Nghiên Cứu Chế Tạo Than Hoạt Tính Từ Bã Đậu Nành Và Khả Năng Hấp Phụ Cr(VI) Trong Môi Trường Nước

Chuyên khảo môi trường phân tích Nghiên cứu chế tạo than hoạt tính từ bã đậu nành và khảo sát khả năng hấp phụ crvi trong môi trường, đánh giá các khía cạnh quan trọng, đề xuất

• Tác giả: Vatsana Inthapasong
• Người hướng dẫn: TS. Vũ Thị Hậu
• Trường học: Đại học Thái Nguyên
• Chuyên ngành: Hóa vô cơ
• Đề tài: Nghiên Cứu Chế Tạo Than Hoạt Tính Từ Bã Đậu Nành Và Khả Năng Hấp Phụ Cr(VI)
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2020
• Địa điểm: Thái Nguyên

Tóm tắt

I. Tổng quan về nghiên cứu chế tạo than hoạt tính từ bã đậu nành

Nghiên cứu chế tạo than hoạt tính từ bã đậu nành đang thu hút sự quan tâm lớn trong lĩnh vực xử lý ô nhiễm môi trường. Bã đậu nành, một sản phẩm phụ từ ngành chế biến thực phẩm, thường bị bỏ đi hoặc sử dụng không hiệu quả. Việc tận dụng nguồn nguyên liệu này để sản xuất than hoạt tính không chỉ giúp giảm thiểu chất thải mà còn tạo ra vật liệu có khả năng hấp phụ tốt. Nghiên cứu này không chỉ mang lại giá trị kinh tế mà còn góp phần bảo vệ môi trường.

1.1. Tại sao chọn bã đậu nành làm nguyên liệu chế tạo than hoạt tính

Bã đậu nành chứa nhiều chất hữu cơ và có khả năng tạo ra cấu trúc lỗ xốp khi được xử lý. Điều này giúp tăng diện tích bề mặt của than hoạt tính, từ đó nâng cao khả năng hấp phụ các ion kim loại nặng như Cr(VI).

1.2. Lợi ích của việc sử dụng than hoạt tính từ bã đậu nành

Sử dụng than hoạt tính từ bã đậu nành không chỉ tiết kiệm chi phí mà còn giảm thiểu ô nhiễm môi trường. Nó có thể được áp dụng trong nhiều lĩnh vực như xử lý nước thải, lọc không khí và trong ngành công nghiệp thực phẩm.

II. Vấn đề ô nhiễm Cr VI trong môi trường nước hiện nay

Ô nhiễm do ion kim loại nặng, đặc biệt là Cr(VI), đang trở thành một vấn đề nghiêm trọng trong môi trường nước. Cr(VI) là một chất độc hại, có thể gây ra nhiều tác động xấu đến sức khỏe con người và sinh vật. Nguồn gốc của ô nhiễm này chủ yếu đến từ các hoạt động công nghiệp như sản xuất thép, nhuộm và xử lý da. Việc phát hiện và xử lý Cr(VI) trong nước là rất cần thiết để bảo vệ sức khỏe cộng đồng.

2.1. Tác động của Cr VI đến sức khỏe con người

Cr(VI) có thể gây ra nhiều bệnh lý nghiêm trọng như ung thư, tổn thương gan và thận. Việc tiếp xúc lâu dài với Cr(VI) có thể dẫn đến các vấn đề về hô hấp và da.

2.2. Nguồn gốc ô nhiễm Cr VI trong nước

Các nguồn ô nhiễm chính bao gồm nước thải từ các nhà máy sản xuất, khai thác khoáng sản và các hoạt động nông nghiệp. Những chất thải này thường không được xử lý đúng cách, dẫn đến sự tích tụ của Cr(VI) trong nguồn nước.

III. Phương pháp chế tạo than hoạt tính từ bã đậu nành

Quá trình chế tạo than hoạt tính từ bã đậu nành bao gồm nhiều bước quan trọng. Đầu tiên, bã đậu nành được thu gom và xử lý để loại bỏ tạp chất. Sau đó, nguyên liệu được nung ở nhiệt độ cao trong môi trường yếm khí để tạo ra cấu trúc lỗ xốp. Cuối cùng, than hoạt tính được làm sạch và kiểm tra các đặc tính vật lý và hóa học.

