Nghiên cứu Ứng Dụng Than Hoạt Tính Điều Chế Từ Vỏ Cà Phê

Nghiên cứu than hoạt tính từ vỏ cà phê, ứng dụng hấp phụ chất hữu cơ trong nước. Giải pháp xử lý nước thải hiệu quả, thân thiện môi trường.

• Chuyên ngành: Hóa học, Xử lý nước thải
• Đề tài: Nghiên cứu tổng hợp và tính chất hấp phụ một số chất hữu cơ trong môi trường nước của than hoạt tính từ vỏ cà phê
• Loại tài liệu: Luận án

Mục lục chi tiết

• MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. THAN HOẠT TÍNH
• 1.1.1. Tổng hợp than hoạt tính
• 1.1.1.1. Quy trình một giai đoạn
• 1.1.1.2. Quy trình hai giai đoạn
• 1.1.2. Các phương pháp hoạt hóa và kỹ thuật gia nhiệt
• 1.1.2.1. Phương pháp vật lí
• 1.1.2.2. Phương pháp hóa học
• 1.1.2.3. Kỹ thuật gia nhiệt
• 1.1.3. Giới thiệu một số đặc tính của than hoạt tính
• 1.1.3.1. Tính chất xốp của than hoạt tính
• 1.1.3.2. Đặc tính hóa học bề mặt của than hoạt tính
• 1.1.3.3. Khả năng hấp phụ của than hoạt tính
• 1.1.4. Một số ứng dụng của than hoạt tính
• 1.2. VỎ CÀ PHÊ
• 1.2.1. Giới thiệu chung
• 1.2.2. Tình hình nghiên cứu ứng dụng vỏ cà phê trên thế giới
• 1.2.3. Tình hình sử dụng vỏ cà phê ở Việt Nam
• 1.3. THUỐC NHUỘM VÀ PHENOL
• 1.3.1. Giới thiệu về thuốc nhuộm và nước thải dệt nhuộm
• 1.3.2. Nước thải dệt nhuộm
• 1.3.3. Giới thiệu về phenol
• 1.3.4. Xử lí nước thải dệt nhuộm và nước thải chứa phenol
• 1.4. MỘT SỐ VẤN ĐỀ VỀ HẤP PHỤ TRONG PHA LỎNG
• 1.4.1. Động học hấp phụ trong pha lỏng
• 1.4.1.1. Phương trình động học biểu kiến bậc 1 của Lagergren
• 1.4.1.2. Phương trình động học hấp phụ biểu kiến bậc 2
• 1.4.2. Cân bằng hấp phụ trong pha lỏng
• 1.4.2.1. Một số phương trình đẳng nhiệt hấp phụ 2 tham số
• 1.4.2.2. Một số phương trình đẳng nhiệt hấp phụ 3 tham số
• 1.4.3. Xác định các đại lượng nhiệt động của quá trình hấp phụ trong pha lỏng
• 1.5. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC
• 1.5.1. Tình hình nghiên cứu trên thế giới
• 1.5.2. Tình hình nghiên cứu trong nước
• 1.6. Tiểu kết chương 1
• 2. CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 2.1. NGUYÊN LIỆU, HÓA CHẤT
• 2.2. QUY TRÌNH THỰC NGHIỆM VÀ TÍNH TOÁN XỬ LÍ SỐ LIỆU
• 2.2.1. Tổng hợp than hoạt tính từ vỏ cà phê
• 2.2.1.1. Chuẩn bị vỏ cà phê
• 2.2.1.2. Tổng hợp than hoạt tính với tác nhân ZnCl2
• 2.2.1.3. Tổng hợp than hoạt tính với tác nhân KOH
• 2.2.2. Pha chế và xác định nồng độ các dung dịch chất hấp phụ
• 2.2.2.1. Pha chế và xác định nồng độ dung dịch methylene blue
• 2.2.2.2. Pha chế và xác định nồng độ dung dịch RR 195
• 2.2.2.3. Pha chế và xác định nồng độ dung dịch phenol
• 2.2.3. Nghiên cứu sự hấp phụ của than hoạt tính
• 2.2.3.1. Khảo sát sự hấp phụ MB trên THT tổng hợp với ZnCl2
• 2.2.3.2. Nghiên cứu sự hấp phụ RR 195 trên THT tổng hợp với ZnCl2
• 2.2.3.3. Nghiên cứu sự hấp phụ phenol trên THT tổng hợp với KOH
• 2.2.4. Tính toán và xử lí số liệu thực nghiệm hấp phụ
• 2.3. MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH SỬ DỤNG TRONG LUẬN ÁN
• 2.3.1. Phương pháp tán xạ năng lượng tia X (EDX)
• 2.3.2. Phương pháp đẳng nhiệt hấp phụ-khử hấp phụ N2 (BET)
• 2.3.3. Phương pháp kính hiển vi điện tử quét (SEM)
• 2.3.4. Phương pháp phổ hồng ngoại (IR)
• 2.3.5. Phương pháp chuẩn độ Boehm
• 2.3.6. Phương pháp xác định pHPZC
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 3.1. LỰA CHỌN QUY TRÌNH TỔNG HỢP THAN HOẠT TÍNH VỚI TÁC NHÂN ZnCl2
• 3.1.1. Xác định bề mặt riêng và đặc trưng mao quản
• 3.1.2. Khảo sát tính chất hấp phụ methylen blue
• 3.2. XÁC ĐỊNH MỘT SỐ ĐẶC TRƯNG HÓA LÍ CỦA THAN HOẠT TÍNH
• 3.2.1. Phổ tán xạ năng lượng tia X
• 3.2.2. Đẳng nhiệt hấp phụ - khử hấp phụ N2
• 3.2.2.1. Phân tích các mẫu tổng hợp với tác nhân ZnCl2
• 3.2.2.2. Phân tích các mẫu tổng hợp với tác nhân KOH
• 3.2.3. Phương pháp kính hiển vi điện tử quét
• 3.2.4. Phổ hồng ngoại
• 3.2.5. Kết quả chuẩn độ Boehm
• 3.2.6. Kết quả xác định pHPZC
• 3.2.7. Tiểu kết mục 3.2
• 3.3. NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT HẤP PHỤ RR 195 VÀ PHENOL TRONG DUNG DỊCH NƯỚC CỦA THAN HOẠT TÍNH
• 3.3.1. Nghiên cứu tính chất hấp phụ RR 195 trong dung dịch nước
• 3.3.1.1. Ảnh hưởng của tỉ lệ lượng THT/thể tích dung dịch và pH
• 3.3.1.2. Động học của quá trình hấp phụ RR 195 trên mẫu ACZ3-600-2
• 3.3.1.3. Cân bằng hấp phụ RR 195 trên mẫu ACZ3-600-2
• 3.3.1.4. Xác định các đại lượng nhiệt động của quá trình hấp phụ RR 195 trên mẫu ACZ3-600-2
• 3.3.2. Nghiên cứu tính chất hấp phụ phenol trong dung dịch nước
• 3.3.2.1. Động học của quá trình hấp phụ phenol trên mẫu ACK3-750-60
• 3.3.2.2. Cân bằng hấp phụ phenol trên mẫu ACK3-750-60
• 3.3.2.3. Xác định các đại lượng nhiệt động của quá trình hấp phụ phenol trên mẫu ACK3-750-60
• 3.3.3. Tiểu kết mục 3.3
• KẾT LUẬN CHUNG
• ĐÓNG GÓP MỚI CỦA ĐỀ TÀI
• CÁC CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU CỦA TÁC GIẢ LUẬN ÁN CÓ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Than Hoạt Tính Vật Liệu Xử Lý Nước Thải

