Nghiên Cứu Tái Sử Dụng Phế Thải Nông Nghiệp Làm Vật Liệu Hiệu Năng Cao Xử Lý Nước Thải

• Tác giả: Phạm Văn Hoàng
• Người hướng dẫn: PGS. Thái Yên
• Trường học: Đại học Bách khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Kỹ thuật môi trường
• Đề tài: Nghiên cứu tái sử dụng phế thải nông nghiệp làm vật liệu hiệu năng cao xử lý nước thải
• Loại tài liệu: Luận văn Thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Hà Nội

• LỜI MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ AEROGEL
• 1.1. Khái niệm và đặc tính
• 1.2. Aerogel sinh học
• 1.3. Cellulose aerogel từ sinh khối thực vật
• 1.3.1. Cellulose và nguồn cellulose từ sinh khối thực vật
• 1.3.2. Quy trình chế tạo cellulose aerogel
• 1.3.3. Ứng dụng của cellulose aerogel
• 1.3.3.1. Cellulose aerogel ứng dụng trong xử lý nước nhiễm dầu
• 1.3.3.1.1. Nước thải nhiễm dầu
• 1.3.3.1.2. Nước nhiễm dầu do sự cố tràn dầu
• 1.3.3.1.3. Quá trình hấp phụ
• 1.3.3.1.4. Các công bố về ứng dụng của vật liệu cellulose aerogel trong xử lý nước nhiễm dầu
• 2. VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 2.1. Các loại sinh khối sử dụng để chiết tách cellulose
• 2.2. Đối tượng được ứng dụng xử lý
• 2.3. Quy trình chế tạo cellulose aerogel từ sinh khối thô
• 2.4. Chiết tách sinh khối thu cellulose
• 2.5. Gel hóa hỗn hợp cellulose – PVA
• 2.6. Đông khô tạo aerogel
• 2.7. Tạo lớp phủ kị nước cho aerogel
• 2.8. Xác định đặc tính của vật liệu
• 2.8.1. Đặc điểm hình thái và cấu trúc
• 2.8.2. Khối lượng riêng và độ xốp
• 2.8.3. Diện tích bề mặt riêng
• 2.8.4. Tính thấm nước
• 2.8.5. Thí nghiệm hấp phụ nước và dầu
• 2.8.6. Thí nghiệm hấp phụ dầu trong hỗn hợp dầu – nước
• 2.8.7. Ảnh hưởng của khối lượng cellulose aerogel đến hiệu quả loại bỏ dầu
• 2.8.8. Ảnh hưởng của thời gian tiếp xúc và động học hấp phụ
• 2.8.9. Ảnh hưởng của nhiệt độ
• 2.8.10. Ảnh hưởng của pH
• 2.8.11. Thí nghiệm đánh giá khả năng tái sử dụng
• 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 3.1. Xác định đặc tính của vật liệu
• 3.1.1. Đặc điểm hình thái bề mặt
• 3.1.2. Cấu trúc tinh thể và các nhóm chức năng
• 3.1.3. Khối lượng riêng và độ xốp
• 3.1.4. Diện tích bề mặt riêng và kích thước mao quản
• 3.1.5. Tính kị nước
• 3.2. Dung lượng hấp phụ với nước và dầu nguyên chất
• 3.3. Dung lượng hấp phụ dầu trong hỗn hợp dầu – nước
• 3.4. Ảnh hưởng của khối lượng cellulose aerogel
• 3.5. Ảnh hưởng của thời gian tiếp xúc và động học hấp phụ
• 3.6. Ảnh hưởng của nhiệt độ
• 3.7. Ảnh hưởng của pH
• 3.8. Khả năng tái sử dụng của aerogel
• 3.9. So sánh với các loại vật liệu hấp phụ tổng hợp khác
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

