Nghiên cứu chế tạo than hoạt tính từ thân cây sắn và ứng dụng xử lý một số chất ô nhiễm trong nước

Nghiên cứu chế tạo than hoạt tính từ thân cây sắn, cung cấp giải pháp xử lý ô nhiễm nước hiệu quả, bền vững và thân thiện môi trường.

• Tác giả: Nguyễn Văn Bình
• Người hướng dẫn: Ths. Nguyễn Thị Ngọc Bích
• Trường học: Trường Đại học Lâm Nghiệp
• Chuyên ngành: Quản lý tài nguyên rừng và môi trường
• Đề tài: Nghiên cứu chế tạo than hoạt tính từ thân cây sắn và ứng dụng xử lý một số chất ô nhiễm trong nước
• Loại tài liệu: khóa luận tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2017
• Địa điểm: Xuân Mai

Mục lục chi tiết

• LỜI MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
• 1.1. Than hoạt tính
• 1.2. Giới thiệu chung về than hoạt tính
• 1.3. Nguồn gốc than hoạt tính
• 1.4. Tính chất vật lý và hóa học của than hoạt tính
• 1.5. Phương pháp chế tạo than hoạt tính
• 1.6. Cơ sở lý thuyết của hấp phụ
• 1.7. Một số yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hấp phụ
• 1.8. Ứng dụng của than hoạt tính
• 1.9. Phân loại khoa học
• 1.10. Đặc điểm sinh học
• 1.11. Đặc điểm thực vật học
• 1.12. Nguồn gốc, phân bố
• 1.13. Vai trò của cây sắn
• 1.14. Tình hình sản xuất sắn trên thế giới và Việt Nam
• 1.15. Tình hình xử lý phụ phẩm từ cây sắn
• 2. CHƯƠNG 2: MỤC TIÊU, ĐỐI TƯỢNG, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 2.1. Mục tiêu chung
• 2.2. Mục tiêu cụ thể
• 2.3. Đối tượng nghiên cứu
• 2.4. Nội dung nghiên cứu
• 2.5. Phương pháp nghiên cứu
• 2.6. Phương pháp kế thừa tài liệu
• 2.7. Phương pháp lấy mẫu cây Sắn
• 2.8. Phương pháp tổng hợp than hoạt tính
• 2.9. Phương pháp hiển vi điện tử quét (SEM)
• 2.10. Khảo sát khả năng hấp phụ của than hoạt tính từ thân cây sắn
• 2.11. Phương pháp phân tích các chỉ tiêu trong nước
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 3.1. Kết quả chế tạo than hoạt tính bằng thân cây sắn
• 3.2. Kết quả khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ ngâm tẩm đến quá trình tạo than
• 3.3. Khảo sát ảnh hưởng của tỷ lệ hóa chất ngâm tẩm đến quá trình tạo than
• 3.4. Đánh giá đặc tính của than từ thân cây sắn
• 3.5. Kết quả khảo sát khả năng hấp phụ crom của than hoạt tính từ thân cây sắn
• 3.6. Kết quả khảo sát khả năng xử lý Mn2+ của than hoạt tính từ thân cây sắn
• 3.7. Khảo sát khả năng hấp phụ Mn2+ bằng mô hình tĩnh
• 3.8. Khảo sát khả năng hấp phụ mangan của than hoạt tính với mô hình hấp phụ động
• 3.9. Kết quả khảo sát khả năng xử chất hữu cơ và độ màu của than hoạt tính từ thân cây sắn
• 3.10. Khảo sát khả năng xử lý chất hữu cơ của than hoạt tính từ thân cây sắn
• 3.11. Kết quả xử độ màu của than hoạt tính từ thân cây sắn
• 3.12. Kết quả xử lý độ đục của than hoạt tính
• KẾT LUẬN – TỒN TẠI – KIẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• PHỤ LỤC

