Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển công nghiệp và gia tăng ô nhiễm môi trường, việc xử lý các chất thải hữu cơ và kim loại nặng trong nước thải trở thành vấn đề cấp thiết. Việt Nam, với sản lượng trái cây nhiệt đới lớn, đặc biệt là dứa với hơn 25 triệu tấn thu hoạch mỗi năm, tạo ra lượng lớn chất thải lá dứa chiếm đến 70% trọng lượng cây. Đồng thời, ngành công nghiệp sợi bông cũng thải ra khoảng 1/3 trong tổng số 29 triệu tấn sợi bông sản xuất hàng năm dưới dạng phế liệu, gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng. Trước thực trạng này, nghiên cứu tổng hợp vật liệu carbon cellulose aerogel từ hỗn hợp sợi lá dứa và sợi cotton nhằm ứng dụng trong hấp phụ các chất ô nhiễm như methylene blue và ion Cu2+ có ý nghĩa thiết thực trong việc tái sử dụng nguyên liệu sinh khối, giảm thiểu ô nhiễm và phát triển vật liệu hấp phụ hiệu quả.

Mục tiêu nghiên cứu tập trung vào việc phát triển quy trình tổng hợp carbon cellulose aerogel bằng phương pháp carbon hóa và hoạt hóa vật lý (CO2) và hóa học (KOH), khảo sát cấu trúc, đặc tính vật liệu và đánh giá khả năng hấp phụ methylene blue và Cu2+. Nghiên cứu được thực hiện tại Trường Đại học Bách Khoa – Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh trong năm 2022, với phạm vi tập trung vào các điều kiện hoạt hóa và ảnh hưởng của các yếu tố như thời gian, tỉ lệ chất hoạt hóa, nồng độ ban đầu đến hiệu suất hấp phụ.

Kết quả nghiên cứu góp phần mở rộng ứng dụng vật liệu carbon aerogel sinh học trong xử lý nước thải công nghiệp, đồng thời cung cấp cơ sở khoa học để phát triển quy trình sản xuất carbon cellulose aerogel trên quy mô công nghiệp, hướng tới giải pháp thân thiện môi trường và kinh tế bền vững.

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:

  • Lý thuyết hấp phụ: Phân biệt hấp phụ vật lý và hóa học, trong đó hấp phụ vật lý dựa trên lực Van der Waals, thuận nghịch và mô hình động học bậc một, còn hấp phụ hóa học liên quan đến liên kết hóa học, bất thuận nghịch và mô hình động học bậc hai. Các mô hình đẳng nhiệt Langmuir và Freundlich được sử dụng để mô tả quá trình hấp phụ cân bằng.

  • Mô hình khuếch tán mao quản Webber-Morris: Mô tả sự khuếch tán chất hấp phụ vào cấu trúc vật liệu, tốc độ hấp phụ tỷ lệ với căn bậc hai của thời gian.

  • Cấu trúc và đặc tính vật liệu aerogel: Aerogel cellulose là vật liệu xốp có diện tích bề mặt lớn, độ xốp cao và khối lượng riêng thấp. Carbon cellulose aerogel được tổng hợp qua quá trình carbon hóa và hoạt hóa nhằm tăng diện tích bề mặt và phát triển lỗ xốp, nâng cao khả năng hấp phụ.

Các khái niệm chính bao gồm: cellulose, aerogel, carbon hóa, hoạt hóa vật lý và hóa học, diện tích bề mặt riêng, dung lượng hấp phụ, mô hình động học hấp phụ, đẳng nhiệt hấp phụ.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Nguyên liệu cellulose gồm sợi lá dứa (hàm lượng cellulose 75.2%) và sợi cotton (hàm lượng cellulose 85%) thu thập từ các công ty địa phương. Các hóa chất như KOH, Cu(NO3)2, methylene blue được mua từ các nhà cung cấp uy tín.

  • Quy trình tổng hợp: Cellulose aerogel được tổng hợp qua các bước hòa tan cellulose trong dung dịch NaOH và ure, tạo gel bằng phương pháp sol-gel, sấy thăng hoa để giữ cấu trúc xốp. Carbon hóa diễn ra ở 400°C trong môi trường khí N2, tiếp theo là hoạt hóa vật lý bằng CO2 hoặc hoạt hóa hóa học bằng KOH ở 800°C với các điều kiện thời gian và tỉ lệ chất hoạt hóa khác nhau.

  • Phân tích đặc tính vật liệu: Khối lượng riêng, kính hiển vi điện tử quét (SEM), phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FTIR), phổ tán sắc năng lượng (EDX), diện tích bề mặt riêng theo phương pháp Brunauer-Emmett-Teller (BET).

  • Thí nghiệm hấp phụ: Khảo sát ảnh hưởng của thời gian, khối lượng chất hấp phụ, nồng độ ban đầu đến dung lượng hấp phụ methylene blue và Cu2+. Động học hấp phụ được phân tích theo mô hình bậc một và bậc hai, đẳng nhiệt hấp phụ được đánh giá bằng mô hình Langmuir và Freundlich.

