CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1. Tổng quan về các nghiên cứu có liên quan trong và ngoài nước Bảng 1. 1: Tổng hợp các nghiên cứu trong và ngoài nước Chất ô Tài liệu STT Vật liệu Qe (mg/g) Ghi chú nhiễm tham khảo Diclofenac 6,437 Tomul, 1 Vỏ cam (chất giảm Kết hợp 2019 đau) 144,1 FeCl3 Zhang, 2 Vỏ chuối MB 862 Langmuir 2019 3 Mùn cưa MB 256,41 Langmuir Ding, 2016 GNS/ Fe3O4 (graphene 4 MB 43,82 Langmuir Ai, 2011 nanosheet/magnetite) 5 Rơm lúa mì MB 14,98 Langmuir Liu, 2012 6 Phân gia súc MB 241,99 Langmuir Zhu, 2018 Trong nghiên cứu hấp phụ bằng vỏ cam của Tomul, vỏ cam sau khi rửa được băm nhỏ và sấy ở 70oC trong 48 giờ tạo thành hydrochar. Trộn lẫn 50g hydrochar với 300mL FeCl3.
Mẫu sau đó được đem đi hấp phụ với liều lượng rắn/lỏng là 2g/L. Kết quả thu được cho thấy biochar từ vỏ cam có dung lượng hấp phụ Diclofenac đạt tới 144 mg/g ở 270 phút. Điều này cho thấy tiềm năng của nguyên liệu từ tự nhiên trong nghiên cứu hấp phụ (Tomul et al. Zhang đã thực nghiệm thí nghiệm hấp phụ MB bằng than sinh học than thiện với môt trường được điều chế từ vỏ chuối vào năm 2019 và cho ra kết quả đáng kinh ngạc.
Cụ thể, vỏ chuối sau khi đem về từ nguồn được rửa sạch với nước khử ion nhiều lần để loại bỏ bụi bẩn và tạp chất bề mặt, sau đó được sấy khô đến khối lượng không đổi và cắt thành từng miếng nhỏ. Vỏ chuối sau sấy được ngâm trong nước cất tại 80oC trong 90 phút để lấy nước chiết xuất và lọc chân không, lấy phần rắn. Phần rắn được nung chân không tại 600oC trong 60 phút để tạo thành than sinh học, cuối cùng được làm lạnh 5 do an tới nhiệt độ phòng và bảo quản. Than sinh học từ vỏ chuối được biến tính bằng cách cho 200mL nước chiết xuất vào 1,2g than sinh học trong lò siêu âm.
Sau 15 phút, cho từng giọt FeSO4 0,1M vào với tổng thể tích là 200 mL trong 90 phút, tiếp theo rửa lại phần than nhiều lần bằng nước cất và quay ly tâm để tách rắn. Phần than cuối cùng được sấy khô tại 60oC trong 12h. Mẫu vật liệu được đem đi hấp phụ methylene blue ở liều lượng 0,5g/L cho ra hiệu quả hấp phụ cực đại tại nồng độ 500mg/L là 862mg/g tại pH 6,1 (Zhang et al. Ding chế tạo than sinh học từ gỗ bằng cách nhiệt phân mùn cưa trong lò nung cyclone, sau đó hấp phụ MB với liều lượng là 0,5g/L thu được kết quả dung lượng hấp phụ cực đại là 256,41mg/g tại nồng độ methylene 200mg/L (Ding et al,.
Theo nghiên cứu của Ai, sử dụng vật liệu hấp phụ là hỗn hợp graphene nanosheet và magnetite (Fe3O4) để hấp phụ MB. Trong đó, graphene nanosheet được điều chế bằng cách hòa trộn 0,5g graphene oxide và 80mL ethylene glycol (C2H4O), sau đó sử dụng công nghệ siêu âm loại bỏ tế bào chết và tạp chất; magnetite được tổng hợp bằng 1,6g tinh thể FeCl3. Magnetite được cho vào graphene nanosheet ở nhiệt độ phòng và khuấy đều trong 30 phút, sau đó hấp ở 200oC trong 6 giờ ròi để nguội đến nhiệt độ phòng, sau khi lọc sạch kết tủa đen thì rửa nhiều lần bằng dung dịch etanol (C2H5OH) và cuối cùng là đem sấy 60oC trong lò chân không. Mẫu vật liệu sau đó được đem đi hấp phụ MB với tỷ lệ 0,4g/L và thu được dung lượng hấp phụ cực đại là 43,82mg/g (Ai et al,.