Than hoạt tính (THT) đã từ lâu được biết đến và sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực nhờ khả năng hấp phụ tuyệt vời cả chất hữu cơ và vô cơ. Đây là một vật liệu quan trọng trong các ngành kinh tế như thực phẩm, dược phẩm, hóa chất, dầu khí, luyện kim và công nghiệp ô tô. THT có thành phần chính là carbon, với bề mặt riêng và thể tích mao quản lớn, chứa khoảng 80-95% carbon ở dạng vô định hình và một phần nhỏ ở dạng vụn graphite. Về mặt hóa học, ngoài carbon, THT còn chứa một số nguyên tố khác như H, N, O, S và tro (thường là các oxide kim loại và vụn cát). Độ xốp cao và hệ thống mao quản phát triển mạnh mẽ giúp THT có bề mặt riêng từ 500 đến 3000 m²/g. THT được thương mại hóa dưới ba dạng chính: viên, hạt và bột.

1.1. Thành Phần và Cấu Trúc của Than Hoạt Tính

Than hoạt tính chứa chủ yếu là carbon ở dạng vô định hình và vụn graphite, cùng với các nguyên tố khác như H, N, O, và S. Cấu trúc xốp với hệ thống mao quản phát triển là yếu tố then chốt tạo nên khả năng hấp phụ vượt trội của vật liệu này. Kích thước mao quản được phân loại theo IUPAC, ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ các chất có kích thước phân tử khác nhau. "THT có bề mặt riêng nằm trong khoảng 500 – 3000 m2 g-1 với hệ thống mao quản rất phát triển."

1.2. Ứng Dụng Rộng Rãi của Than Hoạt Tính

Than hoạt tính đóng vai trò quan trọng trong nhiều ngành công nghiệp khác nhau, từ thực phẩm và dược phẩm đến hóa chất và dầu khí. Khả năng xử lý nước thải, đặc biệt là loại bỏ kim loại nặng và chất hữu cơ, là một trong những ứng dụng quan trọng nhất. Ngoài ra, THT còn được sử dụng trong xử lý ô nhiễm không khí, lọc khí, và các ứng dụng khác liên quan đến hấp phụ và tinh chế. Than hoạt tính có thể được tổng hợp từ nhiều nguồn nguyên liệu khác nhau như: tre, nứa, gỗ, than đá, than bùn, than củi, than xương,....

II. Vỏ Cà Phê Tiềm Năng Lớn Cho Sản Xuất Than Hoạt Tính

Trước đây, than hoạt tính thường được sản xuất từ than đá, gỗ, hoặc các nguồn tài nguyên hữu hạn khác. Tuy nhiên, việc tìm kiếm các nguồn nguyên liệu thay thế, bền vững hơn đang trở nên cấp thiết. Vỏ cà phê, một phụ phẩm nông nghiệp dồi dào, nổi lên như một ứng cử viên sáng giá. Việt Nam là một trong những nước xuất khẩu cà phê hàng đầu thế giới, đồng nghĩa với việc tạo ra một lượng lớn vỏ cà phê. Thay vì bỏ đi, việc tái chế phế thải này thành than hoạt tính không chỉ giúp giảm ô nhiễm môi trường mà còn tạo ra giá trị kinh tế mới, thúc đẩy kinh tế tuần hoàn.

2.1. Thành Phần và Đặc Điểm của Vỏ Cà Phê

Vỏ cà phê chứa cellulose (10 – 60%), hemicellulose (5 – 30%) và lignin (2 – 30%) [117]. Cấu trúc này cung cấp hàm lượng carbon dồi dào cần thiết cho quá trình sản xuất than hoạt tính. Ngoài ra, vỏ cà phê còn chứa protein, lipid, khoáng chất, và các hợp chất khác như caffeine và chlorogenic acid. Việc hiểu rõ thành phần của vỏ cà phê là rất quan trọng để tối ưu hóa quy trình sản xuất than hoạt tính.

2.2. Lợi Ích Kinh Tế và Môi Trường Khi Sử Dụng Vỏ Cà Phê

Sử dụng vỏ cà phê để sản xuất than hoạt tính mang lại nhiều lợi ích to lớn. Về mặt kinh tế, nó giúp tăng giá trị của phụ phẩm nông nghiệp, tạo ra nguồn thu nhập mới cho người nông dân và doanh nghiệp. Về mặt môi trường, nó giảm lượng chất thải nông nghiệp, giảm nguy cơ ô nhiễm môi trường, và thúc đẩy tái chế phế thải và kinh tế tuần hoàn. Nghiên cứu chuyển hóa phế phụ phẩm nông nghiệp thành than hoạt tính trong những năm gần đây đã thu hút được sự quan tâm của nhiều cơ sở nghiên cứu ở nước ta.

2.3. Tình Hình Nghiên Cứu và Ứng Dụng Vỏ Cà Phê

Việc nghiên cứu khoa học về tái chế vỏ cà phê thành than hoạt tính đang ngày càng được quan tâm. Nhiều nghiên cứu đã chứng minh tiềm năng to lớn của vỏ cà phê trong việc sản xuất than hoạt tính có chất lượng cao, với khả năng hấp phụ tương đương hoặc thậm chí vượt trội so với các loại than hoạt tính truyền thống. Các nghiên cứu tập trung vào tối ưu hóa quy trình sản xuất, cải thiện khả năng hấp phụ, và mở rộng các ứng dụng môi trường.

III. Cách Sản Xuất Than Hoạt Tính Từ Vỏ Cà Phê Phương Pháp Hoạt Hóa

Quy trình sản xuất than hoạt tính từ vỏ cà phê thường bao gồm hai giai đoạn chính: than hóa (carbonization) và hoạt hóa (activation). Quá trình than hóa chuyển đổi vỏ cà phê thành than, loại bỏ các chất dễ bay hơi. Quá trình hoạt hóa tạo ra cấu trúc xốp và tăng bề mặt riêng của than. Có hai phương pháp hoạt hóa chính: hoạt hóa vật lý (sử dụng hơi nước hoặc khí CO2) và hoạt hóa hóa học (sử dụng hóa chất như KOH hoặc ZnCl2). Mỗi phương pháp đều có ưu và nhược điểm riêng, ảnh hưởng đến cấu trúc xốp và khả năng hấp phụ của sản phẩm.

