Luận văn thạc sĩ: Nghiên cứu chế tạo than từ tre và khả năng hấp phụ metylen xanh

• Tác giả: Phùng Thị Ngọc Anh
• Người hướng dẫn: TS. Vũ Thị Hậu
• Trường học: Đại học Thái Nguyên - Trường Đại học Sư phạm
• Chuyên ngành: Hóa vô cơ
• Đề tài: Nghiên cứu chế tạo than từ tre sử dụng tác nhân hoạt hóa là H3PO4, K2CO3 và khảo sát khả năng hấp phụ metylen xanh
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2019
• Địa điểm: Thái Nguyên

• LỜI CAM ĐOAN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Phương pháp chung điều chế than hoạt tính
• 1.2. Một số kết quả nghiên cứu chế tạo vật liệu hấp phụ từ thân tre
• 1.3. Khái quát về metylen xanh
• 1.3.1. Giới thiệu chung về metylen xanh
• 1.3.2. Dạng tồn tại của MB trong tự nhiên
• 1.3.3. Ảnh hưởng của pH đến sự thay đổi màu của MB
• 1.3.4. Độc tính của MB
• 1.4. Các cách xử lý ô nhiễm MB
• 2. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 2.1. Kết quả khảo sát ảnh hưởng của các yếu tố đến quá trình chế tạo than
• 2.1.1. Ảnh hưởng của tác nhân hoạt hóa
• 2.1.2. Ảnh hưởng của nồng độ tác nhân hoạt hóa
• 2.1.3. Ảnh hưởng của nhiệt độ nung
• 2.1.4. Ảnh hưởng của thời gian nung
• 2.2. Kết quả khảo sát một số đặc trưng hóa lý của nguyên liệu và các mẫu than thân tre
• 2.2.1. Đặc điểm hình thái bề mặt than thân tre
• 2.2.2. Diện tích bề mặt riêng các mẫu than thân tre
• 2.2.3. Kết quả xác định thành phần nguyên tố
• 2.2.4. Phổ hồng ngoại IR
• 2.3. So sánh hiệu suất hấp phụ của nguyên liệu và vật liệu
• 2.3.1. Chỉ số iot của mẫu than B12
• 2.3.2. Xác định điểm đẳng điện của mẫu B12
• 2.3.3. Lập đường chuẩn xác định nồng độ MB
• 2.4. Khảo sát một số yếu tố ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ MB của than thân tre B12 theo phương pháp hấp phụ tĩnh
• 2.4.1. Khảo sát ảnh hưởng của pH
• 2.4.2. Khảo sát thời gian đạt cân bằng hấp phụ
• 2.4.3. Khảo sát ảnh hưởng của khối lượng than thân tre B12 đến khả năng hấp phụ MB
• 2.4.4. Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ
• 2.4.5. Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ đầu
• 2.4.6. Khảo sát dung lượng hấp phụ MB theo mô hình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir
• 2.5. Động học hấp phụ MB của than thân tre B12
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• PHỤ LỤC

I. Nghiên cứu chế tạo than từ tre

Nghiên cứu tập trung vào việc chế tạo than từ tre sử dụng các tác nhân hoạt hóa là H3PO4 và K2CO3. Quá trình này bao gồm hai giai đoạn chính: than hóa và hoạt hóa. Than hóa được thực hiện trong môi trường kị khí ở nhiệt độ cao, giúp tăng hàm lượng cacbon và tạo bề mặt xốp ban đầu. Hoạt hóa sử dụng các tác nhân hóa học để phát triển cấu trúc lỗ xốp, tăng diện tích bề mặt than. H3PO4 và K2CO3 được lựa chọn do khả năng tương tác mạnh với cacbon, tạo ra than hoạt tính có chất lượng cao.

1.1. Quá trình than hóa

Quá trình than hóa được thực hiện trong môi trường kị khí, sử dụng khí nitơ hoặc cát để ngăn chặn sự oxy hóa. Nhiệt độ than hóa thường dao động từ 400°C đến 500°C. Giai đoạn này chuyển hóa tre thành than, tăng hàm lượng cacbon và tạo cấu trúc xốp ban đầu. Kết quả là than thu được có diện tích bề mặt riêng phát triển, tạo tiền đề cho giai đoạn hoạt hóa.

