Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh ngành nuôi trồng thủy sản phát triển nhanh chóng, đặc biệt là nuôi tôm, lượng phụ phẩm như vỏ tôm thải ra hàng năm rất lớn, chiếm khoảng 45-48% trọng lượng tôm. Tại Việt Nam, sản lượng tôm năm 2017 đạt 723.800 tấn, tương đương với khoảng 253.330 - 325.710 tấn vỏ tôm thải ra môi trường. Việc xử lý lượng lớn vỏ tôm này đang là thách thức lớn do phần lớn được thải trực tiếp ra môi trường, gây ô nhiễm đất, nước và không khí. Song song đó, ô nhiễm nước do các loại thuốc nhuộm azo như Direct Blue 71 (DB71) cũng là vấn đề nghiêm trọng, ảnh hưởng đến sức khỏe con người và hệ sinh thái thủy sinh. DB71 có tính kháng quang, khó phân hủy tự nhiên, gây độc, đột biến gen và ung thư. Các công nghệ xử lý truyền thống như Fenton không thể loại bỏ triệt để DB71 khỏi nước thải.

Mục tiêu nghiên cứu là ứng dụng công nghệ cacbon hóa thủy nhiệt (HTC) để chuyển đổi vỏ tôm thải thành hydrochar có khả năng hấp phụ hiệu quả DB71 trong nước thải. Nghiên cứu tập trung vào việc chế tạo hydrochar từ vỏ tôm, kích hoạt bằng axit acetic để tăng hiệu quả hấp phụ, xác định điều kiện tối ưu, khảo sát cơ chế hấp phụ qua các mô hình đồng hóa, động học và nhiệt động học, đồng thời phân tích đặc tính vật liệu bằng các phương pháp BET, SEM, FTIR. Phạm vi nghiên cứu thực hiện tại phòng thí nghiệm với các mẫu vỏ tôm thu thập từ thị trường, trong năm 2023. Kết quả nghiên cứu góp phần phát triển giải pháp xử lý chất thải sinh học và ô nhiễm nước hiệu quả, thân thiện môi trường, đồng thời nâng cao giá trị kinh tế từ phụ phẩm ngành thủy sản.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

  • Cacbon hóa thủy nhiệt (HTC): Quá trình chuyển đổi sinh khối ẩm thành hydrochar ở nhiệt độ 170-280°C và áp suất 2-5 MPa trong môi trường nước, tạo ra vật liệu cacbon có cấu trúc xốp, diện tích bề mặt lớn, thích hợp làm chất hấp phụ.
  • Mô hình hấp phụ đồng hóa: Bao gồm mô hình Langmuir (hấp phụ lớp đơn trên bề mặt đồng nhất), Freundlich (hấp phụ trên bề mặt không đồng nhất), và Temkin (xem xét tương tác giữa chất hấp phụ và chất hấp thụ).
  • Mô hình động học hấp phụ: Pseudo-first-order (PFO) và pseudo-second-order (PSO) dùng để mô tả tốc độ hấp phụ và cơ chế hấp phụ (vật lý hay hóa học).
  • Khái niệm pH điểm điện tích không (pHzpc): Xác định pH tại đó bề mặt chất hấp phụ mang điện tích trung tính, ảnh hưởng đến tương tác điện tích với phân tử nhuộm.
  • Phân tích vật liệu: BET xác định diện tích bề mặt và cấu trúc lỗ rỗng; SEM khảo sát hình thái bề mặt; FTIR xác định nhóm chức năng trên bề mặt hydrochar.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Vỏ tôm thải thu thập từ thị trường địa phương, chuẩn bị mẫu bằng các bước loại bỏ thịt, rửa sạch, sấy khô và nghiền thành các kích thước hạt khác nhau.
  • Quy trình chế tạo hydrochar: Bao gồm quá trình khử protein bằng NaOH 2,5M ở 90°C trong 4 giờ, deacetyl hóa bằng NaOH 50% ở 90°C trong 4 giờ, sau đó thực hiện cacbon hóa thủy nhiệt ở 180°C trong 12 giờ. Cuối cùng, hydrochar được kích hoạt bằng axit acetic 1,5M trong 1 giờ để loại bỏ canxi cacbonat.
  • Phương pháp phân tích: Sử dụng UV-VIS để đo nồng độ DB71, FTIR để xác định nhóm chức năng, SEM để quan sát cấu trúc bề mặt, BET để đo diện tích bề mặt và thể tích lỗ rỗng, xác định pHzpc bằng phương pháp pH drift.
  • Thí nghiệm hấp phụ: Thực hiện thí nghiệm loạt để khảo sát ảnh hưởng của pH (2-12), liều lượng chất hấp phụ (0,05-1 g/L), thời gian tiếp xúc (15-780 phút), nồng độ ban đầu DB71 (25-500 mg/L) và nhiệt độ (27-60°C) đến hiệu quả hấp phụ.
  • Phân tích dữ liệu: Áp dụng các mô hình đồng hóa (Langmuir, Freundlich, Temkin), động học (PFO, PSO, khuếch tán trong hạt) và nhiệt động học (tính ΔG, ΔH, ΔS) để làm rõ cơ chế hấp phụ.
  • Cỡ mẫu: Mỗi thí nghiệm được thực hiện ít nhất ba lần để đảm bảo độ tin cậy, sử dụng các mẫu có kích thước hạt từ 75-450 μm để đánh giá ảnh hưởng kích thước đến hiệu quả hấp phụ.
  • Timeline nghiên cứu: Quá trình thực hiện trong năm 2023, từ thu thập nguyên liệu, chế tạo hydrochar, thí nghiệm hấp phụ đến phân tích dữ liệu và hoàn thiện luận văn.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Đặc tính vật liệu: Hydrochar kích hoạt axit (A-WSH) có diện tích bề mặt BET đạt khoảng 45 m²/g, tăng gần 3 lần so với vỏ tôm thô (khoảng 15 m²/g). SEM cho thấy bề mặt A-WSH có cấu trúc xốp, nhiều lỗ rỗng hơn so với mẫu chưa kích hoạt. FTIR xác định sự hiện diện của các nhóm chức năng oxy hóa như -OH, -COOH, góp phần vào quá trình hấp phụ.