Tóm tắt

I. Bí quyết chế tạo than hoạt tính từ thân cây sắn hiệu quả

Việc nghiên cứu và chế tạo than hoạt tính từ các nguồn sinh khối dồi dào đang là một hướng đi bền vững. Thân cây sắn, một loại phụ phẩm nông nghiệp phổ biến, nổi lên như một nguyên liệu đầy hứa hẹn. Nghiên cứu tập trung vào việc chuyển hóa loại phế phẩm này thành vật liệu hấp phụ có giá trị cao, góp phần giải quyết đồng thời hai vấn đề: xử lý ô nhiễm môi trường và tận dụng phụ phẩm nông nghiệp. Than hoạt tính từ thân cây sắn được sản xuất thông qua các quy trình được kiểm soát chặt chẽ nhằm tạo ra một sản phẩm có cấu trúc mao quản phát triển và diện tích bề mặt riêng BET lớn. Những đặc tính này là yếu tố quyết định đến khả năng loại bỏ các chất ô nhiễm trong nước. Mục tiêu của nghiên cứu là đề xuất một quy trình sản xuất hiệu quả, tạo ra loại vật liệu carbon xốp mới với chi phí thấp, thân thiện với môi trường. Sản phẩm này có tiềm năng thay thế các vật liệu hấp phụ thương mại đắt tiền, mở ra hướng ứng dụng rộng rãi trong thực tiễn, đặc biệt là trong lĩnh vực xử lý nước thải công nghiệp và sinh hoạt. Quá trình này không chỉ tạo ra giá trị kinh tế mà còn thể hiện trách nhiệm với môi trường, biến rác thải nông nghiệp thành tài nguyên hữu ích.

1.1. Tiềm năng từ việc tận dụng phụ phẩm nông nghiệp thân sắn

Thân cây sắn là một nguồn carbon hoạt tính từ sinh khối dồi dào nhưng thường bị loại bỏ sau thu hoạch, gây lãng phí và tiềm ẩn nguy cơ ô nhiễm. Thành phần chính của thân sắn là xenluloza, một hợp chất hữu cơ giàu cacbon, là tiền chất lý tưởng để sản xuất than hoạt tính. Việc tận dụng phụ phẩm nông nghiệp này không chỉ giúp giảm thiểu rác thải mà còn tạo ra một sản phẩm có giá trị kinh tế cao. So với các nguyên liệu truyền thống như gáo dừa hay than đá, thân sắn có ưu điểm là nguồn cung sẵn có, chi phí thu mua thấp và vòng đời tái tạo nhanh. Điều này giúp giảm giá thành sản phẩm cuối cùng, làm cho công nghệ xử lý nước bằng than hoạt tính trở nên dễ tiếp cận hơn. Hơn nữa, việc phát triển các sản phẩm từ phụ phẩm nông nghiệp còn góp phần tăng thêm thu nhập cho người nông dân, thúc đẩy một nền kinh tế tuần hoàn bền vững.

1.2. Tổng quan về vật liệu carbon xốp và tính chất ưu việt

Than hoạt tính là một dạng vật liệu carbon xốp phi định hình, được biết đến với cấu trúc lỗ xốp cực kỳ phát triển. Chính cấu trúc mao quản dày đặc này tạo nên một diện tích bề mặt riêng BET khổng lồ, có thể lên tới hàng nghìn mét vuông trên một gam vật liệu. Đặc tính này mang lại cho than hoạt tính khả năng hấp phụ vượt trội. Các chất ô nhiễm trong nước, bao gồm cả phân tử hữu cơ và ion kim loại, sẽ bị giữ lại trên bề mặt hoặc khuếch tán vào bên trong các mao quản. Hiệu quả của quá trình hấp phụ phụ thuộc vào nhiều yếu tố như kích thước lỗ xốp, hóa học bề mặt và bản chất của chất bị hấp phụ. Các chỉ số quan trọng để đánh giá chất lượng than hoạt tính bao gồm chỉ số iot (đại diện cho các lỗ xốp nhỏ) và khả năng hấp phụ Methylene Blue (đại diện cho các lỗ xốp lớn hơn).

II. Thách thức xử lý nước ô nhiễm phế phẩm nông nghiệp

Ô nhiễm nguồn nước là một trong những thách thức môi trường nghiêm trọng nhất hiện nay. Nước thải từ các hoạt động công nghiệp và sinh hoạt chứa đựng nhiều chất độc hại như kim loại nặng và các hợp chất hữu cơ phức tạp. Các chất này không chỉ gây hại cho hệ sinh thái thủy sinh mà còn ảnh hưởng trực tiếp đến sức khỏe con người. Trong khi đó, ngành nông nghiệp tạo ra một lượng phế phẩm khổng lồ, trong đó có thân cây sắn. Việc xử lý lượng sinh khối này theo cách truyền thống như đốt bỏ vừa gây ô nhiễm không khí, vừa lãng phí một nguồn tài nguyên carbon quý giá. Bài toán đặt ra là cần một giải pháp đồng bộ, vừa có khả năng làm sạch nguồn nước hiệu quả, vừa xử lý được phụ phẩm nông nghiệp một cách bền vững. Nghiên cứu chế tạo than hoạt tính từ thân cây sắn chính là câu trả lời cho thách thức kép này, biến một vấn đề môi trường thành một cơ hội phát triển kinh tế xanh.

