Luận án tiến sĩ: Chế tạo chất hấp phụ sinh học từ vỏ cà phê xử lý kim loại nặng trong nước thải

• Tác giả: Đỗ Thủy Tiên
• Người hướng dẫn: PGS. Ngô Kim Chi
• Trường học: Học viện Khoa học và Công nghệ
• Chuyên ngành: Kỹ thuật môi trường
• Đề tài: Nghiên Cứu Chế Tạo Chất Hấp Phụ Sinh Học Từ Vỏ Cà Phê Để Xử Lý Kim Loại Nặng Trong Nước
• Loại tài liệu: luận án tiến sĩ
• Năm xuất bản: 2021
• Địa điểm: Hà Nội

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• MỤC LỤC
• DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT
• DANH MỤC KÝ HIỆU
• DANH MỤC BẢNG
• DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
• 1. MỞ ĐẦU
• 1.1. TỔNG QUAN TÀI LIỆU
• 1.1.1. Tổng quan về sản xuất chất hấp phụ sinh học từ biomass thải
• 1.1.2. Thành phần, tính chất và tiềm năng sản xuất chất hấp phụ sinh học từ vỏ quả cà phê ở Việt Nam
• 1.1.3. Các phƣơng pháp sản xuất chất hấp phụ sinh học từ biomass thải
• 1.1.4. Tổng quan về ô nhiễm kim loại nặng và phƣơng pháp xử lý
• 1.1.4.1. Nguồn gốc phát sinh và tác hại của kim loại nặng
• 1.1.4.2. Các phƣơng pháp xử lý ô nhiễm kim loại nặng trong môi trƣờng nƣớc
• 1.1.5. Đặc điểm quá trình hấp phụ kim loại nặng trên VLHP. Giới thiệu về vật liệu tổ hợp MnFe2O4/C
• 1.1.5.1. Vật liệu nano MnFe2O4
• 1.1.5.2. Vật liệu tổ hợp MnFe2O4/C
• 1.1.6. Tình hình nghiên cứu và ứng dụng chất hấp phụ sinh học để xử lý ion kim loại nặng trong môi trƣờng nƣớc bằng phƣơng pháp hấp phụ
• 1.1.6.1. Tình hình nghiên cứu trên thế giới
• 1.1.6.2. Tình hình nghiên cứu ở Việt Nam
• 1.1.6.3. Nghiên cứu xử lý kim loại nặng bằng vật liệu nano tổ hợp
• 1.2. PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 1.2.1. Đối tƣợng nghiên cứu
• 1.2.2. Hóa chất và thiết bị
• 1.2.3. Phƣơng pháp thực nghiệm
• 1.2.3.1. Xác định thành phần chính của vỏ quả cà phê
• 1.2.3.2. Chế tạo than sinh học từ vỏ quả cà phê (Biochar)
• 1.2.3.3. Chế tạo than hoạt tính từ vỏ quả cà phê
• 1.2.3.4. Chế tạo vật liệu tổ hợp MnFe2O4/BC
• 1.2.3.5. Đánh giá khả năng hấp phụ kim loại nặng trong điều kiện tĩnh
• 1.2.3.6. Các phƣơng pháp nghiên cứu đặc trƣng cấu trúc vật liệu
• 1.2.3.7. Thực nghiệm xác định phƣơng trình hồi quy mô tả ảnh hƣởng đồng thời của các yếu tố đến hiệu suất hấp phụ Ni(II) của than hoạt hóa bằng HNO3
• 1.2.3.8. Giới thiệu về quy hoạch thực nghiệm
• 1.2.3.9. Kế hoạch thực nghiệm bậc hai Box - Behnken
• 1.2.3.10. Thử nghiệm đánh giá khả năng hấp phụ ion kim loại nặng trên mô hình hấp phụ động
• 1.3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 1.3.1. Kết quả xác định thành phần vỏ quả cà phê
• 1.3.2. Nghiên cứu chế tạo than sinh học từ vỏ quả cà phê
• 1.3.2.1. Khảo sát quá trình phân hủy nhiệt của vỏ quả cà phê
• 1.3.2.2. Xác định chế độ công nghệ than hóa vỏ quả cà phê
• 1.3.3. Nghiên cứu chế tạo than hoạt tính từ vỏ quả cà phê
• 1.3.3.1. Khảo sát cấu trúc bề mặt của than hoạt tính từ vỏ quả cà phê
• 1.3.3.2. Đánh giá khả năng hấp phụ Cr(VI) và Ni(II) của than hoạt tính với chất hoạt hóa H3PO4
• 1.3.3.3. Đánh giá khả năng hấp phụ Cr(VI) và Ni(II) của than hoạt tính với chất hoạt hóa HNO3
• 1.3.4. Nghiên cứu chế tạo vật liệu tổ hợp MnFe2O4/BC (MFO/BC)
• 1.3.4.1. Khảo sát cấu trúc bề mặt và tính chất của vật liệu tổ hợp MFO/BC
• 1.3.4.2. Đánh giá khả năng hấp phụ kim loại nặng Cr(VI) và Ni(II) của các vật liệu tổ hợp MFO/BC
• 1.3.5. Xác định chế độ hấp phụ kim loại nặng Cr(VI) và Ni(II) của các chất hấp phụ sinh học từ vỏ quả cà phê ở dạng tĩnh
• 1.3.5.1. Ảnh hƣởng của pH
• 1.3.5.2. Ảnh hƣởng của thời gian hấp phụ
• 1.3.5.3. Ảnh hƣởng của hàm lƣợng chất hấp phụ
• 1.3.5.4. Ảnh hƣởng của nồng độ dung dịch hấp phụ ban đầu
• 1.3.6. Nghiên cứu mô hình hấp phụ đẳng nhiệt
• 1.3.7. Nghiên cứu mô hình động học hấp phụ của các VLHP
• 1.3.8. Lập ma trận kế hoạch thực nghiệm Box – Behnken
• 1.3.9. Khảo sát khả năng sử dụng than hoạt tính (ACB-30%) để chế tạo vật liệu tổ hợp MFO/AC
• 1.3.10. Thử nghiệm đánh giá khả năng hấp phụ ion kim loại nặng trên mô hình hấp phụ động
• 1.3.10.1. Ảnh hƣởng của lƣu lƣợng dòng chảy
• 1.3.10.2. Ảnh hƣởng của khối lƣợng VLHP
• 1.3.10.3. Ảnh hƣởng của nồng độ kim loại nặng
• 2. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• PHẦN PHỤ LỤC

