Tổng quan nghiên cứu

Nguồn nước ngọt chiếm khoảng 2,5% tổng lượng nước trên Trái Đất, trong đó phần lớn là băng tuyết, chỉ một phần nhỏ tồn tại dưới dạng nước mặt và nước ngầm. Tuy nhiên, sự phát triển công nghiệp và đô thị hóa nhanh chóng đã gây áp lực lớn lên nguồn tài nguyên nước này, dẫn đến ô nhiễm nghiêm trọng, đặc biệt là ô nhiễm kim loại nặng như Cr(VI) và Ni(II). Tại Việt Nam, các lưu vực sông như sông Nhuệ - Đáy, sông Cầu và sông Đồng Nai đang chịu ảnh hưởng nặng nề từ nước thải công nghiệp và sinh hoạt với khối lượng chất thải lên đến 80.000 m³/ngày, vượt xa giới hạn cho phép về các chỉ tiêu ô nhiễm. Theo ước tính, mỗi năm có khoảng 9.000 người tử vong do nguồn nước và điều kiện vệ sinh kém, cùng với khoảng 200.000 ca ung thư mới phát hiện có liên quan đến ô nhiễm nước.

Mục tiêu nghiên cứu tập trung vào việc chế tạo than hoạt tính từ thân cây sen – một phụ phẩm nông nghiệp phổ biến tại Việt Nam – nhằm hấp phụ và loại bỏ ion Cr(VI) và Ni(II) trong môi trường nước. Nghiên cứu thực hiện trong phạm vi từ năm 2016 đến 2017 tại tỉnh Hà Nam và các khu vực lân cận, với ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển vật liệu hấp phụ giá rẻ, thân thiện môi trường, góp phần xử lý nước thải công nghiệp và bảo vệ nguồn nước sinh hoạt.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết hấp phụ vật lý và hóa học, trong đó hấp phụ vật lý chủ yếu do lực Van der Waals, còn hấp phụ hóa học liên quan đến liên kết hóa học bền vững giữa bề mặt than và ion kim loại. Mô hình động học hấp phụ bậc nhất và bậc hai được sử dụng để mô tả quá trình hấp phụ theo thời gian, trong khi các mô hình đẳng nhiệt hấp phụ như Langmuir và Freundlich giúp xác định dung lượng hấp phụ cực đại và tính chất bề mặt của vật liệu.

Ba khái niệm chính được áp dụng gồm:

  • Điểm đẳng điện (pI) của than, xác định điện tích bề mặt theo pH môi trường.
  • Dung lượng hấp phụ cân bằng (q), biểu thị lượng ion kim loại bị giữ lại trên than.
  • Hiệu suất hấp phụ (H%), tỷ lệ phần trăm ion bị loại bỏ khỏi dung dịch.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu thu thập từ thân cây sen lấy tại xã Yên Bắc, huyện Duy Tiên, tỉnh Hà Nam. Than thân sen (TTS) được chế tạo bằng phương pháp xử lý axit photphoric 40% và nung ở 450°C. Đặc điểm bề mặt của TTS được khảo sát bằng kính hiển vi điện tử quét (SEM) và phương pháp đo diện tích bề mặt riêng BET. Điểm đẳng điện được xác định qua thay đổi pH dung dịch NaCl 0,1M.

Phân tích hàm lượng Cr(VI) và Ni(II) trong dung dịch sử dụng phương pháp trắc quang với thuốc thử 1,5-điphenylcarbazit và đimetylglyoxim, đo hấp thụ quang ở bước sóng 540 nm và 545 nm tương ứng. Các thí nghiệm hấp phụ tĩnh được thực hiện với các biến số thời gian, pH, nồng độ ion đầu, khối lượng TTS và nhiệt độ. Phương pháp hấp phụ động trên cột cũng được áp dụng để khảo sát khả năng tách loại và thu hồi ion kim loại.

Cỡ mẫu gồm nhiều bình tam giác chứa dung dịch ion kim loại với nồng độ từ khoảng 15 đến 200 mg/l, khối lượng TTS từ 0,02 đến 0,2 g, thời gian lắc từ 5 đến 240 phút. Phân tích số liệu sử dụng mô hình đẳng nhiệt Langmuir để xác định dung lượng hấp phụ cực đại và hằng số hấp phụ.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Đặc điểm bề mặt TTS:

    • Diện tích bề mặt riêng của TTS đạt 1261,82 m²/g, tăng gấp gần 910 lần so với thân sen ban đầu (1,39 m²/g).
    • Ảnh SEM cho thấy TTS có cấu trúc xốp rõ rệt, thuận lợi cho quá trình hấp phụ.
    • Điểm đẳng điện của TTS là pI = 3,33, cho thấy bề mặt tích điện dương khi pH < 3,33 và tích điện âm khi pH > 3,33.