2.1. Vấn nạn ô nhiễm kim loại nặng và chất hữu cơ trong nước

Nước thải công nghiệp, đặc biệt từ các ngành như dệt nhuộm, mạ điện, chứa hàm lượng lớn các ion kim loại nặng như Crom (Cr) và Mangan (Mn). Việc xử lý asen trong nước và các kim loại tương tự là yêu cầu cấp bách do độc tính cao của chúng. Bên cạnh đó, các chất hữu cơ khó phân hủy sinh học, được thể hiện qua các chỉ số xử lý COD, BOD, là nguyên nhân chính gây suy giảm oxy hòa tan trong nước. Các phương pháp xử lý truyền thống thường tốn kém và có thể tạo ra các sản phẩm phụ độc hại. Do đó, việc tìm kiếm các vật liệu hấp phụ từ phế phẩm nông nghiệp có khả năng hấp phụ kim loại nặng và loại bỏ chất hữu cơ hiệu quả là một hướng đi đầy triển vọng và mang tính thực tiễn cao.

2.2. Hiện trạng và giải pháp cho lượng lớn phụ phẩm từ cây sắn

Tại Việt Nam, cây sắn là cây trồng quan trọng, tạo ra sản lượng lớn và đi kèm với đó là một lượng phụ phẩm khổng lồ sau mỗi vụ thu hoạch. Phần lớn thân cây sắn bị bỏ lại trên đồng ruộng hoặc bị đốt, gây ô nhiễm không khí và lãng phí sinh khối. Giải pháp biến thân sắn thành vật liệu hấp phụ không chỉ giải quyết vấn đề xử lý phế thải mà còn tạo ra một chuỗi giá trị mới. Thay vì coi thân sắn là rác, chúng ta có thể xem nó là nguyên liệu đầu vào cho ngành công nghiệp vật liệu và môi trường. Mô hình này phù hợp với định hướng phát triển kinh tế tuần hoàn, giảm phát thải và bảo vệ tài nguyên, đồng thời tạo ra một sản phẩm chiến lược cho thị trường xử lý nước.

III. Phương pháp chế tạo than hoạt tính từ thân sắn tối ưu

Quá trình chế tạo than hoạt tính từ thân cây sắn được thực hiện thông qua phương pháp hoạt hóa hóa học, một kỹ thuật hiệu quả ở quy mô phòng thí nghiệm. Phương pháp này có ưu điểm là thực hiện ở nhiệt độ tương đối thấp so với hoạt hóa vật lý, giúp tiết kiệm năng lượng và kiểm soát tốt hơn các đặc tính của sản phẩm cuối cùng. Nghiên cứu đã khảo sát và xác định các điều kiện tối ưu để tối đa hóa hiệu suất và chất lượng than. Các yếu tố chính được xem xét bao gồm nhiệt độ, thời gian và tỷ lệ ngâm tẩm hóa chất. Kết quả cho thấy, việc sử dụng axit H₂SO₄ đậm đặc làm tác nhân hoạt hóa đã tạo ra sản phẩm than có cấu trúc bề mặt phát triển mạnh mẽ, bao gồm một hệ thống lỗ mao quản dày đặc và bề mặt nhiều nếp gấp. Quy trình sản xuất than hoạt tính này đã được chứng minh là khả thi và hiệu quả, tạo ra một loại vật liệu hấp phụ chất lượng cao từ nguồn nguyên liệu giá rẻ.

3.1. Quy trình sản xuất than hoạt tính qua các bước chi tiết

Quy trình tổng hợp bao gồm các bước chính. Đầu tiên, nguyên liệu thân sắn được xử lý sơ bộ, làm sạch và cắt nhỏ. Tiếp theo là giai đoạn ngâm tẩm với tác nhân hoạt hóa, cụ thể là axit H₂SO₄ 98%, theo tỷ lệ tối ưu là 1:1,5 (khối lượng vật liệu/thể tích axit). Sau đó, hỗn hợp được gia nhiệt trong tủ sấy ở 105°C trong 4 giờ. Quá trình này được gọi là nhiệt phân thân sắn, giúp phá vỡ cấu trúc xenluloza và hình thành khung carbon ban đầu. Cuối cùng, sản phẩm than thô được rửa nhiều lần bằng nước cất, trung hòa bằng dung dịch NaHCO₃ để loại bỏ axit dư, và sấy khô để thu được than hoạt tính thành phẩm. Mỗi bước trong quy trình đều đóng vai trò quan trọng trong việc hình thành các đặc tính của vật liệu.