I. Chất hấp phụ sinh học từ vỏ cà phê

Nghiên cứu tập trung vào việc chế tạo chất hấp phụ sinh học từ vỏ cà phê, một phụ phẩm nông nghiệp dồi dào tại Việt Nam. Vỏ cà phê được xử lý qua quá trình nhiệt phân và hoạt hóa để tạo thành than sinh học và than hoạt tính. Các phương pháp hoạt hóa như sử dụng axit nitric (HNO3) và axit photphoric (H3PO4) được áp dụng để tăng diện tích bề mặt và khả năng hấp phụ của vật liệu. Kết quả cho thấy, than hoạt tính từ vỏ cà phê có khả năng hấp phụ cao đối với các ion kim loại nặng như Cr(VI) và Ni(II).

1.1. Quy trình chế tạo than sinh học

Quy trình chế tạo than sinh học từ vỏ cà phê bao gồm các bước: nhiệt phân ở nhiệt độ từ 300°C đến 600°C trong thời gian từ 30 đến 90 phút. Quá trình này giúp loại bỏ các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi và tạo ra cấu trúc xốp, tăng khả năng hấp phụ. Các mẫu than sinh học được đánh giá qua phân tích TGA, FTIR, và SEM để xác định cấu trúc và tính chất bề mặt.

