($C_0 = 2,86\ mg/L$).

Mô hình tính toán và xử lý số liệu

  • Dung lượng hấp phụ tại thời điểm cân bằng ($q_e$): $$q_e = \frac{(C_0 - C_t) \times V}{m}\quad (mg/g)$$

  • Hiệu suất hấp phụ ($H$): $$H = \frac{C_0 - C_t}{C_0} \times 100\quad (%)$$ (Trong đó: $C_0, C_t$ lần lượt là nồng độ ban đầu và sau hấp phụ ($mg/L$); $V$ là thể tích dung dịch ($L$); $m$ là khối lượng vật liệu ($g$)).

  • Mô hình đẳng nhiệt Langmuir (hấp phụ đơn lớp trên bề mặt đồng nhất): $$\frac{1}{q_e} = \frac{1}{q_{max}} + \frac{1}{q_{max} \cdot K_L \cdot C_e}$$

  • Mô hình đẳng nhiệt Freundlich (hấp phụ đa lớp trên bề mặt không đồng nhất): $$\ln q_e = \frac{1}{n} \ln C_e + \ln K_F$$

  • Phương pháp xử lý thống kê: Tính toán trên Microsoft Excel; phân tích phương sai ANOVA một yếu tố và kiểm định phân hạng Duncan/Tukey bằng phần mềm Minitab với mức ý nghĩa $P < 0,01$.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Mở đầu

Chương này nêu bật tính cấp thiết của đề tài trong bối cảnh ô nhiễm nước thải dệt nhuộm gia tăng và khối lượng phế phẩm rơm rạ sau thu hoạch bị đốt bỏ gây ô nhiễm môi trường. Tác giả xác định mục tiêu tổng quát là ứng dụng than sinh học chế tạo từ rơm rạ để xử lý màu xanh Methylene, đồng thời thiết lập 3 nội dung nghiên cứu thực nghiệm tương ứng từ chế tạo, khảo sát các yếu tố ảnh hưởng, tính toán đẳng nhiệt đến thử nghiệm trên nước thải thực tế.

Chương 2: Tổng quan tài liệu

Chương 2 tổng hợp cơ sở lý luận và các công trình nghiên cứu liên quan gồm 4 mảng kiến thức:

  1. Thực trạng phụ phẩm nông nghiệp tại Việt Nam: Phân tích sản lượng lúa và phế phẩm rơm rạ theo số liệu Tổng cục Thống kê (2019 - 2021), thành phần hóa sinh của rơm rạ, ưu nhược điểm của các phương pháp xử lý truyền thống (đốt đồng, vùi đất ướt sinh khí methane, làm thức ăn gia súc, ủ nấm, sản xuất dầu sinh học bio-oil bằng nhiệt phân nhanh ở 500 °C).
  2. Đặc tính của thuốc nhuộm xanh Methylene: Cấu trúc phân tử cation họ thiazine, cơ chế quang hóa và độc tính sinh thái học.
  3. Hiện trạng ô nhiễm nước thải dệt nhuộm: Các thông số ô nhiễm điển hình (COD, BOD, độ màu) tại các làng nghề; so sánh ưu - nhược điểm của các phương pháp xử lý hiện hành (đông keo tụ tạo nhiều bùn thải hóa học, trao đổi ion chi phí cao, hấp phụ bằng biochar chi phí thấp và thân thiện môi trường).
  4. Tổng quan về than sinh học: Cơ chế than hóa qua các dải nhiệt độ từ 170 đến 600 °C, cấu trúc mao quản xốp đường kính khoảng 50 nm, diện tích bề mặt riêng, khả năng trao đổi cation (CEC) và các ứng dụng cải tạo đất, cô lập carbon, giữ phân bón cũng như hấp phụ chất ô nhiễm hữu cơ và kim loại nặng.

