Luận văn Thạc sĩ xử lý chì Pb(II) bằng biochar từ giant reed - RMIT

Luận văn thạc sĩ khoa học ứng dụng về xử lý chì Pb II trong dung dịch nước bằng than sinh học từ cây sậy giant reed. Giải pháp xử lý nước hiệu quả.

• Tác giả: Eric York
• Người hướng dẫn: A/Prof. Samantha Richardson
• Trường học: RMIT University
• Chuyên ngành: Khoa học ứng dụng
• Đề tài: Pb (II) Removal from Aqueous Solution by Biochar Produced from Giant Reed
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2020

Tóm tắt

I. Tổng quan nghiên cứu loại bỏ Pb II bằng biochar từ sậy khổng lồ

Luận văn thạc sĩ khoa học ứng dụng nghiên cứu giải pháp loại bỏ Pb(II) bằng biochar từ sậy khổng lồ đã mở ra hướng đi đột phá trong xử lý ô nhiễm nước. Sậy khổng lồ Arundo donax vốn là thực vật xâm lấn nguy hiểm tại nhiều quốc gia nhờ khả năng sinh trưởng cực nhanh. Tuy nhiên nguồn sinh khối khổng lồ này lại là nguyên liệu lý tưởng để sản xuất than sinh học chất lượng cao thông qua quá trình nhiệt phân chậm. Vật liệu biochar tạo thành sở hữu cấu trúc rỗng xốp, mạng lưới mao quản đa dạng và diện tích tiếp xúc lớn. Những đặc tính này biến than sinh học thành chất hấp phụ hiệu năng cao để loại bỏ hoàn toàn các ion chì Pb(II) hòa tan trong dung dịch nước. Hướng nghiên cứu này mang lại giá trị kép to lớn cho cả môi trường lẫn kinh tế. Một mặt phương pháp giúp kiểm soát hiệu quả sự bùng phát của thực vật ngoại lai xâm hại. Mặt khác công nghệ cung cấp giải pháp xử lý nước thải công nghiệp chứa kim loại nặng với chi phí vô cùng tiết kiệm. Đây là minh chứng điển hình cho mô hình kinh tế tuần hoàn bền vững trong quản lý tài nguyên và kiểm soát ô nhiễm.

1.1. Tiềm năng sinh khối của cây sậy khổng lồ Arundo donax

Sậy khổng lồ là một trong những loài cỏ dại phát triển nhanh nhất thế giới. Thân ngầm và chồi cây dễ dàng phát tán theo các dòng nước lũ gây tắc nghẽn hệ thống thủy lợi. Tại nhiều khu vực, sinh khối sậy tích tụ lớn làm suy giảm đa dạng sinh học bản địa. Việc thu gom sinh khối sậy làm nguyên liệu than sinh học giải quyết triệt để vấn nạn này. Thân cây giàu cellulose và lignin là tiền chất tuyệt vời để hình thành khung carbon bền vững. Nguồn sinh khối sẵn có và miễn phí giúp hạ giá thành sản xuất biochar xuống mức tối thiểu.

1.2. Xu hướng ứng dụng biochar trong xử lý ion kim loại nặng Pb II

Biochar là vật liệu giàu carbon thu được từ quá trình nhiệt phân sinh khối trong điều kiện thiếu oxy. Vật liệu này có khả năng hấp phụ kim loại nặng vượt trội nhờ cấu trúc xốp và các nhóm chức bề mặt. Chì Pb(II) là chất ô nhiễm độc hại phổ biến từ các ngành công nghiệp sản xuất pin, luyện kim và sơn. Xử lý Pb(II) bằng biochar sậy khổng lồ mang lại hiệu quả khử nhiễm cao mà không phát sinh bùn thải độc hại. Đây là giải pháp xanh thay thế hoàn hảo cho than hoạt tính thương mại đắt tiền.