3.1. Hoạt Hóa Hóa Học Ưu Điểm và Quy Trình

Hoạt hóa hóa học sử dụng các hóa chất như KOH hoặc ZnCl2 để tạo ra cấu trúc xốp trong than hoạt tính. Ưu điểm của phương pháp này là có thể thực hiện ở nhiệt độ thấp hơn so với hoạt hóa vật lý, giúp tiết kiệm năng lượng. ZnCl2 tạo ra than hoạt tính có chứa nhiều mao quản trung bình, định hướng để hấp phụ chất màu hữu cơ. Phương pháp này giúp tạo ra than hoạt tính với bề mặt riêng cao và cấu trúc xốp phát triển.

3.2. Ảnh Hưởng của Điều Kiện Hoạt Hóa đến Chất Lượng Than Hoạt Tính

Các yếu tố như nhiệt độ, thời gian, và nồng độ hóa chất sử dụng trong quá trình hoạt hóa ảnh hưởng đáng kể đến bề mặt riêng, cấu trúc xốp, và khả năng hấp phụ của than hoạt tính. Nhiệt độ quá cao có thể làm giảm bề mặt riêng, trong khi thời gian hoạt hóa quá ngắn có thể không tạo ra cấu trúc xốp đủ lớn. Cần tối ưu hóa các điều kiện này để thu được than hoạt tính có chất lượng tốt nhất. Bằng cách thay đổi điều kiện tổng hợp có thể điều khiển được bề mặt riêng cũng như các đặc trưng mao quản của than thành phẩm.

3.3. Than Hóa Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình than hóa

Than hóa là quá trình nhiệt phân vật liệu hữu cơ trong môi trường yếm khí. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình than hóa như nhiệt độ, thời gian, và áp suất. Nhiệt độ than hóa cao hơn làm tăng hàm lượng carbon và giảm hàm lượng chất bay hơi trong than. Thời gian than hóa dài hơn giúp loại bỏ nhiều chất bay hơi hơn, dẫn đến than có độ tinh khiết cao hơn. Áp suất cao có thể làm tăng hiệu suất than hóa. Quá trình than hóa chuyển đổi vỏ cà phê thành than, loại bỏ các chất dễ bay hơi.

IV. Than Hoạt Tính Từ Vỏ Cà Phê Ứng Dụng Trong Xử Lý Nước Thải

Một trong những ứng dụng quan trọng nhất của than hoạt tính là trong xử lý nước thải. Than hoạt tính có khả năng loại bỏ nhiều loại chất ô nhiễm, bao gồm kim loại nặng, chất hữu cơ, thuốc nhuộm, và các hóa chất độc hại khác. Việc sử dụng than hoạt tính từ vỏ cà phê trong xử lý nước thải không chỉ hiệu quả mà còn bền vững, góp phần vào việc bảo vệ môi trường và giảm thiểu ô nhiễm nước.

4.1. Khả Năng Hấp Phụ Kim Loại Nặng và Chất Hữu Cơ

Than hoạt tính từ vỏ cà phê có khả năng hấp phụ hiệu quả các kim loại nặng như chì, cadmium, và thủy ngân, cũng như các chất hữu cơ như phenol và thuốc trừ sâu. Khả năng này phụ thuộc vào bề mặt riêng, cấu trúc xốp, và các nhóm chức bề mặt của than hoạt tính. “Than hoạt tính có bề mặt riêng lớn, chứa nhiều mao quản và có chứa các nhóm chức có tính acid, base bề mặt nên có khả năng hấp phụ cả chất hữu cơ và vô cơ.”

4.2. Đánh Giá Hiệu Quả Xử Lý Nước Thải Dệt Nhuộm Bằng Than Hoạt Tính

Nước thải từ ngành dệt nhuộm chứa nhiều thuốc nhuộm độc hại, gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng. Than hoạt tính từ vỏ cà phê đã được chứng minh là có khả năng xử lý hiệu quả loại nước thải này, loại bỏ màu và các chất ô nhiễm khác. Việc sử dụng than hoạt tính giúp giảm thiểu tác động tiêu cực của ngành dệt nhuộm đến môi trường.

4.3. Động học hấp phụ và yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hấp phụ

Nghiên cứu xác định các đặc trưng nhiệt động học và động học của quá trình hấp phụ thuốc nhuộm hoạt tính có kích thước phân tử lớn là RR 195 và phenol, hai loại chất hữu cơ độc hại tiêu biểu có mặt trong nước thải của nhiều ngành công nghiệp ở nước ta. Các yếu tố như pH, nhiệt độ, và thời gian tiếp xúc ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ. Cần tối ưu hóa các yếu tố này để đạt được hiệu quả xử lý tốt nhất. Việt Nam là nước xuất khẩu cà phê đứng thứ hai trên thế giới với sản lượng năm 2019 đạt 1,67 triệu tấn. Với sản lượng cao, lượng vỏ cà phê thải ra hàng năm là vô cùng lớn.

V. Nghiên Cứu Điển Hình Kết Quả và Phân Tích Khả Năng Hấp Phụ

Các nghiên cứu khoa học gần đây đã tập trung vào việc đánh giá khả năng hấp phụ của than hoạt tính từ vỏ cà phê đối với các chất ô nhiễm khác nhau. Kết quả cho thấy rằng than hoạt tính này có thể xử lý hiệu quả nước thải chứa phenol, thuốc nhuộm, và kim loại nặng. Các nghiên cứu cũng đã xác định các điều kiện tối ưu cho quá trình hấp phụ, giúp nâng cao hiệu quả xử lý.

5.1. Đánh Giá Thực Nghiệm Khả Năng Hấp Phụ Phenol

Một số nghiên cứu đã tiến hành đánh giá khả năng hấp phụ phenol của than hoạt tính từ vỏ cà phê trong điều kiện thực nghiệm. Kết quả cho thấy rằng than hoạt tính này có thể loại bỏ phenol khỏi nước thải một cách hiệu quả, với hiệu quả xử lý cao trong điều kiện tối ưu. Các nghiên cứu cũng đã xác định các thông số quan trọng như động học hấp phụ và cân bằng hấp phụ.

5.2. So Sánh Với Các Vật Liệu Hấp Phụ Khác

Các nghiên cứu cũng đã so sánh khả năng hấp phụ của than hoạt tính từ vỏ cà phê với các vật liệu hấp phụ khác, như than hoạt tính thương mại và các vật liệu sinh học khác. Kết quả cho thấy rằng than hoạt tính từ vỏ cà phê có thể cạnh tranh với các vật liệu này về hiệu quả xử lý và chi phí. Điều này làm cho nó trở thành một lựa chọn hấp dẫn cho xử lý nước thải.

VI. Tương Lai Của Than Hoạt Tính Từ Vỏ Cà Phê Hướng Phát Triển Mới

Việc nghiên cứu và ứng dụng than hoạt tính từ vỏ cà phê trong xử lý nước thải vẫn còn nhiều tiềm năng phát triển. Các hướng nghiên cứu mới bao gồm việc tối ưu hóa quy trình sản xuất, cải thiện khả năng hấp phụ, và mở rộng các ứng dụng môi trường. Việc kết hợp than hoạt tính với các công nghệ xử lý nước thải khác cũng là một hướng đi đầy hứa hẹn. Cần có thêm nhiều nghiên cứu khoa học và ứng dụng thực tế để khai thác tối đa tiềm năng của than hoạt tính từ vỏ cà phê.

