Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong tiến trình đô thị hóa và công nghiệp hóa, sự hình thành của các khu công nghiệp, khu chế xuất và làng nghề đã kéo theo nguy cơ ô nhiễm môi trường nghiêm trọng, trong đó ô nhiễm ion kim loại nặng trong nguồn nước là vấn đề cấp thiết. Nước thải từ các ngành công nghiệp như sản xuất pin, thuộc da, khai thác mỏ, luyện kim, mạ điện, sản xuất sơn, que hàn và phân bón thường chứa hàm lượng lớn các ion kim loại nặng như đồng (Cu) và kẽm (Zn). Số liệu thực tế tại các làng nghề tái chế kim loại (như làng nghề Văn Môn) và khu vực khai thác khoáng sản (như mỏ chì - kẽm Lang Hích, Bản Thi, mỏ manganese Cao Bằng) cho thấy nồng độ Cu(II) và Zn(II) trong nước mặt và nước thải thường vượt quy chuẩn cho phép từ 1,1 đến 15 lần.

Đồng và kẽm ở nồng độ vi lượng là các nguyên tố cần thiết cho cơ thể sinh vật (người trưởng thành cần khoảng 2 mg Cu/ngày và 15 mg Zn/ngày). Tuy nhiên, khi vượt ngưỡng quy định theo Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về nước thải công nghiệp (QCVN 40:2011/BTNMT quy định giá trị giới hạn nồng độ của Cu là 2 mg/L và Zn là 3 mg/L đối với cả cột A và cột B), chúng gây độc tính nghiêm trọng. Nước có nồng độ Cu trên 3 mg/L gây kích thích dạ dày cấp tính, tăng nguy cơ thoái hóa gan nhân đậu và xơ gan; trong khi Zn ở nồng độ cao gây ngộ độc với các triệu chứng đau bụng, chậm mạch, co giật và gây độc cho tảo ở nồng độ chỉ từ 1–4 µg/L.

Các công nghệ xử lý kim loại nặng truyền thống như kết tủa hóa học (tạo hydroxide hoặc sulfide), trao đổi ion, lọc màng (thẩm thấu ngược RO, siêu lọc tăng cường micellar MEUF, siêu lọc tăng cường polymer PEUF) và xử lý sinh học (dùng thực vật thủy sinh như bèo tây, lục bình) còn tồn tại các nhược điểm: chi phí vận hành cao, sinh ra chất thải thứ cấp khó xử lý (bùn hydroxide kim loại, thạch cao) hoặc hiệu quả kém khi nước thải có nồng độ kim loại cao. Do đó, phương pháp hấp phụ sử dụng than sinh học (biochar) từ phụ phẩm nông nghiệp nổi lên như một hướng tiếp cận hiệu quả và kinh tế. Tại Việt Nam, vùng nguyên liệu mía đường (niên vụ 2009–2010 đạt khoảng 290.000 ha, trong đó 221.816 ha phục vụ nhà máy đường) thải ra lượng bã mía rất lớn, là nguồn sinh khối dồi dào để chế tạo vật liệu hấp phụ.

Khóa luận xác định các mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể:

