I. Tổng quan về nghiên cứu than hóa phụ phẩm nông nghiệp
Nghiên cứu tập trung vào việc than hóa các phụ phẩm nông nghiệp như vỏ hạt cà phê và lõi bắp thông qua phương pháp carbon hóa thủy nhiệt. Mục tiêu chính là tạo ra các vật liệu hấp phụ và xúc tác từ các nguồn sinh khối này. Than sinh học được sản xuất từ các phụ phẩm nông nghiệp không chỉ giúp tận dụng nguồn tài nguyên dồi dào mà còn góp phần giảm thiểu ô nhiễm môi trường. Phương pháp carbon hóa thủy nhiệt được lựa chọn do khả năng tạo ra hydrochar với cấu trúc xốp và diện tích bề mặt lớn, phù hợp cho các ứng dụng hấp phụ và xúc tác.
1.1. Khái niệm và phương pháp carbon hóa thủy nhiệt
Carbon hóa thủy nhiệt là quá trình xử lý sinh khối trong môi trường nước ở nhiệt độ và áp suất cao, tạo ra hydrochar. Phương pháp này có ưu điểm là không yêu cầu nguyên liệu khô, giúp tiết kiệm năng lượng. Hydrochar có cấu trúc xốp và chứa nhiều nhóm chức bề mặt, làm tăng khả năng hấp phụ và hoạt tính xúc tác. Quá trình này cũng tạo ra các sản phẩm phụ như khí và chất lỏng, có thể tận dụng trong các ứng dụng khác.
1.2. Ứng dụng của than sinh học trong hấp phụ và xúc tác
Than sinh học từ vỏ hạt cà phê và lõi bắp được ứng dụng làm vật liệu hấp phụ để loại bỏ các chất ô nhiễm như thuốc nhuộm và kim loại nặng. Ngoài ra, nó còn được sử dụng làm xúc tác trong các phản ứng hóa học, đặc biệt là thủy phân cellulose thành glucose. Khả năng tái sử dụng và hiệu quả cao của các vật liệu này làm chúng trở thành giải pháp bền vững trong xử lý môi trường và sản xuất năng lượng.
II. Phương pháp và quy trình thực nghiệm
Nghiên cứu sử dụng phương pháp carbon hóa thủy nhiệt để điều chế hydrochar từ vỏ hạt cà phê và lõi bắp. Quy trình bao gồm các bước: chuẩn bị nguyên liệu, carbon hóa, hoạt hóa và đặc trưng vật liệu. Các thí nghiệm được thiết kế để tối ưu hóa các thông số như nhiệt độ, thời gian và tỷ lệ nguyên liệu/nước. Các phương pháp phân tích như TGA, XRD, SEM, và BET được sử dụng để đánh giá cấu trúc và tính chất của hydrochar.
2.1. Điều chế hydrochar bằng phương pháp carbon hóa thủy nhiệt
Nguyên liệu vỏ hạt cà phê và lõi bắp được nghiền nhỏ và xử lý trong môi trường nước ở nhiệt độ từ 180-250°C và áp suất cao. Quá trình này tạo ra hydrochar với hiệu suất phụ thuộc vào các thông số như nhiệt độ, thời gian và tỷ lệ nguyên liệu/nước. Các mẫu hydrochar được thu thập và phân tích để xác định cấu trúc và tính chất hóa lý.
2.2. Hoạt hóa và đặc trưng vật liệu
Hydrochar được hoạt hóa bằng các phương pháp như ngâm tẩm hóa chất, nhiệt phân và từ hóa để tăng cường khả năng hấp phụ và hoạt tính xúc tác. Các phương pháp phân tích như SEM và BET được sử dụng để đánh giá diện tích bề mặt và cấu trúc lỗ xốp. XRD và FTIR giúp xác định thành phần hóa học và nhóm chức bề mặt của vật liệu.
III. Kết quả và ứng dụng thực tiễn
Kết quả nghiên cứu cho thấy hydrochar từ vỏ hạt cà phê và lõi bắp có diện tích bề mặt lớn và cấu trúc xốp, phù hợp cho các ứng dụng hấp phụ và xúc tác. Vật liệu này có khả năng loại bỏ hiệu quả thuốc nhuộm xanh methylen và thúc đẩy phản ứng thủy phân cellulose thành glucose. Nghiên cứu cũng chỉ ra rằng hydrochar có thể tái sử dụng nhiều lần mà không giảm hiệu quả, làm tăng tính kinh tế và bền vững của phương pháp.
3.1. Hiệu quả hấp phụ và xúc tác
Hydrochar từ vỏ hạt cà phê và lõi bắp cho thấy hiệu quả hấp phụ cao đối với xanh methylen, với dung lượng hấp phụ đạt tới 200 mg/g. Trong các phản ứng xúc tác, vật liệu này thúc đẩy quá trình thủy phân cellulose thành glucose với hiệu suất cao. Các thí nghiệm tái sử dụng cho thấy hydrochar vẫn duy trì hiệu quả sau nhiều chu kỳ sử dụng.
3.2. Ý nghĩa thực tiễn và hướng phát triển
Nghiên cứu này mở ra hướng ứng dụng mới cho các phụ phẩm nông nghiệp, góp phần giảm thiểu chất thải và tạo ra các vật liệu giá trị cao. Hydrochar có tiềm năng lớn trong xử lý môi trường và sản xuất năng lượng tái tạo. Các nghiên cứu tiếp theo có thể tập trung vào việc tối ưu hóa quy trình và mở rộng ứng dụng của hydrochar trong các lĩnh vực khác.
