Nghiên cứu carbon hóa phụ phẩm nông nghiệp vỏ hạt cà phê và lõi bắp làm vật liệu hấp phụ và xúc tác

• Tác giả: Trần Thị Hiền
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Đình Thành
• Trường học: Học viện Khoa học và Công nghệ
• Chuyên ngành: Hóa Vô Cơ
• Đề tài: Nghiên cứu than hóa phụ phẩm nông nghiệp (vỏ hạt cà phê, lõi bắp) bằng phương pháp carbon hóa thủy nhiệt, ứng dụng làm vật liệu hấp phụ và xúc tác
• Loại tài liệu: Luận án tiến sĩ
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• 1. CHƯƠNG I: TỔNG QUAN
• 1.1. Tổng quan về than sinh học
• 1.2. Khái niệm than sinh học, than hoạt tính, than biến tính
• 1.3. Thành phần cấu tạo sinh khối lignocellulose để sản xuất than sinh học, than hoạt tính, than biến tính
• 1.4. Các phương pháp điều chế than sinh học
• 1.5. Một số phương pháp hoạt hóa bề mặt than sinh học, than hoạt tính
• 1.6. Phương pháp Carbon hóa thủy nhiệt sinh khối
• 1.7. Khái niệm phương pháp Carbon hóa thủy nhiệt
• 1.8. Đặc tính và cơ chế sự hình thành Hydrochar
• 1.9. Tình hình nghiên cứu ứng dụng than sinh học làm vật liệu hấp phụ và xúc tác
• 1.10. Tình hình nghiên cứu ứng dụng Hydrochar làm vật liệu hấp phụ
• 1.11. Tình hình nghiên cứu sản xuất glucose từ sinh khối lignocellulose bằng con đường xúc tác
• 2. CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM
• 2.1. Nội dung nghiên cứu
• 2.2. Nguyên vật liệu, hóa chất, dụng cụ và thiết bị
• 2.2.1. Nguyên vật liệu lignocellulose
• 2.2.2. Trang thiết bị và công cụ
• 2.3. Điều chế Hydrochar bằng phương pháp Carbon hóa thủy nhiệt
• 2.3.1. Bố trí thí nghiệm tối ưu hóa quá trình carbon hóa thủy nhiệt
• 2.3.2. Cách thực hiện thí nghiệm tối ưu hóa quá trình HTC
• 2.4. Điều chế các loại vật liệu than sinh học hoạt hóa
• 2.4.1. Điều chế Hydrochar hoạt hóa thủy nhiệt (CHhydro và CChydro)
• 2.4.2. Điều chế Hydrochar từ tính (CHmagnet và CCmagnet)
• 2.4.3. Điều chế Hydrochar hoạt hóa ngâm tẩm (CHimpreg và CCimpreg)
• 2.4.4. Điều chế Hydrochar hoạt hóa một giai đoạn (CHactiv và CCactiv)
• 2.4.5. Điều chế Biochar hoạt hóa (CHbiochar và CCbiochar)
• 2.4.6. Khảo sát ảnh hưởng quá trình nhiệt phân cuối đến than sinh học hoạt hóa
• 2.5. Các phương pháp xác định đặc trưng tính chất vật liệu
• 2.5.1. Phân tích trọng lượng nhiệt (TGA)
• 2.5.2. Phân tích giản đồ nhiễu xạ tia X (XRD)
• 2.5.3. Phương pháp kính hiển vi điện tử
• 2.5.4. Phương pháp phổ hồng ngoại (FTIR)
• 2.5.5. Phương pháp phổ tán sắc năng lượng tia X (EDX)
• 2.5.6. Phương pháp hấp phụ N2 Brunauer–Emmett–Teller (BET)
• 2.5.7. Xác định nhóm chức bề mặt bằng phương pháp chuẩn độ Boehm
• 2.6. Nghiên cứu hấp phụ xanh methyelne trên các mẫu than sinh học hoạt hóa
• 2.6.1. Lập phương trình đường chuẩn xanh methylen
• 2.6.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hấp phụ
• 2.6.3. Phương trình đường đẳng nhiệt hấp phụ
• 2.6.4. Phương trình động học hấp phụ
• 2.6.5. Tái sử dụng vật liệu hấp phụ xanh methylen
• 2.7. Nghiên cứu hoạt tính của các mẫu than sinh học hoạt hóa cho phản ứng thủy phân cellulose rơm rạ thành glucose
• 2.7.1. Chuẩn bị Cellulose từ rơm rạ bằng phương pháp nổ hơi nước
• 2.7.2. Chuẩn bị tổ hợp nghiền xúc tác than sinh học hoạt hóa/ cellulose
• 2.7.3. Phản ứng thủy Cellulose rơm rạ thành glucose bằng kỹ thuật Autoclave
• 2.7.4. Kiểm tra vai trò tâm xúc tác đối với phản ứng thủy phân cellulose rơm rạ
• 2.7.5. Phương pháp xác định tổng hàm lượng đường khử và Glucose
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 3.1. Kết quả điều chế Hydrochar bằng phương pháp HTC
• 3.2. Khảo sát biến đổi nhiệt của vỏ hạt cà phê/ lõi bắp
• 3.3. Tối ưu hóa thực nghiệm quá trình HTC tạo Hydrochar
• 3.4. Kết quả điều chế vật liệu than sinh học hoạt hóa
• 3.4.1. Ảnh hưởng của quá trình nhiệt phân cuối đến than sinh học hoạt hóa
• 3.4.2. Điều chế Hydrochar hoạt hóa thủy nhiệt (CHhydro và CChydro)
• 3.4.3. Điều chế Hydrochar từ tính (CHmagnet và CCmagnet)
• 3.4.4. Điều chế Hydrochar hoạt hóa ngâm tẩm (CHimpreg và CCimpreg)
• 3.4.5. Điều chế Hydrochar hoạt hóa một giai đoạn (CHactiv và CCactiv)
• 3.5. Kết quả đặc trưng của các mẫu than sinh học hoạt hóa
• 3.5.1. Hình thái học bề mặt (SEM) các mẫu than sinh học hoạt hóa
• 3.5.2. Diện tích bề mặt riêng (BET) các loại than sinh học hoạt hóa
• 3.5.3. Đường hấp phụ và giải hấp phụ Nitơ của các mẫu than sinh học hoạt hóa
• 3.5.4. Giản đồ XRD của các mẫu than sinh học hoạt hóa
• 3.5.5. Phổ hồng ngoại biến đổi Fourier của các mẫu than sinh học hoạt hóa
• 3.5.6. Nhóm chức bề mặt trên các mẫu than sinh học hoạt hóa
• 3.5.7. Phổ tán sắc năng lượng EDX và độ từ hóa của mẫu Hydrochar từ tính
• 3.6. Nghiên cứu hấp phụ xanh methylen trên các mẫu than sinh học hoạt hóa
• 3.6.1. Ảnh hưởng của tốc độ khuấy
• 3.6.2. Ảnh hưởng của pH
• 3.6.3. Ảnh hưởng của hàm lượng than sinh học hoạt hóa
• 3.6.4. Ảnh hưởng của thời gian tiếp xúc và nồng độ xanh methylen ban đầu đến quá trình hấp phụ
• 3.6.5. Phương trình đường đẳng nhiệt hấp phụ
• 3.6.6. Phương trình động học hấp phụ
• 3.6.7. Khả năng tái sử dụng của các loại vật liệu
• 3.7. Kết quả hoạt tính xúc tác của loại than sinh học hoạt hóa
• 3.8. Kết quả chuẩn bị nguyên liệu giàu Cellulose từ rơm rạ
• 3.9. Kết quả phản ứng thủy phân
• KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• DANH MỤC CÁC CÔNG BỐ KHOA HỌC CỦA LUẬN ÁN
• NHỮNG ĐÓNG GÓP MỚI CỦA LUẬN ÁN
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về nghiên cứu carbon hóa vỏ hạt cà phê và lõi bắp