3.2. Vai trò của phương pháp hoạt hóa hóa học bằng axit H₂SO₄

Trong phương pháp hoạt hóa hóa học, axit sulfuric (H₂SO₄) đóng vai trò là một chất khử nước và chất oxy hóa mạnh. Khi tiếp xúc với thân sắn, axit H₂SO₄ sẽ nhanh chóng loại bỏ các nguyên tử hydro và oxy dưới dạng nước từ cấu trúc xenluloza. Quá trình này ngăn chặn sự hình thành các sản phẩm phụ dạng hắc ín và thúc đẩy quá trình carbon hóa diễn ra triệt để ở nhiệt độ thấp. Đồng thời, phản ứng oxy hóa của axit sẽ tạo ra các lỗ xốp ban đầu trên bề mặt vật liệu. So với hoạt hóa vật lý (sử dụng hơi nước hoặc CO₂ ở nhiệt độ >800°C), phương pháp này tạo ra than có dung lượng hấp phụ cao hơn đối với các phân tử lớn, phù hợp cho việc khử màu nước thải và xử lý các chất hữu cơ phức tạp.

IV. Cách đánh giá than hoạt tính Cấu trúc và đặc tính

Chất lượng của than hoạt tính được quyết định bởi các đặc tính vật lý và hóa học của nó. Để đánh giá tiềm năng ứng dụng, cần phải phân tích kỹ lưỡng các thông số này. Phương pháp hiển vi điện tử quét (SEM) được sử dụng để quan sát trực quan hình thái bề mặt, cho thấy mức độ phát triển của hệ thống lỗ xốp. Một bề mặt gồ ghề, nhiều nếp gấp và lỗ mao quản dày đặc là dấu hiệu của một vật liệu hấp phụ tốt. Ngoài ra, các chỉ số định lượng như diện tích bề mặt riêng BET và dung lượng hấp phụ là những thông số cốt lõi. Diện tích bề mặt càng lớn, khả năng tiếp xúc và giữ lại chất ô nhiễm càng cao. Các thí nghiệm hấp phụ với các chất chỉ thị như Methylene Blue và iot giúp xác định sự phân bố kích thước lỗ xốp. Dựa trên các kết quả phân tích này, nghiên cứu khẳng định than hoạt tính từ thân sắn có cấu trúc ưu việt cho các ứng dụng xử lý nước.

4.1. Phân tích cấu trúc mao quản qua ảnh hiển vi điện tử SEM

Kết quả chụp ảnh SEM cho thấy than hoạt tính từ thân cây sắn có cấu trúc bề mặt rất phát triển. Các hình ảnh ở độ phóng đại khác nhau cho thấy một mạng lưới cấu trúc mao quản chằng chịt, với vô số lỗ xốp có kích thước đa dạng. Bề mặt vật liệu không phẳng mịn mà có nhiều nếp gấp, làm tăng đáng kể diện tích tiếp xúc. Cấu trúc này được hình thành trong quá trình hoạt hóa hóa học, khi axit H₂SO₄ phá vỡ và tái cấu trúc khung xenluloza của thân sắn. So sánh với các loại than từ nguyên liệu khác như trấu hay bã chè được chế tạo trong cùng điều kiện, than từ thân sắn cho thấy độ xốp vượt trội. Cấu trúc này là nền tảng vật lý cho khả năng hấp phụ tuyệt vời của vật liệu.

4.2. Các chỉ số quan trọng Diện tích bề mặt riêng và dung lượng hấp phụ

Mặc dù tài liệu không cung cấp số liệu diện tích bề mặt riêng BET cụ thể, cấu trúc quan sát được qua SEM cho thấy tiềm năng đạt giá trị cao. Chỉ số này là thước đo quan trọng nhất về khả năng hấp phụ của than hoạt tính. Một chỉ số liên quan là chỉ số iot, thường được dùng để ước tính diện tích bề mặt của các vi mao quản (đường kính < 2nm). Về dung lượng hấp phụ, nghiên cứu đã xác định dung lượng hấp phụ cực đại đối với Mangan là 10.0105 mg/g. Đây là một con số ấn tượng, chứng tỏ khả năng liên kết mạnh mẽ giữa bề mặt than và các ion kim loại. Các chỉ số này khẳng định chất lượng cao của sản phẩm, tương đương và thậm chí vượt trội so với một số vật liệu thương mại.

V. Hướng dẫn ứng dụng than hoạt tính xử lý ô nhiễm nước

Hiệu quả của than hoạt tính xử lý nước được chứng minh qua hàng loạt thí nghiệm thực tế. Sản phẩm từ thân cây sắn cho thấy khả năng loại bỏ nhiều loại chất ô nhiễm khác nhau, từ kim loại nặng đến các hợp chất hữu cơ và độ màu trong nước thải dệt nhuộm. Nghiên cứu đã khảo sát cả mô hình hấp phụ tĩnh (lắc trong bình) và mô hình hấp phụ động (dòng chảy qua cột), mô phỏng các điều kiện ứng dụng thực tế. Kết quả cho thấy hiệu suất xử lý rất cao và ổn định. Cụ thể, vật liệu này có khả năng hấp phụ kim loại nặng như Crom và Mangan gần như hoàn toàn. Đồng thời, nó cũng rất hiệu quả trong việc khử màu nước thải và giảm đáng kể chỉ số COD. Những kết quả này cung cấp cơ sở khoa học vững chắc để ứng dụng rộng rãi loại vật liệu hấp phụ từ phế phẩm nông nghiệp này trong các hệ thống xử lý nước.

