Luận văn thạc sĩ hay nghiên cứu chế tạo than hoạt tính từ bã đậu nành và khảo sát khả năng hấp phụ crvi trong môi trường nước

Nghiên cứu chế tạo than hoạt tính từ bã đậu nành và khả năng hấp phụ crvi trong nước, mang lại giải pháp hiệu quả cho ô nhiễm môi trường.

• Tác giả: Vatsana Inthapasong
• Người hướng dẫn: Ts. Vũ Thị Hậu
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm - Đại học Thái Nguyên
• Chuyên ngành: Hóa học
• Đề tài: Nghiên cứu chế tạo than hoạt tính từ bã đậu nành và khảo sát khả năng hấp phụ Cr(VI) trong môi trường nước
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2020
• Địa điểm: Thái Nguyên

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Ô nhiễm do ion kim loại nặng
• 1.1.1. Sơ lược về kim loại nặng
• 1.1.2. Thực trạng ô nhiễm nguồn nước bởi kim loại nặng
• 1.1.3. Tác dụng sinh hóa của ion kim loại nặng đối với con người và môi trường
• 1.2. Các phương pháp xử lý ô nhiễm kim loại nặng
• 1.2.1. Phương pháp kết tủa
• 1.2.2. Phương pháp trao đổi ion
• 1.2.3. Phương pháp điện hóa
• 1.2.4. Phương pháp oxi hóa khử
• 1.2.5. Phương pháp sinh học
• 1.2.6. Phương pháp hấp phụ
• 1.3. Hấp phụ trong môi trường nước
• 1.3.1. Đặc điểm chung của hấp phụ trong môi trường nước
• 1.4. Đặc tính của ion kim loại trong môi trường nước
• 1.5. Tổng quan về than hoạt tính và các giai đoạn điều chế than hoạt tính
• 1.5.1. Tổng quan về than hoạt tính
• PHỤ LỤC
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về nghiên cứu chế tạo than hoạt tính từ bã đậu nành

Nghiên cứu chế tạo than hoạt tính từ bã đậu nành đang thu hút sự chú ý trong lĩnh vực xử lý ô nhiễm nước. Bã đậu nành, một sản phẩm phụ từ ngành chế biến thực phẩm, có thể được tận dụng để sản xuất than hoạt tính. Việc này không chỉ giúp giảm thiểu chất thải mà còn tạo ra vật liệu có khả năng hấp phụ tốt, đặc biệt là đối với các ion kim loại nặng như Cr(VI). Nghiên cứu này nhằm mục đích tìm hiểu quy trình chế tạo và khả năng hấp phụ của than hoạt tính từ bã đậu nành.

1.1. Tại sao chọn bã đậu nành làm nguyên liệu chế tạo than hoạt tính

Bã đậu nành là nguồn nguyên liệu phong phú và dễ kiếm. Nó chứa nhiều chất hữu cơ, giúp tạo ra than hoạt tính với diện tích bề mặt lớn. Việc sử dụng bã đậu nành không chỉ tiết kiệm chi phí mà còn góp phần bảo vệ môi trường.

1.2. Lợi ích của than hoạt tính trong xử lý ô nhiễm nước

Than hoạt tính có khả năng hấp phụ cao, giúp loại bỏ các ion kim loại nặng như Cr(VI) trong nước. Sử dụng than hoạt tính từ bã đậu nành không chỉ hiệu quả mà còn thân thiện với môi trường.

II. Vấn đề ô nhiễm nước do ion kim loại nặng và Cr VI

Ô nhiễm nước do ion kim loại nặng, đặc biệt là Cr(VI), đang trở thành một vấn đề nghiêm trọng. Nguồn nước bị ô nhiễm không chỉ ảnh hưởng đến sức khỏe con người mà còn gây hại cho hệ sinh thái. Cr(VI) là một trong những ion kim loại nặng độc hại, có thể gây ra nhiều bệnh tật nghiêm trọng. Việc tìm kiếm các phương pháp xử lý hiệu quả là rất cần thiết.

2.1. Tác động của Cr VI đến sức khỏe con người

Cr(VI) có thể gây ra nhiều vấn đề sức khỏe nghiêm trọng như ung thư, tổn thương gan và thận. Việc tiếp xúc lâu dài với Cr(VI) có thể dẫn đến các bệnh lý mãn tính.

2.2. Nguồn gốc và sự phát tán của Cr VI trong môi trường

Cr(VI) thường xuất hiện trong nước thải công nghiệp, đặc biệt từ các nhà máy sản xuất thép và nhuộm. Sự phát tán của Cr(VI) vào nguồn nước gây ra ô nhiễm nghiêm trọng, ảnh hưởng đến chất lượng nước.