6.1. Tối Ưu Hóa Quy Trình Sản Xuất và Hoạt Hóa

Việc tối ưu hóa quy trình sản xuất và hoạt hóa là rất quan trọng để giảm chi phí sản xuất và cải thiện khả năng hấp phụ của than hoạt tính. Các nghiên cứu đang tập trung vào việc tìm kiếm các phương pháp hoạt hóa mới, sử dụng các hóa chất ít độc hại hơn, và giảm lượng năng lượng tiêu thụ. Việc này giúp làm cho than hoạt tính từ vỏ cà phê trở nên cạnh tranh hơn về mặt kinh tế.

6.2. Nghiên cứu về các ứng dụng xử lý nước thải khác

Than hoạt tính có khả năng loại bỏ nhiều loại chất ô nhiễm, bao gồm kim loại nặng, chất hữu cơ, thuốc nhuộm, và các hóa chất độc hại khác. Việc kết hợp than hoạt tính với các công nghệ xử lý nước thải khác cũng là một hướng đi đầy hứa hẹn. Cần có thêm nhiều nghiên cứu khoa học và ứng dụng thực tế để khai thác tối đa tiềm năng của than hoạt tính từ vỏ cà phê.

Nội dung chính

Tổng quan luận án

Tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu

Than hoạt tính (THT) là vật liệu có diện tích bề mặt riêng lớn, cấu trúc mao quản phát triển và chứa nhiều nhóm chức bề mặt, được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực xử lý môi trường, hóa chất, thực phẩm và y dược. Trước đây, THT chủ yếu được sản xuất từ các nguồn nguyên liệu truyền thống như than đá, than bùn, gỗ, tre nứa hoặc than củi. Tuy nhiên, sự suy giảm và nguy cơ cạn kiệt của các nguồn tài nguyên này đặt ra yêu cầu cấp thiết về việc tìm kiếm nguồn nguyên liệu thay thế có khả năng tái tạo. Các phế phụ phẩm nông nghiệp có hàm lượng carbon cao với thành phần lignocellulosic dồi dào (cellulose chiếm 10 – 60%, hemicellulose chiếm 5 – 30%, lignin chiếm 2 – 30%) được đánh giá là nguồn nguyên liệu tiềm năng để tổng hợp THT.

Việt Nam là quốc gia xuất khẩu cà phê đứng thứ hai thế giới, với sản lượng năm 2019 đạt 1,67 triệu tấn, kéo theo lượng vỏ cà phê thải ra hàng năm rất lớn (chiếm khoảng 18% khối lượng quả cà phê). Tại khu vực Tây Bắc, đặc biệt là tỉnh Sơn La – nơi phát triển trồng giống cà phê chè (Arabica), phần lớn vỏ cà phê chưa được xử lý hoặc chỉ dùng bón trực tiếp vào gốc cây, gây nguy cơ phát sinh vi sinh vật gây bệnh và ô nhiễm môi trường. Thành phần vỏ cà phê chứa 58 – 85% carbohydrate, 8 – 11% protein, 0,5 – 3% lipid, 3 – 7% khoáng chất cùng hàm lượng chất xơ gồm 24,5% cellulose, 29,7% hemicellulose và 23,7% lignin. Mặc dù vậy, các nghiên cứu bài bản và có hệ thống về việc chuyển hóa vỏ cà phê thành THT định hướng kiểm soát cấu trúc mao quản nhằm xử lý chọn lọc các chất ô nhiễm hữu cơ độc hại trong môi trường nước (như thuốc nhuộm hoạt tính kích thước lớn và phenol) ở Việt Nam vẫn còn hạn chế.

Mục tiêu nghiên cứu

Luận án xác định hai mục tiêu nghiên cứu cụ thể:

1. Nghiên cứu tổng hợp than hoạt tính từ vỏ cà phê Arabica ở Sơn La với tác nhân hoạt hóa $\text{ZnCl}_2$ nhằm tạo ra than hoạt tính chứa nhiều mao quản trung bình, định hướng để hấp phụ chất màu hữu cơ; và với tác nhân $\text{KOH}$ nhằm tạo ra than hoạt tính có bề mặt riêng lớn, chứa nhiều mao quản nhỏ, định hướng để hấp phụ phenol trong dung dịch nước.
2. Nghiên cứu xác định các đặc trưng nhiệt động học và động học của quá trình hấp phụ thuốc nhuộm hoạt tính có kích thước phân tử lớn là Reactive Red 195 (RR 195) và phenol, nhằm cung cấp các dữ liệu cho việc tính toán thiết kế các mô hình xử lý nước thải trong thực tế.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

• Đối tượng nghiên cứu:
  • Nguồn nguyên liệu: Vỏ cà phê Arabica thu nhận tại tỉnh Sơn La.
  • Tác nhân hoạt hóa hóa học: Muối kẽm chloride ($\text{ZnCl}_2$) và potassium hydroxide ($\text{KOH}$).
  • Chất hấp phụ: Các mẫu than hoạt tính tổng hợp theo quy trình một giai đoạn và hai giai đoạn với các điều kiện công nghệ khác nhau.
  • Chất bị hấp phụ: Thuốc nhuộm hoạt tính anion Reactive Red 195 ($\text{C}{31}\text{H}{19}\text{O}_{19}\text{N}_7\text{S}_6\text{Na}5\text{Cl}$, khối lượng phân tử 1136,32 g/mol, bước sóng hấp thụ cực đại $\lambda{\max} = 541\text{ nm}$), hợp chất phenol ($\text{C}_6\text{H}_5\text{OH}$, khối lượng phân tử 94,11 g/mol) và chất màu methylene blue (MB).
• Phạm vi nghiên cứu:
  • Khảo sát thực nghiệm trong hệ pha lỏng tĩnh ở quy mô phòng thí nghiệm.
  • Khảo sát các thông số ảnh hưởng gồm: tỷ lệ chất hấp phụ/thể tích dung dịch, pH môi trường, nồng độ ban đầu của chất tan, thời gian tiếp xúc và nhiệt độ khảo sát (từ 10°C đến 40°C).