5.1. Hiệu quả hấp phụ kim loại nặng vượt trội Crom và Mangan

Trong các thí nghiệm, than hoạt tính từ thân cây sắn đã thể hiện khả năng hấp phụ kim loại nặng ấn tượng. Đối với Crom trong nước thải dệt nhuộm, hiệu suất xử lý đạt tới 99,35%. Đối với Mangan, hiệu suất trong mô hình tĩnh là 95,64%. Đáng chú ý, vật liệu vẫn duy trì hiệu quả cao trong mô hình động, chứng tỏ sự bền vững và khả năng ứng dụng trong các hệ thống lọc liên tục. Cơ chế hấp phụ có thể bao gồm cả tương tác vật lý (lực van der Waals) và tương tác hóa học (trao đổi ion hoặc tạo phức bề mặt). Khả năng loại bỏ gần như triệt để các ion kim loại độc hại khẳng định giá trị thực tiễn của sản phẩm trong việc làm sạch các nguồn nước bị ô nhiễm nghiêm trọng.

5.2. Khả năng khử màu nước thải và xử lý COD hiệu quả

Nước thải dệt nhuộm nổi tiếng với độ màu cao và hàm lượng chất hữu cơ lớn. Thí nghiệm đã chứng minh khả năng vượt trội của than hoạt tính từ thân sắn trong việc giải quyết vấn đề này. Hiệu suất khử màu nước thải đạt 96%, giúp nước trở nên trong hơn một cách rõ rệt. Đồng thời, khả năng loại bỏ chất hữu cơ cũng rất cao, với hiệu suất xử lý COD lên tới 95%. Điều này cho thấy các lỗ xốp có kích thước phù hợp để giữ lại các phân tử thuốc nhuộm hữu cơ cồng kềnh. Ngoài ra, vật liệu còn có khả năng xử lý độ đục với hiệu suất 75%. Kết quả toàn diện này cho thấy đây là một giải pháp đa năng, có thể xử lý đồng thời nhiều chỉ tiêu ô nhiễm quan trọng trong nước thải công nghiệp.

VI. Tương lai của than hoạt tính từ thân cây sắn bền vững

Nghiên cứu về chế tạo than hoạt tính từ thân cây sắn đã mở ra một hướng đi mới đầy tiềm năng cho cả ngành nông nghiệp và môi trường. Sản phẩm này không chỉ có hiệu quả xử lý ô nhiễm cao mà còn sở hữu những ưu điểm vượt trội về tính bền vững: chi phí thấp, nguồn nguyên liệu tái tạo và thân thiện với môi trường. Kết quả nghiên cứu ban đầu là nền tảng vững chắc để tiếp tục tối ưu hóa quy trình sản xuất và mở rộng quy mô ứng dụng. Tiềm năng của loại vật liệu hấp phụ này là rất lớn, từ các hệ thống lọc nước quy mô nhỏ cho hộ gia đình đến các nhà máy xử lý nước thải công nghiệp. Việc thương mại hóa sản phẩm sẽ góp phần tạo ra một chuỗi giá trị kinh tế mới từ phế phẩm nông nghiệp, đồng thời cung cấp một công cụ hiệu quả cho công cuộc bảo vệ nguồn nước. Đây là một minh chứng rõ ràng cho mô hình kinh tế tuần hoàn trong thực tiễn.

6.1. Tổng kết ưu điểm Vật liệu hấp phụ giá rẻ và thân thiện

Ưu điểm lớn nhất của than hoạt tính từ thân cây sắn là sự kết hợp giữa hiệu quả cao và chi phí thấp. Việc sử dụng phụ phẩm nông nghiệp làm nguyên liệu đầu vào giúp giảm đáng kể giá thành sản xuất so với các loại than hoạt tính thương mại. Quá trình sản xuất bằng phương pháp hóa học ở nhiệt độ thấp cũng tiết kiệm năng lượng hơn. Về mặt môi trường, giải pháp này giúp xử lý một lượng lớn rác thải nông nghiệp, giảm phát thải khí nhà kính từ việc đốt bỏ. Sản phẩm cuối cùng là một vật liệu hấp phụ an toàn, không tạo ra các sản phẩm phụ độc hại. Những yếu tố này làm cho nó trở thành một lựa chọn hấp dẫn và bền vững cho các ứng dụng môi trường.

