Luận văn nghiên cứu chế tạo than hoạt tính từ hạt và vỏ nhãn - Đại học Thái Nguyên

Nghiên cứu quy trình chế tạo than hoạt tính từ hạt và vỏ nhãn, phân tích cấu trúc, độ xốp và khả năng ứng dụng thực tiễn trong xử lý môi trường.

• Tác giả: Lê Thị Dung
• Người hướng dẫn: PGS.TS. Nguyễn Đình Vinh
• Trường học: Đại học Thái Nguyên - Trường Đại học Khoa học
• Chuyên ngành: Hóa phân tích
• Đề tài: Nghiên cứu chế tạo và phân tích các đặc trưng của than hoạt tính từ hạt và vỏ nhãn
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Thái Nguyên

Tóm tắt

I. Tổng quan than hoạt tính từ hạt và vỏ nhãn tại ĐH Thái Nguyên

Nghiên cứu chế tạo than hoạt tính từ hạt và vỏ nhãn tại Trường Đại học Khoa học thuộc Đại học Thái Nguyên mở ra hướng đi mới. Đề tài tận dụng nguồn phế phụ phẩm nông nghiệp dồi dào tại Việt Nam. Vỏ và hạt nhãn thường bị loại bỏ sau thu hoạch hoặc chế biến thực phẩm. Lượng rác thải sinh học này gây lãng phí và tạo áp lực lớn cho môi trường. Việc tái chế phụ phẩm nhãn thành vật liệu hấp phụ mang giá trị kinh tế cao. Than hoạt tính là vật liệu carbon có cấu trúc mao quản phát triển. Bề mặt riêng của vật liệu rất lớn. Nhờ đó, than hoạt tính sở hữu khả năng hấp phụ chất màu và chất độc hại vượt trội. Công trình khoa học tại Đại học Thái Nguyên tập trung làm chủ quy trình biến đổi phế phẩm nhãn thành than hoạt tính chất lượng. Quá trình này giúp nâng cao chuỗi giá trị nông sản Việt. Đồng thời, giải pháp xử lý phế phẩm sinh học góp phần bảo vệ tài nguyên tự nhiên hiệu quả. Vật liệu mới đáp ứng các tiêu chuẩn kỹ thuật nghiêm ngặt trong phân tích hóa học và xử lý ô nhiễm.

1.1. Tiềm năng từ phế phụ phẩm hạt và vỏ nhãn

Việt Nam có diện tích canh tác nhãn rất rộng lớn. Hàng năm, các nhà máy chế biến nông sản thải ra hàng nghìn tấn hạt và vỏ nhãn. Thành phần sinh khối của hạt và vỏ nhãn chứa hàm lượng carbon rất cao. Đây là nguồn tiền chất tự nhiên lý tưởng để sản xuất than hoạt tính. Chi phí thu gom nguyên liệu phụ phẩm này rất thấp. Sử dụng sinh khối nhãn giải quyết bài toán ô nhiễm môi trường cục bộ. Nguồn phế liệu rắn không còn bị đốt bỏ bừa bãi ngoài đồng ruộng. Nghiên cứu khai thác tối đa nguồn sinh khối tái tạo này. Phương pháp biến chất thải nông nghiệp thành sản phẩm công nghiệp hữu ích. Điều này tạo thêm sinh kế bền vững cho vùng trồng cây ăn quả.

1.2. Định hướng nghiên cứu tại ĐH Khoa học ĐH Thái Nguyên

Đề tài thạc sĩ hóa phân tích tại Đại học Thái Nguyên tập trung vào công nghệ xanh. Nghiên cứu do học viên Lê Thị Dung thực hiện dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS.TS Nguyễn Đình Vinh. Mục tiêu chính là xác định các điều kiện chế tạo than hoạt tính tối ưu. Quy trình khảo sát toàn diện từ khâu tiền xử lý vỏ và hạt nhãn đến khâu hoạt hóa hóa học. Nhóm nghiên cứu tiến hành đánh giá phẩm chất vật liệu qua nhiều kỹ thuật đo đạc hiện đại. Kết quả mở ra khả năng ứng dụng thực tế trong xử lý nước thải công nghiệp. Đề tài khẳng định năng lực nghiên cứu ứng dụng thực tiễn của đội ngũ khoa học trường đại học.