---

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Các hướng nghiên cứu trước đây

Tác giả đã hệ thống hóa các nghiên cứu trong và ngoài nước liên quan đến các phương pháp xử lý vỏ cà phê thô và quá trình chuyển hóa vỏ cà phê thành vật liệu hấp phụ/THT:

• Vỏ cà phê thô và biến tính nhiệt/hóa học: Vỏ khô chưa xử lý có khả năng hấp phụ MB (90,09 mg/g), $\text{Cr(VI)}$ (37,04 mg/g), $\text{Cu(II)}$ (7,496 mg/g), $\text{Cd(II)}$ (6,854 mg/g), $\text{Zn(II)}$ (5,565 mg/g), norfloxacin (35,56 mg/g), crystal violet (12,04 mg/L). Các công trình biến tính bao gồm: than hóa ở 350°C và 600°C để xử lý $\text{Fe(II)}$ đạt dung lượng 110 mg/g; xử lý bằng $\text{H}_2\text{SO}_4$ đặc rồi than hóa ở 200°C trong 24 giờ để hấp phụ malachite green đạt 263 mg/g; thủy nhiệt vỏ cà phê ở 210°C trong 243 phút để hấp phụ MB đạt 34,85 mg/g.
• Tổng hợp than hoạt tính bằng phương pháp hoạt hóa hóa học và vật lý: Tác giả tổng hợp các kết quả thực nghiệm từ y văn quốc tế theo hai phương thức tổng hợp chính:

Quy trình	Tác nhân & Điều kiện tổng hợp	Đặc trưng cấu trúc vật liệu	Chất xử lý & Hiệu quả	Tài liệu trích dẫn trong văn bản
Một giai đoạn	$\text{H}_3\text{PO}_4$, 400 – 600°C, 30 – 90 phút	$S_{\text{BET}} = 28,54\text{ m}^2/\text{g}$	MB: 6,82 mg/g	[18]
Một giai đoạn	$\text{H}_3\text{PO}_4$ (tỷ lệ 1,5:1), 500°C, 30 – 90 phút	$S_{\text{BET}} = 1402\text{ m}^2/\text{g}$, mao quản nhỏ 83%	—	[23]
Một giai đoạn	$\text{H}_3\text{PO}_4$, 450°C, 1 giờ	$S_{\text{BET}} = 890\text{ m}^2/\text{g}$, mao quản nhỏ 98%	Hấp phụ methane	[54]
Một giai đoạn	$\text{ZnCl}_2$, chất kết dính PVA	$S_{\text{BET}} = 1326\text{ m}^2/\text{g}$, mao quản trung bình 59%	Hấp phụ methane	[54]
Một giai đoạn	Ngâm $\text{ZnCl}_2$ (tỷ lệ 3:1), $\text{CO}_2$ 600°C, 4 giờ	$S_{\text{BET}} = 914\text{ m}^2/\text{g}$, mao quản trung bình 69%	Formaldehyde: 130 mg/g	[30]
Một giai đoạn	$\text{ZnCl}_2/\text{vỏ} = 1:1$, 500°C, 1 giờ	$S_{\text{BET}} = 1530\text{ m}^2/\text{g}$, mao quản nhỏ 65%	MB: 398 mg/g	[55]
Một giai đoạn	$\text{ZnCl}_2$, 600°C, 2 giờ	$S_{\text{BET}} = 989\text{ m}^2/\text{g}$, mao quản trung bình 56%	Phosphate: 63,87 mg P/g	[41]
Một giai đoạn	Ngâm $\text{KOH}$ (3:1), $\text{CO}_2$, 700°C, 2 – 3 giờ	$S_{\text{BET}} = 1058\text{ m}^2/\text{g}$, mao quản nhỏ 69%	$\text{Hg(II)}$: 0,38 mmol/g	[53]
Một giai đoạn	Ngâm $\text{ZnCl}_2$ (3:1), $\text{CO}_2$, 700°C, 2 – 3 giờ	$S_{\text{BET}} = 823\text{ m}^2/\text{g}$, mao quản nhỏ 74%	$\text{Zn(II)}$: 0,33 mmol/g	[53]
Một giai đoạn	$\text{ZnCl}_2/\text{vỏ} = 1:1$, 550°C, 3 giờ	$S_{\text{BET}} = 1522\text{ m}^2/\text{g}$, 80% mao quản nhỏ	MB: 263 mg/g; Phenol: 117 mg/g	[98]
Một giai đoạn	$\text{FeCl}_3/\text{vỏ} = 1:1$, 280°C, 3 giờ	$S_{\text{BET}} = 965\text{ m}^2/\text{g}$, 0,78% mao quản nhỏ	Phenol: 167 mg/g	[98]
Một giai đoạn	$(\text{NH}_4)_3\text{PO}_4$, 600 – 800°C, 120 phút	$S_{\text{BET}} = 825\text{ m}^2/\text{g}$, $V_{\text{tot}} = 0,464\text{ cm}^3/\text{g}$, 90% mao quản nhỏ	$\text{Cr(VI)}$: 223,5 mg/g	[79]
Hai giai đoạn	Than hóa 500°C (1 giờ), hơi nước 800°C (30 phút)	$S_{\text{BET}} = 383\text{ m}^2/\text{g}$	$\text{Ni(II)}$: 57,14 mg/g	[65]
Hai giai đoạn	Than hóa 400°C (2 giờ), $\text{NaOH}$ 700°C (1 giờ)	—	Remazol Brilliant Orange 3R: 66,76 mg/g	[6]
Hai giai đoạn	Thủy nhiệt 180°C (6 giờ), $\text{KOH}$/than (1:6,67), 800°C (2 giờ)	$S_{\text{BET}} = 862\text{ m}^2/\text{g}$	MB: 415,8 mg/g	[121]
Hai giai đoạn	Than hóa 500°C (1 giờ), hơi nước 910°C	$S_{\text{BET}} = 1447\text{ m}^2/\text{g}$, mao quản nhỏ 66,5%	MB: 397,1 mg/g	[93]
Hai giai đoạn	Than hóa 500°C (1 giờ), $\text{KOH}$/than = 2:1, 800°C (2 giờ)	$S_{\text{BET}} = 2275\text{ m}^2/\text{g}$, mao quản nhỏ 99,6%	MB: 399,2 mg/g	[93]
Hai giai đoạn	Than hóa 500°C (1 giờ), $\text{K}_2\text{CO}_3$/than = 2:1, 800°C (1 giờ)	$S_{\text{BET}} = 1156\text{ m}^2/\text{g}$, mao quản nhỏ 97,1%	MB: 399,6 mg/g	[93]

• Kỹ thuật gia nhiệt: Tác giả phân tích các nghiên cứu của Duan X.H. và cộng sự [45] (sử dụng sóng vi ba hoạt hóa vỏ jatropha với hơi nước và $\text{CO}2$ đạt $S{\text{BET}}$ lần lượt là 1350 và $1284\text{ m}^2/\text{g}$) và Hesas và cộng sự [66] (hoạt hóa vỏ cọ dầu bằng $\text{ZnCl}_2$ với sóng vi ba so với phương pháp truyền thống).

Khoảng trống luận án lựa chọn giải quyết

Phần lớn các nghiên cứu trước đây chỉ khảo sát quá trình tổng hợp THT từ vỏ cà phê nói chung mà chưa phân loại rõ rệt cấu trúc mao quản theo kích thước của phân tử chất ô nhiễm cần xử lý. Luận án giải quyết khoảng trống này bằng cách:

• Nghiên cứu chế tạo THT từ vỏ cà phê giống Arabica Sơn La với việc định hướng cấu trúc có chủ đích: dùng $\text{ZnCl}_2$ để tạo cấu trúc mao quản trung bình phát triển nhằm hấp phụ phân tử hữu cơ cồng kềnh (RR 195); dùng $\text{KOH}$ để tạo cấu trúc vi mao quản (mao quản nhỏ) có diện tích bề mặt rất cao nhằm hấp phụ các phân tử nhỏ (phenol).
• Thực hiện đầy đủ các mô hình động học biểu kiến, mô hình đẳng nhiệt 2 tham số, 3 tham số và tính toán các đại lượng nhiệt động học ($\Delta G^\circ, \Delta H^\circ, \Delta S^\circ$) để làm rõ bản chất tương tác phân tử và cơ chế hấp phụ trong dung dịch nước.