I. Nghiên Cứu Tổng Quan về Tái Sử Dụng Phế Thải Nông Nghiệp

Nguồn nước và hệ sinh thái trong nước đang bị đe dọa nghiêm trọng bởi ô nhiễm, đặc biệt là ô nhiễm dầu. Việc tràn dầu và thải bỏ dầu ra các thủy vực đặt ra thách thức lớn. Từ đó, việc chế tạo các loại vật liệu xử lý nước thải tự nhiên hiệu năng cao có khả năng thu hồi và loại bỏ dầu hiệu quả nhận được sự quan tâm lớn. Hấp phụ được coi là một trong những công nghệ hiệu quả để xử lý nước thải nhiễm dầu vì khả năng loại bỏ dầu cao, dễ vận hành và tiêu thụ năng lượng thấp. Các vật liệu hấp phụ truyền thống như polypropylene (PP), zeolit và than hoạt tính có nhược điểm như khả năng tái sử dụng kém, khả năng hấp phụ dầu không chọn lọc và thiếu khả năng phân hủy sinh học. Vì vậy, cần phát triển nguyên liệu tái tạo hiệu quả, thân thiện với môi trường và kinh tế.

1.1. Khái Niệm và Phân Loại Phế Thải Nông Nghiệp Tiềm Năng

Phế phụ phẩm nông nghiệp là những vật liệu còn sót lại sau quá trình thu hoạch và chế biến nông sản, thường bị bỏ đi hoặc xử lý không hiệu quả. Chúng bao gồm rơm rạ, bã mía, vỏ trấu, xơ dừa, lõi ngô, bã cà phê, và nhiều loại khác. Các loại phế thải này chứa cellulose, hemicellulose, lignin, và các hợp chất hữu cơ khác, có tiềm năng lớn để biến đổi phế thải nông nghiệp thành các sản phẩm có giá trị. Việc tận dụng phế thải nông nghiệp không chỉ giảm thiểu ô nhiễm môi trường mà còn tạo ra nguồn nguyên liệu mới, thúc đẩy kinh tế tuần hoàn.

1.2. Tiềm Năng Ứng Dụng Phế Thải Nông Nghiệp trong Xử Lý Nước

Phế thải nông nghiệp có thể được sử dụng để xử lý nước thải sinh hoạt và nước thải công nghiệp thông qua nhiều phương pháp như hấp phụ, lọc, và phân hủy sinh học. Cellulose, hemicellulose, và lignin trong phế thải có khả năng hấp phụ các chất ô nhiễm như kim loại nặng, thuốc nhuộm, và các hợp chất hữu cơ. Ngoài ra, phế thải nông nghiệp có thể được biến đổi thành giá thể sinh học cho các quá trình xử lý sinh học. Nghiên cứu đã chứng minh hiệu quả xử lý nước thải của nhiều loại phế thải nông nghiệp, mở ra triển vọng ứng dụng rộng rãi trong thực tiễn.

II. Thách Thức Vấn Đề Ô Nhiễm Nước Thải Nông Nghiệp Hiện Nay

Với sự phát triển công nghiệp và đô thị hóa nhanh chóng, một lượng lớn nước thải nông nghiệp nhiễm dầu đã được tạo ra, gây hậu quả nghiêm trọng tới hệ sinh thái và sức khỏe con người. Nhiều công nghệ như tuyển nổi, xúc tác quang, lọc sinh học, điện hóa, phân hủy sinh học và hấp phụ được sử dụng rộng rãi để xử lý nước nhiễm dầu. Tuy nhiên, hấp phụ là một trong những phương pháp hiệu quả và bền vững nhất do giá thành rẻ, dễ vận hành và không gây ô nhiễm thứ cấp. Nhiều chất hấp phụ đã được phát triển cho mục đích này, chẳng hạn như vật liệu tổng hợp trên nền zeolit, đất sét, than sinh học, hỗn hợp polycaprolactone/poly(axit L-lactic), oxit graphene và sợi thực vật. Ứng dụng vật liệu hấp phụ để xử lý nước nhiễm dầu trong thực tế thường bị giới hạn bởi khả năng hấp phụ và hiệu quả tái sinh của chất hấp phụ. Các chất hấp phụ mới sử dụng cho mục đích hấp thụ dầu nên được phát triển để khắc phục những vấn đề này.

2.1. Tác Động Tiêu Cực của Ô Nhiễm Nước Thải Nông Nghiệp

Ô nhiễm xử lý ô nhiễm nước từ nông nghiệp gây ra nhiều tác động tiêu cực đến môi trường và sức khỏe con người. Nước thải chứa thuốc trừ sâu, phân bón hóa học, và các chất thải hữu cơ làm suy thoái chất lượng nước, gây ô nhiễm nguồn nước sinh hoạt và tưới tiêu. Các chất ô nhiễm này tích tụ trong chuỗi thức ăn, gây ảnh hưởng đến sức khỏe động vật và con người. Ngoài ra, ô nhiễm nước thải nông nghiệp còn gây ra hiện tượng phú dưỡng, làm suy giảm đa dạng sinh học và ảnh hưởng đến các hoạt động kinh tế như nuôi trồng thủy sản và du lịch.

