Luận án tiến sĩ: Chế tạo chất hấp phụ sinh học từ vỏ cà phê để xử lý kim loại nặng trong nước

• Tác giả: Đỗ Thủy Tiên
• Người hướng dẫn: GS. Trịnh Văn Tuyên
• Trường học: Đại học Sư Phạm Hà Nội 2
• Chuyên ngành: Hóa học
• Đề tài: Nghiên cứu chế tạo chất hấp phụ sinh học từ vỏ cà phê xử lý kim loại nặng trong nước
• Loại tài liệu: luận án
• Năm xuất bản: 2021
• Địa điểm: Hà Nội

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• MỤC LỤC
• 1. MỞ ĐẦU
• 1.1. TỔNG QUAN TÀI LIỆU
• 1.1.1. Tổng quan về sản xuất chất hấp phụ sinh học từ biomass thải
• 1.1.2. Thành phần, tính chất và tiềm năng sản xuất chất hấp phụ sinh học từ vỏ quả cà phê ở Việt Nam
• 1.1.3. Các phương pháp sản xuất chất hấp phụ sinh học từ biomass thải
• 1.1.4. Tổng quan về ô nhiễm kim loại nặng và phương pháp xử lý
• 1.1.4.1. Nguồn gốc phát sinh và tác hại của kim loại nặng
• 1.1.4.2. Các phương pháp xử lý ô nhiễm kim loại nặng trong môi trường nước
• 1.1.4.3. Đặc điểm quá trình hấp phụ kim loại nặng trên VLHP
• 1.1.5. Giới thiệu về vật liệu tổ hợp MnFe2O4/C
• 1.1.5.1. Vật liệu nano MnFe2O4
• 1.1.5.2. Vật liệu tổ hợp MnFe2O4/C
• 1.1.6. Tình hình nghiên cứu và ứng dụng chất hấp phụ sinh học để xử lý ion kim loại nặng trong môi trường nước bằng phương pháp hấp phụ
• 1.1.6.1. Tình hình nghiên cứu trên thế giới
• 1.1.6.2. Tình hình nghiên cứu ở Việt Nam
• 1.1.6.3. Nghiên cứu xử lý kim loại nặng bằng vật liệu nano tổ hợp
• 1.2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 1.2.1. Đối tượng nghiên cứu
• 1.2.2. Hóa chất và thiết bị
• 1.2.3. Phương pháp thực nghiệm
• 1.2.3.1. Xác định thành phần chính của vỏ quả cà phê
• 1.2.3.2. Chế tạo than sinh học từ vỏ quả cà phê (Biochar)
• 1.2.3.3. Chế tạo than hoạt tính từ vỏ quả cà phê
• 1.2.3.4. Chế tạo vật liệu tổ hợp MnFe2O4/BC
• 1.2.3.5. Đánh giá khả năng hấp phụ kim loại nặng trong điều kiện tĩnh
• 1.2.3.6. Các phương pháp nghiên cứu đặc trưng cấu trúc vật liệu
• 1.2.3.7. Thực nghiệm xác định phương trình hồi quy mô tả ảnh hưởng đồng thời của các yếu tố đến hiệu suất hấp phụ Ni(II) của than hoạt hóa bằng HNO3
• 1.2.3.8. Giới thiệu về quy hoạch thực nghiệm
• 1.2.3.9. Kế hoạch thực nghiệm bậc hai Box - Behnken
• 1.2.3.10. Thử nghiệm đánh giá khả năng hấp phụ ion kim loại nặng trên mô hình hấp phụ động
• 1.3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 1.3.1. Kết quả xác định thành phần vỏ quả cà phê
• 1.3.2. Nghiên cứu chế tạo than sinh học từ vỏ quả cà phê
• 1.3.2.1. Khảo sát quá trình phân hủy nhiệt của vỏ quả cà phê
• 1.3.2.2. Xác định chế độ công nghệ than hóa vỏ quả cà phê
• 1.3.3. Nghiên cứu chế tạo than hoạt tính từ vỏ quả cà phê
• 1.3.3.1. Khảo sát cấu trúc bề mặt của than hoạt tính từ vỏ quả cà phê
• 1.3.3.2. Đánh giá khả năng hấp phụ Cr(VI) và Ni(II) của than hoạt tính với chất hoạt hóa H3PO4
• 1.3.3.3. Đánh giá khả năng hấp phụ Cr(VI) và Ni(II) của than hoạt tính với chất hoạt hóa HNO3
• 1.3.4. Nghiên cứu chế tạo vật liệu tổ hợp MnFe2O4/BC (MFO/BC)
• 1.3.4.1. Khảo sát cấu trúc bề mặt và tính chất của vật liệu tổ hợp MFO/BC
• 1.3.4.2. Đánh giá khả năng hấp phụ kim loại nặng Cr(VI) và Ni(II) của các vật liệu tổ hợp MFO/BC
• 1.3.5. Xác định chế độ hấp phụ kim loại nặng Cr(VI) và Ni(II) của các chất hấp phụ sinh học từ vỏ quả cà phê ở dạng tĩnh
• 1.3.5.1. Ảnh hưởng của pH
• 1.3.5.2. Ảnh hưởng của thời gian hấp phụ
• 1.3.5.3. Ảnh hưởng của hàm lượng chất hấp phụ
• 1.3.5.4. Ảnh hưởng của nồng độ dung dịch hấp phụ ban đầu
• 1.3.6. Nghiên cứu mô hình hấp phụ đẳng nhiệt
• 1.3.7. Nghiên cứu mô hình động học hấp phụ của các VLHP
• 1.3.8. Lập ma trận kế hoạch thực nghiệm Box – Behnken
• 1.3.9. Khảo sát khả năng sử dụng than hoạt tính (ACB-30%) để chế tạo vật liệu tổ hợp MFO/AC
• 1.3.10. Thử nghiệm đánh giá khả năng hấp phụ ion kim loại nặng trên mô hình hấp phụ động
• 1.3.10.1. Ảnh hưởng của lưu lượng dòng chảy
• 1.3.10.2. Ảnh hưởng của khối lượng VLHP
• 1.3.10.3. Ảnh hưởng của nồng độ kim loại nặng
• 2. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• PHẦN PHỤ LỤC