  1. Chế tạo than sinh học từ nguồn phế phụ phẩm bã mía thu gom tại Thành phố Hồ Chí Minh bằng phương pháp nhiệt phân ở 400°C trong môi trường khí nitrogen ($N_2$).
  2. Xác định các đặc trưng cấu trúc, hình thái học và nhóm chức bề mặt của than sinh học trước và sau khi hấp phụ bằng các kỹ thuật hiển vi điện tử quét (SEM), phổ tán xạ năng lượng tia X (EDX) và phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FT-IR).
  3. Khảo sát các điều kiện tối ưu cho quá trình hấp phụ ion Cu(II) và Zn(II) trong môi trường nước, bao gồm ảnh hưởng của pH dung dịch (khảo sát từ pH 2 đến 6), thời gian tiếp xúc (từ 5 đến 1500 phút), nồng độ kim loại ban đầu (từ 5 đến 500 mg/L) và khối lượng than sinh học (từ 0,02 đến 0,10 gam).
  4. Đánh giá cơ chế hấp phụ thông qua mô hình động học hấp phụ (bậc 1 và bậc 2) cùng các mô hình đẳng nhiệt hấp phụ (Langmuir và Freundlich).
  • Đối tượng nghiên cứu: Khả năng hấp phụ ion Cu(II) và Zn(II) trong môi trường dung dịch nước của than sinh học chế tạo từ bã mía.
  • Phạm vi nghiên cứu: Thực nghiệm trong quy mô phòng thí nghiệm tại Thành phố Hồ Chí Minh (khoa Hóa học, Trường Đại học Sư phạm TP.HCM và phòng thí nghiệm trung tâm Trường Đại học Khoa học Tự nhiên TP.HCM), thực hiện trong năm 2021.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khóa luận xây dựng trên nền tảng lý thuyết hấp phụ dị thể lỏng - rắn, cơ chế tương tác bề mặt của vật liệu sinh khối carbon và các mô hình toán học mô tả cân bằng - động học:

  • Cơ chế hấp phụ kim loại của than sinh học: Quá trình lưu giữ ion kim loại trên bề mặt than sinh học tích hợp nhiều cơ chế: lực hút tĩnh điện giữa bề mặt tích điện âm với cation kim loại, tương tác trao đổi cation ($K^+$, $Mg^{2+}$, $Ca^{2+}$ trên bề mặt than với $Cu^{2+}$, $Zn^{2+}$), liên kết phối trí/tạo phức bề mặt với các nhóm chức chứa oxy (carboxyl -COOH, hydroxyl -OH), và kết tủa bề mặt với các anion khoáng ($PO_4^{3-}$, $SiO_3^{2-}$, $CO_3^{2-}$).
  • Thành phần cấu tạo của bã mía: Bã mía gồm 48% xơ, trong đó chứa cellulose (45–55%), hemicellulose (20–25%), lignin (18–24%), tro (1–4%) và sáp (<1%). Các đại phân tử này chứa mạng lưới nhóm phân cực giúp tạo cấu trúc rỗng xốp khi nhiệt phân.
  • Mô hình động học hấp phụ:
    • Mô hình động học bậc 1 (Lagergren): $\log(q_e - q_t) = \log q_e - \frac{k_1 \cdot t}{2{,}303}$
    • Mô hình động học bậc 2: $\frac{t}{q_t} = \frac{1}{k_2 \cdot q_e^2} + \frac{t}{q_e}$ (Trong đó $q_e, q_t$ là dung lượng hấp phụ tại cân bằng và thời điểm $t$ (mg/g); $k_1$ là hằng số tốc độ bậc 1 ($1/\text{phút}$); $k_2$ là hằng số tốc độ bậc 2 ($\text{g}/(\text{mg}\cdot\text{phút})$)).
  • Mô hình đẳng nhiệt hấp phụ:
    • Đẳng nhiệt Langmuir (hấp phụ đơn lớp trên bề mặt đồng nhất): $\frac{C_e}{q_e} = \frac{1}{q_{\max} \cdot K_L} + \frac{C_e}{q_{\max}}$
    • Đẳng nhiệt Freundlich (hấp phụ đa lớp trên bề mặt dị thể): $\ln q_e = \ln K_F + \frac{1}{n}\ln C_e$ (Trong đó $C_e$ là nồng độ cân bằng (mg/L); $q_{\max}$ là dung lượng hấp phụ cực đại (mg/g); $K_L$ là hằng số Langmuir (L/mg); $K_F$ và $n$ là các hằng số Freundlich biểu thị khả năng và cường độ hấp phụ).
  • Công thức tính dung lượng và hiệu suất:
    • Dung lượng hấp phụ: $q_e = \frac{(C_0 - C_e) \cdot V}{m}$ ($\text{mg/g}$)
    • Hiệu suất hấp phụ: $H = \frac{C_0 - C_e}{C_0} \times 100%$ ($%$)

Phương pháp thực nghiệm và thiết bị phân tích:

  • Phương pháp phổ hấp thụ nguyên tử (AAS): Sử dụng máy Thermo Scientific ICE 3000 để xác định nồng độ Cu(II) tại bước sóng 324,8 nm và Zn(II) tại bước sóng 213,9 nm trong ngọn lửa không khí - acetylene dựa trên định luật Bouguer - Lambert - Beer.
  • Phương pháp kính hiển vi điện tử quét (SEM): Phân tích hình thái và độ xốp bề mặt bằng hệ thiết bị FESEM S4800 HITACHI (Nhật Bản).
  • Phương pháp phổ tán xạ năng lượng tia X (EDX): Phân tích thành phần định tính và bán định lượng các nguyên tố trên bề mặt than bằng máy EDX H-7593 Horiba (Anh).
  • Phương pháp phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FT-IR): Nhận danh các nhóm chức bề mặt trên máy PerkinElmer Spectrum 1052 trong vùng số sóng từ 4000 đến 400 $\text{cm}^{-1}$.

Nội dung chính theo từng chương

Mở đầu và Tổng quan tài liệu

Tác giả hệ thống hóa cơ sở lý thuyết về nguồn gốc, tính chất độc hại và tiêu chuẩn môi trường của các kim loại nặng Cu(II) và Zn(II); đánh giá ưu nhược điểm của 5 phương pháp xử lý nước thải (kết tủa, trao đổi ion, sinh học, lọc màng, hấp phụ). Phần tổng quan tập trung vào cơ chế tương tác bề mặt của than sinh học và tổng hợp các nghiên cứu tiền nhiệm trong và ngoài nước về xử lý ion kim loại bằng biochar từ các nguồn sinh khối khác nhau:

Tác giả nghiên cứu Nguồn nguyên liệu Điều kiện xử lý / Nhiệt độ Đối tượng ion kim loại Mô hình động học phù hợp Mô hình đẳng nhiệt phù hợp
Yu-Ying Wang và cs. Rơm rạ biến tính Hydroxyapatite Nung 500°C $Pb^{2+}, Cu^{2+}, Zn^{2+}$ Động học bậc 2 Langmuir ($Pb^{2+}$), Freundlich ($Cu^{2+}, Zn^{2+}$)
Mandu Inyang và cs. Bã mía củ cải đường, bã phân sữa Nung 600°C $Pb^{2+}, Cd^{2+}, Cu^{2+}, Ni^{2+}$ Động học bậc 1 (củ cải), Giả bậc 2 (sữa) Langmuir (củ cải), Freundlich (sữa)
Frantseska-Maria Pellera và cs. Trấu, bã ô liu, vỏ cam, phân trộn Nung 300°C và 600°C, biến tính HCl $Cu^{2+}$ Động học bậc 2 Freundlich
Phùng Thị Kim Thanh Bã mía Biến tính $H_2SO_4$ $Cr^{3+}, Zn^{2+}, Cu^{2+}, Ni^{2+}$ — Langmuir ($q_{\max Cu}=49{,}505\text{ mg/g}$, $q_{\max Zn}=64{,}935\text{ mg/g}$)
Nguyễn Văn Phương và cs. Phân bò Nung 300°C, 450°C, 600°C $Cu^{2+}$ Động học giả bậc 2 Langmuir (300°C, 450°C), Freundlich (600°C)

Chương 2: Phương pháp nghiên cứu

Chương này mô tả chi tiết hóa chất sử dụng (muối chuẩn $\text{Cu(NO}_3)_2\cdot3\text{H}_2\text{O}$, $\text{ZnSO}_4\cdot7\text{H}_2\text{O}$ của Xilong Scientific $\ge 99%$; dung dịch chuẩn 1000 mg/L của Merck), dụng cụ định mức và thiết bị đo (lò nung Nabertherm, máy lắc Scilogex SK-O330-Pro, máy đo pH cầm tay Hanna HI8314, máy lọc chân không).