3.1. Các bước chuẩn bị nguyên liệu

Nguyên liệu bã đậu nành cần được rửa sạch, phơi khô và nghiền nhỏ trước khi tiến hành nung. Việc chuẩn bị này giúp tăng hiệu quả trong quá trình hoạt hóa.

3.2. Quy trình nung và hoạt hóa than

Quá trình nung diễn ra ở nhiệt độ từ 600 đến 800 độ C trong môi trường yếm khí. Điều này giúp tạo ra các lỗ xốp và tăng diện tích bề mặt của than hoạt tính.

IV. Khảo sát khả năng hấp phụ Cr VI của than hoạt tính

Khả năng hấp phụ Cr(VI) của than hoạt tính được khảo sát thông qua các thí nghiệm trong điều kiện khác nhau. Các yếu tố như pH, thời gian tiếp xúc và nồng độ Cr(VI) ban đầu đều ảnh hưởng đến hiệu suất hấp phụ. Kết quả cho thấy than hoạt tính từ bã đậu nành có khả năng hấp phụ Cr(VI) tốt, đặc biệt trong khoảng pH tối ưu.

4.1. Ảnh hưởng của pH đến khả năng hấp phụ

Nghiên cứu cho thấy pH có ảnh hưởng lớn đến khả năng hấp phụ Cr(VI). Ở pH thấp, khả năng hấp phụ tăng do sự tương tác tĩnh điện giữa ion Cr(VI) và bề mặt than.

4.2. Thời gian tiếp xúc và nồng độ Cr VI

Thí nghiệm cho thấy thời gian tiếp xúc lâu hơn giúp tăng khả năng hấp phụ. Nồng độ Cr(VI) ban đầu cũng ảnh hưởng đến dung lượng hấp phụ của than hoạt tính.

V. Ứng dụng thực tiễn của than hoạt tính từ bã đậu nành

Than hoạt tính từ bã đậu nành không chỉ có khả năng hấp phụ Cr(VI) mà còn có thể được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Từ xử lý nước thải đến lọc không khí, than hoạt tính này mang lại nhiều lợi ích cho môi trường và sức khỏe con người. Việc phát triển và ứng dụng than hoạt tính từ bã đậu nành có thể giúp giảm thiểu ô nhiễm và bảo vệ tài nguyên nước.

5.1. Ứng dụng trong xử lý nước thải

Than hoạt tính có thể được sử dụng để loại bỏ các ion kim loại nặng trong nước thải, giúp cải thiện chất lượng nước và bảo vệ môi trường.

5.2. Ứng dụng trong lọc không khí

Ngoài việc xử lý nước, than hoạt tính còn có thể được sử dụng trong các hệ thống lọc không khí, giúp loại bỏ các chất ô nhiễm và cải thiện chất lượng không khí.

VI. Kết luận và triển vọng nghiên cứu trong tương lai

Nghiên cứu chế tạo than hoạt tính từ bã đậu nành và khả năng hấp phụ Cr(VI) đã cho thấy tiềm năng lớn trong việc xử lý ô nhiễm môi trường. Việc phát triển các phương pháp chế tạo và ứng dụng than hoạt tính từ bã đậu nành không chỉ giúp giảm thiểu chất thải mà còn mang lại giá trị kinh tế cao. Trong tương lai, cần tiếp tục nghiên cứu để tối ưu hóa quy trình chế tạo và mở rộng ứng dụng của than hoạt tính trong các lĩnh vực khác.

6.1. Hướng nghiên cứu tiếp theo

Cần nghiên cứu thêm về các phương pháp cải tiến quy trình chế tạo than hoạt tính để nâng cao hiệu suất hấp phụ và giảm chi phí sản xuất.