2.2. Yêu Cầu Cấp Thiết Về Giải Pháp Xử Lý Nước Thải Bền Vững

Trước những tác động tiêu cực của ô nhiễm nước thải nông nghiệp, việc tìm kiếm và ứng dụng các giải pháp xử lý bền vững là vô cùng cấp thiết. Các giải pháp này cần đáp ứng các tiêu chí như hiệu quả xử lý cao, chi phí thấp, dễ vận hành, thân thiện với môi trường, và có khả năng tái sử dụng tài nguyên. Việc sử dụng vật liệu xử lý nước thải tự nhiên từ phế thải nông nghiệp là một hướng đi tiềm năng, vừa giúp giảm thiểu ô nhiễm môi trường, vừa tận dụng được nguồn tài nguyên sẵn có.

2.3. Ưu điểm của các vật liệu có nguồn gốc từ nông nghiệp trong xử lý nước thải

Các vật liệu có nguồn gốc từ nông nghiệp có nhiều ưu điểm trong xử lý nước thải. Chúng có thể tái tạo, chi phí thấp, dễ dàng tìm kiếm và thân thiện với môi trường. Một số vật liệu, như than sinh học từ phế thải nông nghiệp, có diện tích bề mặt lớn và khả năng hấp thụ cao, làm cho chúng hiệu quả trong việc loại bỏ chất ô nhiễm từ nước. Ngoài ra, việc sử dụng phế thải nông nghiệp trong xử lý nước thải giúp giảm lượng chất thải, hỗ trợ các sáng kiến bền vững và kinh tế tuần hoàn.

III. Phương Pháp Chế Tạo Vật Liệu Xử Lý Nước Thải từ Phế Thải

Cellulose aerogel được chế tạo từ các nguồn nông nghiệp liên tục thu hút sự chú ý với một số công trình thành công đã được thực hiện với kết quả khả quan. Việt Nam là đất nước nông nghiệp với diện tích canh tác lúa nước, cây mía và cây dừa chiếm tỉ trọng lớn trong cơ cấu nền nông nghiệp. Do đó một lượng lớn phế thải nông nghiệp phát sinh hàng năm sau mỗi vụ mùa thu hoạch. Lượng sinh khối này mang trong mình tiềm năng lớn, yêu cầu bức thiết đặt ra là sử dụng có hiệu quả lượng phế thải này ứng với phương châm “rác thải là tài nguyên”. Vì vậy, có thể thu hồi lượng cellulose trong lượng sinh khối này làm nguồn nguyên liệu để sản xuất cellulose aerogel. Việc sản xuất aerogel từ các loại sinh khối phế thải có thể giải quyết vấn đề về xử lý chất thải đồng thời có thể tạo ra loại aerogel mới có giá trị cao, có tính ứng dụng và giúp tác động đến nhận thức xã hội về tái chế chất thải.

3.1. Quy trình chiết xuất cellulose từ phế thải nông nghiệp

Quy trình chiết xuất cellulose từ phế thải nông nghiệp thường bao gồm các bước tiền xử lý, nghiền, xử lý hóa học và tinh chế. Tiền xử lý nhằm loại bỏ các tạp chất và làm tăng khả năng tiếp cận của cellulose. Nghiền giúp giảm kích thước hạt và tăng diện tích bề mặt. Xử lý hóa học, thường sử dụng các chất kiềm hoặc axit, giúp loại bỏ lignin và hemicellulose. Tinh chế bao gồm các bước rửa, tẩy trắng và sấy khô để thu được cellulose tinh khiết. Chất hấp phụ nước thải này có thể được sử dụng trực tiếp hoặc tiếp tục chế biến thành các vật liệu có giá trị khác, như cellulose aerogel.