III. Phương pháp chế tạo than hoạt tính từ bã đậu nành

Quy trình chế tạo than hoạt tính từ bã đậu nành bao gồm nhiều bước quan trọng. Đầu tiên, bã đậu nành được xử lý để loại bỏ tạp chất. Sau đó, quá trình hoạt hóa diễn ra ở nhiệt độ cao trong môi trường yếm khí, tạo ra cấu trúc lỗ xốp cho than hoạt tính. Quy trình này không chỉ đơn giản mà còn hiệu quả trong việc tạo ra vật liệu hấp phụ.

3.1. Các bước chuẩn bị nguyên liệu bã đậu nành

Bã đậu nành cần được rửa sạch và sấy khô trước khi chế tạo. Việc này giúp loại bỏ tạp chất và tăng hiệu quả trong quá trình hoạt hóa.

3.2. Quy trình hoạt hóa than từ bã đậu nành

Quá trình hoạt hóa diễn ra ở nhiệt độ cao, thường từ 600 đến 900 độ C. Điều này giúp tạo ra cấu trúc lỗ xốp, tăng diện tích bề mặt cho than hoạt tính.

IV. Khảo sát khả năng hấp phụ Cr VI của than hoạt tính

Khả năng hấp phụ Cr(VI) của than hoạt tính từ bã đậu nành được khảo sát thông qua các thí nghiệm. Các yếu tố như pH, thời gian và nồng độ Cr(VI) ban đầu đều ảnh hưởng đến hiệu quả hấp phụ. Kết quả cho thấy than hoạt tính từ bã đậu nành có khả năng hấp phụ Cr(VI) tốt, mở ra triển vọng cho việc xử lý ô nhiễm nước.

4.1. Các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ

pH của dung dịch, thời gian tiếp xúc và nồng độ Cr(VI) ban đầu là những yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ. Nghiên cứu cho thấy rằng pH tối ưu cho quá trình hấp phụ là khoảng 6-7.

4.2. Kết quả khảo sát khả năng hấp phụ Cr VI

Kết quả thí nghiệm cho thấy than hoạt tính từ bã đậu nành có khả năng hấp phụ Cr(VI) lên đến 90%. Điều này chứng tỏ hiệu quả của phương pháp chế tạo và ứng dụng than hoạt tính trong xử lý ô nhiễm nước.

V. Ứng dụng thực tiễn của than hoạt tính từ bã đậu nành

Than hoạt tính từ bã đậu nành không chỉ có khả năng hấp phụ tốt mà còn có thể được ứng dụng rộng rãi trong xử lý nước thải. Việc sử dụng vật liệu này giúp giảm thiểu ô nhiễm môi trường và tiết kiệm chi phí. Nghiên cứu này mở ra hướng đi mới cho việc tái chế và sử dụng hiệu quả các sản phẩm phụ nông nghiệp.

5.1. Ứng dụng trong xử lý nước thải công nghiệp

Than hoạt tính từ bã đậu nành có thể được sử dụng để xử lý nước thải từ các nhà máy sản xuất, giúp loại bỏ các ion kim loại nặng như Cr(VI) một cách hiệu quả.

5.2. Tiềm năng phát triển trong ngành công nghiệp môi trường

Với khả năng hấp phụ tốt và chi phí thấp, than hoạt tính từ bã đậu nành có tiềm năng lớn trong ngành công nghiệp môi trường, đặc biệt trong xử lý nước và không khí.

VI. Kết luận và triển vọng tương lai của nghiên cứu

Nghiên cứu chế tạo than hoạt tính từ bã đậu nành và khả năng hấp phụ Cr(VI) đã chứng minh tính khả thi và hiệu quả. Việc sử dụng bã đậu nành không chỉ giúp giảm thiểu chất thải mà còn tạo ra vật liệu có giá trị trong xử lý ô nhiễm nước. Tương lai, nghiên cứu này có thể mở rộng ra nhiều lĩnh vực khác nhau, góp phần bảo vệ môi trường.

6.1. Hướng nghiên cứu tiếp theo

Cần tiếp tục nghiên cứu để tối ưu hóa quy trình chế tạo và nâng cao khả năng hấp phụ của than hoạt tính từ bã đậu nành.

6.2. Tác động đến môi trường và xã hội

Việc áp dụng than hoạt tính từ bã đậu nành trong xử lý nước thải sẽ góp phần giảm thiểu ô nhiễm môi trường, bảo vệ sức khỏe cộng đồng và phát triển bền vững.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Quá trình công nghiệp hóa và đô thị hóa nhanh chóng đang tạo ra sức ép nặng nề lên nguồn tài nguyên nước. Nước thải chưa qua xử lý triệt để từ các ngành công nghiệp luyện kim, mạ điện, dệt nhuộm và thuộc da khiến nồng độ kim loại nặng tại nhiều dòng sông lớn vượt tiêu chuẩn cho phép từ 3 đến 4 lần. Trong đó, crom hóa trị sáu Cr(VI) là tác nhân ô nhiễm đặc biệt nguy hiểm với độc tính cao, có khả năng gây đột biến gen và ung thư phổi cũng như đường tiêu hóa. Tổ chức Y tế Thế giới (WHO) khuyến cáo hàm lượng Cr(VI) tối đa trong nước uống không được vượt quá 0,05 mg/L.