1.2. Quá trình hoạt hóa

Hoạt hóa là giai đoạn quyết định chất lượng than hoạt tính. Sử dụng H3PO4 và K2CO3 làm tác nhân hoạt hóa, quá trình này tạo ra các lỗ xốp và tăng diện tích bề mặt than. H3PO4 có tính axit mạnh, giúp ăn mòn bề mặt than, trong khi K2CO3 có tính bazơ, thúc đẩy phản ứng tạo lỗ xốp. Kết quả là than thu được có cấu trúc xốp phát triển, phù hợp cho ứng dụng hấp phụ.

II. Ứng dụng than hoạt tính từ tre

Than hoạt tính từ tre được ứng dụng rộng rãi trong xử lý ô nhiễm môi trường, đặc biệt là hấp phụ metylen xanh (MB). Nghiên cứu khảo sát khả năng hấp phụ MB của than hoạt tính chế tạo từ tre với các tác nhân hoạt hóa khác nhau. Kết quả cho thấy, than hoạt tính từ tre có hiệu suất hấp phụ cao, đặc biệt khi sử dụng H3PO4 và K2CO3 làm tác nhân hoạt hóa.

2.1. Khả năng hấp phụ metylen xanh

Nghiên cứu khảo sát khả năng hấp phụ MB của than hoạt tính từ tre. Kết quả cho thấy, than hoạt tính chế tạo với H3PO4 và K2CO3 có hiệu suất hấp phụ cao hơn so với các tác nhân hoạt hóa khác. Điều này được giải thích bởi diện tích bề mặt lớn và cấu trúc lỗ xốp phát triển của than hoạt tính.

2.2. Ảnh hưởng của các yếu tố đến hấp phụ

Nghiên cứu cũng khảo sát ảnh hưởng của các yếu tố như pH, nhiệt độ, và nồng độ MB đến hiệu suất hấp phụ. Kết quả cho thấy, pH ảnh hưởng đáng kể đến khả năng hấp phụ, với hiệu suất cao nhất ở pH trung tính. Nhiệt độ và nồng độ MB cũng có tác động đến quá trình hấp phụ, nhưng không đáng kể so với pH.

III. Phân tích tính chất than hoạt tính

Nghiên cứu sử dụng các phương pháp phân tích như SEM, BET, và IR để đánh giá tính chất than hoạt tính từ tre. Kết quả cho thấy, than hoạt tính có cấu trúc xốp phát triển, diện tích bề mặt lớn, và thành phần nguyên tố chủ yếu là cacbon. Các phương pháp phân tích này giúp xác định rõ cấu trúc và tính chất của than hoạt tính, từ đó đánh giá hiệu quả ứng dụng trong xử lý ô nhiễm.

3.1. Phương pháp SEM và BET

Phương pháp SEM được sử dụng để quan sát cấu trúc bề mặt của than hoạt tính, cho thấy sự phát triển của các lỗ xốp. Phương pháp BET đo diện tích bề mặt riêng, kết quả cho thấy diện tích bề mặt của than hoạt tính từ tre đạt giá trị cao, phù hợp cho ứng dụng hấp phụ.

3.2. Phương pháp IR

Phương pháp IR được sử dụng để phân tích thành phần hóa học của than hoạt tính. Kết quả cho thấy sự hiện diện của các nhóm chức như hydroxyl và carboxyl trên bề mặt than, giúp tăng khả năng hấp phụ các chất ô nhiễm.

IV. Giá trị và ứng dụng thực tiễn

Nghiên cứu chế tạo than từ tre với tác nhân hoạt hóa H3PO4 và K2CO3 có giá trị khoa học và thực tiễn cao. Than hoạt tính từ tre không chỉ có chi phí thấp mà còn thân thiện với môi trường, phù hợp cho ứng dụng trong xử lý nước thải công nghiệp. Kết quả nghiên cứu mở ra hướng đi mới trong việc tận dụng nguồn nguyên liệu sẵn có như tre để sản xuất than hoạt tính chất lượng cao.

4.1. Ứng dụng trong xử lý nước thải

Than hoạt tính từ tre được ứng dụng hiệu quả trong xử lý nước thải công nghiệp, đặc biệt là nước thải dệt nhuộm chứa MB. Kết quả nghiên cứu cho thấy, than hoạt tính có khả năng loại bỏ MB với hiệu suất cao, góp phần giảm thiểu ô nhiễm môi trường.