Liu sử dụng rơm lúa mì để tạo than sinh học bằng cách nhiệt phân chậm trong lò phản ứng tầng sôi, hiệu quả tạo vật liệu là 30%. Đầu tiên, rơm lúa mì được phơi khô trong không khí trong vòng 24 giờ và được nghiền thành cỡ hạt 2mm trước khi sử dụng. Tiếp theo đem đi nhiệt phân trong lò phản ứng tầng sôi với nhiệt độ lên đến 550oC trong vòng 5 phút tạo thành vật liệu than sinh học. Mẫu vật liệu sau đó được đem đi hấp phụ MB ở 30oC cho ra dung lượng hấp phụ cực đại là 14,98mg/g (Liu et al,.
Zhu cũng đã nghiên cứu loại bỏ MB trong nước bằng than sinh học từ phân gia súc. Theo đó, phân gia súc được nhiệt phân trong điều kiện chân không ở 200oC tạo ra vật liệu than sinh học từ phân gia súc. Vật liệu hấp phụ này được đem đi xử lý loại bỏ MB ở nồng độ 500mg/L với liều lượng 1,25g/L cho ra dung lượng hấp phụ cực đại là 241,99 mg/g (Zhu et al. Phương pháp hấp phụ 1.
Các khái niệm hấp phụ 6 do an Hiện tượng hấp phụ Hấp phụ là một quá trình liên kết (ion, nguyên tử, phân tử) trong pha thể tích (khí, lỏng) với bề mặt phân cách của pha rắn (lỏng) bằng lực vật lý (Van der Walls, London, lưỡng cực phản ứng) hoặc bằng lực hóa học (liên kết hóa học). Chất bị thu hút vào pha bề mặt được gọi là chất bị hấp phụ. Chất có pha bề mặt thu hút chất bị hấp phụ được gọi là chất hấp phụ. Lượng chất bị hấp phụ q trên một đơn vị khối lượng chất hấp phụ tại một nhiệt độ đã cho (T = const), được gọi là dung lượng hấp phụ.
Giải hấp phụ Giải hấp phụ là quá trình giải phóng chất đã bị hấp phụ khỏi bề mặt chất hấp phụ. Quá trình này dựa trên nguyên tắc sử dụng các yếu tố bất lợi đối với quá trình hấp phụ. Đối với hấp phụ vật lý để làm giảm khả năng hấp phụ có thể tác động thông qua các yếu tố sau: - Giảm nồng độ dung dịch chất bị hấp phụ để thay đổi cân bằng hấp phụ. - Thay đổi nhiệt độ - Thay đổi pH của môi trường 1.
Dung lượng hấp phụ Dung lượng hấp phụ là khối lượng chất bị hấp phụ trên một đơn vị khối lượng chất hấp phụ ở trạng thái cân bằng ở điều kiện xác định về nồng độ và nhiệt độ. Dung lượng hấp phụ được tính theo công thức: (𝐶0 − 𝐶𝑐𝑏 ) × 𝑉 (1-1) 𝑞𝑒 = 𝑚 Trong đó: 7 do an Qe: dung lượng hấp phụ cân bằng (mg/g) V: thể tích dung dịch chất bị hấp phụ (L) m: khối lượng chất hấp phụ (g) C0: nồng độ dung dịch ban đầu (mg/L) Ccb: nồng độ cân bằng của dung dịch sau hấp phụ (mg/L) 1. Các đối tượng nghiên cứu 1. Vật liệu hấp phụ Đường sucroza thuộc nhóm saccharozo hay còn gọi là một disacarit có công thức phân tử C12H22O11.
Đường sucroza thông thường nhất hay được sản xuất dưới dạng bột kết tinh mịn màu trắng, không mùi với vị ngọt dễ chịu. Đường sucroza nóng chảy và phân hủy ở 185°C (SGK Hóa Học 12, trang 27) để tạo ra caramen (đường thắng), và khi cháy tạo ra cacbon, dioxide cacbon, nước. Nước có thể phá vỡ cấu trúc của sucroza nhờ thủy phân, tuy nhiên quá trình này là rất chậm và vì thế sucroza có thể tồn tại trong dung dịch trong nhiều năm mà gần như không thay đổi. Theo như tính chất đó, ta có thể điều chế than bằng cách thủy nhiệt đường ăn tại nhiệt độ >185°C, nghiên cứu này áp dụng mức nhiệt 190°C trong 6 giờ.