II. Phân tích khó khăn khi chế tạo than hoạt tính từ hạt và vỏ nhãn

Quá trình chuyển hóa sinh khối thực vật thành vật liệu xốp đòi hỏi kiểm soát nghiêm ngặt. Hạt và vỏ nhãn có cấu trúc tế bào phức tạp, chứa nhiều cellulose, hemicellulose và lignin. Nếu không áp dụng quy trình xử lý thích hợp, cấu trúc carbon dễ bị phá hủy hoàn toàn khi nung ở nhiệt độ cao. Nhiệt độ nung quá mức làm thiêu rụi khung carbon và làm sập các lỗ xốp tế vi. Ngược lại, nhiệt độ carbon hóa quá thấp không thể giải phóng triệt để các hợp chất bay hơi. Bề mặt vật liệu khi đó bị bít tắc, làm suy giảm nghiêm trọng diện tích bề mặt riêng. Bên cạnh nhiệt độ, sự lựa chọn tác nhân hoạt hóa đóng vai trò cốt lõi. Phương pháp hoạt hóa vật lý truyền thống bằng hơi nước hay khí CO2 tiêu tốn rất nhiều năng lượng. Quá trình này đòi hỏi nhiệt độ vận hành vượt mức 800 độ C. Hơn nữa, than thành phẩm thường có độ xốp không đồng đều và diện tích bề mặt thấp. Vì vậy, vấn đề đặt ra là phải tìm kiếm quy trình hoạt hóa hóa học phù hợp. Tác nhân hoạt hóa phải vừa phát triển vi mao quản hiệu quả, vừa duy trì độ bền cơ học của khung carbon sinh khối.

2.1. Cấu trúc phức tạp của sinh khối vỏ và hạt nhãn

Vỏ nhãn mỏng và giòn, trong khi hạt nhãn rất cứng và đặc chắc. Hai thành phần này có tỷ lệ liên kết lignin và cellulose khác biệt rõ rệt. Khối lượng riêng và mật độ chất hữu cơ không đồng nhất gây cản trở cho quá trình nhiệt phân. Nếu nghiền nguyên liệu không đúng kích cỡ, tác nhân hóa học không thể thấm đều vào sâu bên trong. Lớp ngoài hạt dễ bị phản ứng quá mức trong khi lõi bên trong chưa kịp phản ứng. Tình trạng này sinh ra sản phẩm than có chất lượng không đồng đều. Lỗ xốp phân bố lộn xộn làm giảm đáng kể khả năng hấp thụ các phân tử tạp chất. Do đó, bài toán chuẩn hóa mẫu trước khi xử lý hóa học là yêu cầu kỹ thuật tiên quyết.

2.2. Hạn chế của các phương pháp hoạt hóa truyền thống

Phương pháp hoạt hóa vật lý đòi hỏi lò nung nhiệt độ cao từ 800 đến 1000 độ C. Mức năng lượng điện tiêu thụ trong suốt quá trình xử lý rất lớn. Khí thải sinh ra trong quá trình nung ở nhiệt độ cao gây nguy hại cho môi trường làm việc. Hiệu suất thu hồi sản phẩm than hoạt tính vật lý thường chỉ đạt dưới 25 phần trăm. Bề mặt than tạo ra có diện tích riêng khiêm tốn và ít nhóm chức hoạt tính. Hoạt hóa bằng kiềm mạnh như KOH tạo độ xốp cao nhưng ăn mòn mạnh thiết bị và chi phí đắt đỏ. Những rào cản kỹ thuật này làm hạn chế khả năng thương mại hóa trên quy mô công nghiệp rộng rãi.

III. Phương pháp chế tạo than hoạt tính từ hạt và vỏ nhãn bằng H3PO4

Đề tài tại Đại học Thái Nguyên giải quyết bài toán trên bằng phương pháp hoạt hóa hóa học với axit photphoric H3PO4. Axit H3PO4 đóng vai trò kép: xúc tác khử nước và tạo khung liên kết polyme phốt phát bền vững. Phản ứng ngăn ngừa hiện tượng co rút cấu trúc trong quá trình carbon hóa. Quy trình thực nghiệm bắt đầu bằng việc rửa sạch, sấy khô và nghiền nhỏ hạt cùng vỏ nhãn. Mẫu bột sinh khối được ngâm tẩm kỹ lưỡng trong dung dịch H3PO4 với tỷ lệ khảo sát tối ưu. Hỗn hợp sau đó đưa vào lò nung yếm khí ở mức nhiệt độ 500 độ C trong 1,5 giờ. Nhiệt độ này thấp hơn đáng kể so với hoạt hóa vật lý thông thường, giúp tiết kiệm tối đa năng lượng. Khi nung, axit H3PO4 bay hơi và tạo ra các khoảng trống xốp dày đặc trên bề mặt than. Sản phẩm than sau phản ứng được rửa sạch bằng nước cất nóng đến độ pH trung tính nhằm loại bỏ axit dư thừa. Kỹ thuật hiển vi điện tử quét SEM và phổ hồng ngoại FT-IR xác nhận sự hình thành dày đặc của hệ vi mao quản và các nhóm chức bề mặt hữu ích.