---

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Cơ sở lý thuyết và các mô hình toán học

Luận án vận dụng các lý thuyết về hóa học bề mặt, phân loại mao quản theo chuẩn IUPAC ($d < 2\text{ nm}$: mao quản nhỏ/micropore; $2 \le d \le 50\text{ nm}$: mao quản trung bình/mesopore; $d > 50\text{ nm}$: mao quản lớn/macropore) và các mô hình toán học mô tả quá trình hấp phụ pha lỏng:

• Mô hình động học hấp phụ biểu kiến:
  • Phương trình biểu kiến bậc 1 của Lagergren (BKB1): $$\frac{dq_t}{dt} = k_1(q_e - q_t) \quad \Rightarrow \quad \ln(q_e - q_t) = \ln q_e - k_1 t$$
  • Phương trình biểu kiến bậc 2 (BKB2): $$\frac{dq_t}{dt} = k_2(q_e - q_t)^2 \quad \Rightarrow \quad \frac{t}{q_t} = \frac{1}{k_2 q_e^2} + \frac{1}{q_e} t$$
• Mô hình cân bằng đẳng nhiệt hấp phụ 2 tham số:
  • Langmuir (giả thiết hấp phụ đơn lớp đồng nhất, không tương tác giữa các phân tử bị hấp phụ): $$q_e = \frac{q_m K_L C_e}{1 + K_L C_e} \quad \text{với hệ số tách không thứ nguyên: } R_L = \frac{1}{1 + K_L C_0}$$
  • Freundlich (giả thiết bề mặt không đồng nhất, hấp phụ đa lớp): $$q_e = K_F C_e^{1/n} \quad \Rightarrow \quad \ln q_e = \frac{1}{n}\ln C_e + \ln K_F$$
• Mô hình cân bằng đẳng nhiệt hấp phụ 3 tham số:
  • Sips: $$q_e = \frac{q_{mS} K_S C_e^{m_S}}{1 + K_S C_e^{m_S}}$$
  • Tóth: $$q_e = \frac{q_{mTh} C_e}{\left(1/K_{Th} + C_e^{m_{Th}}\right)^{1/m_{Th}}}$$
  • Radke–Prausnitz: $$q_e = \frac{q_{mRP} K_{RP} C_e}{\left(1 + K_{RP} C_e\right)^{m_{RP}}}$$
  • Redlich–Peterson: $$q_e = \frac{A C_e}{1 + B C_e^\beta}$$
• Nhiệt động học quá trình hấp phụ:
  • Biến thiên thế đẳng áp Gibbs tiêu chuẩn ($\Delta G^\circ$), biến thiên enthalpy tiêu chuẩn ($\Delta H^\circ$) và biến thiên entropy tiêu chuẩn ($\Delta S^\circ$) được xác định thông qua hằng số cân bằng nhiệt động $K_o$: $$K_o = \lim_{C_e \to 0} \frac{q_e}{C_e}$$ $$\Delta G^\circ = -RT \ln K_o$$ $$\ln K_o = \frac{\Delta S^\circ}{R} - \frac{\Delta H^\circ}{RT}$$

Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm

• Quy trình tổng hợp vật liệu:
  • Chuẩn bị nguyên liệu: Vỏ cà phê Arabica (VCF) được rửa sạch, sấy khô, nghiền nhỏ và sàng lọc kích thước hạt. Quá trình than hóa VCF thực hiện ở 450°C trong 90 phút trong môi trường khí trơ tạo sản phẩm than hóa ký hiệu là VCF-TH.
  • Tổng hợp với $\text{ZnCl}_2$: Khảo sát quy trình 1 giai đoạn (ngâm tẩm trực tiếp VCF với dung dịch $\text{ZnCl}_2$) và quy trình 2 giai đoạn (than hóa trước tạo VCF-TH rồi mới tẩm $\text{ZnCl}_2$). Hoạt hóa ở nhiệt độ từ 500 – 700°C với các tỷ lệ muối/nguyên liệu khác nhau, ký hiệu mẫu là $\text{ACZ}x\text{-}T\text{-}t$ (hoặc $\text{BiACZ3}$).
  • Tổng hợp với $\text{KOH}$: Thực hiện theo quy trình 2 giai đoạn từ VCF-TH, phối trộn với $\text{KOH}$ rắn theo các tỷ lệ khối lượng xác định, hoạt hóa ở nhiệt độ 650 – 850°C trong thời gian xác định, ký hiệu mẫu là $\text{ACK}x\text{-}T\text{-}t$.
  • Rửa và tinh chế: Rửa mẫu bằng dung dịch acid loãng ($\text{HCl}$) và nước cất nóng đến khi dịch lọc đạt pH trung tính nhằm loại bỏ hoàn toàn hóa chất hoạt hóa và tro vô cơ.
• Phương pháp phân tích đặc trưng hóa lý:
  • Phổ tán xạ năng lượng tia X (EDX): Xác định thành phần nguyên tố định tính và bán định lượng.
  • Phương pháp đẳng nhiệt hấp phụ - khử hấp phụ $\text{N}2$ ở 77 K: Xác định diện tích bề mặt riêng BET ($S{\text{BET}}$), diện tích mao quản nhỏ ($S_{\text{mic}}$), tổng thể tích mao quản ($V_{\text{tot}}$), thể tích mao quản nhỏ ($V_{\text{mic}}$) theo phương pháp t-plot, thể tích mao quản trung bình ($V_{\text{BJH}}$) theo Barrett-Joyner-Halenda và phân bố kích thước mao quản theo thuyết phiếm hàm mật độ (DFT).
  • Kính hiển vi điện tử quét (SEM): Quan sát hình thái học bề mặt và cấu trúc lỗ xốp.
  • Phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FTIR): Nhận diện các liên kết và nhóm chức hữu cơ bề mặt.
  • Chuẩn độ Boehm: Định lượng hàm lượng nhóm chức bề mặt có tính acid (carboxyl, lactone, phenolic) và nhóm chức có tính base.
  • Xác định điểm điện tích không ($\text{pH}_{\text{PZC}}$): Xác định trạng thái tích điện bề mặt than trong dung dịch theo pH.
• Phương pháp khảo sát hấp phụ và phân tích nồng độ:
  • Khảo sát hấp phụ đẳng nhiệt và động học trong bình tam giác đặt trên máy lắc ổn nhiệt.
  • Phân tích nồng độ các chất tan trước và sau hấp phụ bằng phương pháp phổ tử ngoại - khả kiến (UV-Vis) tại các bước sóng đặc trưng ($\lambda_{\max} = 541\text{ nm}$ đối với RR 195; đo phổ đối với methylene blue và phenol).
  • Đánh giá độ phù hợp của mô hình toán học qua các chỉ số sai số: Căn bậc hai sai số toàn phương trung bình (RMSE) và sai số tương đối trung bình (ARE).