3.2. Biến đổi cellulose thành vật liệu hấp phụ hiệu quả

Cellulose sau khi chiết xuất có thể được biến đổi thành nhiều loại vật liệu hấp phụ hiệu quả, như cellulose aerogel, cellulose nanofiber, và cellulose beads. Cellulose aerogel có cấu trúc xốp cao, diện tích bề mặt lớn, và khả năng hấp phụ tốt đối với nhiều chất ô nhiễm. Cellulose nanofiber có kích thước nhỏ, độ bền cao, và có thể được sử dụng để chế tạo các màng lọc hiệu quả. Cellulose beads có hình dạng cầu, dễ dàng sử dụng trong các hệ thống xử lý nước liên tục. Quá trình biến đổi cellulose thường bao gồm các bước hòa tan, tạo hình, và làm khô.

3.3. Ứng dụng than sinh học trong xử lý nước thải

Than sinh học là một vật liệu giàu carbon được sản xuất từ sinh khối thông qua quá trình nhiệt phân trong điều kiện thiếu oxy. Nó có diện tích bề mặt cao, độ xốp lớn và có thể được sử dụng để loại bỏ chất ô nhiễm khỏi nước. Quá trình sản xuất than sinh học bao gồm sấy khô sinh khối, nghiền thành kích thước thích hợp và nhiệt phân ở nhiệt độ dao động từ 300 đến 700°C. Than sinh học có thể loại bỏ hiệu quả các chất ô nhiễm như kim loại nặng, thuốc nhuộm hữu cơ và dược phẩm khỏi nước thải công nghiệp và nông nghiệp.

IV. Nghiên Cứu Ứng Dụng Vật Liệu Tái Chế Từ Phế Thải Nông Nghiệp

Cellulose aerogel là vật liệu siêu xốp với khối lượng riêng rất thấp và diện tích bề mặt cao, chúng có thể thay đổi tính kị nước hoặc ưa nước và dễ dàng tái chế. Trong đó, nghiên cứu ứng dụng phế thải nông nghiệp cellulose aerogel được chế tạo từ các nguồn sinh khối đã được thực hiện với nhiều kết quả khả quan. Do đó trong nghiên cứu này, cellulose aerogel được chế tạo đóng vai trò là vật liệu hiệu năng cao và ứng dụng để xử lý nước thải sinh hoạt nhiễm dầu.

4.1. Đánh giá khả năng hấp phụ dầu của vật liệu mới

Đánh giá khả năng hấp phụ dầu của vật liệu mới rất quan trọng để xác định tính hiệu quả của nó trong việc loại bỏ dầu từ xử lý nước ô nhiễm. Điều này bao gồm việc xác định dung lượng hấp phụ, động học hấp phụ và ảnh hưởng của các yếu tố như nhiệt độ, pH và nồng độ chất ô nhiễm. Các thí nghiệm được thực hiện bằng cách cho vật liệu tiếp xúc với nước nhiễm dầu trong các điều kiện khác nhau và đo lượng dầu được loại bỏ theo thời gian. Dữ liệu được thu thập sau đó được sử dụng để tối ưu hóa hiệu suất hấp phụ và so sánh nó với các vật liệu khác.

4.2. Thử nghiệm thực tế xử lý nước thải nhiễm dầu

Thử nghiệm thực tế xử lý nước thải nhiễm dầu bao gồm việc sử dụng vật liệu mới để xử lý nước thải thực tế từ các nguồn khác nhau, chẳng hạn như nhà máy công nghiệp hoặc sự cố tràn dầu. Điều này cung cấp một đánh giá chính xác hơn về hiệu quả của vật liệu trong các điều kiện thực tế. Nước thải được xử lý bằng vật liệu mới trong một hệ thống thí điểm và chất lượng nước đầu ra được theo dõi để xác định mức độ loại bỏ chất ô nhiễm. Kết quả được so sánh với các phương pháp xử lý thông thường để đánh giá tính khả thi và lợi thế của vật liệu mới.