6.2. Triển vọng ứng dụng trong công nghiệp

Than hoạt tính từ bã đậu nành có thể được ứng dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp, từ xử lý nước thải đến sản xuất thực phẩm, góp phần bảo vệ môi trường và sức khỏe cộng đồng.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1 TỔNG QUAN 1. Ô nhiễm do ion kim loại nặng 1. Sơ lược về kim loại nặng Kim loại nặng là những kim loại có khối lượng riêng lớn hơn 5g/cm3. Một vài kim loại nặng có thể cần thiết cho cơ thể sống bao gồm động vật, thực vật, các vi sinh vật khi chúng chỉ ở một hàm lượng nhất định nào đó.

Tuy nhiên khi ở một hàm lượng lớn hơn giới hạn cho phép nó sẽ trở nên độc hại. Trong tự nhiên kim loại nặng tồn tại ở cả ba môi trường: môi trường đất, môi trường nước, môi trường không khí. Trong đó môi trường nước là môi trường có khả năng phát tán kim loại nặng đi xa và rộng nhất, trong môi trường này kim loại nặng có thể tồn tại dưới dạng ion và phức chất. Nguồn nước có chứa kim loại nặng nếu được đưa đi tưới cây thì sẽ khiến cây trồng và đất trồng sẽ bị ô nhiễm kim loại nặng.

Do đó kim loại nặng trong môi trường nước có thể đi vào cơ thể con người thông qua con đường ăn uống [39], [40]. Thực trạng ô nhiễm nguồn nước bởi kim loại nặng Cùng với sự phát triển nhanh chóng của khoa học kĩ thuật, của các lĩnh vực kinh tế, các loại hình dịch vụ,… nhu cầu cuộc sống của con người ngày càng tăng cao về mọi mặt. Điều này đã thúc đẩy quá trình khai thác các kim loại trong trong ngành công nghiệp khai khoáng cũng ngày một tăng lên. Đây là nguyên nhân chính làm cho nguồn nước bị ô nhiễm bởi các ion kim loại nặng điển hình như Cu2+, Fe3+, Pb2+, Ni2+, Cd2+, Cr(VI),… Ở nước ta mặc dù các cấp, các ngành đã có nhiều cố gắng trong việc thực hiện chính sách và pháp luật bảo vệ môi trường, nhưng tình trạng ô nhiễm nguồn nước vẫn là vấn đề đáng lo ngại, đặc biệt là ở các thành phố lớn như Hà Nội, thành phố Hồ Chí Minh, Hải Phòng,…[2].

Theo đánh giá của các công trình nghiên cứu thì hầu hết các sông, hồ ở ba thành phố lớn là Hà Nội, thành phố Hồ 3 Chí Minh, thành phố Hải Phòng và một số thành phố có các khu công nghiệp lớn như Bình Dương,… nồng độ kim loại nặng của các con sông ở các khu vực này đều vượt quá tiêu chuẩn cho phép từ 3 đến 4 lần. Tại cụm công nghiệp Tham Lương, thành phố Hồ Chí Minh, nguồn nước bị ô nhiễm bởi nước thải công nghiệp từ các nhà máy giấy, bột giặt, nhuộm, dệt ước tính với tổng lượng nước thải khoảng 500. Ở thành phố Thái Nguyên, nước thải công nghiệp thải ra từ các cơ sở sản xuất giấy, gang thép, luyện kim màu, khai thác than. chiếm khoảng 15% lưu lượng nước sông Cầu.

Khảo sát một số làng nghề sắt thép, đúc đồng, nhôm, chì, giấy, dệt nhuộm ở Bắc Ninh cho thấy có hàng ngàn m3 nước thải không qua xử lý được thải ra hàng ngày, gây ô nhiễm nguồn nước và môi trường trong khu vực [42]. Tác dụng sinh hóa của ion kim loại nặng đối với con người và môi trường Kim loại nặng được chia làm 3 loại: các kim loại độc (Hg, Cr, Pb, Zn, Cu, Ni, Cd, As, Co, Sn,…), những kim loại quý (Pd, Pt, Au, Ag, Ru,…) và các kim loại phóng xạ (U, Th, Ra, Am,…). Kim loại nặng không độc khi ở dạng nguyên tố tự do nhưng độc ở dạng ion vì nó có thể gắn kết các chuỗi cacbon ngắn khó đào thải gây ngộ độc. Kim loại nặng có thể tồn tại trong khí quyển (dạng hơi), thủy quyển (các muối hòa tan), địa quyển (dạng rắn không tan, khoáng, quặng,…) và sinh quyển (trong cơ thể con người, động vật, thực vật).