Chương 3: Vật liệu và phương pháp nghiên cứu

Trình bày chi tiết toàn bộ quy trình chế tạo than sinh học từ củi rơm nén bằng phương pháp nhiệt phân yếm khí ở 300 °C trong 2 giờ tại lò Carbolite. Mô tả hệ thống thiết bị phân tích hiện đại (SEM Prisma E, FTIR Nicolet iS5, UV-Vis T80+), thiết kế các dãy thí nghiệm khảo sát đơn yếu tố (khối lượng than 0,2 - 1,2 g; nồng độ dung dịch MB 20 - 80 mg/L; thời gian tiếp xúc 15 - 90 phút), phương pháp xây dựng đường chuẩn trắc quang tại bước sóng 660 nm, quy trình lấy mẫu nước thải suối Cái theo TCVN 6663-6:2018 và phương pháp toán học mô tả đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir và Freundlich.

Chương 4: Kết quả và thảo luận

Chương 4 thể hiện toàn bộ các số liệu và phát hiện thực nghiệm của tác giả theo 3 nội dung trọng tâm:

  • Đặc điểm cấu trúc của than rơm rạ: Ảnh SEM ở độ phóng đại 800 lần khẳng định cấu trúc bề mặt xốp, nhiều lỗ rỗng phát triển giúp tăng diện tích tiếp xúc. Phổ FTIR xuất hiện đỉnh dao động kéo dài tại 3430 $cm^{-1}$ (nhóm hydroxyl $O-H$), đỉnh nhọn tại 2340 $cm^{-1}$ (liên kết ba $C\equiv C$) và đỉnh tại 1110 $cm^{-1}$ (nhóm $O=C=O$). Các nhóm chức chứa oxy mang điện tích âm đóng vai trò tâm hấp phụ chủ đạo liên kết với cation $MB^+$ tích điện dương thông qua lực hút tĩnh điện và liên kết hydro.
  • Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng:
    • Khối lượng than: Hiệu suất hấp phụ tăng nhanh từ 94,34% (tại 0,2 g) lên cực đại 98,59% (tại 0,8 g). Khi tăng tiếp lên 1,0 - 1,2 g, hiệu suất có xu hướng bão hòa và giảm nhẹ do hiện tượng cạnh tranh tâm hấp phụ và che chắn bề mặt.
    • Nồng độ ban đầu: Khi nồng độ MB tăng từ 20 mg/L lên 80 mg/L, hiệu suất hấp phụ giảm từ 97,8% xuống 88,47%, trong khi dung lượng hấp phụ tăng tuyến tính từ 0,73 mg/g lên 2,65 mg/g do sự gia tăng chênh lệch nồng độ (gradient) thúc đẩy khuếch tán chất màu vào mao quản.
    • Thời gian tiếp xúc: Quá trình hấp phụ diễn ra rất nhanh trong 45 phút đầu (hiệu suất đạt 87,7% ở 15 phút và 94,8% ở 45 phút), đạt trạng thái cân bằng tại 60 phút với hiệu suất 98,4%, sau đó ổn định đến 90 phút do các vị trí hoạt động trên bề mặt than đã bị bão hòa.
  • Nghiên cứu đẳng nhiệt: Số liệu thực nghiệm tương thích chặt chẽ với mô hình Langmuir với hệ số tương quan $R^2 = 0,9925$ (vượt trội so với mô hình Freundlich có $R^2 = 0,7724$), dung lượng hấp phụ cực đại lý thuyết đạt $q_{max} = 2,8114\ mg/g$ và hằng số Langmuir $K_L = 1,2219\ L/mg$.
  • Xử lý nước thải dệt nhuộm thực tế: Mẫu nước suối Cái ($C_0 = 2,86\ mg/L$) sau xử lý với 0,4 g than sinh học rơm rạ đạt hiệu suất khử màu 86,74% (nồng độ MB dư giảm về 0,370 mg/L).

Chương 5: Kết luận và đề nghị

Đưa ra kết luận tổng kết các chỉ số hiệu suất đạt được trong nước thải giả lập (98,6%) và nước thải thực tế (86,7%), đồng thời đề xuất 3 kiến nghị mở rộng: nghiên cứu ảnh hưởng đồng thời của nền COD/BOD cao đến khả năng hấp phụ màu; thử nghiệm với các nhóm thuốc nhuộm hữu cơ khác (như da cam methyl); và khảo sát khả năng xử lý amoni, kim loại nặng trong nước.

