Tổng quan nghiên cứu

Ô nhiễm nguồn nước do kim loại nặng là một trong những vấn đề môi trường nghiêm trọng tại Việt Nam, đặc biệt tại các khu công nghiệp và vùng nông thôn. Theo ước tính, khoảng 76% dân số sinh sống ở nông thôn đang phải đối mặt với tình trạng ô nhiễm nước do cơ sở hạ tầng xử lý chất thải còn hạn chế. Các ion kim loại nặng như Mn(II) và Fe(III) trong nước thải công nghiệp vượt quá giới hạn cho phép theo QCVN 40:2011/BTNMT gây ra nhiều bệnh lý nghiêm trọng, trong đó có ung thư và các bệnh về hệ thần kinh. Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là chế tạo vật liệu hấp phụ từ cây sen để xử lý hiệu quả Mn(II) và Fe(III) trong môi trường nước, đồng thời khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hấp phụ và thử nghiệm xử lý mẫu nước thải thực tế. Nghiên cứu được thực hiện trong phạm vi từ năm 2017 đến 2018 tại các địa phương có nguồn nguyên liệu cây sen và mẫu nước thải ở tỉnh Thái Nguyên. Kết quả nghiên cứu góp phần phát triển vật liệu hấp phụ thân thiện môi trường, tận dụng phụ phẩm nông nghiệp, đồng thời cung cấp giải pháp xử lý nước thải kim loại nặng hiệu quả với chi phí thấp.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết hấp phụ trong môi trường nước, bao gồm:

  • Lý thuyết hấp phụ vật lý và hóa học: Sự hấp phụ xảy ra do lực VanderWaals hoặc liên kết hóa học giữa chất hấp phụ và chất bị hấp phụ. Hấp phụ vật lý là quá trình thuận nghịch, trong khi hấp phụ hóa học tạo liên kết bền hơn.

  • Mô hình đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir và Freundlich: Mô hình Langmuir mô tả hấp phụ trên bề mặt đồng nhất với dung lượng hấp phụ cực đại, trong khi Freundlich mô tả hấp phụ trên bề mặt không đồng nhất với sự phụ thuộc nồng độ theo hàm mũ.

  • Mô hình hấp phụ động trên cột: Mô tả quá trình hấp phụ liên tục trong cột hấp phụ, phân chia thành các vùng bão hòa, chuyển tiếp và chưa hấp phụ.

Các khái niệm chính bao gồm dung lượng hấp phụ cân bằng, hiệu suất hấp phụ, điểm đẳng điện của vật liệu hấp phụ, và chỉ số hấp phụ iot dùng để đánh giá khả năng hấp phụ trong môi trường nước.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Nguyên liệu cây sen thu thập tại xã Minh Tân, huyện Lương Tài, tỉnh Bắc Ninh; mẫu nước thải chứa Mn(II) và Fe(III) lấy tại các xã Hoàng Nông và Cây Thị, tỉnh Thái Nguyên.

  • Chế tạo vật liệu hấp phụ: Nguyên liệu cây sen được sấy khô, nghiền nhỏ, hoạt hóa bằng H2SO4 98% và xử lý bằng NaHCO3 1%, sau đó sấy khô để thu than sen (TS).

  • Phân tích đặc trưng vật liệu: Sử dụng phương pháp hiển vi điện tử quét (SEM) để quan sát cấu trúc bề mặt, phương pháp BET để đo diện tích bề mặt riêng, phổ hồng ngoại (IR) để xác định nhóm chức bề mặt, phổ tán sắc năng lượng (EDX) để xác định thành phần hóa học, và xác định điểm đẳng điện bằng phương pháp đo pH.

  • Phương pháp phân tích hấp phụ: Xây dựng đường chuẩn xác định nồng độ Mn(II) và Fe(III) bằng phương pháp quang phổ hấp thụ phân tử UV-Vis; khảo sát các yếu tố ảnh hưởng như pH, thời gian, khối lượng vật liệu, nhiệt độ, nồng độ đầu; thực hiện hấp phụ tĩnh và hấp phụ động trên cột.

  • Cỡ mẫu và timeline: Thí nghiệm được tiến hành với khối lượng vật liệu từ 0,01 đến 0,1 g, nồng độ ion kim loại từ khoảng 20 đến 250 mg/L, thời gian hấp phụ từ 5 đến 150 phút, nhiệt độ từ 303K đến 323K. Nghiên cứu hoàn thành trong năm 2018.