Để giải quyết tình trạng này, các phương pháp truyền thống như kết tủa hóa học, trao đổi ion hay điện hóa thường đòi hỏi chi phí vận hành cao và dễ phát sinh bùn thải thứ cấp. Luận văn tập trung nghiên cứu giải pháp chế tạo than hoạt tính từ bã đậu nành – một nguồn phụ phẩm nông nghiệp dồi dào với diện tích gieo trồng tại vùng Trung du miền núi phía Bắc đạt hơn 69.425 ha – nhằm ứng dụng làm vật liệu xử lý Cr(VI) trong môi trường nước.

Nghiên cứu được triển khai thực nghiệm tại thành phố Thái Nguyên trong năm 2020. Mục tiêu cụ thể là tối ưu hóa quy trình hoạt hóa bã đậu nành bằng hóa chất kẽm clorua, đánh giá toàn diện các đặc trưng hóa lý bề mặt và xác lập các thông số hấp phụ tĩnh tối ưu. Kết quả nghiên cứu tạo ra vật liệu than có diện tích bề mặt riêng đạt 605,7 m2/g và dung lượng hấp phụ cực đại đạt 37,04 mg/g, mở ra hướng đi khả thi về mặt kinh tế và thân thiện với môi trường trong xử lý nước thải công nghiệp.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng dựa trên nền tảng lý thuyết hấp phụ và hóa học bề mặt:

• Thuyết hấp phụ đa phân tử Brunauer-Emmett-Teller (BET): Ứng dụng phương trình BET để xác định diện tích bề mặt riêng của vật liệu thông qua sự hấp phụ phân tử khí nitơ ở áp suất tương đối trong khoảng 0,05 đến 0,3.
• Mô hình đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir: Mô tả quá trình hấp phụ đơn lớp trên bề mặt đồng nhất với các tâm hoạt động tương đương, không có sự tương tác giữa các phân tử bị hấp phụ.
• Thuyết tương tác tĩnh điện và lớp điện kép: Bản chất tích điện của bề mặt than trong dung dịch nước phụ thuộc vào điểm đẳng điện (pHpzc). Khi pH nhỏ hơn điểm đẳng điện, bề mặt than tích điện dương; ngược lại, khi pH lớn hơn điểm đẳng điện, bề mặt tích điện âm.
• Cơ chế mao quản của than hoạt tính: Cấu trúc xốp được phân loại theo tiêu chuẩn IUPAC thành vi mao quản (dưới 2 nm), mao quản trung bình (từ 2 đến 50 nm) và mao quản lớn (trên 50 nm). Quá trình hoạt hóa bằng muối kẽm giúp phát triển mạnh hệ thống vi mao quản và nâng cao chỉ số iot trong khoảng 500 đến 1200 mg/g.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn nguyên liệu thực nghiệm gồm 5 kg bã đậu nành tươi thu thập tại cơ sở sản xuất đậu phụ ở phường Gia Sàng, thành phố Thái Nguyên. Mẫu được rửa sạch bằng nước cất, sấy khô ở 105°C và nghiền mịn.

Phương pháp chế tạo than sử dụng tác nhân hoạt hóa hóa học ZnCl2 95% với 4 tỷ lệ thể tích dung dịch trên khối lượng nguyên liệu (1:4, 1:2, 1:1, 2:1) và nung yếm khí ở 3 mức nhiệt độ 400°C, 450°C và 500°C trong 60 phút. Tổng cộng 12 mẫu than bã đậu nành và 01 mẫu nguyên liệu thô đối chứng được tổng hợp để khảo sát.

Các phương pháp phân tích hiện đại được lựa chọn bao gồm:

• Phương pháp phổ hấp thụ phân tử UV-Vis tại bước sóng λ = 540 nm để xác định nồng độ Cr(VI) thông qua phức màu tím đỏ với thuốc thử 1,5-điphenylcacbazit. Phương pháp này có độ nhạy cao và giới hạn phát hiện thấp đối với nồng độ từ 0 đến 7 mg/L.
• Kính hiển vi điện tử quét SEM chụp tại Viện Kỹ thuật Nhiệt đới nhằm phân tích hình thái vi cấu trúc và độ xốp bề mặt.
• Phương pháp đo hấp phụ tĩnh khảo sát ảnh hưởng của pH (2 đến 7), thời gian tiếp xúc (5 đến 120 phút), nhiệt độ (30°C đến 50°C) và nồng độ ban đầu (35,70 đến 79,43 mg/L).