  • Cỡ mẫu và chọn mẫu: Các mẫu carbon cellulose aerogel được chuẩn bị với các điều kiện hoạt hóa khác nhau để so sánh hiệu quả hấp phụ. Mỗi thí nghiệm được thực hiện nhiều lần để đảm bảo tính lặp lại và độ tin cậy.

  • Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu được thực hiện từ tháng 2 đến tháng 6 năm 2022, bao gồm tổng hợp vật liệu, khảo sát đặc tính và thí nghiệm hấp phụ.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Đặc tính vật liệu: Carbon cellulose aerogel hoạt hóa hóa học có diện tích bề mặt riêng đạt 970,20 m²/g, cao hơn so với mẫu hoạt hóa vật lý (886,58 m²/g). Khối lượng riêng thấp khoảng 0.0236 g/cm³ cho cả hai mẫu, cho thấy vật liệu rất nhẹ và xốp.

  2. Khả năng hấp phụ methylene blue: Mẫu hoạt hóa hóa học đạt dung lượng hấp phụ tối đa 263 mg/g, vượt trội hơn so với mẫu hoạt hóa vật lý với 250 mg/g. Dung lượng hấp phụ tăng theo thời gian và nồng độ ban đầu, đạt trạng thái cân bằng sau khoảng 300 phút.

  3. Khả năng hấp phụ ion Cu2+: Dung lượng hấp phụ tối đa của mẫu hoạt hóa hóa học là 69 mg/g, cao hơn so với mẫu hoạt hóa vật lý. Động học hấp phụ Cu2+ phù hợp với mô hình bậc hai, trong khi methylene blue phù hợp với mô hình bậc một.

  4. Ảnh hưởng điều kiện hoạt hóa: Thời gian hoạt hóa và tỉ lệ KOH/C ảnh hưởng rõ rệt đến diện tích bề mặt và dung lượng hấp phụ. Thời gian hoạt hóa 90 phút và tỉ lệ KOH/C = 1/1 được xác định là điều kiện tối ưu cho hoạt hóa hóa học.

Thảo luận kết quả

Kết quả cho thấy carbon cellulose aerogel tổng hợp từ hỗn hợp sợi lá dứa và sợi cotton có cấu trúc lỗ xốp phát triển tốt, diện tích bề mặt lớn, phù hợp làm vật liệu hấp phụ hiệu quả. Việc sử dụng tác nhân hoạt hóa hóa học KOH giúp tăng diện tích bề mặt và dung lượng hấp phụ so với hoạt hóa vật lý bằng CO2, do phản ứng hóa học tạo ra nhiều lỗ xốp nhỏ hơn và tăng cường nhóm chức năng bề mặt.

So sánh với các nghiên cứu trước đây về carbon aerogel từ nguyên liệu sinh khối khác, dung lượng hấp phụ methylene blue và Cu2+ của vật liệu nghiên cứu tương đương hoặc vượt trội, chứng tỏ tiềm năng ứng dụng trong xử lý nước thải công nghiệp. Các mô hình động học và đẳng nhiệt hấp phụ phù hợp với lý thuyết cho thấy quá trình hấp phụ diễn ra theo cơ chế vật lý đối với methylene blue và hóa học đối với Cu2+, phù hợp với đặc tính hóa học của các chất hấp phụ và chất bị hấp phụ.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ dung lượng hấp phụ theo thời gian, nồng độ và điều kiện hoạt hóa, cũng như bảng so sánh diện tích bề mặt và dung lượng hấp phụ giữa các mẫu, giúp minh họa rõ ràng hiệu quả của từng điều kiện.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tối ưu hóa quy trình hoạt hóa hóa học: Khuyến nghị áp dụng thời gian hoạt hóa 90 phút và tỉ lệ KOH/C = 1/1 để đạt hiệu suất hấp phụ tối ưu, nhằm nâng cao diện tích bề mặt và phát triển lỗ xốp. Chủ thể thực hiện: các nhà sản xuất vật liệu carbon aerogel, thời gian áp dụng: 6-12 tháng.

  2. Phát triển quy trình sản xuất quy mô công nghiệp: Xây dựng dây chuyền sản xuất carbon cellulose aerogel từ nguyên liệu sợi lá dứa và cotton với công suất lớn, đảm bảo kiểm soát chất lượng và hiệu quả kinh tế. Chủ thể thực hiện: doanh nghiệp công nghiệp hóa chất, thời gian: 1-2 năm.

  3. Ứng dụng carbon cellulose aerogel trong xử lý nước thải công nghiệp: Triển khai thử nghiệm và ứng dụng vật liệu trong xử lý nước thải chứa thuốc nhuộm và kim loại nặng, đặc biệt là methylene blue và Cu2+, nhằm giảm thiểu ô nhiễm môi trường. Chủ thể thực hiện: các nhà máy xử lý nước thải, thời gian: 12-18 tháng.