I. Giới thiệu về chất hấp phụ sinh học từ vỏ cà phê

Chất hấp phụ sinh học từ vỏ cà phê là một trong những giải pháp tiềm năng để xử lý ô nhiễm kim loại nặng trong nước. Vỏ cà phê, một loại phụ phẩm nông nghiệp, có khả năng hấp phụ tốt nhờ vào cấu trúc bề mặt phong phú và thành phần hóa học đa dạng. Nghiên cứu cho thấy rằng chất hấp phụ sinh học từ vỏ cà phê có thể loại bỏ hiệu quả các ion kim loại nặng như Cr(VI) và Ni(II) trong môi trường nước. Việc sử dụng vỏ cà phê không chỉ giúp giảm thiểu ô nhiễm môi trường mà còn tạo ra giá trị kinh tế từ nguồn nguyên liệu sẵn có. Theo một nghiên cứu, khả năng hấp phụ của vỏ cà phê có thể đạt đến 60 mg/L, cho thấy tiềm năng lớn trong việc xử lý nước thải công nghiệp.

1.1. Tính chất và thành phần của vỏ cà phê

Vỏ cà phê chứa nhiều hợp chất hữu cơ và khoáng chất, bao gồm cellulose, hemicellulose và lignin, tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình hấp phụ. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng thành phần hóa học của vỏ cà phê có thể thay đổi tùy thuộc vào vùng trồng và phương pháp chế biến. Điều này ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng hấp phụ của nó. Việc phân tích thành phần hóa học của vỏ cà phê từ các vùng khác nhau sẽ giúp xác định loại vỏ cà phê nào có khả năng hấp phụ tốt nhất. Sự đa dạng trong thành phần hóa học cũng mở ra cơ hội cho việc tối ưu hóa quy trình chế tạo chất hấp phụ sinh học từ vỏ cà phê.

II. Phương pháp chế tạo chất hấp phụ sinh học

Quá trình chế tạo chất hấp phụ sinh học từ vỏ cà phê bao gồm nhiều bước quan trọng, từ việc thu gom nguyên liệu đến xử lý và chế biến. Đầu tiên, vỏ cà phê được thu gom và làm sạch để loại bỏ tạp chất. Sau đó, vỏ cà phê được nhiệt phân ở các nhiệt độ khác nhau để tạo ra than sinh học. Nghiên cứu cho thấy rằng nhiệt độ và thời gian nhiệt phân có ảnh hưởng lớn đến cấu trúc và tính chất của than sinh học. Việc sử dụng các chất hoạt hóa như H3PO4 và HNO3 trong quá trình chế tạo than hoạt tính cũng giúp tăng cường khả năng hấp phụ của vật liệu. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng than hoạt tính từ vỏ cà phê có thể hấp phụ hiệu quả các ion kim loại nặng, mở ra hướng đi mới trong việc xử lý ô nhiễm nước.