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình phân tích thực nghiệm đã ghi nhận bốn phát hiện khoa học quan trọng:

• Cải thiện vượt bậc về diện tích bề mặt riêng: Mẫu than V503 (chế tạo ở 500°C, tỷ lệ ZnCl2 1:1) đạt diện tích bề mặt riêng BET là 605,7 m2/g, tăng gấp hơn 49 lần (tương đương mức tăng 4824%) so với nguyên liệu bã đậu nành ban đầu (12,3 m2/g) và cao hơn mẫu nung ở 400°C (232,1 m2/g).
• Nâng cao hiệu suất hấp phụ sơ bộ: Mẫu V503 khử được 80,44% Cr(VI) ở nồng độ ban đầu 49,10 mg/L, vượt trội hoàn toàn so với mẫu nguyên liệu chưa biến tính chỉ đạt 5,26% và mẫu V401 chỉ đạt 22,19%.
• Xác lập điều kiện hấp phụ tối ưu: Quá trình đạt hiệu quả cao nhất tại môi trường axit mạnh pH = 2 với hiệu suất 77,44% và dung lượng hấp phụ 24,73 mg/g. Thời gian đạt trạng thái cân bằng hấp phụ diễn ra nhanh chóng tại mốc 90 phút với hiệu suất đạt 58,10%.
• Dung lượng hấp phụ cực đại ấn tượng: Theo mô hình đẳng nhiệt Langmuir, dung lượng hấp phụ cực đại của than bã đậu nành đối với Cr(VI) đạt 37,04 mg/g. Khi nhiệt độ dung dịch tăng từ 30°C lên 50°C, dung lượng hấp phụ tăng từ 17,24 mg/g lên 26,67 mg/g, tương ứng hiệu suất tăng từ 44,70% lên 69,15%.

Thảo luận kết quả

Khả năng hấp phụ vượt trội của than bã đậu nành được giải thích thông qua đặc tính điện tích bề mặt và cấu trúc mao quản. Điểm đẳng điện của vật liệu được xác định chính xác tại giá trị 6,35. Tại môi trường pH = 2 (nhỏ hơn 6,35), bề mặt than tích điện dương mạnh, tạo ra lực hút tĩnh điện tối đa với các anion crom như HCrO4- và Cr2O72-. Khi nâng pH lên mức 7, hiệu suất hấp phụ giảm mạnh xuống 40,07% do bề mặt than chuyển sang tích điện âm gây lực đẩy tĩnh điện, đồng thời có sự cạnh tranh vị trí hấp phụ gay gắt từ các ion OH-.

Việc dung lượng hấp phụ tăng tỷ lệ thuận theo nhiệt độ từ 303K đến 323K chứng minh quá trình hấp phụ Cr(VI) trên than bã đậu nành là phản ứng thu nhiệt và mang bản chất của quá trình hấp phụ hóa học.

Dữ liệu thực nghiệm của nghiên cứu có thể được trực quan hóa hiệu quả thông qua đồ thị đường đẳng nhiệt Langmuir tuyến tính biểu diễn mối quan hệ giữa tỷ số nồng độ cân bằng trên dung lượng hấp phụ (Ccb/q) theo nồng độ cân bằng (Ccb) với hệ số tương quan R2 đạt mức cao. Khi đặt lên bảng so sánh, dung lượng cực đại 37,04 mg/g của than bã đậu nành cao hơn 127% so với than vỏ lạc (16,26 mg/g) và cao hơn 115% so với than lá phi lao (17,20 mg/g).

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên các kết quả đạt được, luận văn đề xuất các giải pháp kỹ thuật và chính sách ứng dụng cụ thể:

• Chuẩn hóa quy trình nhiệt phân hoạt hóa: Các đơn vị nghiên cứu và doanh nghiệp cơ khí cần hoàn thiện dây chuyền sản xuất than hoạt tính quy mô công nghiệp 100 kg/mẻ từ bã đậu nành. Cần duy trì nghiêm ngặt các thông số kỹ thuật gồm nhiệt độ nung 500°C trong thời gian 60 phút và tỷ lệ phối trộn ZnCl2 1:1 nhằm đảm bảo chất lượng sản phẩm đạt diện tích bề mặt trên 600 m2/g trong vòng 12 tháng tới.
• Thiết kế hệ thống cột lọc liên tục: Các doanh nghiệp xử lý môi trường tại các khu công nghiệp mạ điện và dệt nhuộm cần tiến hành lắp đặt module lọc cột than bã đậu nành với công suất xử lý 10 đến 20 m3/ngày đêm, chủ động duy trì pH nước thải đầu vào ở mức 2,0 đến 2,5 để nâng hiệu suất loại bỏ Cr(VI) đạt trên 95% trong lộ trình 18 tháng.
• Xây dựng mạng lưới thu gom sinh khối: Chi cục Bảo vệ Môi trường phối hợp cùng Sở Công Thương tại các địa phương tập trung vùng trồng đậu nành như Thái Nguyên và Bắc Ninh xây dựng chuỗi thu gom 500 đến 1000 tấn bã đậu nành/năm từ các cơ sở chế biến thực phẩm, ban hành chính sách hỗ trợ kinh phí trong 6 tháng.
• Phát triển công nghệ tái sinh vật liệu: Các phòng thí nghiệm chuyên ngành hóa học cần nghiên cứu dung dịch giải hấp phù hợp như kiềm loãng NaOH 0,1M để thu hồi kim loại crom và duy trì hiệu suất hấp phụ của than trên 85% sau 5 chu kỳ tái sử dụng trong giai đoạn 24 tháng tiếp theo.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nội dung luận văn mang lại giá trị thực tiễn và học thuật cho nhiều nhóm độc giả chuyên môn:

• Kỹ sư công nghệ môi trường tại các nhà máy luyện kim và xi mạ: Khai thác thông số dung lượng 37,04 mg/g và môi trường pH = 2 để vận hành hệ thống xử lý nước thải chứa kim loại nặng với chi phí vật liệu tiết kiệm hơn 40% so với than hoạt tính thương mại.
• Giảng viên, học viên cao học và sinh viên ngành Hóa học: Sử dụng toàn bộ hệ thống số liệu phân tích BET (605,7 m2/g), ảnh SEM và phương trình hồi quy Langmuir làm tài liệu tham khảo cho các đề tài biến tính vật liệu hấp phụ từ sinh khối.
• Doanh nghiệp sản xuất đậu phụ và chế biến sữa đậu nành: Nắm bắt giải pháp công nghệ tuần hoàn để chuyển đổi hàng trăm tấn phế thải bã đậu phát sinh mỗi năm thành sản phẩm thương mại có giá trị gia tăng cao.
• Cơ quan quản lý tài nguyên và môi trường: Sử dụng các căn cứ khoa học của đề tài để xây dựng các mô hình kinh tế tuần hoàn và công nghiệp sinh thái tại các làng nghề truyền thống.

Câu hỏi thường gặp

• Bã đậu nành có những ưu điểm gì khi sử dụng làm than hoạt tính? Bã đậu nành chứa hàm lượng lớn chất hữu cơ gồm protein (khoảng 40%), lipid (12-25%) và cellulose. Nguồn nguyên liệu này rất dồi dào tại Việt Nam với diện tích canh tác hơn 69.425 ha. Sau quá trình hoạt hóa bằng ZnCl2 ở 500°C, khung carbon chuyển hóa thành mạng lưới mao quản phong phú với diện tích bề mặt riêng đạt 605,7 m2/g.

• Tại sao hiệu suất hấp phụ Cr(VI) đạt giá trị cao nhất tại pH = 2? Điểm đẳng điện của than bã đậu nành là 6,35. Tại pH = 2 (thấp hơn 6,35), bề mặt than tích điện dương mạnh, tạo lực hút tĩnh điện cực đại với các anion crom tồn tại ở dạng HCrO4- và Cr2O72-. Nhờ đó, hiệu suất xử lý Cr(VI) đạt mức cao 77,44% với dung lượng hấp phụ đạt 24,73 mg/g.

• Mẫu than V503 có đặc tính vi cấu trúc vượt trội như thế nào? Mẫu V503 được hoạt hóa ở tỷ lệ ZnCl2 1:1 và nung tại 500°C, sở hữu diện tích bề mặt BET lên tới 605,7 m2/g, cao gấp 49 lần mẫu nguyên liệu thô (12,3 m2/g). Ảnh hiển vi điện tử quét SEM chứng minh mẫu có mật độ lỗ xốp vi mao quản dày đặc, giúp hiệu suất hấp phụ Cr(VI) sơ bộ đạt 80,44%.

• Quá trình hấp phụ Cr(VI) trên than bã đậu tuân theo quy luật nào? Quá trình hấp phụ diễn ra phù hợp với mô hình đẳng nhiệt đơn lớp Langmuir với dung lượng cực đại đạt 37,04 mg/g. Khi nhiệt độ tăng từ 30°C lên 50°C, dung lượng hấp phụ tăng từ 17,24 mg/g lên 26,67 mg/g, khẳng định quá trình hấp phụ Cr(VI) mang bản chất hấp phụ hóa học thu nhiệt.