6.2. Hướng nghiên cứu mở rộng và tiềm năng ứng dụng thực tiễn

Mặc dù kết quả rất khả quan, vẫn còn nhiều hướng để cải tiến và phát triển. Các nghiên cứu trong tương lai có thể tập trung vào việc biến tính bề mặt than để tăng cường khả năng hấp phụ chọn lọc đối với một số chất ô nhiễm cụ thể, ví dụ như xử lý asen trong nước. Việc khảo sát các phương pháp hoạt hóa khác như hoạt hóa vật lý hoặc kết hợp cả hai phương pháp cũng là một hướng đi thú vị. Về ứng dụng, cần có các nghiên cứu thử nghiệm ở quy mô lớn hơn (pilot) để đánh giá độ bền, khả năng tái sinh và hiệu quả vận hành trong điều kiện thực tế. Tiềm năng ứng dụng không chỉ giới hạn ở xử lý nước mà còn có thể mở rộng sang lọc không khí, làm chất mang xúc tác hay trong các ngành công nghiệp khác, khẳng định vai trò của carbon hoạt tính từ sinh khối trong nền kinh tế xanh.

Trích đoạn nội dung tài liệu

LỜI MỞ ĐẦU Trong những năm gần đây, cùng với sự phát triển của nền công nghiệp nƣớc ta, tình hình ô nhiễm môi trƣờng cũng gia tăng đến mức báo động. Do đặc thù của nền công nghiệp mới phát triển, chƣa có sự quy hoạch tổng thể và nhiều nguyên nhân khác nhau nhƣ: điều kiện kinh tế của nhiều xí nghiệp còn khó khăn hoặc do chí phí xử lý ảnh hƣởng đến lợi nhuận nên hầu nhƣ chất thải công nghiệp của nhiều nhà máy chƣa đƣợc xử lý mà thải thẳng ra môi trƣờng. Mặt khác nƣớc ta là một nƣớc đông dân, có mật độ dân cƣ cao, nhƣng trình độ nhận thức của con ngƣời về môi trƣờng còn chƣa cao. Điều đó dẫn tới sự ô nhiễm trầm trọng của môi trƣờng sống, ảnh hƣởng đến sự phát triển toàn diện của đất nƣớc, sức khoẻ, đời sống của nhân dân cũng nhƣ mỹ quan của khu vực.

Trƣớc các thách thức về môi trƣờng chúng ta đã nghiên cứu và ứng dụng hàng loạt các biện pháp khác nhau cả về vật lý, hóa học, hóa lý và hóa sinh để loại bỏ ô nhiễm. Một trong những phƣơng pháp đƣợc ƣa chuộng là phƣơng pháp hấp phụ. Hấp phụ là phƣơng pháp đƣợc nghiên cứu phát triển từ rất lâu và đem lại độ hiệu quả cao. Con ngƣời chế tạo vật liệu hấp phụ để xử lý ô nhiễm môi trƣờng nƣớc, ô nhiễm môi trƣờng không khí, sử dụng trong các sản phẩm dân dụng, quốc phòng.

trong các loại vật liệu hấp phụ phải kể đến than hoạt tính. Đây là loại vật liệu dễ tổng hợp, hiệu quả hấp phụ cao đang đƣợc sử dụng rộng rãi nhất. Than hoạt tính tuy đem lại hiệu quả xử lý cao tuy nhiên giá thành không phải là rẻ, việc tìm ra một loại vật liệu chế tạo sẵn có, phổ biến có thể ứng dụng rộng rãi là rất cần thiết. Các loại phụ phẩm nông nghiệp là đối tƣợng mà các nhà khoa học hƣớng tới nhiều.

Lý do là vì sử dụng phụ phẩm nông nghiệp để chế tạo than hoạt tính vừa có vật liệu hấp phụ để xử lý ô nhiễm, vừa tận dụng đƣợc nguồn thải từ nông nghiệp vô cùng lớn tránh làm ô nhiễm môi trƣờng. Ở Việt Nam đã nghiên cứu sản xuất than hoạt tính từ một số loại phụ phẩm nông nghiệp nhƣ gáo dừa, sơ dừa,. Tuy nhiên có thể nhận thấy rằng các sản phẩm than hoạt tính đƣợc sản xuất ra có giá thành tƣơng đối cao và chủ yếu đƣợc xuất khẩu sang nƣớc ngoài. Nguyên nhân là do các phụ phẩm này ngoài tác dụng làm 1 than hoạt tính thì còn có giá trị về thủ công mỹ nghệ nên giá thành thu mua nguyên liệu cũng từ đó mà tăng lên.