Nghiên cứu carbon hóa vỏ hạt cà phê và lõi bắp đã trở thành một lĩnh vực quan trọng trong việc phát triển các vật liệu hấp phụ hiệu quả. Vỏ hạt cà phê và lõi bắp là những phụ phẩm nông nghiệp có tiềm năng lớn trong việc sản xuất các vật liệu carbon hóa. Quá trình carbon hóa không chỉ giúp tái chế chất thải mà còn tạo ra các sản phẩm có giá trị cao. Nghiên cứu này sẽ cung cấp cái nhìn tổng quan về các phương pháp carbon hóa và ứng dụng của chúng trong lĩnh vực hấp phụ.

1.1. Khái niệm về carbon hóa và vật liệu hấp phụ

Carbon hóa là quá trình chuyển đổi các chất hữu cơ thành carbon và các sản phẩm khác thông qua nhiệt độ cao trong môi trường thiếu oxy. Vật liệu hấp phụ được sản xuất từ carbon hóa có khả năng hấp thụ các chất ô nhiễm trong nước và không khí, giúp cải thiện chất lượng môi trường.

1.2. Tình hình nghiên cứu hiện tại về carbon hóa

Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng vỏ hạt cà phê và lõi bắp có thể được sử dụng để sản xuất các vật liệu hấp phụ hiệu quả. Các nghiên cứu này đã chỉ ra rằng các vật liệu này có khả năng hấp phụ cao đối với các chất ô nhiễm như thuốc nhuộm và kim loại nặng.