• Khả năng xử lý Cr(VI) của than bã đậu so với các vật liệu sinh khối khác ra sao? Dung lượng hấp phụ cực đại của than bã đậu nành (37,04 mg/g) cao hơn đáng kể so với than từ vỏ lạc (16,26 mg/g) và than lá phi lao (17,20 mg/g). Với giá thành nguyên liệu gần như bằng không và khả năng phân tán rộng, than bã đậu nành là vật liệu hấp phụ giàu tiềm năng thương mại.

Kết luận

• Đã tổng hợp thành công 12 mẫu than hoạt tính từ bã đậu nành và xác định mẫu tối ưu V503 (tỷ lệ ZnCl2 1:1, nung 500°C trong 60 phút) đạt diện tích bề mặt BET lên tới 605,7 m2/g.
• Đã xác định chính xác điểm đẳng điện của than bã đậu nành là 6,35, làm sáng tỏ cơ chế tương tác tĩnh điện giữa bề mặt than và các ion kim loại trong môi trường nước.
• Đã thiết lập các thông số hấp phụ Cr(VI) tối ưu tại pH = 2, thời gian cân bằng 90 phút và khẳng định bản chất hấp phụ hóa học thu nhiệt trong khoảng nhiệt độ 303K đến 323K.
• Đã tính toán dung lượng hấp phụ cực đại theo mô hình Langmuir đạt 37,04 mg/g, vượt trội hơn so với than chế tạo từ vỏ lạc (16,26 mg/g) và than lá phi lao (17,20 mg/g).
• Đóng góp giải pháp công nghệ tuần hoàn hiệu quả, vừa giảm thiểu ô nhiễm rác thải hữu cơ ngành thực phẩm vừa cung cấp vật liệu xử lý nước thải chi phí thấp.

Trong giai đoạn 2026-2027, nhóm nghiên cứu dự kiến sẽ thử nghiệm mô hình lọc cột liên tục trên nguồn nước thải công nghiệp thực tế và hoàn thiện quy trình tái sinh than. Quý độc giả, nhà khoa học và doanh nghiệp quan tâm có thể kết nối với tác giả hoặc khai thác toàn văn tài liệu để cùng phát triển ứng dụng vật liệu xanh vào thực tiễn sản xuất.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1 TỔNG QUAN 1. Ô nhiễm do ion kim loại nặng 1. Sơ lược về kim loại nặng Kim loại nặng là những kim loại có khối lượng riêng lớn hơn 5g/cm3. Một vài kim loại nặng có thể cần thiết cho cơ thể sống bao gồm động vật, thực vật, các vi sinh vật khi chúng chỉ ở một hàm lượng nhất định nào đó.

Tuy nhiên khi ở một hàm lượng lớn hơn giới hạn cho phép nó sẽ trở nên độc hại. Trong tự nhiên kim loại nặng tồn tại ở cả ba môi trường: môi trường đất, môi trường nước, môi trường không khí. Trong đó môi trường nước là môi trường có khả năng phát tán kim loại nặng đi xa và rộng nhất, trong môi trường này kim loại nặng có thể tồn tại dưới dạng ion và phức chất. Nguồn nước có chứa kim loại nặng nếu được đưa đi tưới cây thì sẽ khiến cây trồng và đất trồng sẽ bị ô nhiễm kim loại nặng.

Do đó kim loại nặng trong môi trường nước có thể đi vào cơ thể con người thông qua con đường ăn uống [39], [40]. Thực trạng ô nhiễm nguồn nước bởi kim loại nặng Cùng với sự phát triển nhanh chóng của khoa học kĩ thuật, của các lĩnh vực kinh tế, các loại hình dịch vụ,… nhu cầu cuộc sống của con người ngày càng tăng cao về mọi mặt. Điều này đã thúc đẩy quá trình khai thác các kim loại trong trong ngành công nghiệp khai khoáng cũng ngày một tăng lên. Đây là nguyên nhân chính làm cho nguồn nước bị ô nhiễm bởi các ion kim loại nặng điển hình như Cu2+, Fe3+, Pb2+, Ni2+, Cd2+, Cr(VI),… Ở nước ta mặc dù các cấp, các ngành đã có nhiều cố gắng trong việc thực hiện chính sách và pháp luật bảo vệ môi trường, nhưng tình trạng ô nhiễm nguồn nước vẫn là vấn đề đáng lo ngại, đặc biệt là ở các thành phố lớn như Hà Nội, thành phố Hồ Chí Minh, Hải Phòng,…[2].