Quy trình chế tạo than sinh học được chuẩn hóa qua các bước:

  1. Thu gom bã mía từ các cơ sở sản xuất nước mía tại TP.HCM, rửa nhiều lần bằng nước cất để loại bỏ tạp chất và đường dư, phơi khô trong không khí ở 28–32°C.
  2. Cắt nhỏ bã mía thành các đoạn từ 0,3 đến 0,5 cm, sấy khô ở 80°C trong 24 giờ.
  3. Nung nhiệt phân mẫu trong lò nung ở 400°C trong 2 giờ dưới dòng khí nitrogen bảo vệ với lưu lượng 1 L/phút.
  4. Nghiền mịn than thu được, sàng qua rây kích thước mắt rây 0,75 $\mu\text{m}$, rửa lại bằng nước khử ion (deionized water) cho đến khi nước rửa đạt pH tương đương nước khử ion, sau đó sấy khô ở 80°C trong 24 giờ.

Quy trình thực nghiệm khảo sát hấp phụ được thực hiện dạng mẻ (batch experiments):

  • Dựng đường chuẩn AAS: Dãy chuẩn Cu(II) nồng độ từ 0,5 đến 10 mg/L ($R^2 \approx 1$); dãy chuẩn Zn(II) nồng độ từ 0,01 đến 1,5 mg/L trong nền dung dịch $\text{HNO}_3$ 0,5%.
  • Bố trí thí nghiệm Cu(II) và Zn(II): Khảo sát ảnh hưởng pH (pH = 2, 3, 4, 5, 6; $V = 50\text{ mL}$, $C_0 = 25\text{ mg/L}$, $m = 0{,}05\text{ g}$, lắc 120 phút); khảo sát ảnh hưởng thời gian ($t = 5, 15, 30, 60, 90, 120, 180, 240, 1440, 1500\text{ phút}$ tại pH = 4); khảo sát đẳng nhiệt ($C_0 = 5, 10, 25, 50, 75, 100, 200, 500\text{ mg/L}$ tại pH = 4); khảo sát khối lượng than ($m = 0{,}02, 0{,}03, 0{,}04, 0{,}05, 0{,}06, 0{,}08, 0{,}10\text{ g}$; $C_0 = 50\text{ mg/L}$, lắc 120 phút).

Chương 3: Kết quả và thảo luận

Chương 3 trình bày các kết quả thực nghiệm về đặc trưng cấu trúc vật liệu và hiệu năng hấp phụ ion Cu(II) cùng Zn(II):

1. Đặc trưng cấu trúc than sinh học bã mía

  • Hình thái bề mặt (SEM): Ảnh SEM cho thấy cấu trúc nhiều lớp ban đầu của bã mía bị phân cắt thành các mảnh nhỏ sau khi nung ở 400°C, hình thành hệ thống lỗ xốp rỗng trên bề mặt do sự phân hủy nhiệt các thành phần hữu cơ kém bền (cellulose, hemicellulose).
  • Thành phần nguyên tố (EDX): Kết quả phổ tán xạ năng lượng tia X trước và sau khi hấp phụ cho thấy sự thay đổi rõ rệt về thành phần nguyên tố:
Nguyên tố Than chưa hấp phụ (%) Than sau hấp phụ ion Cu(II) (%) Than sau hấp phụ ion Zn(II) (%)
C 73,27 70,20 70,99
O 24,91 27,54 27,57
Mg 0,18 Không phát hiện Không phát hiện
Si 1,31 0,80 0,45
K 0,33 Không phát hiện Không phát hiện
Cu — 1,47 —
Zn — — 1,00
Tổng cộng 100,00 100,01 100,01

Sự biến mất của các đỉnh K (0,33%) và Mg (0,18%) cùng với sự xuất hiện của đỉnh Cu (1,47%) và Zn (1,00%) trên phổ EDX sau hấp phụ là bằng chứng thực nghiệm của cơ chế trao đổi ion giữa các cation kiềm/kiềm thổ với cation kim loại nặng.

  • Phổ hồng ngoại (FT-IR): Phổ FT-IR của than sinh học xuất hiện các dải hấp thụ đặc trưng: dải rộng trong vùng 2900–3400 $\text{cm}^{-1}$ (cụ thể tại 2926,67 $\text{cm}^{-1}$ và 3123,54 $\text{cm}^{-1}$) đặc trưng cho dao động kéo dãn của nhóm hydroxyl (-OH); đỉnh tại 1716,90 $\text{cm}^{-1}$ đặc trưng cho nhóm carboxyl (-COOH); đỉnh tại 1598,41 $\text{cm}^{-1}$ đặc trưng cho liên kết C=C của khung vòng thơm.