  2. Khả năng hấp phụ Cr(VI) và Ni(II):

    • Thời gian cân bằng hấp phụ là 40 phút đối với Cr(VI) và 180 phút đối với Ni(II).
    • Hiệu suất hấp phụ Cr(VI) đạt 99,67% với dung lượng hấp phụ 25,54 mg/g; Ni(II) đạt 43,03% với dung lượng 5,26 mg/g.
    • pH tối ưu cho hấp phụ Cr(VI) là 1,05 với hiệu suất 99,91%, cho Ni(II) là khoảng 3,0 với hiệu suất 23,89%.
    • Dung lượng hấp phụ cực đại theo mô hình Langmuir của TTS là khoảng 25,5 mg/g cho Cr(VI) và 5,3 mg/g cho Ni(II).

  3. So sánh với than thị trường:

    • TTS có hiệu suất hấp phụ Cr(VI) và Ni(II) tương đương hoặc vượt trội so với than hoạt tính thương mại từ gáo dừa.
    • Chỉ số hấp phụ iot của TTS là 762 mg/g, vượt ngưỡng 500 mg/g theo tiêu chuẩn AWWA, chứng tỏ khả năng hấp phụ tốt.

  4. Khả năng tách loại và thu hồi trên cột hấp phụ:

    • Tốc độ dòng chảy ảnh hưởng đến hiệu quả hấp phụ, tốc độ 3,0 ml/phút cho kết quả tối ưu.
    • Dung dịch axit HNO3 với nồng độ thích hợp giúp giải hấp và thu hồi ion Cr(VI), Ni(II) hiệu quả.

Thảo luận kết quả

Sự gia tăng diện tích bề mặt và cấu trúc xốp của TTS sau xử lý axit photphoric và nung nhiệt là yếu tố quyết định khả năng hấp phụ cao. Điểm đẳng điện pI = 3,33 phù hợp với điều kiện pH tối ưu cho hấp phụ Cr(VI) và Ni(II), do bề mặt tích điện dương sẽ hút các ion âm Cr(VI) ở pH thấp, trong khi Ni(II) hấp phụ tốt hơn ở pH trung tính do tương tác điện tích và phức hóa.

Thời gian cân bằng hấp phụ dài hơn đối với Ni(II) phản ánh sự khác biệt về cơ chế hấp phụ và kích thước ion. So với các nghiên cứu trước đây về than hoạt tính từ phụ phẩm nông nghiệp như bã mía, xơ dừa, TTS cho thấy hiệu quả hấp phụ cạnh tranh, đồng thời tận dụng nguồn nguyên liệu sẵn có, giá thành thấp.

Kết quả hấp phụ động trên cột cho thấy TTS có thể ứng dụng trong xử lý nước thải công nghiệp thực tế, với khả năng tái sinh và thu hồi ion kim loại qua giải hấp bằng axit. Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ đường cong thoát nồng độ ion theo thời gian và bảng so sánh hiệu suất hấp phụ giữa các vật liệu.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Phát triển quy trình sản xuất than thân sen quy mô công nghiệp nhằm tận dụng nguồn nguyên liệu sẵn có, giảm chi phí xử lý nước thải kim loại nặng trong các khu công nghiệp. Thời gian thực hiện: 1-2 năm, chủ thể: các doanh nghiệp công nghệ môi trường.

  2. Ứng dụng than thân sen trong hệ thống xử lý nước thải công nghiệp tại các khu vực ô nhiễm nặng như lưu vực sông Nhuệ - Đáy, sông Cầu. Mục tiêu giảm nồng độ Cr(VI), Ni(II) xuống dưới ngưỡng quy chuẩn Việt Nam (0,05 mg/l Cr(VI), 0,2 mg/l Ni(II)). Thời gian: 6-12 tháng, chủ thể: các nhà máy, cơ quan quản lý môi trường.

  3. Nghiên cứu cải tiến vật liệu hấp phụ bằng phương pháp hoạt hóa hóa học và vật lý để tăng dung lượng hấp phụ và khả năng tái sử dụng. Thời gian: 1 năm, chủ thể: các viện nghiên cứu, trường đại học.