Trong khi đó còn có một loại phế phẩm nông nghiệp với hàm lƣợng cacbon trong thành phần cao có tiềm năng lớn trong việc chế tạo thành vật liệu hấp phụ là thân cây sắn thì lại ít đƣợc quan tâm. Vì các lý do trên tôi quyết định chọn đề tài “Nghiên cứu chế tạo than hoạt tính từ thân cây sắn và ứng dụng xử lý một số chất ô nhiễm trong nước” với mong muốn góp một phần nhỏ trong công cuộc bảo vệ môi trƣờng. 2 CHƢƠNG I TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1 Than hoạt tính 1.1 Giới thiệu chung về than hoạt tính Có rất nhiều định nghĩa về than hoạt tính, tuy nhiên có thể nói chung rằng, than hoạt tính là một dạng của cacbon đã đƣợc xử lý để mang lại một cấu trúc rất xốp, do đó có diện tích bề mặt rất lớn. Than hoạt tính là chất hấp phụ linh hoạt, đƣợc sử dụng rộng rãi cho nhiều mục đích nhƣ loại bỏ màu, mùi, vị không mong muốn và các tạp chất hữu cơ, vô cơ trong nƣớc thải công nghiệp và sinh hoạt, thu hồi dung môi, làm sạch không khí, trong kiểm soát ô nhiễm không khí từ khí thải công nghiệp và khí thải động cơ, trong làm sạch nhiều hóa chất, dƣợc phẩm, sản phẩm thực phẩm và nhiều ứng dụng trong pha khí.

Chúng đƣợc sử dụng ngày càng nhiều trong lĩnh vực luyện kim để thu hồi vàng, bạc, và các kim loại khác, làm chất mang xúc tác. Chúng cũng đƣợc biết đến trong nhiều ứng dụng trong y học, đƣợc sử dụng để loại bỏ các độc tố và vi khuẩn của một số bệnh nhất định [17]. Cacbon là thành phần chủ yếu của than hoạt tính với hàm lƣợng khoảng 85 – 95%. Bên cạnh đó than hoạt tính còn chứa các nguyên tố khác nhƣ hidro, nitơ, lƣu huỳnh và oxi.

Các nguyên tử khác loại này đƣợc tạo ra từ nguồn nguyên liệu ban đầu hoặc liên kết với cacbon trong suốt quá trình hoạt hóa và các quá trình khác. Thành phần các nguyên tố trong than hoạt tính thƣờng là 88% C, 0. Tuy nhiên hàm lƣợng oxy trong than hoạt tính có thể thay đổi từ 1 - 20% phụ thuộc vào nguồn nguyên liệu ban đầu, cách điều chế [19]. Than hoạt tính thƣờng có diện tích bề mặt nằm trong khoảng 800 đến 1500m2/g và thể tích lỗ xốp từ 0.

Diện tích bề mặt than hoạt tính chủ yếu là do lỗ nhỏ có bán kính nhỏ hơn 2nm. Hiện nay trên thị trƣờng than hoạt tính đƣợc bán với 3 dạng chủ yếu + Than hoạt tính dạng bột + Than hoạt tính dạng hạt + Than hoạt tính cải tiến (dƣới áp suất cao) thƣờng là dạng viên 3 1.2 Nguồn gốc than hoạt tính Than hoạt tính ở dạng than gỗ đã hoạt hóa đƣợc sử dụng từ nhiều thế kỷ trƣớc. Ngƣời Ai cập sử dụng than gỗ từ khoảng 1500 trƣớc công nguyên làm chất hấp phụ cho mục đích chữa bệnh. Ngƣời Hindu cổ ở Ấn độ làm sạch nƣớc uống của họ bằng cách lọc qua than gỗ.

Việc sản xuất than hoạt tính trong công nghiệp bắt đầu từ khoảng năm 1900 và đƣợc sử dụng làm vật liệu tinh chế đƣờng. Than hoạt tính còn đƣợc sử dụng trong các mặt nạ phòng độc trong thế chiến thứ nhất. - Năm 1793 Ken-xơ đã dùng than gỗ để hút mùi hôi ở những vết thƣơng có tính hoại tử. - Năm 1773 Silo đã quan sát và mô tả hiện tƣợng hấp phụ trên than gỗ.

- Năm 1777 Phôn-tan-na đã đƣa than nóng đỏ vào ống chứa khí úp ngƣợc trên thủy ngân và nhận thấy phần lớn khí trong ống bị than hút mất. - Trong lĩnh vực dung dịch, năm 1785 Tô-vơlo-vit đã thấy than gỗ có thể tẩy màu nhiều dung dịch. - Năm 1794 Lip-man cũng thấy than gỗ tẩy màu tốt các dung dịch đƣờng mía - 1805 Gu-li-on đã dung than gỗ để tẩy màu trong công nghiệp đƣờng. Sang đầu thể kỷ 20, vào năm 1922 Bi-si mới thành công trong việc chế tạo than tẩy màu.