3.1. Tối ưu hóa nồng độ axit H3PO4 và điều kiện nung

Nghiên cứu tiến hành khảo sát đa biến nhằm tìm ra bộ thông số nhiệt phân lý tưởng. Nồng độ dung dịch H3PO4 được thử nghiệm trong dải từ 20 đến 60 phần trăm. Kết quả chỉ ra nồng độ axit 40 phần trăm đem lại hiệu suất tạo mao quản vượt trội nhất. Nhiệt độ nung được kiểm soát chính xác ở ngưỡng 500 độ C với thời gian duy trì 90 phút. Ở mức nhiệt này, quá trình thoát khí và phân hủy hợp chất dễ bay hơi diễn ra trọn vẹn. Khung carbon không bị biến dạng hay cháy rụi thành tro. Than thành phẩm đạt chỉ số hấp phụ iot và xanh metylen cao nhất. Đây là bằng chứng rõ ràng cho sự phát triển vượt bậc của mạng lưới vi mao quản bên trong than.

3.2. Đặc trưng hóa cấu trúc bằng XRD FT IR và SEM

Phân tích phổ FT-IR phát hiện các dải hấp thụ mạnh trong vùng từ 3500 đến 3000 cm-1. Dải này đại diện cho liên kết hydroxyl của nhóm cacboxylic và phân tử nước hấp phụ. Đỉnh phổ tại 1625 cm-1 khẳng định sự tồn tại của nhóm carbonyl C=O. Ngoài ra, các liên kết photphat P-O xuất hiện tại 1174 cm-1 và 1041 cm-1. Ảnh chụp hiển vi điện tử quét SEM cho thấy cấu trúc tổ ong xốp rỗng với vô số lỗ hở kích thước nano. Giản đồ nhiễu xạ tia X (XRD) xác nhận cấu trúc carbon vô định hình với độ tinh khiết cao. Các dữ liệu phân tích hóa lý chứng minh vật liệu sở hữu khả năng phản ứng bề mặt rất phong phú.

IV. Kết luận và ứng dụng của than hoạt tính từ hạt và vỏ nhãn

Nghiên cứu của Đại học Thái Nguyên chứng minh tính khả thi cao của việc tổng hợp than hoạt tính từ vỏ và hạt nhãn. Sản phẩm sở hữu diện tích bề mặt lớn cùng mật độ nhóm chức hóa học đa dạng. Đây là tiền đề vững chắc cho việc ứng dụng vật liệu vào các công trình xử lý môi trường thực tiễn. Than hoạt tính sinh khối thể hiện hiệu suất hấp phụ cao đối với các ion kim loại nặng và phẩm nhuộm độc hại. Nguồn nước ô nhiễm trong ngành dệt nhuộm và sản xuất công nghiệp được làm sạch hiệu quả. Ngoài ra, vật liệu còn đóng vai trò giá thể hấp phụ khí độc trong các hệ thống lọc không khí. Thành công của luận văn mở ra giải pháp tuần hoàn sinh khối quy mô địa phương. Dự án giúp giảm đáng kể chi phí nhập khẩu vật liệu lọc đắt tiền từ nước ngoài. Doanh nghiệp chế biến hoa quả có thể tự xử lý phụ phẩm nông nghiệp ngay tại nguồn thải. Hướng đi này vừa đem lại lợi ích kinh tế thiết thực, vừa bảo vệ môi trường sinh thái bền vững.

4.1. Hiệu quả xử lý nước thải dệt nhuộm và ion kim loại

Khả năng hấp phụ màu xanh metylen chứng minh than có mật độ mao quản trung bình phát triển. Kích thước mao quản này tương thích hoàn hảo với kích thước phân tử chất màu hữu cơ. Nước thải dệt nhuộm được khử màu triệt để sau thời gian tiếp xúc ngắn với vật liệu. Bên cạnh đó, các nhóm chức oxy hóa và nhóm photphat trên bề mặt than giữ chặt các ion kim loại nặng. Dung lượng hấp phụ các kim loại như chì, đồng và kẽm đạt mức rất ấn tượng. Vật liệu dễ dàng thu hồi và tái sinh sau quá trình xử lý nước ô nhiễm. Đây là giải pháp xanh lý tưởng cho các làng nghề thủ công và khu công nghiệp chế xuất.