Trong những điều kiện thích hợp kim loại nặng trong nước có thể phát tán vào môi trường đất và khí. Trong môi trường nước, kim loại nặng tồn tại dưới 3 dạng và đều có thể ảnh hưởng đến sinh vật, đó là: (1) hòa tan, (2) bị hấp phụ bởi các thành phần vô sinh hoặc hữu sinh, lơ lửng trong nguồn nước hoặc lắng tụ xuống đáy, (3) tích tụ trong cơ thể sinh vật. Một số kim loại nặng ở nồng độ vi lượng là các chất dinh dưỡng cần thiết cho sự phát triển bình thường của con người, động vật và thực vật, các kim loại cần thiết như Co, Cu, Fe, Mn, Ni,… Tuy nhiên, một số kim loại 4 nặng như Pb, Fe, Cu, Cr,… nếu vượt quá hàm lượng cho phép sẽ gây ra các tác động hết sức nguy hại tới sức khỏe của con người [15], [30], [36]. Các kim loại nặng xâm nhập vào cơ thể con người thông qua các chu trình thức ăn.

Khi đó, chúng sẽ tác động đến các quá trình sinh hóa và trong nhiều trường hợp dẫn đến những hậu quả nghiêm trọng về mặt sinh hóa. Các kim loại nặng có ái lực lớn với các nhóm -SH, -SCH3 của các nhóm enzim trong cơ thể. Vì thế các enzim bị mất hoạt tính cản trở quá trình tổng hợp protein của cơ thể [15], [30]. Các phương pháp xử lý ô nhiễm kim loại nặng 1.

Phương pháp kết tủa Phương pháp này dựa trên phản ứng hóa học giữa chất được đưa vào nước thải với kim loại cần tách, ở pH thích hợp sẽ tạo thành hợp chất kết tủa và được tách khỏi nước thải bằng phương pháp lắng. Phương pháp này thường dùng để thu hồi kim loại từ dung dịch dưới dạng hiđroxit kim loại rất ít tan. Trong phương pháp kết tủa đối với kim loại thì pH đóng vai trò rất quan trọng. Khi xử lý cần chọn tác nhân trung hòa và điều chỉnh pH phù hợp.

Phương pháp này chỉ là quá trình xử lý sơ bộ, đòi hỏi những quá trình xử lý tiếp theo [6]. Phương pháp trao đổi ion Đây là một trong những phương pháp thường được dùng để tách kim loại nặng ra khỏi nước thải. Dựa trên nguyên tắc của phương pháp trao đổi ion dùng ionit là quá trình trao đổi ion, quá trình này được tiến hành trong cột cationit và anionit. Ionit được làm từ nhựa hữu cơ tổng hợp, các chất cao phân tử có gốc hyđrocacbon có các nhóm chức trao đổi ion.

Khi nhựa trao đổi ion đã bão hòa, người ta khôi phục lại cationit và anionit bằng dung dịch axit loãng hoặc dung dịch bazơ loãng. Về mặt kỹ thuật hầu hết các kim loại nặng đều có thể tách ra bằng phương pháp trao đổi ion. Tuy nhiên, phương pháp này cần có nguồn kinh phí lớn, đặc biệt đối với nhà máy có quy mô lớn, lượng nước thải nhiều nên vẫn chưa được áp dụng phổ biến [3]. Phương pháp điện hóa Tách kim loại bằng cách nhúng các điện cực trong nước thải có chứa kim loại nặng cho dòng điện một chiều chạy qua.