4.2. Tiềm năng phát triển

Nghiên cứu mở ra tiềm năng phát triển than hoạt tính từ tre trên quy mô công nghiệp. Với nguồn nguyên liệu dồi dào và chi phí thấp, than hoạt tính từ tre có thể trở thành giải pháp bền vững trong xử lý ô nhiễm môi trường.

Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh ô nhiễm môi trường nước ngày càng nghiêm trọng do sự phát triển công nghiệp, đặc biệt là ngành dệt nhuộm, việc xử lý các chất hữu cơ mang màu như metylen xanh (MB) trở thành vấn đề cấp thiết. Theo ước tính, nước thải từ ngành dệt nhuộm chứa hàm lượng lớn các chất nhuộm độc hại, ảnh hưởng trực tiếp đến sức khỏe con người và hệ sinh thái. Mục tiêu nghiên cứu là chế tạo than hoạt tính từ thân tre sử dụng tác nhân hoạt hóa H3PO4 và K2CO3, đồng thời khảo sát khả năng hấp phụ MB của vật liệu này. Nghiên cứu được thực hiện tại Đại học Thái Nguyên trong năm 2019, tập trung vào việc tối ưu hóa quy trình chế tạo than hoạt tính và đánh giá hiệu suất hấp phụ MB nhằm góp phần phát triển vật liệu hấp phụ thân thiện, chi phí thấp và hiệu quả cao trong xử lý ô nhiễm nước. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc ứng dụng than tre làm vật liệu hấp phụ, góp phần bảo vệ môi trường và phát triển bền vững.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên hai lý thuyết chính: lý thuyết hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir và động học hấp phụ Lagergren. Lý thuyết Langmuir mô tả quá trình hấp phụ trên bề mặt đồng nhất với số lượng vị trí hấp phụ cố định, cho phép xác định dung lượng hấp phụ cực đại và hằng số hấp phụ. Động học hấp phụ Lagergren giúp phân tích tốc độ hấp phụ theo bậc một và bậc hai, từ đó hiểu rõ cơ chế hấp phụ. Các khái niệm trọng tâm bao gồm: than hoạt tính, tác nhân hoạt hóa (H3PO4, K2CO3), dung lượng hấp phụ cân bằng, hiệu suất hấp phụ, điểm đẳng điện, và các phương pháp đặc trưng hóa lý như SEM, BET, IR, EDX. Những khái niệm này giúp giải thích sự phát triển cấu trúc xốp và tính chất bề mặt của than tre, ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ MB.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính là than hoạt tính được chế tạo từ thân tre tươi, xử lý qua các bước than hóa và hoạt hóa với tác nhân H3PO4 và K2CO3. Cỡ mẫu gồm 30 mẫu than với các điều kiện hoạt hóa khác nhau về nồng độ tác nhân, nhiệt độ và thời gian nung. Phương pháp chọn mẫu là chọn đại diện các điều kiện tối ưu dựa trên hiệu suất hấp phụ MB. Phân tích hiệu suất hấp phụ được thực hiện bằng phương pháp hấp phụ tĩnh, đo nồng độ MB còn lại bằng phổ hấp thụ phân tử UV-Vis tại bước sóng 665 nm, sử dụng phương pháp đường chuẩn để xác định chính xác nồng độ MB. Các đặc trưng hóa lý của vật liệu được khảo sát bằng SEM (quan sát hình thái bề mặt), BET (đo diện tích bề mặt riêng), phổ IR (xác định nhóm chức), và phổ EDX (phân tích thành phần nguyên tố). Timeline nghiên cứu kéo dài trong năm 2019, bao gồm giai đoạn chế tạo than, khảo sát các yếu tố ảnh hưởng, và đánh giá hiệu suất hấp phụ.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Ảnh hưởng của tác nhân hoạt hóa: Mẫu than hoạt hóa đồng thời bằng H3PO4 và K2CO3 (mẫu L40/750/60) đạt hiệu suất hấp phụ MB cao nhất 81,14%, vượt trội so với mẫu chỉ hoạt hóa bằng K2CO3 (66,53%) và H3PO4 (67,22%).
2. Ảnh hưởng của nồng độ tác nhân hoạt hóa: Khi tăng nồng độ H3PO4 từ 20% lên 40% và tỉ lệ mTTT : mK2CO3 từ 2:1 lên 3:1 hoặc 4:1, hiệu suất hấp phụ MB tăng lên gần 100% (mẫu L40/3 đạt 99,91%).
3. Ảnh hưởng của nhiệt độ nung: Nhiệt độ nung tối ưu cho than hoạt hóa lần một là 450°C với hiệu suất 67,22%, lần hai là 750°C với hiệu suất 78,27%. Nhiệt độ quá cao (800°C) làm giảm hiệu suất xuống còn 53,95%.
4. Ảnh hưởng của thời gian nung: Thời gian nung 60 phút cho hiệu suất hấp phụ MB cao nhất 78,27%, thời gian 30 phút và 90 phút lần lượt đạt 66,53% và 69,37%.
5. Đặc trưng hóa lý: Mẫu than B12 có diện tích bề mặt riêng 968,08 m²/g, cao gấp 4710 lần so với nguyên liệu ban đầu (0,206 m²/g). Hàm lượng cacbon trong mẫu B12 đạt 88,17%, cao hơn nhiều so với nguyên liệu (58,45%). Hiệu suất hấp phụ MB của mẫu B12 đạt 97,79%, vượt xa nguyên liệu (11,85%) và vật liệu chưa hoạt hóa (32,92%).

