Tổng quan nghiên cứu

Ngành nuôi trồng và chế biến thủy hải sản tại Việt Nam phát triển mạnh mẽ với tổng sản lượng khai thác và nuôi trồng đạt khoảng 8,4 triệu tấn năm 2020, đóng góp 4-5% GDP và chiếm 9-10% tổng kim ngạch xuất khẩu quốc gia. Song song với sự phát triển này là vấn đề ô nhiễm môi trường do lượng lớn chất thải từ ngành thủy sản, đặc biệt là vỏ trai, vỏ sò, vỏ ốc thải ra môi trường. Mỗi tấn thành phẩm nhuyễn thể hai mảnh thải ra khoảng 8 tấn chất thải, phần lớn được chôn lấp hoặc thải trực tiếp, gây ô nhiễm và lãng phí tài nguyên.

Luận văn tập trung nghiên cứu xử lý bột vỏ trai thu thập từ các cơ sở nuôi trai lấy ngọc tại Việt Nam nhằm đánh giá khả năng hấp phụ thuốc nhuộm xanh metylen và ion crom (VI) trong môi trường nước. Mục tiêu cụ thể gồm: (1) tìm tác nhân và điều kiện xử lý, hoạt hóa bột vỏ trai; (2) đánh giá khả năng hấp phụ thuốc nhuộm và ion kim loại qua các mô hình đẳng nhiệt, động học và nhiệt động lực học; (3) đề xuất quy trình sử dụng bột vỏ trai làm vật liệu hấp phụ trong xử lý nước thải. Nghiên cứu thực hiện tại Việt Nam trong giai đoạn 2019-2022, có ý nghĩa thiết thực trong việc tái chế chất thải thủy sản, giảm thiểu ô nhiễm và phát triển công nghệ môi trường bền vững.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình hấp phụ truyền thống trong công nghệ môi trường, bao gồm:

  • Mô hình đẳng nhiệt Langmuir: mô tả hấp phụ đơn lớp với khả năng hấp phụ cực đại và hằng số ái lực.
  • Mô hình đẳng nhiệt Freundlich: mô tả hấp phụ đa lớp trên bề mặt không đồng nhất.
  • Mô hình đẳng nhiệt Temkin: xét đến tương tác giữa các phân tử hấp phụ và năng lượng hấp phụ giảm dần.
  • Mô hình đẳng nhiệt Dubinin-Radushkevich (DR): dùng để phân biệt hấp phụ vật lý và hấp phụ hóa học dựa trên năng lượng hấp phụ.

Ngoài ra, các mô hình động học hấp phụ bậc nhất, giả bậc nhất, bậc hai và giả bậc hai được áp dụng để phân tích cơ chế hấp phụ và tốc độ hấp phụ của bột vỏ trai đối với thuốc nhuộm xanh metylen và ion crom (VI).

Các khái niệm chính bao gồm: diện tích bề mặt riêng BET, thế zeta, pHPZC (điểm điện tích không), kích thước hạt, và các nhóm chức hóa học trên bề mặt vật liệu ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Vỏ trai thu thập tại công ty nuôi trai lấy ngọc ở Nha Trang, Khánh Hòa (2019). Thuốc nhuộm xanh metylen và ion crom (VI) chuẩn được pha chế theo nồng độ từ 0,1 đến 17 ppm.
  • Chuẩn bị mẫu: Vỏ trai được rửa sạch, ngâm dung dịch NaClO 0,1M 24 giờ, nghiền bi 24-48 giờ, sấy khô 70°C, rây kích thước 0,125 mm. Mẫu biến tính gồm nung ở 750°C 24 giờ và xử lý bằng EDTA.
  • Phân tích đặc trưng vật liệu: Phổ hồng ngoại (IR), hiển vi điện tử quét (SEM), phổ tán xạ năng lượng tia X (EDX), đo thế zeta và kích thước hạt (DLS), diện tích bề mặt BET.
  • Thí nghiệm hấp phụ: Khảo sát ảnh hưởng của khối lượng bột, nồng độ ban đầu, nhiệt độ, pH và thời gian hấp phụ trên dung dịch xanh metylen và ion crom (VI). Đo phổ UV-Vis tại bước sóng 664 nm (xanh metylen) và 540 nm (crom VI).
  • Phân tích số liệu: Tính lượng hấp phụ Q (mg/g), phần trăm hấp phụ H (%), xây dựng các mô hình đẳng nhiệt và động học hấp phụ. Cỡ mẫu thí nghiệm gồm nhiều lần lặp với các điều kiện biến đổi để đảm bảo độ tin cậy.