Bằng phương pháp này cho phép tách các ion kim loại ra khỏi nước thải, không bổ sung thêm hóa chất nhưng lại thích hợp với nước thải có nồng độ các ion kim loại cao (trên 1g/L), chi phí dành cho điện năng là khá lớn [32]. Phương pháp oxi hóa khử Đây là một phương pháp thông dụng để xử lý nước thải có chứa kim loại nặng khi mà phương pháp vi sinh không thể xử lý được. Nguyên tắc của phương pháp này là dựa trên sự chuyển từ dạng này sang dạng khác bằng sự có thêm electron (khử) và mất electron (oxi hóa) một cặp được tạo bởi sự cho nhận electron được gọi là hệ thống oxi hóa - khử [28]. Phương pháp sinh học Một số loài thực vật, vi sinh vật trong nước sử dụng kim loại như chất vi lượng trong quá trình phát triển sinh khối như bèo tây, bèo tổ ong, tảo,… Với phương pháp này, nước thải có nồng độ kim loại nặng nhỏ hơn 60 mg/L và bổ sung đủ chất dinh dưỡng (nitơ, photpho), các nguyên tố vi lượng cần thiết khác cho sự phát triển của các loài thực vật như rong tảo.

Phương pháp này cần diện tích lớn và nếu nước thải có lẫn nhiều kim loại thì hiệu quả xử lý kém [7]. Phương pháp hấp phụ Phương pháp hấp phụ là một trong những phương pháp có tính ưu việt hơn hẳn so với phương pháp khác. Vật liệu hấp phụ thường được chế tạo từ các nguồn nguyên liệu sẵn có trong tự nhiên, dễ kiếm, quy trình xử lý đơn giản, công nghệ xử lý không đòi hỏi thiết bị phức tạp, đặc biệt các vật liệu hấp phụ có độ bền khá cao, có thể tái sử dụng nhiều lần nên giá thành xử lý thấp, tức hiệu quả kinh tế cao [8], [13], [21]. Trong luận văn này, chúng tôi sử dụng phương pháp hấp phụ với chất hấp phụ là than hoạt tính chế tạo từ bã đậu nành để hấp phụ Cr(VI) trong môi trường nước.

Hấp phụ trong môi trường nước 1. Đặc điểm chung của hấp phụ trong môi trường nước Hấp phụ trong môi trường nước thường diễn ra khá phức tạp, vì trong hệ có ít nhất ba thành phần gây tương tác là: nước - chất hấp phụ - chất bị hấp phụ. Do sự có mặt của nước nên trong hệ sẽ xảy ra quá trình hấp phụ cạnh tranh và có chọn lọc giữa chất bị hấp phụ và nước tạo ra các cặp hấp phụ là: chất bị hấp phụ - chất hấp phụ; nước - chất hấp phụ, cặp nào có tương tác mạnh hơn thì hấp phụ xảy ra với cặp đó. Tính chọn lọc của các cặp hấp phụ phụ thuộc vào các yếu tố: độ tan của chất bị hấp phụ trong nước, tính ưa nước hoặc kị nước của chất hấp phụ, mức độ kị nước của chất bị hấp phụ trong nước.

Vì vậy, khả năng hấp phụ của chất hấp phụ đối với chất bị hấp phụ trước tiên phụ thuộc vào tính tương đồng về độ phân cực giữa chúng: chất bị hấp phụ không phân cực được hấp phụ tốt trên chất hấp phụ không phân cực và ngược lại. Đối với các chất có độ phân cực cao, ví dụ các ion kim loại hay một số dạng phức oxy anion như SO 24 , PO 34 , CrO 24 … thì quá trình hấp phụ xảy ra do tương tác tĩnh điện thông qua lớp điện kép. Các ion hoặc các phân tử có độ phân cực cao trong nước bị bao bọc bởi một lớp vỏ là các phân tử nước, do đó bán kính (độ lớn) của các ion, các phân tử chất bị hấp phụ có ảnh hưởng nhiều đến khả năng hấp phụ của hệ do tương tác tĩnh điện. Với các ion cùng hóa trị, ion nào có bán kính lớn hơn sẽ được hấp phụ tốt hơn do độ phân cực cao hơn và lớp vỏ hydrat nhỏ hơn.

Hấp phụ trong môi trường nước còn bị ảnh hưởng nhiều bởi pH của dung dịch. Sự biến đổi pH dẫn đến sự biến đổi bản chất của chất bị hấp phụ và chất hấp phụ.