Theo đánh giá của các công trình nghiên cứu thì hầu hết các sông, hồ ở ba thành phố lớn là Hà Nội, thành phố Hồ 3 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Chí Minh, thành phố Hải Phòng và một số thành phố có các khu công nghiệp lớn như Bình Dương,… nồng độ kim loại nặng của các con sông ở các khu vực này đều vượt quá tiêu chuẩn cho phép từ 3 đến 4 lần. Tại cụm công nghiệp Tham Lương, thành phố Hồ Chí Minh, nguồn nước bị ô nhiễm bởi nước thải công nghiệp từ các nhà máy giấy, bột giặt, nhuộm, dệt ước tính với tổng lượng nước thải khoảng 500. Ở thành phố Thái Nguyên, nước thải công nghiệp thải ra từ các cơ sở sản xuất giấy, gang thép, luyện kim màu, khai thác than. chiếm khoảng 15% lưu lượng nước sông Cầu.

Khảo sát một số làng nghề sắt thép, đúc đồng, nhôm, chì, giấy, dệt nhuộm ở Bắc Ninh cho thấy có hàng ngàn m3 nước thải không qua xử lý được thải ra hàng ngày, gây ô nhiễm nguồn nước và môi trường trong khu vực [42]. Tác dụng sinh hóa của ion kim loại nặng đối với con người và môi trường Kim loại nặng được chia làm 3 loại: các kim loại độc (Hg, Cr, Pb, Zn, Cu, Ni, Cd, As, Co, Sn,…), những kim loại quý (Pd, Pt, Au, Ag, Ru,…) và các kim loại phóng xạ (U, Th, Ra, Am,…). Kim loại nặng không độc khi ở dạng nguyên tố tự do nhưng độc ở dạng ion vì nó có thể gắn kết các chuỗi cacbon ngắn khó đào thải gây ngộ độc. Kim loại nặng có thể tồn tại trong khí quyển (dạng hơi), thủy quyển (các muối hòa tan), địa quyển (dạng rắn không tan, khoáng, quặng,…) và sinh quyển (trong cơ thể con người, động vật, thực vật).

Trong những điều kiện thích hợp kim loại nặng trong nước có thể phát tán vào môi trường đất và khí. Trong môi trường nước, kim loại nặng tồn tại dưới 3 dạng và đều có thể ảnh hưởng đến sinh vật, đó là: (1) hòa tan, (2) bị hấp phụ bởi các thành phần vô sinh hoặc hữu sinh, lơ lửng trong nguồn nước hoặc lắng tụ xuống đáy, (3) tích tụ trong cơ thể sinh vật. Một số kim loại nặng ở nồng độ vi lượng là các chất dinh dưỡng cần thiết cho sự phát triển bình thường của con người, động vật và thực vật, các kim loại cần thiết như Co, Cu, Fe, Mn, Ni,… Tuy nhiên, một số kim loại 4 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] nặng như Pb, Fe, Cu, Cr,… nếu vượt quá hàm lượng cho phép sẽ gây ra các tác động hết sức nguy hại tới sức khỏe của con người [15], [30], [36]. Các kim loại nặng xâm nhập vào cơ thể con người thông qua các chu trình thức ăn.

Khi đó, chúng sẽ tác động đến các quá trình sinh hóa và trong nhiều trường hợp dẫn đến những hậu quả nghiêm trọng về mặt sinh hóa. Các kim loại nặng có ái lực lớn với các nhóm -SH, -SCH3 của các nhóm enzim trong cơ thể. Vì thế các enzim bị mất hoạt tính cản trở quá trình tổng hợp protein của cơ thể [15], [30]. Các phương pháp xử lý ô nhiễm kim loại nặng 1.

Phương pháp kết tủa Phương pháp này dựa trên phản ứng hóa học giữa chất được đưa vào nước thải với kim loại cần tách, ở pH thích hợp sẽ tạo thành hợp chất kết tủa và được tách khỏi nước thải bằng phương pháp lắng. Phương pháp này thường dùng để thu hồi kim loại từ dung dịch dưới dạng hiđroxit kim loại rất ít tan. Trong phương pháp kết tủa đối với kim loại thì pH đóng vai trò rất quan trọng. Khi xử lý cần chọn tác nhân trung hòa và điều chỉnh pH phù hợp.

Phương pháp này chỉ là quá trình xử lý sơ bộ, đòi hỏi những quá trình xử lý tiếp theo [6]. Phương pháp trao đổi ion Đây là một trong những phương pháp thường được dùng để tách kim loại nặng ra khỏi nước thải. Dựa trên nguyên tắc của phương pháp trao đổi ion dùng ionit là quá trình trao đổi ion, quá trình này được tiến hành trong cột cationit và anionit. Ionit được làm từ nhựa hữu cơ tổng hợp, các chất cao phân tử có gốc hyđrocacbon có các nhóm chức trao đổi ion.

Khi nhựa trao đổi ion đã bão hòa, người ta khôi phục lại cationit và anionit bằng dung dịch axit loãng hoặc dung dịch bazơ loãng. Về mặt kỹ thuật hầu hết các kim loại nặng đều có thể tách ra bằng phương pháp trao đổi ion. Tuy nhiên, phương pháp này cần có nguồn kinh phí lớn, đặc biệt đối với nhà máy có quy mô lớn, lượng nước thải nhiều nên vẫn chưa được áp dụng phổ biến [3]. 5 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.