Thời gian nghiên cứu kéo dài từ 2019 đến 2022, thực hiện tại Viện Kỹ thuật nhiệt đới, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Đặc trưng vật liệu: Bột vỏ trai ban đầu có cấu trúc dạng phiến với nhiều lỗ rỗng, diện tích bề mặt BET đạt 2,914 m²/g, thể tích lỗ 0,00263 cm³/g. Sau biến tính EDTA, diện tích bề mặt giảm nhẹ còn 2,612 m²/g nhưng thể tích lỗ và chiều rộng lỗ rỗng tăng lên, kích thước hạt giảm từ trung bình 6240 nm xuống 4303 nm, cho thấy vật liệu trở nên xốp và kích thước hạt nhỏ hơn, thuận lợi cho hấp phụ.
  2. Khả năng hấp phụ xanh metylen: Với 0,5 g bột vỏ trai ban đầu, hiệu suất hấp phụ đạt 83,36% ở nồng độ 7 ppm, thời gian 60 phút. Nồng độ dung dịch 10 ppm cho hiệu suất cao nhất 86,13%. Nhiệt độ 30°C là điều kiện tối ưu với hiệu suất 86,98%. pH tối ưu là 7, hiệu suất hấp phụ đạt 85,2%. Thời gian hấp phụ từ 20 đến 120 phút cho thấy quá trình đạt cân bằng nhanh.
  3. Khả năng hấp phụ ion crom (VI): Tương tự xanh metylen, bột vỏ trai có khả năng hấp phụ ion crom (VI) hiệu quả với các điều kiện tối ưu tương tự. Mô hình đẳng nhiệt và động học cho thấy quá trình hấp phụ phù hợp với mô hình Langmuir và động học giả bậc hai, cho thấy hấp phụ đơn lớp và cơ chế hấp phụ hóa học chiếm ưu thế.
  4. Ảnh hưởng biến tính: Bột vỏ trai biến tính bằng EDTA có khả năng hấp phụ cải thiện do tăng thể tích lỗ và diện tích bề mặt riêng, đồng thời loại bỏ tạp chất Fe và S, giúp tăng hiệu quả hấp phụ thuốc nhuộm và ion kim loại.

Thảo luận kết quả

Kết quả cho thấy bột vỏ trai là vật liệu hấp phụ tiềm năng cho xử lý ô nhiễm thuốc nhuộm xanh metylen và ion crom (VI) trong nước. Cấu trúc vật liệu với diện tích bề mặt lớn và lỗ rỗng phù hợp giúp tăng khả năng hấp phụ. Sự biến tính bằng EDTA làm tăng thể tích lỗ và giảm kích thước hạt, cải thiện hiệu quả hấp phụ.

So sánh với các nghiên cứu trong nước và quốc tế, hiệu suất hấp phụ của bột vỏ trai tương đương hoặc vượt trội so với các vật liệu hấp phụ khác như vỏ ốc nước ngọt, vỏ vẹm xanh đã carbon hóa, biochar từ tính, hay vật liệu composite chitosan-sắt từ oxit. Mô hình đẳng nhiệt Langmuir và động học giả bậc hai phù hợp với quá trình hấp phụ, cho thấy hấp phụ đơn lớp và cơ chế hóa học chiếm ưu thế, phù hợp với các nghiên cứu tương tự trên vật liệu sinh học.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ ảnh hưởng của pH, nhiệt độ, nồng độ và thời gian đến hiệu suất hấp phụ, cũng như bảng so sánh các thông số đẳng nhiệt và động học giữa mẫu ban đầu và biến tính. Điều này giúp minh họa rõ ràng sự cải thiện hiệu quả hấp phụ sau biến tính và điều kiện tối ưu cho ứng dụng thực tế.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Áp dụng quy trình xử lý và biến tính bột vỏ trai bằng EDTA để tăng diện tích bề mặt và thể tích lỗ, nâng cao hiệu quả hấp phụ thuốc nhuộm và ion kim loại trong nước thải. Thời gian thực hiện quy trình khoảng 24 giờ nung và 2 giờ xử lý EDTA, phù hợp cho sản xuất quy mô nhỏ và vừa.
  2. Tối ưu điều kiện hấp phụ: sử dụng 0,5 g bột vỏ trai cho 50 ml dung dịch, pH môi trường duy trì ở 7, nhiệt độ khoảng 30°C, thời gian hấp phụ 60 phút để đạt hiệu suất hấp phụ cao nhất. Các thông số này nên được áp dụng trong thiết kế hệ thống xử lý nước thải.
  3. Phát triển công nghệ tái chế bột vỏ trai từ các cơ sở nuôi trai lấy ngọc và chế biến thủy sản tại Việt Nam nhằm giảm thiểu ô nhiễm môi trường và tận dụng nguồn nguyên liệu sẵn có, góp phần phát triển kinh tế tuần hoàn.
  4. Khuyến khích nghiên cứu mở rộng ứng dụng bột vỏ trai hấp phụ các loại thuốc nhuộm khác và kim loại nặng đa dạng, đồng thời đánh giá khả năng tái sử dụng vật liệu sau quá trình hấp phụ để nâng cao tính bền vững và hiệu quả kinh tế.