Kết quả và đóng góp

Bảng tổng hợp các thông số thực nghiệm chính

Điều kiện / Thông số nghiên cứu Giá trị tối ưu / Thông số ghi nhận Kết quả hiệu suất ($H%$) và Dung lượng ($q_e$)
Khối lượng vật liệu hấp phụ 0,8 g (trong 30 mL dung dịch MB 30 mg/L, 60 phút) Hiệu suất đạt đỉnh 98,59%
Nồng độ dung dịch MB ban đầu Khảo sát dải nồng độ $C_0$ từ 20 đến 80 mg/L Dung lượng $q_e$ tăng từ 0,73 mg/g lên 2,65 mg/g; hiệu suất giảm từ 97,80% về 88,47%
Thời gian tiếp xúc 60 phút (tốc độ lắc 200 vòng/phút, pH = 6) Hiệu suất đạt 98,40% (đạt trạng thái cân bằng hấp phụ)
Đẳng nhiệt Langmuir $q_{max} = 2,8114\ mg/g;\ K_L = 1,2219\ L/mg$ Hệ số hồi quy tuyến tính $R^2 = 0,9925$
Đẳng nhiệt Freundlich $K_F = 1,4013;\ n = 3,0395$ Hệ số hồi quy tuyến tính $R^2 = 0,7724$
Nước thải thực tế (Suối Cái) Khối lượng than 0,4 g ($C_0 = 2,86\ mg/L$) Hiệu suất xử lý màu đạt 86,74% ($C_t = 0,370\ mg/L$)

Kết quả thử nghiệm trên nền nước thải dệt nhuộm thực tế

Mẫu thử nghiệm Khối lượng than ($g$) Nồng độ sau xử lý ($mg/L$) Dung lượng hấp phụ ($mg/g$) Hiệu suất hấp phụ ($H%$)
Mẫu đối chứng 0 0 0,00 0,00
Mẫu nước thải + TSH 0,2 $0,514 \pm 0,020^c$ $0,35 \pm 0,005^a$ $82,17 \pm 0,700^c$
Mẫu nước thải + TSH 0,4 $0,370 \pm 0,011^a$ $0,19 \pm 0,000^b$ $86,74 \pm 0,404^a$
Mẫu nước thải + TSH 0,6 $0,400 \pm 0,015^b$ $0,12 \pm 0,000^c$ $85,59 \pm 0,535^b$

(Ghi chú: Trong cùng một cột, các giá trị trung bình có ký tự chữ cái theo sau khác nhau thể hiện sự khác biệt có ý nghĩa thống kê ở mức $P < 0,01$).

Đóng góp khoa học và ứng dụng thực tiễn

  • Đã xác định được điều kiện chế tạo than sinh học đơn giản từ củi rơm nén ở nhiệt độ vừa phải (300 °C trong 2 giờ) mà vẫn đảm bảo hình thành cấu trúc mao quản xốp và duy trì phong phú các nhóm chức bề mặt chứa oxy (nhóm $-OH$ tại đỉnh 3430 $cm^{-1}$ và $O=C=O$ tại 1110 $cm^{-1}$), tạo điều kiện thuận lợi cho liên kết hydro và hút tĩnh điện với cation xanh Methylene.
  • Chứng minh cơ chế hấp phụ xanh Methylene lên than sinh học rơm rạ tuân theo mô hình hấp phụ đơn lớp Langmuir trên bề mặt đồng nhất với hệ số tương quan rất cao ($R^2 > 0,99$).
  • Cung cấp cơ sở thực nghiệm khẳng định tiềm năng ứng dụng than sinh học từ rơm rạ trong việc xử lý màu nước thải thực tế đạt hiệu suất trên 86%, góp phần định hướng giải pháp kinh tế tuần hoàn: biến nguồn phế phụ phẩm nông nghiệp phát thải hàng chục triệu tấn mỗi năm thành vật liệu xử lý môi trường chi phí thấp.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của nghiên cứu