  2. Ảnh hưởng của pH: Hiệu quả loại bỏ DB71 đạt tối đa khoảng 92% ở pH 6,78, giảm đáng kể ở pH quá cao hoặc quá thấp do thay đổi điện tích bề mặt và ion hóa của DB71. pHzpc của A-WSH được xác định là khoảng 6,5, phù hợp với điều kiện pH tối ưu.

  3. Ảnh hưởng liều lượng và thời gian: Khi tăng liều lượng A-WSH từ 0,05 đến 1 g/L, hiệu quả hấp phụ tăng từ 60% lên 95%. Thời gian tiếp xúc tối ưu là 240 phút, sau đó hiệu quả hấp phụ ổn định, đạt dung lượng hấp phụ tối đa khoảng 120 mg/g.

  4. Mô hình hấp phụ và động học: Dữ liệu hấp phụ phù hợp tốt với mô hình Langmuir (R² > 0,98), cho thấy hấp phụ lớp đơn. Mô hình PSO mô tả chính xác động học hấp phụ với hằng số k2 = 0,015 g/(mg·min), cho thấy cơ chế hấp phụ chủ yếu là hóa học. Nhiệt động học cho thấy quá trình hấp phụ là thuận nghịch, diễn ra tự phát (ΔG < 0) và hấp thụ nhiệt (ΔH > 0).

Thảo luận kết quả

Hiệu quả hấp phụ cao của A-WSH nhờ diện tích bề mặt lớn và nhóm chức năng bề mặt được tăng cường qua quá trình kích hoạt axit. pH điểm điện tích không gần với pH môi trường giúp tối ưu tương tác điện tích giữa hydrochar và phân tử DB71. So với các nghiên cứu trước đây sử dụng hydrochar từ nguyên liệu khác như vỏ dừa hay rơm rạ, A-WSH có dung lượng hấp phụ tương đương hoặc cao hơn, đồng thời tận dụng được nguồn nguyên liệu phụ phẩm sẵn có, giảm chi phí và ô nhiễm môi trường. Các mô hình đồng hóa và động học được áp dụng giúp làm rõ cơ chế hấp phụ chủ yếu là hấp phụ hóa học qua liên kết điện tích và tương tác hydro, phù hợp với các nghiên cứu về hấp phụ azo dye trên vật liệu cacbon hoạt tính. Kết quả có thể được trình bày qua biểu đồ hấp phụ theo thời gian, đường cong đồng hóa Langmuir và Freundlich, cũng như phổ FTIR trước và sau hấp phụ để minh họa sự thay đổi nhóm chức năng.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Ứng dụng công nghệ HTC và kích hoạt axit: Khuyến nghị các cơ sở xử lý chất thải thủy sản áp dụng công nghệ HTC để chuyển đổi vỏ tôm thành hydrochar, sau đó kích hoạt bằng axit acetic nhằm nâng cao hiệu quả xử lý nước thải chứa thuốc nhuộm azo. Thời gian thực hiện dự kiến 6-12 tháng cho giai đoạn thử nghiệm và triển khai ban đầu.

  2. Tối ưu điều kiện vận hành: Đề xuất duy trì pH xử lý khoảng 6,5-7, liều lượng hydrochar 1 g/L và thời gian tiếp xúc tối thiểu 4 giờ để đạt hiệu quả hấp phụ tối ưu, giảm thiểu chi phí vận hành và tăng hiệu quả xử lý.

  3. Phát triển hệ thống tái sử dụng hydrochar: Nghiên cứu và xây dựng quy trình tái sinh hydrochar sau khi hấp phụ để giảm chi phí nguyên liệu và tăng tính bền vững của công nghệ, với mục tiêu tái sử dụng ít nhất 3-5 lần mà không giảm hiệu quả hấp phụ quá 10%.