4.2. Triển vọng thương mại hóa và kinh tế tuần hoàn

Mô hình tận dụng hạt và vỏ nhãn tạo ra mô hình kinh tế tuần hoàn khép kín. Chi phí thu mua phế phụ phẩm nông nghiệp gần như bằng không. Dây chuyền sản xuất than hoạt tính bằng H3PO4 ở nhiệt độ 500 độ C đòi hỏi suất đầu tư vừa phải. Hóa chất axit photphoric có thể thu hồi tuần hoàn trong khâu rửa than để tái sử dụng nhiều lần. Điều này làm giảm chi phí nguyên vật liệu và ngăn ngừa xả thải axit ra môi trường. Sản phẩm than sinh khối có giá thành cạnh tranh hơn nhiều so với than thương phẩm nhập khẩu. Tiềm năng thương mại hóa công nghệ này tại các vùng trồng cây ăn quả trọng điểm là rất khả thi.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MỞ ĐẦU Than hoạt tính (Activated Carbon, AC) có tính chất nổi trội như diện tích bề mặt lớn, khả năng hấp phụ cao, giá thành rẻ và thân thiện với môi trường nên loại vật liệu này được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau như xử lý môi trường, y học, mỹ phẩm, nông nghiệp. AC thường được chế tạo từ nhiều nguồn nguyên liệu khác nhau như than đá, sinh khối và phế phẩm nông nghiệp. Trong những năm gần đây việc nghiên cứu chế tạo than hoạt tính từ các phế phẩm nông nghiệp được nhiều nhà khoa học tại Việt Nam và trên thế giới quan tâm bởi vì có thể hạ giá thành của AC, tăng giá trị sản xuất trong nông nghiệp và hạn chế sự ô nhiễm môi trường do sự phân huỷ của các phế phẩm nông nghiệp. Các phế phẩm nông nghiệp đã được nghiên cứu nhiều để sản xuất AC như gáo dừa, vỏ lạc, vỏ chấu, rơm rạ, lõi ngô… Nhãn là một sản phẩm nông nghiệp đặc trưng của Việt Nam nói chung và Hưng Yên nói riêng.

Nhãn có thể được sử dụng dạng tươi hoặc sấy khô. Sau khi sử dụng hạt nhãn và vỏ nhãn sẽ trở thành phế phẩm. Với sự phát triển của các vùng chuyên canh thì lượng khối lượng phế phẩm từ hạt nhãn là rất lớn. Tuy nhiên việc tận dụng loại phế phẩm này đến nay còn nhiều hạn chế.

Do đó việc nghiên cứu tận dụng hạt nhãn để tạo ra một sản phẩm thương mại là rất cần thiết và có khả năng nâng cao thu nhập của người trồng và chế biến nhãn. Hạt nhãn chiếm khoảng 17% khối lượng của quả nhãn. Thành phần chính của hạt nhãn là các hợp chất carbohydrate (khoảng 84%) và một số hợp chất hữu cơ các như protein, lipit, polyphenol… đây sẽ là một nguồn nguyên liệu tiềm năng để sản xuất AC. Theo tìm hiểu của chúng tôi, việc nghiên cứu chế tạo AC từ hạt nhãn còn chưa được đề cập nhiều Với mong muốn góp một phần trong việc nghiên cứu tận dụng phế phẩm nông nghiệp vào chế tạo vật liệu ứng dụng trong xử lý môi trường, chúng tôi lựa chọn đề tài: 2 “Nghiên cứu chế tạo và phân tích các đặc trưng của than hoạt tính từ hạt và vỏ nhãn ” Mục tiêu của nội dung luận văn - Nghiên cứu chế tạo thành công AC từ hạt và vỏ nhãn bằng phương pháp hoạt hoá hoá học.

- Phân tích các đặc trưng của sản phẩm như thành phần pha, hính thái học, cấu trúc hoá học và cấu trúc xốp của sản phẩm. 3 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN 1. Giới thiệu về than hoạt tính Than hoạt tính (Activated carbon, AC) về cơ bản được gọi là vật liệu carbon, có độ xốp cao, độ ổn định hóa lý cao, khả năng hấp phụ cao, độ bền cơ học cao, mức độ phản ứng bề mặt cao, với diện tích bề mặt lớn. Có thể được phân biệt với carbon nguyên tố bằng quá trình oxy hóa của các nguyên tử carbon được tìm thấy ở bề mặt bên ngoài và bên trong.

AC là chất rắn màu đen, tồn tại ở dạng vô định hình và vi tinh thể. AC không thể chuyển hoá thành graphit ngay cả ở nhiệt độ cao. Than hoạt tính không thể được đặc trưng bởi bất kỳ công thức hóa học đặc biệt nào. Dựa trên đặc tính vật lý của nó, than hoạt tính có thể được phân thành nhiều loại; than hoạt tính dạng bột (PAC), than hoạt tính dạng hạt (GAC), than hoạt tính chiết xuất (EAC), than hoạt tính dạng viên, than hoạt tính dạng sợi, vải than hoạt tính và các loại khác [1].

Ngoài carbon, than hoạt tính thường chứa các nguyên tố khác như oxy, lưu huỳnh, hydro, nitơ, halogen… ở dạng nhóm chức hoặc nguyên tử liên kết hóa học với cấu trúc.