  4. Nghiên cứu mở rộng ứng dụng vật liệu: Khảo sát khả năng hấp phụ các chất ô nhiễm khác như các ion kim loại nặng khác, hợp chất hữu cơ độc hại, và phát triển vật liệu composite carbon aerogel để nâng cao hiệu quả. Chủ thể thực hiện: các viện nghiên cứu, thời gian: 1-3 năm.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Kỹ thuật Hóa học: Nắm bắt quy trình tổng hợp và đặc tính vật liệu carbon cellulose aerogel, áp dụng trong nghiên cứu vật liệu hấp phụ và xử lý môi trường.

  2. Doanh nghiệp sản xuất vật liệu carbon và xử lý nước thải: Áp dụng kết quả nghiên cứu để phát triển sản phẩm carbon aerogel từ nguyên liệu sinh khối, nâng cao hiệu quả xử lý nước thải công nghiệp.

  3. Cơ quan quản lý môi trường và chính sách: Tham khảo giải pháp công nghệ thân thiện môi trường, thúc đẩy phát triển vật liệu xanh và xử lý ô nhiễm nước thải.

  4. Các tổ chức nghiên cứu và phát triển công nghệ vật liệu: Khai thác dữ liệu về cấu trúc, đặc tính và ứng dụng carbon cellulose aerogel để phát triển các vật liệu mới, mở rộng ứng dụng trong lĩnh vực năng lượng, xúc tác và môi trường.

Câu hỏi thường gặp

  1. Carbon cellulose aerogel là gì và ưu điểm của nó?
    Carbon cellulose aerogel là vật liệu xốp nhẹ được tổng hợp từ cellulose qua quá trình carbon hóa và hoạt hóa. Ưu điểm gồm diện tích bề mặt lớn (đến 970 m²/g), khối lượng riêng thấp (~0.0236 g/cm³), khả năng hấp phụ cao và thân thiện môi trường.

  2. Tại sao sử dụng sợi lá dứa và sợi cotton làm nguyên liệu?
    Sợi lá dứa và cotton là nguồn cellulose tái tạo, giá rẻ, sẵn có và giúp giảm lượng chất thải sinh học, đồng thời tạo ra vật liệu hấp phụ hiệu quả, góp phần bảo vệ môi trường.

  3. Phương pháp hoạt hóa vật lý và hóa học khác nhau như thế nào?
    Hoạt hóa vật lý sử dụng CO2 ở nhiệt độ cao để tạo lỗ xốp, đơn giản và sạch nhưng diện tích bề mặt thấp hơn. Hoạt hóa hóa học dùng KOH tạo phản ứng hóa học mạnh, tăng diện tích bề mặt và dung lượng hấp phụ nhưng chi phí và xử lý phức tạp hơn.

  4. Carbon cellulose aerogel có thể hấp phụ những chất nào?
    Nghiên cứu cho thấy vật liệu hấp phụ hiệu quả methylene blue (thuốc nhuộm cation) với dung lượng đến 263 mg/g và ion Cu2+ với dung lượng 69 mg/g, phù hợp xử lý nước thải công nghiệp chứa các chất ô nhiễm hữu cơ và kim loại nặng.

  5. Quy trình sản xuất carbon cellulose aerogel có thể áp dụng công nghiệp không?
    Kết quả nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học và điều kiện tối ưu để xây dựng quy trình sản xuất quy mô công nghiệp, giúp tận dụng nguyên liệu sinh khối và phát triển vật liệu hấp phụ thân thiện môi trường.

Kết luận

  • Carbon cellulose aerogel được tổng hợp thành công từ hỗn hợp sợi lá dứa và sợi cotton qua quá trình carbon hóa và hoạt hóa vật lý (CO2) và hóa học (KOH).
  • Mẫu hoạt hóa hóa học đạt diện tích bề mặt riêng 970,20 m²/g và dung lượng hấp phụ methylene blue tối đa 263 mg/g, vượt trội so với mẫu hoạt hóa vật lý.
  • Động học hấp phụ methylene blue phù hợp mô hình bậc một, trong khi hấp phụ Cu2+ phù hợp mô hình bậc hai; đẳng nhiệt hấp phụ tuân theo mô hình Langmuir.
  • Nghiên cứu cung cấp cơ sở để phát triển quy trình sản xuất carbon cellulose aerogel trên quy mô công nghiệp, ứng dụng trong xử lý nước thải công nghiệp.
  • Khuyến nghị tiếp tục nghiên cứu mở rộng ứng dụng vật liệu và tối ưu hóa quy trình sản xuất nhằm nâng cao hiệu quả và tính bền vững.

Luận văn mở ra hướng đi mới trong việc tận dụng nguồn nguyên liệu sinh khối sẵn có, góp phần giải quyết vấn đề ô nhiễm môi trường và phát triển vật liệu hấp phụ hiệu quả. Các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp được khuyến khích áp dụng và phát triển tiếp theo để tạo ra các sản phẩm công nghiệp có giá trị cao.