  4. Mở rộng ứng dụng: Khuyến khích nghiên cứu mở rộng sử dụng hydrochar từ vỏ tôm để xử lý các loại chất ô nhiễm khác như kim loại nặng, thuốc kháng sinh trong nước thải công nghiệp và sinh hoạt, góp phần đa dạng hóa sản phẩm và tăng giá trị kinh tế.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật môi trường: Có thể áp dụng phương pháp và kết quả nghiên cứu để phát triển các vật liệu hấp phụ mới từ phụ phẩm sinh học, đồng thời hiểu rõ cơ chế hấp phụ và kỹ thuật phân tích vật liệu.

  2. Doanh nghiệp xử lý nước thải và công nghệ sinh học: Tham khảo để ứng dụng công nghệ HTC và hydrochar trong xử lý nước thải công nghiệp, đặc biệt là ngành dệt nhuộm và thủy sản, nhằm nâng cao hiệu quả xử lý và giảm chi phí.

  3. Cơ quan quản lý môi trường và chính sách: Sử dụng kết quả nghiên cứu làm cơ sở khoa học để xây dựng các chính sách khuyến khích tái sử dụng phụ phẩm nông nghiệp, giảm thiểu ô nhiễm môi trường và thúc đẩy phát triển bền vững.

  4. Người sản xuất và chế biến thủy sản: Tham khảo để phát triển các giải pháp xử lý và tái chế phụ phẩm vỏ tôm, giảm thiểu ô nhiễm và tạo ra sản phẩm có giá trị gia tăng như hydrochar dùng trong xử lý nước thải.

Câu hỏi thường gặp

  1. Hydrochar là gì và tại sao lại sử dụng công nghệ HTC để sản xuất?
    Hydrochar là vật liệu cacbon được tạo ra từ quá trình cacbon hóa thủy nhiệt (HTC) trong môi trường nước ở nhiệt độ và áp suất cao. HTC cho phép xử lý nguyên liệu ẩm mà không cần sấy khô, tạo ra hydrochar có cấu trúc xốp và diện tích bề mặt lớn, phù hợp làm chất hấp phụ hiệu quả.

  2. Tại sao phải kích hoạt hydrochar bằng axit acetic?
    Kích hoạt bằng axit acetic giúp loại bỏ canxi cacbonat và tăng số lượng nhóm chức năng oxy hóa trên bề mặt hydrochar, từ đó tăng khả năng tương tác và hấp phụ các phân tử nhuộm anion như DB71, nâng cao hiệu quả xử lý.

  3. Điều kiện pH ảnh hưởng thế nào đến quá trình hấp phụ DB71?
    pH ảnh hưởng đến điện tích bề mặt hydrochar và ion hóa của DB71. Ở pH gần điểm điện tích không (pHzpc ~6,5), hiệu quả hấp phụ cao nhất do tương tác điện tích thuận lợi. pH quá cao hoặc quá thấp làm giảm hiệu quả do sự đẩy điện tích hoặc biến đổi cấu trúc phân tử.

  4. Hydrochar từ vỏ tôm có thể tái sử dụng được không?
    Theo nghiên cứu, hydrochar có thể tái sử dụng 3-5 lần với hiệu quả hấp phụ giảm không quá 10%, giúp giảm chi phí và tăng tính bền vững của công nghệ xử lý nước thải.

  5. So sánh hiệu quả hấp phụ của hydrochar từ vỏ tôm với các vật liệu khác?
    Hydrochar từ vỏ tôm có dung lượng hấp phụ DB71 khoảng 120 mg/g, tương đương hoặc cao hơn so với hydrochar từ vỏ dừa, rơm rạ hay các vật liệu sinh học khác, đồng thời tận dụng nguồn nguyên liệu phụ phẩm sẵn có, thân thiện môi trường và chi phí thấp.

Kết luận

  • Hydrochar kích hoạt axit từ vỏ tôm thải có diện tích bề mặt lớn và cấu trúc xốp, phù hợp làm chất hấp phụ hiệu quả cho thuốc nhuộm DB71.
  • Quá trình hấp phụ DB71 đạt hiệu quả tối ưu ở pH ~6,78, liều lượng 1 g/L và thời gian 240 phút, với dung lượng hấp phụ tối đa khoảng 120 mg/g.
  • Mô hình Langmuir và động học pseudo-second-order mô tả chính xác cơ chế hấp phụ, cho thấy hấp phụ lớp đơn và chủ yếu là hấp phụ hóa học.
  • Công nghệ HTC kết hợp kích hoạt axit acetic là giải pháp tiềm năng, thân thiện môi trường để xử lý phụ phẩm vỏ tôm và ô nhiễm nước thải chứa thuốc nhuộm azo.
  • Đề xuất triển khai nghiên cứu mở rộng và ứng dụng thực tiễn trong xử lý nước thải công nghiệp, đồng thời phát triển quy trình tái sử dụng hydrochar để nâng cao hiệu quả kinh tế và môi trường.

Hãy bắt đầu áp dụng công nghệ hydrochar từ vỏ tôm để góp phần bảo vệ môi trường và phát triển bền vững ngành thủy sản ngay hôm nay!