V. Tiềm Năng Hướng Phát Triển Nghiên Cứu Phế Thải Nông Nghiệp

Nghiên cứu về tái sử dụng phế thải nông nghiệp làm vật liệu xử lý nước thải mang lại tiềm năng lớn cho sự phát triển bền vững. Việc tận dụng phế thải không chỉ giúp giảm thiểu ô nhiễm môi trường mà còn tạo ra nguồn tài nguyên mới, góp phần thúc đẩy kinh tế tuần hoàn. Các nghiên cứu trong tương lai cần tập trung vào việc tối ưu hóa quy trình chế tạo vật liệu, nâng cao hiệu quả xử lý, và giảm chi phí sản xuất. Đồng thời, cần có các chính sách khuyến khích và hỗ trợ để thúc đẩy ứng dụng rộng rãi các vật liệu này trong thực tiễn.

5.1. Phát triển vật liệu composite từ phế thải nông nghiệp

Phát triển vật liệu composite từ phế thải nông nghiệp là một hướng đi đầy hứa hẹn, có thể kết hợp các loại phế thải khác nhau để tạo ra vật liệu có tính chất vượt trội. Ví dụ, kết hợp cellulose từ rơm rạ với lignin từ bã mía có thể tạo ra vật liệu composite có độ bền cao, khả năng chống thấm nước tốt, và khả năng hấp phụ chất ô nhiễm hiệu quả. Nghiên cứu cần tập trung vào việc lựa chọn các loại phế thải phù hợp, tối ưu hóa tỷ lệ phối trộn, và phát triển các quy trình chế tạo đơn giản, hiệu quả.

5.2. Nghiên cứu quy trình xử lý nước thải tích hợp

Nghiên cứu quy trình xử lý nước thải tích hợp là một hướng đi quan trọng, kết hợp nhiều phương pháp xử lý khác nhau để đạt hiệu quả cao nhất. Ví dụ, sử dụng vật liệu hấp phụ từ phế thải nông nghiệp để loại bỏ các chất ô nhiễm hữu cơ, sau đó sử dụng quá trình sinh học để phân hủy các chất ô nhiễm còn lại. Quy trình tích hợp cần được thiết kế sao cho tối ưu hóa hiệu quả xử lý, giảm thiểu chi phí vận hành, và đảm bảo tính bền vững.

VI. Kết Luận Triển Vọng Tương Lai Của Tái Chế Nông Nghiệp

Nghiên cứu về tái sử dụng phế thải nông nghiệp làm vật liệu xử lý nước thải đã mở ra một hướng đi mới cho việc giải quyết các vấn đề môi trường và kinh tế. Việc tận dụng nguồn tài nguyên phế thải không chỉ giúp giảm thiểu ô nhiễm mà còn tạo ra các sản phẩm có giá trị, góp phần thúc đẩy phát triển bền vững. Trong tương lai, với sự phát triển của khoa học và công nghệ, các vật liệu và quy trình xử lý nước thải từ phế thải nông nghiệp sẽ ngày càng được hoàn thiện, mang lại lợi ích to lớn cho xã hội.

6.1. Thúc đẩy ứng dụng rộng rãi trong thực tiễn

Để thúc đẩy ứng dụng rộng rãi các vật liệu và quy trình xử lý nước thải từ phế thải nông nghiệp trong thực tiễn, cần có sự phối hợp chặt chẽ giữa các nhà khoa học, doanh nghiệp, và chính quyền địa phương. Các nhà khoa học cần tiếp tục nghiên cứu và phát triển các công nghệ mới, các doanh nghiệp cần đầu tư vào sản xuất và thương mại hóa sản phẩm, và chính quyền địa phương cần có các chính sách hỗ trợ và khuyến khích.

6.2. Nâng cao nhận thức cộng đồng về tái chế nông nghiệp

Nâng cao nhận thức cộng đồng về tầm quan trọng của tái chế nông nghiệp là một yếu tố quan trọng để đảm bảo sự thành công của các dự án tái sử dụng phế thải. Các hoạt động tuyên truyền, giáo dục, và truyền thông cần được tổ chức thường xuyên để giúp người dân hiểu rõ hơn về lợi ích của việc tái chế, từ đó thay đổi hành vi và ủng hộ các sản phẩm tái chế. Các chương trình khuyến khích phân loại rác tại nguồn và thu gom phế thải nông nghiệp cũng cần được triển khai rộng rãi.