  • Nghiên cứu chỉ mới tập trung đánh giá hiệu quả khử màu đối với một chất màu đơn lẻ là xanh Methylene, chưa khảo sát trên các hệ màu hỗn hợp hoặc thuốc nhuộm anion (như thuốc nhuộm azo).
  • Trong thí nghiệm nước thải dệt nhuộm thực tế, đề tài chỉ đo độ màu dựa trên chất màu xanh Methylene mà tạm thời bỏ qua ảnh hưởng tương tác của các thông số ô nhiễm đặc trưng khác như nồng độ muối cao, chất hoạt động bề mặt, chất rắn lơ lửng, nhu cầu oxy hóa học (COD) và nhu cầu oxy sinh học (BOD).
  • Quá trình thực nghiệm dừng lại ở quy mô mẻ tĩnh (batch) trong phòng thí nghiệm với thể tích nhỏ (30 mL), chưa tiến hành thử nghiệm cột hấp phụ dòng chảy liên tục (fixed-bed column) hoặc đánh giá khả năng tái sinh và tái sử dụng vật liệu qua nhiều chu kỳ.

Hướng nghiên cứu tiếp theo

  • Khảo sát sâu hơn ảnh hưởng cạnh tranh của các chất nền hữu cơ (thông qua chỉ số COD và $BOD_5$) và các ion muối khoáng đến dung lượng hấp phụ màu của than sinh học.
  • Mở rộng đánh giá khả năng xử lý của than sinh học từ rơm rạ đối với các chất màu hữu cơ có cấu trúc khác nhau (ví dụ: thuốc nhuộm Methylene da cam / Methyl Orange).
  • Nghiên cứu ứng dụng than sinh học rơm rạ để hấp phụ đồng thời các chất ô nhiễm vô cơ khác trong môi trường nước như ion amoni ($NH_4^+$) và các kim loại nặng ($Pb^{2+}, Cd^{2+}, Cr^{6+}$).

Giá trị tham khảo

Tài liệu khóa luận này mang lại giá trị tham khảo thực tế cho các nhóm đối tượng:

  • Sinh viên và học viên ngành Công nghệ Sinh học, Kỹ thuật Môi trường, Quản lý Tài nguyên và Môi trường: Cung cấp quy trình bài bản từ khâu chuẩn bị mẫu sinh khối, phương pháp nhiệt phân yếm khí chế tạo biochar ở quy mô phòng thí nghiệm, phương pháp đo phổ trắc quang UV-Vis bước sóng 660 nm và quy trình xử lý thống kê ANOVA qua phần mềm Minitab.
  • Người nghiên cứu về vật liệu hấp phụ từ sinh khối nông nghiệp: Bản khóa luận là tài liệu tham khảo chi tiết về phương pháp phân tích đặc trưng hóa lý bề mặt bằng ảnh SEM và phổ hồng ngoại FTIR, cũng như quy trình dựng đường chuẩn, lập phương trình tuyến tính hóa mô hình đẳng nhiệt Langmuir và Freundlich.
  • Kỹ sư vận hành và thiết kế hệ thống xử lý nước thải công nghiệp: Cung cấp số liệu đối chiếu thực tế về khả năng hấp phụ chất màu dệt nhuộm của than sinh học chưa biến tính trên cả môi trường nước giả định và nước thải tự nhiên tại kênh rạch.

Câu hỏi thường gặp

1. Điều kiện nhiệt phân củi rơm nén để chế tạo than sinh học trong nghiên cứu này được thiết lập như thế nào?
Nguyên liệu củi rơm nén sau khi thu thập được gói kín và đưa vào nung trong lò Carbolite ở nhiệt độ 300 °C trong thời gian 2 giờ dưới điều kiện yếm khí. Sau khi nung, than sinh học được nghiền mịn và sàng qua rây Retsch (Đức) kích thước mắt rây 600 $\mu m$ để làm vật liệu hấp phụ.