---

Nội dung chính theo từng chương

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN

Chương này tập trung tổng hợp và phân tích có hệ thống các tài liệu liên quan đến 5 nội dung chính:

• Than hoạt tính: Phân loại THT (dạng viên, dạng hạt GAC, dạng bột PAC), cơ chế than hóa vật liệu lignocellulosic, các phản ứng hóa học diễn ra trong quá trình hoạt hóa vật lý (với không khí, $\text{CO}_2$, hơi nước) và hoạt hóa hóa học (với $\text{H}_3\text{PO}_4$, $\text{NaOH}$, $\text{KOH}$, $\text{K}_2\text{CO}_3$, $\text{FeCl}_3$, $\text{ZnCl}_2$). Phân tích ảnh hưởng của kỹ thuật gia nhiệt truyền thống so với gia nhiệt vi sóng đến cấu trúc than.
• Hóa học bề mặt và cơ chế hấp phụ: Phân loại mao quản theo IUPAC; cấu trúc các nhóm chức acid/base bề mặt chứa oxy (carboxyl, lactone, phenol, pyron, carbonyl); ảnh hưởng của các vùng giàu electron $\pi$ trên lớp graphene; cơ chế hấp phụ gồm tương tác tĩnh điện, tương tác $\pi$-$\pi$, liên kết hydro và lực Van der Waals; các phương pháp hoàn nguyên than (nhiệt, dung môi, vi sóng, oxy hóa).
• Nguồn nguyên liệu vỏ cà phê: Cấu tạo giải phẫu quả cà phê (vỏ quả, thịt quả, vỏ trấu, vỏ lụa, nhân), phân bố diện tích và sản lượng cà phê tại Việt Nam (cà phê vối chiếm 93%, cà phê chè chiếm 7% tập trung tại Sơn La và Lâm Đồng), thành phần hóa học của vỏ cà phê và thực trạng xử lý phế phẩm nông nghiệp này.
• Chất ô nhiễm nghiên cứu: Đặc trưng nước thải dệt nhuộm theo QCVN 13-MT:2015/BTNMT; tính chất hóa lý của thuốc nhuộm azo hoạt tính Reactive Red 195; đặc tính độc học của phenol theo QCVN 20:2009/BTNMT và QCVN 08-MT:2015/BTNMT.
• Lý thuyết hấp phụ pha lỏng: Cơ sở thiết lập các phương trình động học biểu kiến bậc 1 (Lagergren), biểu kiến bậc 2, mô hình đẳng nhiệt 2 tham số (Langmuir, Freundlich) và 3 tham số (Sips, Tóth, Radke-Prausnitz, Redlich-Peterson) cùng phương pháp xác định thông số nhiệt động học từ $K_o$.

CHƯƠNG 2. THỰC NGHIỆM VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Chương 2 mô tả chi tiết toàn bộ hóa chất, quy trình chế tạo vật liệu, trang thiết bị phân tích và các bước tiến hành thực nghiệm:

• Chuẩn bị và chế tạo vật liệu: Quy trình xử lý vỏ cà phê nguyên liệu; quy trình hoạt hóa 1 giai đoạn và 2 giai đoạn với $\text{ZnCl}_2$ và $\text{KOH}$; điều kiện thiết lập nhiệt độ lò nung, tốc độ nâng nhiệt và môi trường khí trơ.
• Pha chế dung dịch và bố trí khảo sát hấp phụ: Thiết lập nồng độ dung dịch chuẩn RR 195, phenol và methylene blue; quy trình xác định nồng độ dung dịch bằng đường chuẩn phổ UV-Vis; thiết lập hệ thống bình phản ứng nghiên cứu động học hấp phụ và cân bằng hấp phụ ở các mức nhiệt độ 10°C, 20°C, 30°C, 40°C.
• Thông số kỹ thuật của các phương pháp phân tích: Mô tả nguyên lý và quy trình vận hành thiết bị đo tán xạ năng lượng tia X (EDX), thiết bị hấp phụ đẳng nhiệt $\text{N}2$ ở 77 K (BET/BJH/DFT), kính hiển vi điện tử quét (SEM), quang phổ kế FTIR, phương pháp chuẩn độ acid-base Boehm xác định nhóm chức bề mặt và phương pháp trôi dạt pH xác định điểm điện tích không ($\text{pH}{\text{PZC}}$).
• Phương pháp xử lý số liệu: Ứng dụng hồi quy phi tuyến tính để tối ưu hóa tham số mô hình đẳng nhiệt và động học, tính toán sai số RMSE và ARE.

CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

Chương 3 trình bày các kết quả thực nghiệm và thảo luận khoa học qua ba mục chính:

1. Lựa chọn quy trình tổng hợp than hoạt tính với tác nhân $\text{ZnCl}_2$

• Đánh giá cấu trúc xốp và khả năng hấp phụ methylene blue (MB) của mẫu THT tổng hợp theo quy trình 1 giai đoạn ($\text{ACZ3-600-2}$) so với quy trình 2 giai đoạn ($\text{BiACZ3}$):
  • Quy trình 1 giai đoạn cho diện tích bề mặt riêng $S_{\text{BET}}$ và thể tích mao quản lớn hơn, sự phân bố mao quản trung bình đồng đều hơn so với quy trình 2 giai đoạn.
  • Khảo sát động học và đẳng nhiệt hấp phụ MB tại 30°C: Quá trình hấp phụ tuân theo mô hình động học BKB2 và mô hình đẳng nhiệt Tóth; dung lượng hấp phụ cân bằng của mẫu 1 giai đoạn cao hơn mẫu 2 giai đoạn. Do đó, quy trình 1 giai đoạn được lựa chọn để nghiên cứu chi tiết với tác nhân $\text{ZnCl}_2$.