2. Kết quả hấp phụ ion Cu(II)

  • Ảnh hưởng của pH: Quá trình hấp phụ Cu(II) phụ thuộc mạnh vào pH dung dịch:
pH dung dịch Hiệu suất hấp phụ $H$ (%) Dung lượng hấp phụ $q$ (mg/g)
2 $7{,}49 \pm 3{,}02$ $1{,}89 \pm 0{,}76$
3 $19{,}82 \pm 1{,}09$ $5{,}00 \pm 0{,}21$
4 $36{,}08 \pm 4{,}69$ $9{,}09 \pm 1{,}06$
5 $41{,}24 \pm 1{,}78$ $10{,}40 \pm 0{,}44$
6 $55{,}32 \pm 9{,}37$ $13{,}95 \pm 2{,}51$

Ở pH = 2–3, nồng độ $H^+$ cao cạnh tranh vị trí hấp phụ và làm proton hóa các nhóm chức bề mặt, tạo lực đẩy tĩnh điện với $Cu^{2+}$. Khi tăng pH lên 4–5, lực cản tĩnh điện giảm giúp hiệu suất tăng lên. Tại pH = 6, hiệu suất tăng vọt do xuất hiện quá trình kết tủa $\text{Cu(OH)}_2$. Để tránh sai lệch do kết tủa và đảm bảo điều kiện ổn định khi nâng nồng độ lên 500 mg/L, tác giả lựa chọn pH = 4 làm điều kiện tối ưu cho các khảo sát tiếp theo.

  • Ảnh hưởng của thời gian tiếp xúc: Quá trình hấp phụ Cu(II) tại pH = 4 diễn ra qua hai giai đoạn rõ rệt:
Thời gian (phút) Hiệu suất hấp phụ $H$ (%) Dung lượng hấp phụ $q$ (mg/g)
5 $34{,}53 \pm 7{,}67$ $8{,}80 \pm 2{,}14$
15 $36{,}39 \pm 11{,}25$ $9{,}28 \pm 3{,}01$
30 $39{,}88 \pm 5{,}52$ $10{,}17 \pm 1{,}76$
60 $42{,}68 \pm 8{,}72$ $10{,}89 \pm 2{,}70$
90 $42{,}33 \pm 7{,}09$ $10{,}79 \pm 2{,}20$
120 $44{,}27 \pm 9{,}34$ $11{,}29 \pm 2{,}63$
180 $46{,}93 \pm 8{,}59$ $11{,}96 \pm 2{,}43$
240 $48{,}65 \pm 5{,}71$ $12{,}40 \pm 1{,}83$
1440 $51{,}74 \pm 2{,}46$ $13{,}19 \pm 1{,}59$
1500 $52{,}20 \pm 5{,}39$ $13{,}29 \pm 0{,}81$

Giai đoạn đầu (5–60 phút), hiệu suất tăng nhanh từ 34,53% lên 42,68% do trên bề mặt than còn nhiều tâm hoạt tính tự do. Giai đoạn sau (từ 60 đến 1500 phút), tốc độ hấp phụ chậm lại do các tâm hấp phụ đã bị lấp đầy và ion Cu(II) phải khuếch tán sâu vào hệ mao quản bên trong vật liệu.