  4. Xây dựng hướng dẫn kỹ thuật và quy trình vận hành hệ thống hấp phụ động trên cột sử dụng than thân sen, đảm bảo hiệu quả xử lý và thu hồi kim loại. Thời gian: 6 tháng, chủ thể: cơ quan quản lý môi trường, đơn vị tư vấn kỹ thuật.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Hóa phân tích, Môi trường: Nghiên cứu cung cấp dữ liệu thực nghiệm và phương pháp phân tích hấp phụ ion kim loại nặng bằng vật liệu than hoạt tính từ thân cây sen.

  2. Doanh nghiệp công nghệ môi trường và xử lý nước thải: Tham khảo quy trình chế tạo than thân sen và ứng dụng trong xử lý nước thải chứa Cr(VI), Ni(II) để phát triển sản phẩm thân thiện môi trường, chi phí thấp.

  3. Cơ quan quản lý môi trường và chính sách: Cung cấp cơ sở khoa học để xây dựng các tiêu chuẩn, quy định về xử lý nước thải công nghiệp và khuyến khích sử dụng vật liệu hấp phụ sinh học.

  4. Người làm trong ngành nông nghiệp và phát triển bền vững: Khai thác giá trị phụ phẩm nông nghiệp như thân cây sen, góp phần giảm thiểu chất thải và phát triển kinh tế tuần hoàn.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao chọn thân cây sen làm nguyên liệu chế tạo than hoạt tính?
    Thân cây sen là phụ phẩm nông nghiệp phổ biến, có cấu trúc sợi và chứa nhiều cacbon, dễ chế tạo than hoạt tính có diện tích bề mặt lớn, chi phí thấp và thân thiện môi trường.

  2. Khả năng hấp phụ Cr(VI) và Ni(II) của than thân sen so với than thương mại như thế nào?
    Than thân sen có diện tích bề mặt riêng lên đến 1261,82 m²/g và chỉ số iot 762 mg/g, hiệu suất hấp phụ Cr(VI) đạt gần 100%, tương đương hoặc vượt trội so với than thương mại từ gáo dừa.

  3. Ảnh hưởng của pH đến quá trình hấp phụ ion kim loại?
    pH ảnh hưởng đến điện tích bề mặt than và trạng thái ion kim loại. Cr(VI) hấp phụ tốt ở pH thấp (~1) do bề mặt than tích điện dương, Ni(II) hấp phụ tốt hơn ở pH trung tính (~3-5) do tương tác điện tích và phức hóa.

  4. Thời gian cân bằng hấp phụ là bao lâu?
    Thời gian cân bằng hấp phụ là khoảng 40 phút đối với Cr(VI) và 180 phút đối với Ni(II), phản ánh sự khác biệt về cơ chế và tốc độ hấp phụ.

  5. Có thể tái sử dụng than thân sen sau khi hấp phụ không?
    Có thể tái sử dụng bằng phương pháp giải hấp sử dụng dung dịch axit HNO3, giúp thu hồi ion kim loại và duy trì hiệu suất hấp phụ trong các chu kỳ tiếp theo.

Kết luận

  • Than thân sen (TTS) được chế tạo thành công với diện tích bề mặt riêng 1261,82 m²/g và cấu trúc xốp rõ rệt, phù hợp làm vật liệu hấp phụ.
  • TTS có khả năng hấp phụ cao ion Cr(VI) với hiệu suất gần 100% và Ni(II) đạt trên 40% trong điều kiện tối ưu.
  • Các yếu tố như pH, thời gian, khối lượng than và nhiệt độ ảnh hưởng rõ rệt đến hiệu quả hấp phụ.
  • TTS có thể thay thế than hoạt tính thương mại trong xử lý nước thải công nghiệp chứa kim loại nặng.
  • Nghiên cứu mở ra hướng phát triển vật liệu hấp phụ giá rẻ, thân thiện môi trường từ phụ phẩm nông nghiệp, góp phần bảo vệ nguồn nước và sức khỏe cộng đồng.

Hành động tiếp theo: Khuyến khích các đơn vị nghiên cứu và doanh nghiệp triển khai ứng dụng than thân sen trong xử lý nước thải thực tế, đồng thời phát triển quy trình sản xuất quy mô lớn và cải tiến vật liệu để nâng cao hiệu quả hấp phụ.