Thảo luận kết quả

Hiệu suất hấp phụ MB tăng rõ rệt khi sử dụng kết hợp hai tác nhân hoạt hóa H3PO4 và K2CO3, do sự phát triển cấu trúc xốp và tăng diện tích bề mặt riêng của than tre. Nồng độ tác nhân hoạt hóa và điều kiện nhiệt độ, thời gian nung ảnh hưởng trực tiếp đến sự phát triển lỗ xốp và tính chất bề mặt, từ đó ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ. Kết quả SEM cho thấy bề mặt than B12 xốp và đồng đều hơn, phù hợp với kết quả BET. Phổ IR và EDX chứng minh sự thay đổi về nhóm chức và thành phần nguyên tố, làm tăng tính hấp phụ. So sánh với các nghiên cứu trước đây về than hoạt tính từ nguyên liệu nông nghiệp khác, than tre chế tạo trong nghiên cứu này có hiệu suất hấp phụ MB cao hơn đáng kể, khẳng định tiềm năng ứng dụng trong xử lý nước thải dệt nhuộm. Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ hiệu suất hấp phụ theo từng điều kiện hoạt hóa, bảng so sánh diện tích bề mặt và thành phần nguyên tố, cũng như đồ thị hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Tối ưu quy trình chế tạo than hoạt tính: Áp dụng quy trình hoạt hóa hai bước với H3PO4 40% và K2CO3 theo tỉ lệ 3:1, nung lần một ở 450°C trong 30 phút, nung lần hai ở 750°C trong 60 phút để đạt hiệu suất hấp phụ MB tối ưu. Thời gian thực hiện: 3-6 tháng. Chủ thể thực hiện: các cơ sở sản xuất than hoạt tính và phòng thí nghiệm nghiên cứu.
2. Ứng dụng than tre trong xử lý nước thải dệt nhuộm: Khuyến khích sử dụng than tre B12 làm vật liệu hấp phụ trong các hệ thống xử lý nước thải công nghiệp nhằm giảm thiểu ô nhiễm môi trường. Thời gian triển khai: 6-12 tháng. Chủ thể thực hiện: doanh nghiệp xử lý nước thải, cơ quan quản lý môi trường.
3. Nâng cao nhận thức và đào tạo: Tổ chức các khóa đào tạo về công nghệ chế tạo và ứng dụng than hoạt tính từ tre cho cán bộ kỹ thuật và sinh viên ngành hóa học, môi trường. Thời gian: liên tục hàng năm. Chủ thể thực hiện: các trường đại học, viện nghiên cứu.
4. Nghiên cứu mở rộng: Khuyến khích nghiên cứu tiếp tục về khả năng hấp phụ các chất ô nhiễm khác và cải tiến quy trình hoạt hóa để nâng cao hiệu quả và giảm chi phí. Thời gian: 1-2 năm. Chủ thể thực hiện: các nhóm nghiên cứu khoa học, viện công nghệ môi trường.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Hóa học, Môi trường: Nghiên cứu cung cấp cơ sở lý thuyết và thực nghiệm về chế tạo than hoạt tính từ nguyên liệu tự nhiên, giúp phát triển các đề tài liên quan đến vật liệu hấp phụ và xử lý ô nhiễm.
2. Doanh nghiệp sản xuất than hoạt tính và xử lý nước thải: Tham khảo quy trình chế tạo than tre hiệu quả, áp dụng trong sản xuất và xử lý nước thải công nghiệp, giảm chi phí và nâng cao hiệu quả xử lý.
3. Cơ quan quản lý môi trường: Sử dụng kết quả nghiên cứu để xây dựng chính sách, khuyến khích ứng dụng công nghệ thân thiện môi trường trong xử lý ô nhiễm nước.
4. Các tổ chức đào tạo và phát triển công nghệ: Tài liệu tham khảo cho việc thiết kế chương trình đào tạo, nghiên cứu phát triển công nghệ mới trong lĩnh vực xử lý môi trường và vật liệu hấp phụ.