II. Phân tích ô nhiễm chì Pb II và cơ chế hấp phụ của biochar sậy

Ô nhiễm chì Pb(II) trong môi trường nước là mối đe dọa nghiêm trọng đối với sức khỏe cộng đồng và hệ sinh thái thủy sinh. Các ion chì hòa tan không bị phân hủy sinh học và có xu hướng tích tụ dần qua chuỗi thức ăn. Nồng độ chì vượt ngưỡng cho phép gây tổn thương hệ thần kinh, suy thận và rối loạn chức năng cơ thể. Các công nghệ xử lý truyền thống như kết tủa hóa học, trao đổi ion hay lọc màng thường đòi hỏi chi phí đầu tư lớn và tiêu tốn nhiều hóa chất. Sự xuất hiện của than sinh học biochar từ sậy khổng lồ mang đến giải pháp hấp phụ kinh tế và hiệu quả cao. Cơ chế giữ ion Pb(II) của biochar là một quá trình tương tác phức tạp bao gồm tương tác tĩnh điện, tạo phức bề mặt với các nhóm chức chứa oxy và kết tủa khoáng. Hiệu suất của quá trình này chịu ảnh hưởng trực tiếp bởi độ pH dung dịch, thời gian tiếp xúc và nồng độ chì ban đầu. Nghiên cứu thực nghiệm chứng minh biochar sậy khổng lồ có dung lượng hấp phụ chì vượt trội so với nhiều loại phụ phẩm nông nghiệp khác.

2.1. Độc tính của ion chì Pb II và giới hạn giải pháp truyền thống

Chì là kim loại nặng cực độc xuất hiện nhiều trong nước thải công nghiệp. Khi xâm nhập vào cơ thể, ion Pb(II) gây ức chế enzyme và phá hủy tế bào thần kinh. Nguồn nước nhiễm chì gây nguy cơ vô sinh và tổn hại não bộ vĩnh viễn ở trẻ nhỏ. Các phương pháp khử chì truyền thống như kết tủa vôi tạo ra lượng lớn bùn thải độc hại cần xử lý tiếp. Công nghệ lọc màng thẩm thấu ngược tuy hiệu quả nhưng chi phí vận hành quá cao. Vật liệu hấp phụ biochar giải quyết triệt để các hạn chế này nhờ tính sẵn có và an toàn sinh thái.

2.2. Cơ chế tương tác bề mặt giữa ion Pb II và than sinh học

Cơ chế hấp phụ Pb(II) trên biochar sậy diễn ra đồng thời qua nhiều con đường hóa lý. Bề mặt biochar chứa nhiều nhóm chức carboxyl, hydroxyl và phenolic. Các nhóm này đóng vai trò phối tử tạo liên kết phức chất bền vững với cation Pb(II). Quá trình trao đổi ion giữa chì với các cation khoáng Ca(II), Mg(II) trên bề mặt than cũng diễn ra mạnh mẽ. Ngoài ra các ion chì còn kết tủa dưới dạng khoáng carbonat hoặc phosphat trong các lỗ xốp li ti. Sự kết hợp các cơ chế này giúp cố định ion chì rất bền chặt.

III. Quy trình nhiệt phân tạo biochar sậy khổng lồ loại bỏ Pb II

Quy trình sản xuất than sinh học từ cây sậy khổng lồ được thực hiện bằng kỹ thuật nhiệt phân chậm trong điều kiện kiểm soát nghiêm ngặt. Sinh khối sậy sau khi thu hoạch được sấy khô hoàn toàn, nghiền nhỏ và nạp vào chén nung chuyên dụng có lỗ thoát khí. Lò nung muffle gia nhiệt mẫu với tốc độ ổn định 10°C mỗi phút đến nhiệt độ mục tiêu 300°C hoặc 500°C. Mẫu được duy trì nhiệt độ ổn định trong thời gian lưu 2 giờ để quá trình carbon hóa diễn ra triệt để. Than sinh học sau nhiệt phân được làm nguội tự nhiên, rửa sạch bằng nước khử ion nhằm loại bỏ tro dư và giữ ổn định độ pH. Sản phẩm cuối cùng được sấy khô ở 60°C trong 24 giờ và sàng qua rây kích thước 2 mm. Nhiệt độ nung ảnh hưởng sâu sắc đến cấu trúc vi mô và diện tích bề mặt riêng của biochar. Các thử nghiệm hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir và Freundlich khẳng định biochar nung ở 500°C đạt dung lượng hấp phụ chì tối đa cao hơn nhờ mật độ lỗ xốp phát triển mạnh.