1.2. Hoạt hóa than sinh học

Than sinh học được hoạt hóa bằng các chất hoạt hóa như H3PO4 và HNO3 để tăng diện tích bề mặt và khả năng hấp phụ. Kết quả cho thấy, than hoạt hóa bằng HNO3 có hiệu suất hấp phụ cao hơn so với H3PO4, đặc biệt là đối với ion Ni(II). Quá trình hoạt hóa cũng được tối ưu hóa thông qua phương pháp quy hoạch thực nghiệm Box-Behnken.

II. Xử lý kim loại nặng trong nước

Nghiên cứu đánh giá khả năng xử lý kim loại nặng trong nước của các vật liệu hấp phụ từ vỏ cà phê. Các ion kim loại nặng như Cr(VI) và Ni(II) được loại bỏ hiệu quả thông qua cơ chế hấp phụ. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hấp phụ như pH, thời gian, hàm lượng chất hấp phụ, và nồng độ ban đầu của kim loại được khảo sát chi tiết. Kết quả cho thấy, pH tối ưu cho quá trình hấp phụ Cr(VI) là 2, trong khi pH tối ưu cho Ni(II) là 6.

2.1. Cơ chế hấp phụ

Cơ chế hấp phụ của các vật liệu từ vỏ cà phê được nghiên cứu thông qua các mô hình đẳng nhiệt Langmuir và Freundlich. Kết quả cho thấy, quá trình hấp phụ tuân theo mô hình Langmuir, chứng tỏ sự hấp phụ đơn lớp trên bề mặt vật liệu. Ngoài ra, động học hấp phụ được mô tả bằng mô hình bậc hai, cho thấy quá trình hấp phụ diễn ra nhanh chóng trong giai đoạn đầu.

2.2. Ứng dụng thực tế

Các vật liệu hấp phụ từ vỏ cà phê được thử nghiệm trên mô hình hấp phụ động để đánh giá khả năng xử lý nước thải công nghiệp. Kết quả cho thấy, vật liệu tổ hợp MnFe2O4/BC có hiệu suất hấp phụ cao đối với cả Cr(VI) và Ni(II), đặc biệt là ở nồng độ thấp. Nghiên cứu này mở ra tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong việc xử lý nước thải chứa kim loại nặng.

III. Bảo vệ môi trường và tái chế vỏ cà phê

Nghiên cứu không chỉ tập trung vào việc xử lý ô nhiễm kim loại nặng mà còn hướng đến bảo vệ môi trường thông qua việc tái chế vỏ cà phê. Việc sử dụng vỏ cà phê làm chất hấp phụ giúp giảm thiểu lượng chất thải nông nghiệp, đồng thời tạo ra một giải pháp xử lý nước thải hiệu quả và kinh tế. Nghiên cứu cũng đề xuất các giải pháp để tối ưu hóa quy trình sản xuất và ứng dụng vật liệu hấp phụ từ vỏ cà phê trong thực tế.

3.1. Tái chế vỏ cà phê

Vỏ cà phê, một phụ phẩm nông nghiệp dồi dào, được tái chế thành chất hấp phụ sinh học thông qua quá trình nhiệt phân và hoạt hóa. Việc tái chế này không chỉ giúp giảm thiểu chất thải mà còn tạo ra một sản phẩm có giá trị cao trong việc xử lý môi trường.

3.2. Giải pháp bảo vệ môi trường

Nghiên cứu đề xuất các giải pháp để tối ưu hóa quy trình sản xuất và ứng dụng vật liệu hấp phụ từ vỏ cà phê, bao gồm việc sử dụng các chất hoạt hóa thân thiện với môi trường và tối ưu hóa điều kiện nhiệt phân. Các giải pháp này không chỉ giúp nâng cao hiệu quả xử lý mà còn góp phần bảo vệ môi trường.