  • Phân tích số liệu: Sử dụng mô hình đẳng nhiệt Langmuir để tính dung lượng hấp phụ cực đại, mô hình hấp phụ động trên cột để đánh giá hiệu quả tách loại và thu hồi ion kim loại.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Đặc trưng vật liệu hấp phụ than sen (TS): Diện tích bề mặt riêng của TS đạt 10,35 m²/g, cao hơn gấp 7 lần so với nguyên liệu ban đầu (1,39 m²/g). Ảnh SEM cho thấy bề mặt TS có nhiều lỗ xốp đa kích thước, tạo điều kiện thuận lợi cho hấp phụ. Chỉ số hấp phụ iot của TS là 762 mg/g, vượt ngưỡng 500 mg/g theo tiêu chuẩn AWWA B604, chứng tỏ khả năng hấp phụ tốt trong xử lý nước thải.

  2. Điểm đẳng điện của TS: Xác định điểm đẳng điện pI = 6,31. Khi pH < 6,31, bề mặt TS tích điện dương; khi pH > 6,31, bề mặt tích điện âm, ảnh hưởng đến tương tác hấp phụ ion Mn(II) và Fe(III).

  3. Khả năng hấp phụ Mn(II) và Fe(III): Dung lượng hấp phụ cực đại qmax theo mô hình Langmuir lần lượt là khoảng 52,93 mg/g cho Mn(II) và 51,50 mg/g cho Fe(III). Hiệu suất hấp phụ đạt tối ưu ở pH 6,06 cho Mn(II) và pH 2,52 cho Fe(III). Thời gian cân bằng hấp phụ là 60 phút với Mn(II) và 120 phút với Fe(III).

  4. Ảnh hưởng các yếu tố đến hấp phụ: Tăng khối lượng TS từ 0,01 đến 0,05 g làm tăng hiệu suất hấp phụ lên đến 90% cho cả hai ion. Nhiệt độ tăng từ 303K đến 323K làm tăng dung lượng hấp phụ, cho thấy quá trình hấp phụ mang tính thuận nhiệt. Nồng độ ion ban đầu tăng làm giảm hiệu suất hấp phụ do bão hòa bề mặt TS.

  5. Hấp phụ động trên cột và giải hấp: Tốc độ dòng 1,5 mL/phút cho hiệu quả hấp phụ cao nhất. Dung dịch EDTA 0,05M và axit HNO3 0,1M được sử dụng để giải hấp Mn(II) và Fe(III) với hiệu suất thu hồi trên 85%, cho phép tái sử dụng vật liệu hấp phụ.

Thảo luận kết quả

Kết quả cho thấy vật liệu than sen có cấu trúc xốp và diện tích bề mặt lớn, phù hợp để hấp phụ ion kim loại nặng. Điểm đẳng điện pI = 6,31 giải thích sự phụ thuộc mạnh mẽ của pH đến hiệu quả hấp phụ, do tương tác tĩnh điện giữa bề mặt TS và ion kim loại. So với các nghiên cứu trước đây sử dụng than hoạt tính từ phụ phẩm nông nghiệp khác, dung lượng hấp phụ của TS tương đương hoặc cao hơn, đồng thời chi phí chế tạo thấp và thân thiện môi trường. Các biểu đồ đường chuẩn, đồ thị ảnh hưởng pH, thời gian và nhiệt độ minh họa rõ ràng xu hướng hấp phụ, giúp tối ưu hóa điều kiện xử lý. Quá trình hấp phụ thuận nhiệt phù hợp với các ứng dụng thực tế trong điều kiện nhiệt độ phòng đến hơi cao. Khả năng giải hấp và tái sử dụng vật liệu góp phần nâng cao hiệu quả kinh tế và bền vững của công nghệ.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Ứng dụng vật liệu than sen trong xử lý nước thải công nghiệp: Khuyến nghị các nhà máy xử lý nước thải tại các khu công nghiệp sử dụng than sen với liều lượng 0,05 g/50 mL nước thải, điều chỉnh pH phù hợp (khoảng 6 cho Mn(II), 2,5 cho Fe(III)) để đạt hiệu quả hấp phụ tối ưu trong vòng 60-120 phút.

  2. Phát triển quy trình hấp phụ động trên cột: Thiết kế cột hấp phụ với tốc độ dòng 1,5 mL/phút và sử dụng dung dịch EDTA hoặc axit HNO3 để tái sinh vật liệu, đảm bảo hiệu suất thu hồi ion trên 85% trong vòng 1-2 giờ, giúp giảm chi phí vận hành.

  3. Mở rộng nghiên cứu vật liệu hấp phụ từ các bộ phận khác của cây sen: Khuyến khích nghiên cứu thêm về khả năng hấp phụ của lá, đài sen để tận dụng toàn bộ phụ phẩm, nâng cao giá trị kinh tế và giảm thiểu lãng phí.