3.1. Kỹ thuật nhiệt phân chậm sậy khổng lồ ở 300 C và 500 C

Kỹ thuật nhiệt phân chậm sử dụng lò nung muffle lập trình nhiệt độ chính xác. Sinh khối sậy khô 5 gam được đặt trong chén nung đậy kín bọc giấy nhôm có lỗ thoát khí nhỏ. Tốc độ tăng nhiệt duy trì ở mức 10°C mỗi phút đến 300°C hoặc 500°C. Thời gian duy trì nhiệt độ kéo dài 2 giờ trong điều kiện yếm khí. Quá trình làm nguội tự nhiên diễn ra ở nhiệt độ phòng. Mẫu biochar được rửa bằng nước khử ion để loại bỏ muối hòa tan và tro kiềm dư thừa trước khi sấy khô bảo quản.

3.2. Đánh giá hiệu suất loại bỏ Pb II theo các mô hình đẳng nhiệt

Hiệu suất hấp phụ chì của biochar được đánh giá qua các phương trình đẳng nhiệt kinh điển. Mô hình Langmuir mô tả quá trình hấp phụ đơn lớp đồng nhất trên các tâm hoạt tính bề mặt. Trong khi đó mô hình Freundlich thể hiện sự hấp phụ đa lớp trên bề mặt dị thể không đồng nhất. Dữ liệu thực nghiệm cho thấy biochar 500°C có diện tích bề mặt lớn và dung lượng hấp phụ cực đại vượt trội. Quá trình đạt cân bằng nhanh chóng theo mô hình động học bậc hai biểu kiến, phản ánh tính chất hấp phụ hóa học chủ đạo.

IV. Đánh giá ứng dụng biochar sậy khổng lồ trong loại bỏ Pb II

Ứng dụng biochar từ sậy khổng lồ mở ra tiềm năng to lớn trong kỹ thuật xử lý môi trường thực tế quy mô công nghiệp. Vật liệu này có thể tích hợp trực tiếp vào các cột lọc nước thải hoặc hệ thống đất ngập nước nhân tạo để loại bỏ chì Pb(II) liên tục. Khả năng tương thích sinh học cao giúp biochar duy trì hoạt tính ổn định mà không gây xáo trộn hệ vi sinh vật có ích. Bên cạnh hiệu quả xử lý vượt trội, bài toán quản lý và tái sinh than sinh học sau hấp phụ cũng được giải quyết triệt để. Biochar bão hòa chì có thể được giải hấp bằng dung dịch axit loãng để thu hồi kim loại và tái sử dụng nhiều lần. Đối với lượng than hết hạn sử dụng, kỹ thuật cố định trong khối bê tông hoặc gạch xây dựng giúp cô lập hoàn toàn kim loại nặng. Giải pháp này ngăn chặn nguy cơ rò rỉ chì trở lại môi trường đất và nguồn nước ngầm. Nghiên cứu khẳng định giá trị ứng dụng thực tiễn cao của biochar sậy khổng lồ trong nền công nghiệp xanh.

4.1. Khả năng tích hợp vào hệ thống đất ngập nước xử lý nước thải

Biochar từ sậy khổng lồ là vật liệu đệm lý tưởng cho các hệ thống đất ngập nước nhân tạo. Than sinh học hoạt động như một lớp lọc chặn dòng chảy và giữ lại các ion chì Pb(II) độc hại. Độ bền cơ học cao giúp than không bị rửa trôi dưới dòng chảy lưu lượng lớn. Chi phí vật liệu rẻ giúp tối ưu hóa chi phí đầu tư ban đầu cho các khu công nghiệp. Đây là giải pháp công nghệ xanh xử lý nước thải kim loại nặng phi tập trung vô cùng hiệu quả.