Kết quả và đóng góp

1. Kết quả nghiên cứu chính

  • Chế tạo thành công vật liệu: Chế tạo được than sinh học từ bã mía qua nhiệt phân ở 400°C trong dòng khí $N_2$ (1 L/phút), vật liệu có cấu trúc rỗng xốp với hàm lượng carbon đạt 73,27% và oxy đạt 24,91%.
  • Nhận diện cơ chế tương tác: Phổ EDX xác nhận than sau hấp phụ lưu giữ được 1,47% khối lượng Cu và 1,00% khối lượng Zn; đồng thời các nguyên tố trao đổi ban đầu như K (0,33%) và Mg (0,18%) được giải phóng hoàn toàn khỏi bề mặt. Phổ FT-IR chứng minh sự tham gia tạo phức của các nhóm chức chứa oxy gồm carboxyl (-COOH tại 1716,90 $\text{cm}^{-1}$) và hydroxyl (-OH tại vùng 2900–3400 $\text{cm}^{-1}$).
  • Xác lập điều kiện vận hành: Xác định pH = 4 là môi trường tối ưu cho quá trình hấp phụ nhằm ngăn chặn hiện tượng kết tủa hydroxide. Quá trình đạt tốc độ hấp phụ nhanh trong 60 phút đầu và đạt dung lượng $13{,}29\text{ mg/g}$ đối với Cu(II) sau 1500 phút tiếp xúc ở nồng độ ban đầu 25 mg/L.

2. Đóng góp khoa học và thực tiễn

  • Đề xuất quy trình tận dụng bã mía – phụ phẩm nông nghiệp có trữ lượng lớn tại Việt Nam – thành vật liệu hấp phụ sinh học xử lý kim loại nặng, góp phần giải quyết bài toán tái chế chất thải rắn nông nghiệp gắn với xử lý nước thải.
  • Cung cấp số liệu phân tích định lượng (AAS, EDX, FT-IR, SEM) làm bằng chứng cho cơ chế hấp phụ kết hợp giữa lực hút tĩnh điện, trao đổi ion và tạo phức bề mặt trên than sinh học bã mía chưa biến tính hóa chất.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế: Nghiên cứu mới chỉ dừng lại ở quy mô dung dịch đơn thành phần trong phòng thí nghiệm; chưa khảo sát sự cạnh tranh đồng thời giữa nhiều ion kim loại nặng trong cùng hệ nước thải thực tế; chưa khảo sát biến thiên nhiệt độ nhiệt phân khác nhau (như 300°C, 500°C, 600°C) hoặc khảo sát khả năng tái sinh, rửa giải vật liệu sau khi đã hấp phụ no ion kim loại.
  • Hướng phát triển tiếp theo:
    1. Thử nghiệm khả năng hấp phụ của than sinh học bã mía trên các mẫu nước thải công nghiệp hoặc nước thải làng nghề thực tế có thành phần đa kim loại ($Cu^{2+}, Zn^{2+}, Pb^{2+}, Cd^{2+}, Ni^{2+}$).
    2. Nghiên cứu biến tính bề mặt than sinh học bằng các tác nhân hóa học (acid, base, muối kim loại hoặc vật liệu nano như hydroxyapatite) để nâng cao dung lượng hấp phụ cực đại.
    3. Khảo sát khả năng tái sinh than sinh học bằng các dung dịch rửa giải acid loãng nhằm đánh giá số chu kỳ tái sử dụng và khả năng thu hồi kim loại.

Giá trị tham khảo

Tài liệu là nguồn tư liệu thực nghiệm hữu ích cho sinh viên, học viên cao học và nghiên cứu sinh thuộc các chuyên ngành Sư phạm Hóa học, Hóa học Môi trường, Kỹ thuật Môi trường và Công nghệ Vật liệu:

  • Tham khảo quy trình chế tạo: Các thông số nhiệt phân bã mía (400°C, 2 giờ, môi trường khí $N_2$ 1 L/phút) và quy trình tiền xử lý sinh khối được mô tả chi tiết, dễ dàng lặp lại trong điều kiện phòng thí nghiệm.
  • Tham khảo phương pháp phân tích: Cung cấp quy trình phân tích định lượng nồng độ kim loại bằng đường chuẩn AAS ngọn lửa và phương pháp phân tích cơ chế hấp phụ dựa trên ảnh SEM, phổ EDX và phổ hồng ngoại FT-IR.
  • Tài liệu tham khảo cho giảng dạy: Khóa luận là mô hình chuẩn mực về mặt phương pháp luận nghiên cứu hóa học thực nghiệm mẻ, phù hợp để xây dựng các bài thí nghiệm chuyên đề xử lý môi trường trong chương trình đại học.