Chủ thể thực hiện gồm các viện nghiên cứu công nghệ môi trường, doanh nghiệp chế biến thủy sản và các cơ sở nuôi trai. Thời gian triển khai đề xuất trong vòng 1-2 năm để hoàn thiện quy trình và thử nghiệm thực tế.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành công nghệ môi trường, hóa học: Nghiên cứu cung cấp dữ liệu thực nghiệm, mô hình hấp phụ và phương pháp biến tính vật liệu sinh học, hỗ trợ phát triển các đề tài liên quan đến xử lý ô nhiễm nước.
  2. Doanh nghiệp chế biến thủy sản và nuôi trai lấy ngọc: Tham khảo để áp dụng công nghệ tái chế chất thải vỏ trai thành vật liệu hấp phụ, giảm chi phí xử lý chất thải và tăng giá trị sản phẩm phụ.
  3. Cơ quan quản lý môi trường và chính sách: Cung cấp cơ sở khoa học cho việc xây dựng chính sách quản lý chất thải thủy sản và khuyến khích phát triển công nghệ xanh, thân thiện môi trường.
  4. Các tổ chức phát triển bền vững và môi trường: Sử dụng kết quả nghiên cứu để thúc đẩy các dự án xử lý ô nhiễm nước thải công nghiệp, góp phần bảo vệ nguồn nước và sức khỏe cộng đồng.

Câu hỏi thường gặp

  1. Bột vỏ trai có thể hấp phụ những loại chất ô nhiễm nào?
    Bột vỏ trai có khả năng hấp phụ hiệu quả các ion kim loại nặng như crom (VI) và các thuốc nhuộm hữu cơ như xanh metylen, nhờ cấu trúc xốp và thành phần chính là canxi cacbonat. Nghiên cứu cũng cho thấy tiềm năng hấp phụ các chất ô nhiễm khác trong nước thải công nghiệp.

  2. Tại sao cần biến tính bột vỏ trai bằng EDTA?
    Biến tính bằng EDTA giúp tăng thể tích lỗ và giảm kích thước hạt, làm tăng diện tích bề mặt tiếp xúc, loại bỏ tạp chất kim loại không mong muốn, từ đó nâng cao hiệu quả hấp phụ các chất ô nhiễm trong nước.

  3. Điều kiện pH và nhiệt độ nào tối ưu cho quá trình hấp phụ?
    pH môi trường tối ưu là khoảng 7, nhiệt độ khoảng 30°C. Ở pH này, bột vỏ trai hấp phụ xanh metylen và ion crom (VI) hiệu quả nhất do cân bằng điện tích bề mặt và ion trong dung dịch.

  4. Quá trình hấp phụ diễn ra trong bao lâu để đạt hiệu quả?
    Thời gian hấp phụ tối ưu là khoảng 60 phút, sau đó quá trình gần như đạt trạng thái cân bằng, hiệu suất hấp phụ ổn định và không tăng đáng kể khi kéo dài thời gian.

  5. Bột vỏ trai có thể tái sử dụng sau khi hấp phụ không?
    Nghiên cứu chưa tập trung sâu vào tái sử dụng, tuy nhiên do cơ chế hấp phụ chủ yếu là hóa học, khả năng tái sử dụng có thể hạn chế. Cần nghiên cứu thêm để phát triển quy trình tái sinh vật liệu nhằm nâng cao tính bền vững.

Kết luận

  • Bột vỏ trai thu thập từ các cơ sở nuôi trai lấy ngọc tại Việt Nam có cấu trúc xốp, diện tích bề mặt riêng phù hợp làm vật liệu hấp phụ trong xử lý nước thải.
  • Biến tính bằng EDTA cải thiện đáng kể khả năng hấp phụ thuốc nhuộm xanh metylen và ion crom (VI) nhờ tăng thể tích lỗ và giảm kích thước hạt.
  • Quá trình hấp phụ tuân theo mô hình đẳng nhiệt Langmuir và động học giả bậc hai, cho thấy hấp phụ đơn lớp và cơ chế hóa học chiếm ưu thế.
  • Điều kiện hấp phụ tối ưu gồm pH 7, nhiệt độ 30°C, thời gian 60 phút và khối lượng bột vỏ trai 0,5 g cho 50 ml dung dịch.
  • Nghiên cứu mở ra hướng phát triển công nghệ tái chế chất thải thủy sản thành vật liệu hấp phụ thân thiện môi trường, góp phần giảm ô nhiễm và phát triển kinh tế tuần hoàn tại Việt Nam.

Tiếp theo, cần triển khai thử nghiệm quy mô pilot và đánh giá khả năng ứng dụng thực tế trong xử lý nước thải công nghiệp. Đề nghị các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp phối hợp phát triển công nghệ, nâng cao hiệu quả và tính bền vững của vật liệu hấp phụ từ bột vỏ trai.