  4. Triển khai thử nghiệm xử lý nước thải thực tế quy mô pilot: Thực hiện thử nghiệm tại các khu vực có nguồn nước thải chứa Mn(II), Fe(III) để đánh giá hiệu quả thực tiễn, điều chỉnh quy trình phù hợp với điều kiện môi trường và quy mô xử lý.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Hóa học, Môi trường: Nghiên cứu về vật liệu hấp phụ, xử lý ô nhiễm kim loại nặng, phát triển công nghệ xử lý nước thải.

  2. Cơ quan quản lý môi trường và các đơn vị xử lý nước thải: Áp dụng kết quả nghiên cứu để lựa chọn vật liệu hấp phụ hiệu quả, thân thiện môi trường, giảm chi phí xử lý.

  3. Doanh nghiệp sản xuất vật liệu hấp phụ và công nghệ xử lý nước: Phát triển sản phẩm than hoạt tính từ phụ phẩm nông nghiệp, mở rộng thị trường vật liệu xử lý nước thải.

  4. Người dân và cộng đồng tại các vùng có nguồn nước bị ô nhiễm kim loại nặng: Hiểu rõ tác động của kim loại nặng và các giải pháp xử lý, nâng cao nhận thức bảo vệ môi trường.

Câu hỏi thường gặp

  1. Vật liệu than sen có ưu điểm gì so với than hoạt tính truyền thống?
    Than sen có diện tích bề mặt riêng cao (10,35 m²/g), cấu trúc xốp đa dạng và chỉ số hấp phụ iot 762 mg/g, vượt tiêu chuẩn AWWA. Ngoài ra, nguyên liệu dễ kiếm, chi phí thấp và thân thiện môi trường hơn so với than hoạt tính từ gỗ hoặc than đá.

  2. Điều kiện pH ảnh hưởng thế nào đến quá trình hấp phụ Mn(II) và Fe(III)?
    pH ảnh hưởng đến điện tích bề mặt vật liệu và trạng thái ion kim loại. Mn(II) hấp phụ tốt nhất ở pH ~6,06 khi bề mặt TS tích điện âm, còn Fe(III) hấp phụ tối ưu ở pH ~2,52 khi bề mặt tích điện dương, giúp tăng tương tác tĩnh điện.

  3. Thời gian hấp phụ cân bằng là bao lâu?
    Thời gian cân bằng hấp phụ là 60 phút đối với Mn(II) và 120 phút đối với Fe(III), sau thời gian này nồng độ ion trong dung dịch không thay đổi đáng kể, đảm bảo hiệu quả xử lý.

  4. Vật liệu có thể tái sử dụng được không?
    Có, vật liệu than sen có thể được giải hấp bằng dung dịch EDTA (cho Mn(II)) và axit HNO3 (cho Fe(III)) với hiệu suất thu hồi trên 85%, cho phép tái sử dụng nhiều lần, giảm chi phí vận hành.

  5. Nồng độ ion kim loại ban đầu ảnh hưởng thế nào đến hiệu suất hấp phụ?
    Khi nồng độ ion tăng, hiệu suất hấp phụ giảm do bề mặt vật liệu nhanh chóng bão hòa. Do đó, cần điều chỉnh liều lượng vật liệu hoặc kết hợp các phương pháp xử lý để đạt hiệu quả cao.

Kết luận

  • Vật liệu hấp phụ than sen có diện tích bề mặt riêng 10,35 m²/g và chỉ số hấp phụ iot 762 mg/g, phù hợp xử lý nước thải chứa Mn(II) và Fe(III).
  • Dung lượng hấp phụ cực đại đạt khoảng 52,93 mg/g cho Mn(II) và 51,50 mg/g cho Fe(III), với pH tối ưu lần lượt là 6,06 và 2,52.
  • Quá trình hấp phụ thuận nhiệt, thời gian cân bằng từ 60 đến 120 phút, hiệu suất hấp phụ cao khi sử dụng khối lượng vật liệu phù hợp.
  • Hấp phụ động trên cột và giải hấp bằng EDTA, axit HNO3 cho phép tái sử dụng vật liệu hiệu quả, nâng cao tính kinh tế.
  • Nghiên cứu mở ra hướng phát triển vật liệu hấp phụ từ phụ phẩm nông nghiệp, góp phần xử lý ô nhiễm kim loại nặng bền vững.

Tiếp theo, cần triển khai thử nghiệm quy mô pilot tại các khu công nghiệp và mở rộng nghiên cứu vật liệu từ các bộ phận khác của cây sen. Đề nghị các đơn vị xử lý nước thải và nhà nghiên cứu phối hợp ứng dụng kết quả để nâng cao hiệu quả xử lý môi trường.

Hành động ngay: Liên hệ các phòng thí nghiệm chuyên ngành để triển khai thử nghiệm thực tế và phát triển sản phẩm than sen thương mại.