Câu hỏi thường gặp

1. Vì sao tác giả lựa chọn nhiệt độ nhiệt phân bã mía ở 400°C trong dòng khí nitrogen?
Trả lời: Nhiệt độ 400°C là ngưỡng nhiệt phân phù hợp để phân hủy các hợp chất hữu cơ kém bền tạo cấu trúc mao quản xốp mà vẫn bảo tồn được mật độ các nhóm chức chứa oxy quan trọng trên bề mặt (carboxyl, hydroxyl) phục vụ việc tạo phức với ion kim loại. Khí nitrogen với lưu lượng 1 L/phút đảm bảo môi trường yếm khí, ngăn chặn quá trình cháy hoàn toàn sinh khối thành tro vô cơ.

2. Bằng chứng thực nghiệm nào trong khóa luận chứng minh có sự trao đổi ion giữa bề mặt than và dung dịch kim loại?
Trả lời: Dữ liệu phổ EDX cho thấy mẫu than sinh học ban đầu chứa 0,33% K và 0,18% Mg. Sau khi hấp phụ Cu(II) và Zn(II), tín hiệu của K và Mg hoàn toàn biến mất khỏi phổ, thay vào đó là sự xuất hiện của đỉnh Cu (1,47%) và Zn (1,00%), chứng minh các ion $K^+$ và $Mg^{2+}$ tại các tâm khoáng trên than đã trao đổi với các ion kim loại nặng trong dung dịch.

3. Tại sao tác giả chọn pH = 4 làm điều kiện tối ưu để khảo sát tiếp theo dù hiệu suất hấp phụ tại pH = 6 đạt giá trị cao nhất (55,32%)?
Trả lời: Tại pH = 6, ion $Cu^{2+}$ bắt đầu hình thành kết tủa hydroxide $\text{Cu(OH)}_2$, dẫn đến việc sụt giảm nồng độ đồng trong dung dịch không phản ánh chính xác bản chất hấp phụ. Ngoài ra, việc thêm than sinh học vào dung dịch có xu hướng làm tăng pH môi trường, và ở các khảo sát nồng độ cao (lên đến 500 mg/L) việc duy trì pH = 4 đảm bảo dung dịch không bị kết tủa, giúp phép đo AAS phản ánh đúng dung lượng hấp phụ thực tế của vật liệu.

4. Những nhóm chức hóa học nào trên than sinh học bã mía tham gia vào quá trình hấp phụ ion kim loại?
Trả lời: Phổ FT-IR xác định hai nhóm chức bề mặt chính tham gia tương tác: nhóm carboxyl (-COOH) với đỉnh đặc trưng tại số sóng 1716,90 $\text{cm}^{-1}$ và nhóm hydroxyl (-OH) với dải dao động trong vùng 2900–3400 $\text{cm}^{-1}$ (đỉnh 2926,67 $\text{cm}^{-1}$ và 3123,54 $\text{cm}^{-1}$). Các nhóm chức này liên kết với $Cu^{2+}$ và $Zn^{2+}$ qua lực hút tĩnh điện và cơ chế tạo phức bề mặt.

Kết luận

Khóa luận tốt nghiệp của tác giả Phạm Thị Hồng Tuyền đã chế tạo thành công than sinh học từ phụ phẩm bã mía bằng phương pháp nhiệt phân ở 400°C trong môi trường khí nitrogen nhằm xử lý ion Cu(II) và Zn(II) trong môi trường nước. Các phân tích SEM, EDX và FT-IR đã làm sáng tỏ cấu trúc xốp rỗng cùng cơ chế hấp phụ đa dạng bao gồm tương tác tĩnh điện, tạo phức với nhóm -COOH, -OH và trao đổi ion giải phóng K, Mg. Nghiên cứu xác lập pH = 4 là điều kiện vận hành thích hợp, làm cơ sở khoa học cho việc định hướng tái chế phụ phẩm nông nghiệp thành vật liệu xử lý ô nhiễm nguồn nước với chi phí thấp.