Tổng quan nghiên cứu

Ô nhiễm dầu trong nước thải là một trong những vấn đề môi trường nghiêm trọng, ảnh hưởng trực tiếp đến hệ sinh thái và sức khỏe con người. Theo ước tính, lượng dầu thải ra môi trường hàng năm lên tới khoảng 9-14 triệu tấn, trong đó có nhiều sự cố tràn dầu lớn gây thiệt hại nặng nề. Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là phát triển vật liệu cellulose aerogel từ phế thải nông nghiệp như rơm rạ, bã mía và lá dứa để ứng dụng trong xử lý nước thải nhiễm dầu, đặc biệt là dầu nhiệt thải và dầu diesel. Nghiên cứu tập trung vào việc tổng hợp cellulose aerogel có tính kỵ nước cao, khả năng hấp phụ dầu hiệu quả và có thể tái sử dụng nhiều lần. Phạm vi nghiên cứu bao gồm các loại phế thải nông nghiệp phổ biến tại Việt Nam, với các thí nghiệm được thực hiện trong điều kiện phòng thí nghiệm tại Hà Nội. Ý nghĩa của nghiên cứu được thể hiện qua việc cung cấp giải pháp thân thiện môi trường, chi phí thấp và hiệu quả cao trong xử lý nước thải nhiễm dầu, góp phần giảm thiểu ô nhiễm và bảo vệ nguồn nước.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai lý thuyết chính: lý thuyết hấp phụ và lý thuyết cấu trúc vật liệu aerogel. Lý thuyết hấp phụ bao gồm hấp phụ vật lý và hấp phụ hóa học, trong đó hấp phụ vật lý dựa trên lực Van der Waals và hấp phụ hóa học dựa trên liên kết hóa học giữa chất hấp phụ và chất bị hấp phụ. Các khái niệm chính gồm: cellulose aerogel, tính kỵ nước (Water Contact Angle - WCA), diện tích bề mặt riêng, độ xốp, và động học hấp phụ (mô hình Pseudo-first order và Pseudo-second order). Ngoài ra, mô hình Elovich cũng được áp dụng để mô tả quá trình hấp phụ dầu trên aerogel.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính là các mẫu phế thải nông nghiệp gồm rơm rạ, bã mía và lá dứa được thu gom tại các vùng nông nghiệp phía Nam và Hà Nội. Quy trình nghiên cứu gồm các bước: tiền xử lý sinh khối bằng sóng siêu âm và kiềm hóa để chiết tách cellulose; gel hóa hỗn hợp cellulose với polyvinyl alcohol (PVA); đông khô tạo aerogel; phủ lớp methyltrimethoxysilane (MTMS) để tăng tính kỵ nước. Cỡ mẫu gồm 3 loại aerogel với hàm lượng cellulose 0.5 wt%, 1 wt% và 2 wt%. Phương pháp phân tích bao gồm: SEM để quan sát cấu trúc bề mặt, FTIR và XRD để xác định cấu trúc hóa học và tinh thể, đo khối lượng riêng và độ xốp, đo WCA để đánh giá tính kỵ nước, thí nghiệm hấp phụ dầu trong hỗn hợp dầu - nước với các biến số như khối lượng aerogel, thời gian tiếp xúc, nhiệt độ và pH. Timeline nghiên cứu kéo dài khoảng 6 tháng với các giai đoạn chuẩn bị mẫu, tổng hợp aerogel, thí nghiệm và phân tích dữ liệu.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Cấu trúc và tính chất vật liệu: Các mẫu cellulose aerogel có cấu trúc ba chiều rỗng xốp rõ ràng, khối lượng riêng trung bình khoảng 15.63 mg/cm³, diện tích bề mặt riêng đạt 400-600 m²/g sau khi phủ MTMS. Tính kỵ nước được cải thiện rõ rệt với góc tiếp xúc nước (WCA) đạt khoảng 110° sau phủ, tăng từ dưới 30° của mẫu chưa phủ.

2. Dung lượng hấp phụ dầu: Aerogel từ bã mía có dung lượng hấp phụ dầu nhiệt thải đạt 27.81 g/g, dầu diesel đạt 26.5 g/g; aerogel từ lá dứa và rơm rạ cũng có dung lượng hấp phụ tương tự, dao động từ 23 đến 34 g/g tùy loại dầu. Hiệu quả hấp phụ dầu trong hỗn hợp dầu - nước đạt trên 95%, vượt trội so với nhiều vật liệu hấp phụ truyền thống.