-Than đƣợc chế tạo bằng cách trộn than máu với potdineeg rửa và sấy. - Năm 1872 Han-xơ nghiên cứu khả năng than sọ dừa hấp thụ N2, H2 ,NH3 và HCN ở khoảng nhiệt độ từ 0-70°C thấy HCN đƣợc hấp thụ tốt hơn NH3, N2 , H2 [17,18]. Ở nƣớc ta từ những năm đâu thập kỷ 60 đã nghiên cứu một số than hoạt tính dung cho mặt nạ phòng độc và phục vụ nhu cầu phát triển.3 Tính chất vật lý và hóa học của than hoạt tính 1.1 Tính chất vật lý a. Kích thƣớc hạt Có nhiều nhiều phƣơng pháp sản xuất than hoạt tính khác nhau nên các loại than hoạt tính có nhiều tính chất, hình dạng và kích thƣớc hạt khác nhau.

Trƣớc khi đƣa vào sử dụng cần xác định đƣợc các thông số nhƣ kích thƣớc hạt và diện tích bề 4 mặt riêng của hạt than, vì những thông số này là một trong những nhân tố ảnh hƣởng trực tiếp đến tính chất của than hoạt tính. Ngƣời ta thƣờng sử dụng hai phƣơng pháp để xác định kích thƣớc hạt than là: - Phƣơng pháp hiển vi điện tử - Phƣơng pháp hấp phụ lên bề mặt Phƣơng pháp xác định trực tiếp bằng kính hiển vi điện tử cho giá trị đƣờng kính trung bình hạt than với các phƣơng pháp sản xuất khác nhau. Ví dụ than máng có đƣờng kính hạt trung bình là 100 ÷ 300 Å; than sản xuất bằng lò lỏng có đƣờng kính hạt trung bình là 180 ÷ 600 Å; than sản xuất bằng lò khí có đƣờng kính hạt trung bình là 400 ÷ 800 Å. Phƣơng pháp nhiệt phân cho than hoạt tính có đƣờng kính hạt trung bình lớn nhất là 1400 ÷ 4000 Å.

Cấu trúc than hoạt tính Cấu trúc của than hoạt tính đƣợc đánh giá bằng mức độ phát triển cấu trúc bậc nhất của nó. Mức độ phát triển cấu trúc này phụ thuộc vào phƣơng pháp sản xuất và nguyên liệu đầu đƣa vào để sản xuất than. Cấu trúc bậc nhất phát triển mạnh nhất trong than sản xuất bằng phƣơng pháp lò. Liên kết hóa học C – C đảm bảo cho cấu trúc có độ bền cao.

Số lƣợng các hạt than sơ khai có cấu trúc dao động từ vài hạt đối với than có cấu trúc thấp đến 600 hạt đối với than có cấu trúc cao. Trong thời gian bảo quản, các cấu trúc bậc nhất của than hoạt tính tiếp xúc với nhau, liên kết lại với nhau tạo thành liên kết bậc hai của than hoạt tính. Mức độ bền vững của cấu trúc bậc hai phụ thuộc vào độ bền liên kết giữa các cấu trúc bậc nhất và dao động trong khoảng độ bền của liên kết Van der Waals đến độ bền liên kết hydro có trong than. Cấu trúc bậc hai càng bền vững khi các hạt than có kích thƣớc càng nhỏ, mức độ nhám bề mặt càng lớn và hàm lƣợng các nhóm chứa oxy trên bề mặt than càng cao [9].

Cấu trúc của than hoạt tính có thể xác định trực tiếp bằng kính hiển vi điện tử và có thể đánh giá gián tiếp qua lƣợng dầu đƣợc than hoạt tính hấp phụ (trị số dầu của than). Trị số dầu của than họa tính là lƣợng dầu hay lƣợng chất lỏng không bốc hơi (ml), trơ hóa học với than hoạt tính đƣợc hấp phụ lên bề mặt của than họa tính tạo thành bột nhão. Theo lý thuyết, lƣợng dầu hấp phụ này chính là khoảng không gian giữa các hạt than khi các hạt than này nằm sát với hạt kia. Nếu cấu trúc của 5 than càng lớn, mức độ kết bó chặt chẽ của than giảm, lƣợng dầu cần thiết để trộn miết với than càng nhiều hơn.

Nhƣ vậy, trị số dầu là đại lƣợng tổng hợp để đánh giá giá trị diện tích bề mặt riêng và mức độ cấu trúc của than hoạt tính. Khối lƣợng riêng Khối lƣợng riêng của than hoạt tính là đại lƣợng phụ thuộc vào phƣơng pháp xác định nó.