2.1. Nhiệt phân và hoạt hóa

Nhiệt phân là quá trình quan trọng trong việc chế tạo chất hấp phụ sinh học. Nhiệt độ và thời gian nhiệt phân cần được tối ưu hóa để đạt được cấu trúc bề mặt tối ưu cho khả năng hấp phụ. Các nghiên cứu cho thấy rằng nhiệt độ từ 300 đến 600 độ C có thể tạo ra than sinh học với các đặc tính khác nhau. Sau khi nhiệt phân, than sinh học có thể được hoạt hóa bằng các chất hóa học để tăng cường khả năng hấp phụ. Việc sử dụng H3PO4 và HNO3 đã chứng minh là hiệu quả trong việc cải thiện diện tích bề mặt và tính chất hóa học của than hoạt tính, từ đó nâng cao khả năng hấp phụ các ion kim loại nặng.

III. Đánh giá khả năng hấp phụ của chất hấp phụ sinh học

Khả năng hấp phụ của chất hấp phụ sinh học từ vỏ cà phê được đánh giá thông qua các thí nghiệm hấp phụ ion kim loại nặng như Cr(VI) và Ni(II). Các yếu tố như pH, thời gian hấp phụ, hàm lượng chất hấp phụ và nồng độ ban đầu của ion kim loại đều có ảnh hưởng đáng kể đến hiệu suất hấp phụ. Nghiên cứu cho thấy rằng pH tối ưu cho quá trình hấp phụ thường nằm trong khoảng từ 5 đến 7. Thời gian hấp phụ cũng là một yếu tố quan trọng, với thời gian tối ưu thường là từ 30 đến 120 phút. Các mô hình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir và Freundlich được sử dụng để mô tả quá trình hấp phụ, cho thấy rằng chất hấp phụ sinh học từ vỏ cà phê có khả năng hấp phụ tốt và có thể được ứng dụng rộng rãi trong xử lý nước thải.

3.1. Mô hình hấp phụ

Mô hình hấp phụ Langmuir và Freundlich là hai mô hình phổ biến được sử dụng để mô tả quá trình hấp phụ. Mô hình Langmuir giả định rằng quá trình hấp phụ xảy ra trên bề mặt đồng nhất và có giới hạn, trong khi mô hình Freundlich cho phép sự không đồng nhất trong bề mặt hấp phụ. Các nghiên cứu cho thấy rằng mô hình Langmuir thường phù hợp hơn với dữ liệu thực nghiệm cho chất hấp phụ sinh học từ vỏ cà phê, cho thấy rằng quá trình hấp phụ có thể đạt đến một giới hạn nhất định. Điều này có ý nghĩa quan trọng trong việc thiết kế các hệ thống xử lý nước thải sử dụng chất hấp phụ sinh học từ vỏ cà phê.

IV. Ứng dụng thực tiễn của chất hấp phụ sinh học

Việc sử dụng chất hấp phụ sinh học từ vỏ cà phê trong xử lý nước thải có nhiều ứng dụng thực tiễn. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng vật liệu này có thể được sử dụng để xử lý nước thải từ các ngành công nghiệp như mạ điện, sản xuất sơn và chất nhuộm. Khả năng hấp phụ cao của vỏ cà phê giúp loại bỏ hiệu quả các ion kim loại nặng, từ đó giảm thiểu ô nhiễm môi trường. Hơn nữa, việc sử dụng vỏ cà phê không chỉ mang lại lợi ích về mặt môi trường mà còn tạo ra giá trị kinh tế từ nguồn nguyên liệu sẵn có. Các nhà máy có thể tiết kiệm chi phí xử lý nước thải và đồng thời giảm thiểu lượng chất thải nông nghiệp.

4.1. Lợi ích kinh tế và môi trường

Sử dụng chất hấp phụ sinh học từ vỏ cà phê không chỉ giúp xử lý ô nhiễm kim loại nặng mà còn mang lại lợi ích kinh tế cho các nhà máy. Việc tái sử dụng vỏ cà phê làm nguyên liệu chế tạo chất hấp phụ giúp giảm thiểu chi phí nguyên liệu và xử lý chất thải. Hơn nữa, việc giảm thiểu ô nhiễm môi trường từ nước thải công nghiệp sẽ góp phần bảo vệ sức khỏe cộng đồng và hệ sinh thái. Các nghiên cứu cho thấy rằng việc áp dụng công nghệ này có thể giúp các nhà máy đạt được tiêu chuẩn môi trường một cách hiệu quả và bền vững.