3. Ảnh hưởng của khối lượng aerogel và thời gian tiếp xúc: Khi tăng khối lượng aerogel từ 0.1 g lên 0.5 g trong 100 mL hỗn hợp dầu - nước, hiệu quả loại bỏ dầu tăng từ 70% lên trên 95%. Thời gian tiếp xúc 60 phút là đủ để đạt trạng thái cân bằng hấp phụ với tốc độ hấp phụ nhanh trong 10-30 phút đầu.

4. Ảnh hưởng của nhiệt độ và pH: Nhiệt độ từ 10 đến 60°C không ảnh hưởng đáng kể đến dung lượng hấp phụ, cho thấy aerogel có khả năng hoạt động ổn định trong điều kiện môi trường khác nhau. pH thay đổi từ 3 đến 9 cũng không làm giảm hiệu quả hấp phụ dầu, chứng tỏ tính bền vững của vật liệu trong môi trường nước thải có tính axit hoặc kiềm nhẹ.

5. Khả năng tái sử dụng: Sau 10 chu kỳ hấp phụ và tái sinh bằng phương pháp làm sạch đơn giản, aerogel vẫn giữ được trên 85% dung lượng hấp phụ ban đầu, cho thấy tính bền vững và kinh tế khi ứng dụng thực tế.

Thảo luận kết quả

Kết quả SEM và FTIR cho thấy quá trình phủ MTMS tạo lớp phủ kỵ nước hiệu quả, làm tăng góc tiếp xúc nước và giảm khả năng thấm nước của aerogel, từ đó nâng cao khả năng hấp phụ dầu. Dung lượng hấp phụ dầu cao nhờ cấu trúc xốp lớn và diện tích bề mặt riêng rộng, phù hợp với các nghiên cứu trước đây về aerogel cellulose từ sinh khối nông nghiệp. Động học hấp phụ phù hợp với mô hình Pseudo-second order và Elovich, cho thấy quá trình hấp phụ chủ yếu là hấp phụ hóa học kết hợp với hấp phụ vật lý. So sánh với các vật liệu hấp phụ tổng hợp như polypropylene hay than hoạt tính, cellulose aerogel có ưu điểm vượt trội về tính thân thiện môi trường, khả năng tái sử dụng và chi phí thấp do nguyên liệu phế thải nông nghiệp phong phú. Các biểu đồ thể hiện mối quan hệ giữa thời gian tiếp xúc và dung lượng hấp phụ, cũng như ảnh hưởng của pH và nhiệt độ, sẽ minh họa rõ nét tính ổn định và hiệu quả của vật liệu trong xử lý nước thải nhiễm dầu.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Phát triển quy trình sản xuất aerogel cellulose quy mô công nghiệp: Tối ưu hóa quy trình chiết tách cellulose và phủ MTMS để giảm chi phí và tăng năng suất, hướng tới sản xuất hàng loạt trong vòng 1-2 năm, do các doanh nghiệp công nghệ môi trường thực hiện.

2. Ứng dụng aerogel cellulose trong hệ thống xử lý nước thải công nghiệp: Lắp đặt các module hấp phụ aerogel trong các nhà máy chế biến dầu, nhà máy lọc dầu và các khu công nghiệp có nước thải nhiễm dầu, nhằm giảm nồng độ dầu xuống dưới mức quy định trong vòng 6 tháng.

3. Nghiên cứu kết hợp aerogel cellulose với các vật liệu nano khác: Tăng cường khả năng hấp phụ và phân hủy dầu bằng cách kết hợp aerogel với các hạt nano xúc tác quang hoặc oxit kim loại, triển khai thử nghiệm trong 12 tháng tại các phòng thí nghiệm nghiên cứu.

4. Xây dựng chương trình tái sử dụng và tái sinh aerogel: Phát triển quy trình tái sinh aerogel đơn giản, tiết kiệm năng lượng và thân thiện môi trường, đồng thời đào tạo nhân viên vận hành, áp dụng trong vòng 1 năm tại các cơ sở xử lý nước thải.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật môi trường: Nắm bắt công nghệ mới về vật liệu hấp phụ sinh học, áp dụng trong xử lý nước thải nhiễm dầu và các chất ô nhiễm hữu cơ khác.