4.2. Chiến lược tái sinh và quản lý than sinh học sau khi hấp phụ

Quản lý than sinh học sau hấp phụ là khâu then chốt nhằm ngăn chặn ô nhiễm thứ cấp. Quá trình rửa giải bằng axit clohidric hoặc axit nitric loãng giúp thu hồi trên 90% lượng chì đã hấp phụ. Than sinh học sau khi tái sinh vẫn giữ được hiệu suất hấp phụ cao qua nhiều chu kỳ liên tiếp. Khi than mất hoàn toàn hoạt tính, phương pháp đóng rắn xi măng sẽ khóa chặt ion kim loại trong cấu trúc tinh thể. Biện pháp này đảm bảo an toàn tuyệt đối cho môi trường sinh thái.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Pb (II) Removal from Aqueous Solution by Biochar Produced from Giant Reed A thesis submitted in fulfilment of the requirements for the degree of Master of Applied Science Eric York Bachelor of Science (Chemistry) Kwame Nkrumah University of Science and Technology Ghana School of Science College of Science, Technology, Engineering and Maths RMIT University November 2020 Declaration Declaration for candidates submitting a thesis I certify that except where due acknowledgement has been made, the work is that of the author alone; the work has not been submitted previously, in whole or in part, to qualify for any other academic award; the content of the thesis is the result of work which has been carried out since the official commencement date of the approved research program; any editorial work, paid or unpaid, carried out by a third party is acknowledged; and ethics procedures and guidelines have been followed. I acknowledge the support I have received for my research through the provision of an Australian Government Research Training Program Scholarship. Eric York Date: 18 November 2020 i Dedication I would like to dedicate this thesis to my late dad, who inspired my interest in science and motivated me to undertake this research. ii Acknowledgements If it had not been the Lord on my side, let Israel say (Psalm 124:1).

My greatest thanks and appreciation go to the almighty God for the love, protection and numerous blessings He has bestowed on me. Father, my mouth will continually sing your praises. This work would not have been possible without my supervisors A/Prof. Samantha Richardson and Dr James Tardio, whose guidance and support were unwavering throughout the duration of my studies.

I would also like to thank all my colleagues and collaborators, who have contributed in some way towards me completing my master’s thesis. I also thank the Commonwealth of Australia for an Australian Postgraduate Award. I acknowledge RMIT University for the Research Stipend Scholarship Award for this Research. Lastly, I would like to thank my partner, Florence Appiah, whose unconditional support and patience enabled me to complete this degree.

iii Table of Contents Declaration. iii List of Figures. vi List of Tables .2 Sources of Trace Metals in Aqueous Solution .5 Feedstock for Biochar Production .6 Biochar Production by Slow Pyrolysis .8 Arundo donax: Weed Potential .9 Use of Arundo donax in Constructed Wetlands.10 Generation of Biochar from Giant Reed.11 Use of Biochar for Removal of Trace Metals from Aqueous Phase .12 Mechanisms of Adsorption by Biochars .13 Adsorption Isotherm Models .16 Properties of Biochar .17 Factors Affecting Adsorption of Contaminants on Biochar .18 Management of Spent Biochar .19 Potential Biochar Improvement Techniques .20 Environmental Impact of Biochar use for Trace Metal Decontamination .21 Sustainable Use of Biochar.22 Potential Application of Biochar. 40 Materials and Methods .3 Production of Biochar by Slow Pyrolysis.6 Measurement of Adsorption of Pb 2+ with Microwave-Plasma Atomic Adsorption Spectrometer (MP-AES).7 Calculation of Adsorption Efficiency of Trace Metal .8 Data Modelling using the Langmuir, Freundlich and Temkin Equations.

54 Chapter 3: Characterisation of Biochars and Preliminary Adsorption Studies .3 Results and Discussion. 70 Chapter 4: Adsorption of Pb(II) on Biochars – Studies on the Influence of some key Adsorption Test Parameters .3 Results and Discussion .5 Rates of Reaction:. 82 Pseudo First Order Model. 84 Chapter 5: Conclusions and Recommendations .3 Summary of Study.