Hỗn hợp lấy ra sau thủy nhiệt được rửa nhiều lần để loại bỏ tro xỉ và cặn bẩn, ổn định pH. Các oxi-hydroxit sắt có nhiều ưu điểm như khả năng hấp phụ tốt đối với các ion kim loại nặng và chất hoạt động bề mặt, hơn nữa chúng có độ bền cao và đơn giản trong việc chế tạo nên đã được nhiều nhà khoa học trên thế giới nghiên cứu và đưa vào ứng dụng một cách hiệu quả trong xử lý nước. Tuy nhiên, ở Việt Nam thì loại hợp chất này chưa được sử dụng nhiều trong quy trình xử lý nước, do đó việc nghiên cứu tổng các oxi-hydroxit sắt cũng như việc xây dựng quy trình công nghệ để xử lý nước bằng các loại vật liệu này có nhiều ý nghĩa cả về lý thuyết lẫn thực tiễn. Bằng việc nghiên cứu các điều kiện thích hợp để tổng hợp vật liệu sẽ góp phần vào sự phát triển lý thuyết về điều kiện hình thành, cấu trúc cũng như các đặc tính của loại vật liệu này.
Việc xây dựng quy trình ứng dụng loại vật liệu này trong xử lý nước có ý nghĩa rất lớn về mặt thực tiễn trong việc loại bỏ các chất ô nhiểm ra khỏi nước, hơn nữa nó phù hợp với xu hướng nghiên cứu hiện nay của các nhà khoa học trong và ngoài nước. Có bảy loại hợp chất oxi-hiđroxit sắt bao gồm akaganeite (β-FeOOH), goethite (α- FeOOH), lepidocrocite (γ-FeOOH), schwertmannite (Fe8O8(OH)6(SO4).nH2O), ferrihydrite (Fe5HO8.4H2O), feroxyhyte (δ’-FeOOH) và FeOOH tổng hợp ở áp suất cao. 8 do an Các hợp chất này chủ yếu được tạo bởi cation Fe3+ cùng với các anion O2- và OH-, được ứng dụng rộng rãi đối với xử lý ô nhiễm trong nước. Trong nghiên cứu này chúng tôi hướng tới khảo sát ứng dụng của α-FeOOH trong việc kết hợp với hydrochar từ đường sucroza nhằm hấp phụ màu MB và thu hồi vật liệu hấp phụ.
Goethite là khoáng chất có sẵn trong tự nhiên, trong phạm vi phòng thí nghiệm, α-FeOOH có thể được điều chế từ kết tủa của tinh thể sắt và dung dịch kiềm, dưới tác dụng của máy khuấy từ ở cường độ cao. Sau phản ứng, mẫu được ủ trong khoảng thời gian xấp xỉ 24h để tạo thành α-FeOOH. Mẫu sau đó được đem rửa nhiều lần để loại bỏ muối và sấy đến khi khô tạo thành tinh thể (Zhang et al.6H2O + 3 NaOH α-FeOOH + 3 NaCl + 7 H2O Goethite được trộn lẫn với hydrochar (từ sucroza) trong nước cất với tỷ lệ (1α- FeOOH:4Hydrochar) (Sewu et al., 2020), khuấy đều hỗn hợp và đem nung ở nhiệt độ cao tạo thành than sinh học từ tính từ đường sucroza. Theo phương pháp này, dung dịch chứa sắt sẽ kết tinh trên bề mặt than tạo thành vật liệu dùng cho hấp phụ.
Cho một khối lượng vật liệu hấp phụ vào mẫu nước ô nhiễm, các phân tử ô nhiễm sẽ bám trên bề mặt vật liệu. Vật liệu có độ rỗng càng cao, diện tích tiếp xúc với chất ô nhiễm càng nhiều thì khả năng hấp phụ càng tốt. Methylene Blue Công thức hóa học và đặc tính Công thức phân tử: C16H18ClN3S Phân tử khối: 319,85 g/mol Khối lượng phân tử: 373,9 g/mol Nhiệt độ nóng chảy: 100 - 110oC Methylene Blue là một chất màu thuộc họ thiozin, một số tên gọi khác của MB như là glutylene, methylthioninium chloride, tetramethylthionine chlorhydrate. MB nguyên chất 100% dạng bột hoặc tinh thể không mùi, màu xanh đậm, khi hòa tan vào nước hình thành dung dịch màu xanh lam, MB hấp thụ cực đại ở bước sóng 664nm.
Khó tan trong nước lạnh và rượu etylic, khi đun nóng thì tan dễ hơn.