II. Vấn đề và thách thức trong nghiên cứu carbon hóa

Mặc dù có nhiều tiềm năng, nhưng nghiên cứu carbon hóa vỏ hạt cà phê và lõi bắp cũng gặp phải nhiều thách thức. Một trong những vấn đề chính là việc tối ưu hóa quy trình carbon hóa để đạt được hiệu suất cao nhất. Ngoài ra, việc đánh giá tính chất vật liệu hấp phụ cũng cần được thực hiện một cách chính xác để đảm bảo hiệu quả trong ứng dụng thực tiễn.

2.1. Thách thức trong việc tối ưu hóa quy trình carbon hóa

Quá trình carbon hóa phụ thuộc vào nhiều yếu tố như nhiệt độ, thời gian và tỷ lệ nguyên liệu. Việc tối ưu hóa các yếu tố này là rất quan trọng để đạt được sản phẩm có chất lượng cao nhất.

2.2. Đánh giá tính chất vật liệu hấp phụ

Để đánh giá hiệu quả của vật liệu hấp phụ, cần thực hiện các thử nghiệm hấp phụ với các chất ô nhiễm khác nhau. Điều này giúp xác định khả năng hấp phụ và tính chất bề mặt của vật liệu.

III. Phương pháp carbon hóa vỏ hạt cà phê và lõi bắp

Phương pháp carbon hóa thủy nhiệt là một trong những phương pháp hiệu quả nhất để sản xuất vật liệu hấp phụ từ vỏ hạt cà phê và lõi bắp. Phương pháp này cho phép chuyển đổi sinh khối thành hydrochar, một loại vật liệu carbon hóa có tính chất hấp phụ tốt. Nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc điều chỉnh các điều kiện carbon hóa có thể cải thiện đáng kể hiệu suất hấp phụ của vật liệu.

3.1. Quy trình carbon hóa thủy nhiệt

Quy trình carbon hóa thủy nhiệt bao gồm việc xử lý sinh khối trong môi trường nước ở nhiệt độ cao. Quá trình này giúp tạo ra hydrochar với cấu trúc và tính chất tối ưu cho việc hấp phụ.

3.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình carbon hóa

Nhiệt độ, thời gian và tỷ lệ nước là những yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến quá trình carbon hóa. Việc tối ưu hóa các yếu tố này có thể giúp tăng cường hiệu suất hấp phụ của vật liệu.

IV. Ứng dụng thực tiễn của vật liệu hấp phụ từ carbon hóa

Vật liệu hấp phụ được sản xuất từ carbon hóa vỏ hạt cà phê và lõi bắp có nhiều ứng dụng thực tiễn trong việc xử lý nước thải và không khí ô nhiễm. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng vật liệu này có khả năng hấp phụ cao đối với các chất ô nhiễm như thuốc nhuộm và kim loại nặng, giúp cải thiện chất lượng môi trường.

4.1. Ứng dụng trong xử lý nước thải

Vật liệu hấp phụ từ carbon hóa có thể được sử dụng để loại bỏ các chất ô nhiễm trong nước thải, giúp cải thiện chất lượng nước và bảo vệ môi trường.

4.2. Ứng dụng trong xử lý không khí

Ngoài việc xử lý nước thải, vật liệu hấp phụ cũng có thể được sử dụng để loại bỏ các chất ô nhiễm trong không khí, giúp cải thiện chất lượng không khí và sức khỏe cộng đồng.

V. Kết luận và tương lai của nghiên cứu carbon hóa

Nghiên cứu carbon hóa vỏ hạt cà phê và lõi bắp đã mở ra nhiều cơ hội mới trong việc phát triển các vật liệu hấp phụ hiệu quả. Tương lai của nghiên cứu này hứa hẹn sẽ mang lại nhiều ứng dụng thực tiễn hơn nữa trong việc bảo vệ môi trường và phát triển bền vững.

5.1. Triển vọng nghiên cứu trong tương lai

Nghiên cứu trong tương lai có thể tập trung vào việc phát triển các phương pháp carbon hóa mới và cải thiện tính chất của vật liệu hấp phụ để đáp ứng nhu cầu ngày càng cao trong xử lý ô nhiễm.

5.2. Tầm quan trọng của việc tái chế chất thải

Việc tái chế chất thải nông nghiệp như vỏ hạt cà phê và lõi bắp không chỉ giúp giảm thiểu ô nhiễm mà còn tạo ra các sản phẩm có giá trị, góp phần vào phát triển bền vững.