102 v List of Figures Figure 1.1 Trace metal distribution.2 Source of trace metals in the aqueous phase.3 (a) Biomass feedstock for production of biochar; (b) biochar produced from the feed stocks.4 Slow pyrolysis set- up for biochar production .5 Illustrations of giant reed.1 (A) Raw biomass of giant reed; (B) Dry biomass of giant reed.2 Production of biochar by slow pyrolysis.3 Perkin Elmer 2400 Carbon, Hydrogen, Nitrogen, Sulphur and Oxygen Analyser.7 Perkin Elmer ATR Fourier Transformed Infra-Red Spectroscopy.9 500MHz Agilent DD2 nuclear magnetic resonance spectrometer.10 HANNA pH meter.11 Centrifuge tube on orbital shaker, Chiltern model.12 Agilent 4200 microwave plasma - atomic emission spectrophotometer.1 Weight loss of GR 500, GR 300 and GR biomass using TGA800, Perkin Elmer.2 Scanning electron micrograph of giant reed biochar produced at (A) 300 ℃ and (B) 500 ℃ .3 (A) BET Isotherm Linear Plot for GR 300 ℃; (B) BET Isotherm Linear Plot for GR 500 ℃.4 Fourier transform infrared spectroscopy of giant reed biochar produced at 300 ℃ and 500 ℃.5 Carbon-13 NMR of biochar produced at 300 ℃.6 Carbon-13 NMR of biochar produced at 500 ℃.7 XRD patterns of GR 500 and GR 300. Major diffraction lines for specific phases are marked.8 SEM-EDS analysis of GR 300 ℃.9 EDS spectra for selected regions of GR 300.10 Pb2+ adsorption versus time for GR 300 and GR 500.1 Adsorption capacity versus initial Pb(II) concentration.2 Adsorption capacity versus solution pH. Adsorption capacity versus biochar particle size.5 Ce/qe versus Ce for GR 300.6 Ce/qe versus Ce for GR 500.7 Log Qe versus Log Ce for GR 300.8 Log Qe versus Log Ce for GR 500.9 Schematic diagrams for cooperative adsorption. 81 vi List of Tables Table 1.

The application of biochar produced from different feedstock and techniques in aqueous solution.2 Advantages and disadvantages of A. donax with respect to its use as a plant in constructed wetlands for wastewater treatment.3 Environmental impact of the use of biochar and activated carbon.4 Economic impact of biochar and activated carbon for trace metals adsorption.1 Experimental design for adsorption and characterization of biochar produced in this study.1 Elemental analysis of giant reed biochar .2 Total surface area of biochar as attained by BET analysis.3 pH of biochars from giant reed in deionised water.1 Comparative results for Pb(II) removal using biochars prepared from different types of biomass. 84 vii Abstract The presence of lead, a trace element in the environment, has been a serious concern especially with rapid urbanization, which has increased its concentration in the environment by several hundred fold. The toxicity of this trace metal to aquatic life and humans has necessitated the development of effective and economical methods for the treatment of water.

Biochar has garnered attention as a means to sequester carbon and manage waste in the environment, particularly in soil and water. Invasive biomass such as the giant reed is rich in lignin and the conversion of this biomass into char for environmental restoration is a prime area for further research. The main aim of this investigation was to develop a low-cost solution to remove trace metals from the aqueous phase using biochar. This study investigated (i) the effect of giant reed-based biochar produced at varying temperatures in the treatment of aqueous solutions polluted with lead; and (ii) how the production of biochar at different temperatures affected its adsorption capacity for lead from the aqueous phase.

The sorption of Pb (II) by biochar produced from giant reed at different temperature profiles was studied. Two biochars, produced at a temperature of either 300 ℃ or 500 ℃, were studied. The prepared biochars were characterized using the following: an X-Ray Diffractometer; BET Surface Area and Pore Analyser; Scanning Electron Microscope; Carbon, Hydrogen & Nitrogen Analyser;13C Nuclear Magnetic Resonance Spectrometer; and Thermogravimetry Analyser. The results showed that biochar produced at 300 ℃ was more effective than that produced at 500 ℃ in the removal of lead from aqueous solution.

Solution pH showed a strong effect on the adsorption ability of giant reed biochar produced at 300 ℃ (GR 300 ℃) to adsorb Pb (II) ions. The maximum adsorption capacity (19.2 mg/g) was found to occur under the following conditions: Temp. 40mg/L, stirring rate 60 rpm, biochar dosage 0. The equilibrium data were fitted to Freundlich and Langmuir models.