2. Doanh nghiệp công nghệ môi trường và xử lý nước thải: Tìm hiểu giải pháp vật liệu thân thiện, hiệu quả và kinh tế để nâng cao chất lượng xử lý nước thải, giảm thiểu ô nhiễm môi trường.

3. Cơ quan quản lý môi trường và chính sách: Đánh giá tiềm năng ứng dụng vật liệu sinh học trong các chương trình bảo vệ môi trường, xây dựng tiêu chuẩn và hướng dẫn kỹ thuật.

4. Người làm trong ngành nông nghiệp và chế biến nông sản: Khai thác giá trị phế thải nông nghiệp, phát triển chuỗi giá trị bền vững, giảm thiểu chất thải và ô nhiễm.

Câu hỏi thường gặp

1. Cellulose aerogel là gì và có ưu điểm gì trong xử lý nước thải nhiễm dầu?
   Cellulose aerogel là vật liệu xốp siêu nhẹ được tổng hợp từ cellulose phế thải nông nghiệp. Ưu điểm gồm diện tích bề mặt lớn (400-600 m²/g), tính kỵ nước cao (WCA ~110°), dung lượng hấp phụ dầu lớn (trên 25 g/g), khả năng tái sử dụng nhiều lần và thân thiện môi trường.

2. Quy trình tổng hợp cellulose aerogel từ phế thải nông nghiệp như thế nào?
   Quy trình gồm tiền xử lý sinh khối bằng sóng siêu âm và kiềm hóa để chiết tách cellulose, gel hóa với PVA, đông khô tạo aerogel, sau đó phủ lớp methyltrimethoxysilane (MTMS) để tăng tính kỵ nước. Các bước này giúp tạo ra aerogel có cấu trúc xốp và tính chất hấp phụ tốt.

3. Khả năng hấp phụ dầu của cellulose aerogel so với các vật liệu khác ra sao?
   Cellulose aerogel có dung lượng hấp phụ dầu nhiệt thải và dầu diesel lần lượt là 27.81 g/g và 26.5 g/g, cao hơn nhiều so với polypropylene, than hoạt tính và các vật liệu tổng hợp khác. Ngoài ra, aerogel còn có khả năng tái sử dụng trên 85% sau 10 chu kỳ.

4. Ảnh hưởng của các yếu tố môi trường như pH và nhiệt độ đến hiệu quả hấp phụ?
   Nghiên cứu cho thấy pH trong khoảng 3-9 và nhiệt độ từ 10 đến 60°C không ảnh hưởng đáng kể đến dung lượng hấp phụ dầu của aerogel, chứng tỏ vật liệu có tính ổn định và phù hợp với nhiều điều kiện xử lý nước thải.

5. Aerogel cellulose có thể tái sử dụng bao nhiêu lần và bằng cách nào?
   Aerogel có thể tái sử dụng ít nhất 10 lần với hiệu quả hấp phụ giữ trên 85%. Quá trình tái sinh đơn giản bằng cách làm sạch vật liệu, loại bỏ dầu hấp phụ mà không làm hỏng cấu trúc aerogel, giúp tiết kiệm chi phí và giảm phát sinh chất thải.

Kết luận

• Thành công trong tổng hợp cellulose aerogel từ phế thải nông nghiệp với tính kỵ nước cao và cấu trúc xốp ổn định.
• Aerogel có dung lượng hấp phụ dầu nhiệt thải và dầu diesel đạt trên 25 g/g, hiệu quả hấp phụ dầu trong hỗn hợp dầu - nước trên 95%.
• Hiệu quả hấp phụ không bị ảnh hưởng đáng kể bởi pH và nhiệt độ, phù hợp với điều kiện xử lý nước thải thực tế.
• Aerogel có khả năng tái sử dụng nhiều lần, giữ được trên 85% hiệu quả sau 10 chu kỳ.
• Đề xuất phát triển quy trình sản xuất công nghiệp và ứng dụng thực tế trong xử lý nước thải công nghiệp, góp phần bảo vệ môi trường và phát triển kinh tế bền vững.

Hành động tiếp theo: Khuyến khích các tổ chức nghiên cứu và doanh nghiệp môi trường phối hợp triển khai thử nghiệm quy mô lớn, đồng thời mở rộng nghiên cứu ứng dụng aerogel cellulose trong các lĩnh vực xử lý môi trường khác.