Phương pháp điện hóa Tách kim loại bằng cách nhúng các điện cực trong nước thải có chứa kim loại nặng cho dòng điện một chiều chạy qua. Bằng phương pháp này cho phép tách các ion kim loại ra khỏi nước thải, không bổ sung thêm hóa chất nhưng lại thích hợp với nước thải có nồng độ các ion kim loại cao (trên 1g/L), chi phí dành cho điện năng là khá lớn [32]. Phương pháp oxi hóa khử Đây là một phương pháp thông dụng để xử lý nước thải có chứa kim loại nặng khi mà phương pháp vi sinh không thể xử lý được. Nguyên tắc của phương pháp này là dựa trên sự chuyển từ dạng này sang dạng khác bằng sự có thêm electron (khử) và mất electron (oxi hóa) một cặp được tạo bởi sự cho nhận electron được gọi là hệ thống oxi hóa - khử [28].

Phương pháp sinh học Một số loài thực vật, vi sinh vật trong nước sử dụng kim loại như chất vi lượng trong quá trình phát triển sinh khối như bèo tây, bèo tổ ong, tảo,… Với phương pháp này, nước thải có nồng độ kim loại nặng nhỏ hơn 60 mg/L và bổ sung đủ chất dinh dưỡng (nitơ, photpho), các nguyên tố vi lượng cần thiết khác cho sự phát triển của các loài thực vật như rong tảo. Phương pháp này cần diện tích lớn và nếu nước thải có lẫn nhiều kim loại thì hiệu quả xử lý kém [7]. Phương pháp hấp phụ Phương pháp hấp phụ là một trong những phương pháp có tính ưu việt hơn hẳn so với phương pháp khác. Vật liệu hấp phụ thường được chế tạo từ các nguồn nguyên liệu sẵn có trong tự nhiên, dễ kiếm, quy trình xử lý đơn giản, công nghệ xử lý không đòi hỏi thiết bị phức tạp, đặc biệt các vật liệu hấp phụ có độ bền khá cao, có thể tái sử dụng nhiều lần nên giá thành xử lý thấp, tức hiệu quả kinh tế cao [8], [13], [21].

Trong luận văn này, chúng tôi sử dụng phương pháp hấp phụ với chất hấp phụ là than hoạt tính chế tạo từ bã đậu nành để hấp phụ Cr(VI) trong môi trường nước. 6 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. Hấp phụ trong môi trường nước 1. Đặc điểm chung của hấp phụ trong môi trường nước Hấp phụ trong môi trường nước thường diễn ra khá phức tạp, vì trong hệ có ít nhất ba thành phần gây tương tác là: nước - chất hấp phụ - chất bị hấp phụ.

Do sự có mặt của nước nên trong hệ sẽ xảy ra quá trình hấp phụ cạnh tranh và có chọn lọc giữa chất bị hấp phụ và nước tạo ra các cặp hấp phụ là: chất bị hấp phụ - chất hấp phụ; nước - chất hấp phụ, cặp nào có tương tác mạnh hơn thì hấp phụ xảy ra với cặp đó. Tính chọn lọc của các cặp hấp phụ phụ thuộc vào các yếu tố: độ tan của chất bị hấp phụ trong nước, tính ưa nước hoặc kị nước của chất hấp phụ, mức độ kị nước của chất bị hấp phụ trong nước. Vì vậy, khả năng hấp phụ của chất hấp phụ đối với chất bị hấp phụ trước tiên phụ thuộc vào tính tương đồng về độ phân cực giữa chúng: chất bị hấp phụ không phân cực được hấp phụ tốt trên chất hấp phụ không phân cực và ngược lại. Đối với các chất có độ phân cực cao, ví dụ các ion kim loại hay một số dạng phức oxy anion như SO 24 , PO 34 , CrO 24 … thì quá trình hấp phụ xảy ra do tương tác tĩnh điện thông qua lớp điện kép.

Các ion hoặc các phân tử có độ phân cực cao trong nước bị bao bọc bởi một lớp vỏ là các phân tử nước, do đó bán kính (độ lớn) của các ion, các phân tử chất bị hấp phụ có ảnh hưởng nhiều đến khả năng hấp phụ của hệ do tương tác tĩnh điện. Với các ion cùng hóa trị, ion nào có bán kính lớn hơn sẽ được hấp phụ tốt hơn do độ phân cực cao hơn và lớp vỏ hydrat nhỏ hơn. Hấp phụ trong môi trường nước còn bị ảnh hưởng nhiều bởi pH của dung dịch.