The Freundlich Isotherm gave the best fit for GR 300 ℃ with a value of 0. FTIR analysis and batch experiments results suggested that Pb (II) adsorption mechanisms were dominated by complexation with active surface groups, precipitation and cationic exchange. Experimental model results suggested that giant reed- derived biochar has a good adsorption capacity for Pb (II) in aqueous solution compared to other plant biochars reported in the literature. 1 The application of biochar in remediation of ground waste water is still warranted and future research should consider that the outcome of remediation of ground waste water could be achieved with biochar.

Under a holistic approach to assessing remediation options, the environmental outcome of the application of giant reed biochar will help equip researchers and industry alike in their endeavour to reduce the burden posed by contaminated groundwater into the future. Background Pollution is regarded by many in modern, western industrialized societies as a series of current environmental issues. Of the many types of chemicals / compounds that are known, pollutants include toxic heavy metals such as cadmium, lead, mercury and arsenic, which are of significant concern. This is made evident by the fact that these toxic heavy metals all appear on the World Health Organisations list of the top ten chemicals of major public concern (WHO 2011).

As a long-standing concern, pollution does not receive the same political or media attention as climate change, biodiversity or manifestations of genetic research but pollution investigation into anthropogenic (human) impacts on local, regional and global scales has the power to alter lifestyle and economic production (Demirbas 2004). In most third world countries, untreated agricultural, residential and industrial pollutants are discharged into open streams and rivers leading to gross pollution of the natural aqueous phase (Ahmad, Rajapaksha et al. 2014, Baltrėnas and Baltrėnaitė 2020). Wastewater effluent is normally composed of multiple harmful compounds that pose a huge risk to human health and to the aquatic habitat.

Therefore, a low-cost solution to remediate wastewater is an indispensable need in these countries. Adsorption using low cost material which is locally available should be an effective and economical means to remove various contaminants from the aqueous phase (Baltrėnas and Baltrėnaitė 2020). Trace metals such as lead have become a worldwide issue due to resulting toxicity to aquatic organisms and when ingested by humans(Chowdhury, Mazumder et al. 2016, Nagel, Cuss et al.

Although lead is often considered to be one of the most toxic metal pollutants, it is important to recognize that it is a natural substance (Garrett 2000). In most cases, lead becomes a pollutant when human activity releases it from rocks (i. from ores, mainly through mining and smelting) (Garrett 2000, ATSDR 2007). Sources of lead moving into the aquatic environment include mining, agriculture, fossil fuel combustion, battery manufacturing and metal plating (Bradl 2005).Lead can cause disruption of vital organs in aquatic organisms when its concentration increases beyond permissible limits (Chandurvelan, Marsden et al.

This has called for the treatment of lead-contaminated aqueous phase through low-cost means (Li, Dong et al. 3 Biochar is a porous carbonaceous solid material that is produced in pyrolysis units such as kiln reactors and furnaces by thermal decomposition of the precursors in limited air or in an inert environment(Wang, Jiang et al. Another definition describes biochar as a pyrogenic black carbon produced from biomass such as wood and seed when heated in an oxygen-depleted environment and is rich in minerals, such as Mg, K and Ca (Lehman and Joseph 2009, Ahmad, Rajapaksha et al. 2014, Schmidt, Kammann et al.

Biochar production is increasing gradually with soil mitigation, CO2 sequestration and control of pollutants such as trace metals (Kajitani, Tay et al. The high carbon content, porosity, cationic exchange capacity and large surface area of biochar makes it a suitable product for various application such as climate mitigation, energy, heat and soil amendment (Ahmad, Rajapaksha et al. 2014, Adekiya, Olayanju et al. Over the past years, the interest in production of biochar from different biomass samples for the purpose of treating aqueous phase contaminated with toxic trace metal has gained popularity due to the low cost in getting the precursor for its production.

However, little has been done regarding converting invasive biomass, such as giant reed and others into biochars for treating aqueous phase that is contaminated with toxic pollutants (Kumar, Singh et al.