Câu hỏi thường gặp

1. Than hoạt tính từ tre có ưu điểm gì so với than hoạt tính truyền thống?
   Than tre có diện tích bề mặt lớn, chi phí nguyên liệu thấp, dễ chế tạo và thân thiện môi trường. Nghiên cứu cho thấy diện tích bề mặt riêng của than tre đạt gần 1000 m²/g, cao hơn nhiều so với nguyên liệu gốc, giúp tăng hiệu quả hấp phụ.

2. Tại sao sử dụng kết hợp H3PO4 và K2CO3 làm tác nhân hoạt hóa?
   Sự kết hợp này tạo ra cấu trúc lỗ xốp đa dạng và tăng diện tích bề mặt, nâng cao hiệu suất hấp phụ MB lên đến gần 100%, vượt trội so với chỉ dùng một tác nhân.

3. Quy trình chế tạo than hoạt tính tối ưu là gì?
   Quy trình gồm hai bước hoạt hóa: lần một với H3PO4 40% ở 450°C trong 30 phút, lần hai với K2CO3 ở 750°C trong 60 phút. Điều kiện này giúp than có cấu trúc xốp tốt và hiệu suất hấp phụ cao.

4. Phương pháp xác định nồng độ MB trong dung dịch là gì?
   Sử dụng phổ hấp thụ phân tử UV-Vis tại bước sóng 665 nm kết hợp phương pháp đường chuẩn để xác định chính xác nồng độ MB còn lại sau hấp phụ.

5. Than tre có thể hấp phụ các chất ô nhiễm khác ngoài MB không?
   Theo nghiên cứu, than tre có hàm lượng cacbon cao và cấu trúc xốp phù hợp để hấp phụ nhiều loại chất ô nhiễm hữu cơ và kim loại nặng, mở rộng ứng dụng trong xử lý môi trường.

Kết luận

• Than hoạt tính từ thân tre hoạt hóa bằng H3PO4 và K2CO3 có diện tích bề mặt riêng lên đến 968 m²/g, hiệu suất hấp phụ MB đạt gần 98%.
• Nồng độ tác nhân hoạt hóa, nhiệt độ và thời gian nung ảnh hưởng quyết định đến cấu trúc và hiệu suất hấp phụ của than.
• Mẫu than B12 được xác định là mẫu tối ưu với khả năng hấp phụ vượt trội so với nguyên liệu và các mẫu khác.
• Phương pháp hấp phụ tĩnh kết hợp phân tích UV-Vis và các kỹ thuật đặc trưng hóa lý giúp đánh giá chính xác hiệu quả vật liệu.
• Đề xuất áp dụng quy trình chế tạo than tre trong xử lý nước thải dệt nhuộm, đồng thời khuyến khích nghiên cứu mở rộng và đào tạo chuyên sâu.

Tiếp theo, cần triển khai ứng dụng thực tế quy trình chế tạo than tre tại các cơ sở xử lý nước thải, đồng thời mở rộng nghiên cứu về hấp phụ các chất ô nhiễm khác. Mời các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp quan tâm liên hệ để hợp tác phát triển công nghệ thân thiện môi trường này.