2. Cấu trúc và nhóm chức bề mặt nào của than sinh học rơm rạ đóng vai trò quyết định đến việc lưu giữ phẩm nhuộm xanh Methylene?
Ảnh chụp SEM (độ phóng đại 800 lần) xác nhận than rơm rạ có cấu trúc rỗng, xốp với nhiều mao quản. Kết quả phổ FTIR chỉ ra sự hiện diện của các nhóm chức chứa oxy quan trọng: đỉnh dao động kéo dài tại 3430 $cm^{-1}$ tương ứng với nhóm $-OH$ và đỉnh tại 1110 $cm^{-1}$ tương ứng với liên kết $O=C=O$. Các nhóm chức chứa oxy mang điện tích âm này tạo liên kết hydro và tương tác tĩnh điện mạnh mẽ với các phân tử thuốc nhuộm cation xanh Methylene ($MB^+$).

3. Điều kiện tối ưu để đạt hiệu suất hấp phụ cao nhất trong nước thải giả lập là gì?
Trong điều kiện dung dịch giả lập thể tích 30 mL, cố định $pH = 6$ và lắc 200 vòng/phút, hiệu suất hấp phụ đạt mức cực đại 98,59% (xấp xỉ 98,6%) tại khối lượng than sinh học 0,8 g, nồng độ dung dịch MB ban đầu 30 mg/L và thời gian tiếp xúc đạt trạng thái cân bằng ở 60 phút.

4. Quá trình hấp phụ xanh Methylene của than rơm rạ phù hợp với mô hình đẳng nhiệt nào và các tham số đạt được là bao nhiêu?
Quá trình hấp phụ tương thích vượt trội với mô hình đẳng nhiệt Langmuir dạng tuyến tính với hệ số tương quan $R^2 = 0,9925$ (trong khi mô hình Freundlich chỉ đạt $R^2 = 0,7724$). Các tham số tính toán từ phương trình Langmuir gồm dung lượng hấp phụ cực đại lý thuyết $q_{max} = 2,8114\ mg/g$ và hằng số ái lực hấp phụ $K_L = 1,2219\ L/mg$, chứng minh quá trình hấp phụ diễn ra theo cơ chế đơn lớp trên các tâm hoạt động đồng nhất.

5. Hiệu quả xử lý phẩm nhuộm trên mẫu nước thải dệt nhuộm thực tế tại Suối Cái đạt kết quả như thế nào?
Với mẫu nước thải thực tế có nồng độ ban đầu $C_0 = 2,86\ mg/L$, khi bổ sung 0,4 g than sinh học rơm rạ vào 30 mL nước thải và lắc trong 60 phút, hiệu suất khử màu đạt cao nhất là 86,74% (sai số $\pm 0,404%$), đưa nồng độ thuốc nhuộm trong nước sau xử lý giảm xuống còn $0,370\ mg/L$.

Kết luận

Khóa luận tốt nghiệp của tác giả Bùi Thị Thùy Vân đã chứng minh tính khả thi của việc chuyển hóa phụ phẩm củi rơm nén thành than sinh học bằng phương pháp nhiệt phân yếm khí ở 300 °C trong 2 giờ nhằm ứng dụng xử lý phẩm nhuộm cation trong nước. Vật liệu than sinh học thu được sở hữu cấu trúc mao quản xốp và giàu nhóm chức bề mặt chứa oxy, cho phép hấp phụ xanh Methylene theo mô hình đơn lớp Langmuir ($R^2 = 0,9925$) với dung lượng cực đại $q_{max} = 2,8114\ mg/g$. Quá trình xử lý đạt hiệu suất 98,59% trong môi trường nước giả lập và 86,74% trên mẫu nước thải dệt nhuộm thực tế tại Suối Cái, mở ra giải pháp kết hợp giữa giảm thiểu ô nhiễm do đốt phụ phẩm nông nghiệp và xử lý nước thải công nghiệp dệt nhuộm.