2. Xác định một số đặc trưng hóa lý của than hoạt tính

• Phân tích nguyên tố và hình thái: Phổ EDX của các mẫu đại diện ($\text{ACZ3-600-2}$ và $\text{ACK3-750-60}$) cho thấy hàm lượng carbon chiếm ưu thế tuyệt đối, hàm lượng tạp chất và tro kim loại ở mức rất thấp sau quá trình rửa. Ảnh SEM thể hiện bề mặt than hoạt hóa bằng $\text{ZnCl}_2$ có cấu trúc xốp dạng mạng lưới với nhiều lỗ xốp trung bình, trong khi mẫu hoạt hóa bằng $\text{KOH}$ có bề mặt bị bào mòn sâu tạo ra mật độ vi mao quản dày đặc.
• Cấu trúc mao quản (BET/BJH/DFT):
  • Mẫu hoạt hóa bằng $\text{ZnCl}2$: Tăng tỷ lệ $\text{ZnCl}2/\text{VCF}$ và nhiệt độ hoạt hóa (từ 500 đến 600°C) làm tăng đáng kể $S{\text{BET}}$ và thể tích mao quản trung bình ($V{\text{BJH}}$). Vượt quá 600°C, một phần khung carbon bị sập làm giảm độ xốp.
  • Mẫu hoạt hóa bằng $\text{KOH}$: Hoạt hóa ở nhiệt độ cao (750 – 800°C) tạo ra diện tích bề mặt riêng BET rất lớn (đạt trên $2000\text{ m}^2/\text{g}$), cấu trúc chứa chủ yếu mao quản nhỏ với đường kính dưới 2 nm phân bố theo DFT.
• Hóa học bề mặt:
  • Phổ FTIR cho thấy các dải dao động đặc trưng của nhóm hydroxyl ($-\text{OH}$), liên kết $\text{C}=\text{O}$ của carboxyl/carbonyl, liên kết $\text{C}=\text{C}$ của vòng thơm và liên kết $\text{C}-\text{O}$.
  • Chuẩn độ Boehm: Than hoạt hóa bằng $\text{ZnCl}_2$ có tổng lượng nhóm chức acid bề mặt lớn hơn, tạo tính acid bề mặt; than hoạt hóa bằng $\text{KOH}$ có ưu thế về các nhóm chức base hoặc mật độ điện tử $\pi$.
  • Giá trị $\text{pH}_{\text{PZC}}$ của các mẫu được xác định thực nghiệm phản ánh sự chuyển biến điện tích bề mặt theo nhiệt độ hoạt hóa và loại hóa chất sử dụng.

3. Nghiên cứu tính chất hấp phụ RR 195 và Phenol trong dung dịch nước

• Hấp phụ thuốc nhuộm hoạt tính RR 195 (trên mẫu than $\text{ACZ3-600-2}$):
  • Ảnh hưởng điều kiện môi trường: Khả năng hấp phụ đạt hiệu quả cao ở vùng pH acid (khi $\text{pH} < \text{pH}_{\text{PZC}}$, bề mặt than mang điện tích dương tạo lực hút tĩnh điện mạnh với các nhóm sulfonate anion mang điện tích âm $-\text{SO}_3^-$ của RR 195); xác định tỷ lệ lượng than/thể tích dung dịch tối ưu.
  • Động học hấp phụ: Dữ liệu thực nghiệm ở các nồng độ ban đầu $C_0$ và các nhiệt độ khác nhau tương thích hoàn toàn với phương trình động học biểu kiến bậc 2 (BKB2) với hệ số tương quan cao.
  • Cân bằng đẳng nhiệt: Các mô hình Langmuir, Freundlich, Redlich–Peterson, Sips và Tóth được khảo sát; mô hình Langmuir và các mô hình 3 tham số mô tả chính xác đường đẳng nhiệt thực nghiệm, thể hiện bản chất hấp phụ đơn lớp trên các tâm hoạt động.
  • Nhiệt động học: Tính toán giá trị $K_o$, $\Delta G^\circ$, $\Delta H^\circ$, $\Delta S^\circ$ cho thấy quá trình hấp phụ RR 195 là quá trình tự diễn biến ($\Delta G^\circ < 0$) và là quá trình thu nhiệt ($\Delta H^\circ > 0$).
• Hấp phụ Phenol (trên mẫu than $\text{ACK3-750-60}$):
  • Khảo sát sự phụ thuộc của dung lượng hấp phụ cực đại $q_m$ vào thể tích mao quản nhỏ $V_{\text{mic}}$ của các mẫu than hoạt hóa $\text{KOH}$, xác nhận cơ chế lấp đầy vi mao quản đóng vai trò quyết định.
  • Động học hấp phụ: Quá trình hấp phụ phenol tại các nhiệt độ khác nhau (từ 10°C đến 40°C) tuân theo mô hình động học biểu kiến bậc 2 (BKB2).
  • Cân bằng đẳng nhiệt: So sánh đường đẳng nhiệt thực nghiệm với các phương trình Langmuir, Freundlich, Redlich–Peterson, Sips, Tóth và Radke-Prausnitz; xác định các tham số dung lượng hấp phụ đơn lớp cực đại tại từng khoảng nhiệt độ.
  • Nhiệt động học: Thiết lập đồ thị $\ln K_o$ theo $1/T$, xác định chính xác các đại lượng nhiệt động $\Delta H^\circ$, $\Delta S^\circ$ và $\Delta G^\circ$ của quá trình hấp phụ phenol.

---

Kết quả và những đóng góp mới

Đóng góp mới của đề tài

1. Làm sáng tỏ quy luật hình thành cấu trúc mao quản từ vỏ cà phê Arabica: Luận án đã chứng minh một cách có hệ thống việc kiểm soát cấu trúc mao quản của than hoạt tính chế tạo từ vỏ cà phê Arabica (Sơn La) thông qua việc lựa chọn tác nhân hoạt hóa:
   • Sử dụng tác nhân $\text{ZnCl}_2$ theo quy trình một giai đoạn phát triển ưu thế hệ thống mao quản trung bình, thích hợp cho việc hấp phụ các phân tử chất hữu cơ có kích thước cồng kềnh.
   • Sử dụng tác nhân $\text{KOH}$ theo quy trình hai giai đoạn tạo ra vật liệu có diện tích bề mặt riêng rất cao, phát triển vượt trội hệ thống mao quản nhỏ, tối ưu hóa cho việc hấp phụ các phân tử kích thước nhỏ.
2. Cung cấp hệ thống dữ liệu nhiệt động và động học hoàn chỉnh: Luận án đã xác định đầy đủ các tham số động học biểu kiến (bậc 1, bậc 2), các thông số đẳng nhiệt 2 tham số (Langmuir, Freundlich) và 3 tham số (Redlich–Peterson, Sips, Tóth, Radke-Prausnitz) cùng các đại lượng nhiệt động học ($\Delta G^\circ, \Delta H^\circ, \Delta S^\circ$) cho quá trình hấp phụ thuốc nhuộm hoạt tính RR 195 và hợp chất phenol trong môi trường nước.
3. Ý nghĩa thực tiễn và môi trường: Đề tài chỉ ra giải pháp khoa học nhằm tận dụng nguồn phế phụ phẩm vỏ cà phê dồi dào tại khu vực Tây Bắc (Sơn La), biến chất thải có nguy cơ gây ô nhiễm thành vật liệu hấp phụ có giá trị kinh tế và kỹ thuật cao phục vụ trực tiếp cho công tác xử lý nước thải công nghiệp.

---

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của nghiên cứu

• Các khảo sát thực nghiệm hấp phụ mới được tiến hành trong hệ dung dịch đơn cấu tử pha chế trong phòng thí nghiệm (từng chất riêng biệt: RR 195, MB hoặc Phenol trong nước), chưa khảo sát trên hệ đa cấu tử chứa đồng thời nhiều chất ô nhiễm.
• Nghiên cứu dừng lại ở quy mô phòng thí nghiệm theo chế độ hấp phụ tĩnh (batch adsorption), chưa mở rộng khảo sát trên hệ cột hấp phụ động dòng chảy liên tục (continuous fixed-bed column).
• Chưa tiến hành thử nghiệm trực tiếp trên các mẫu nước thải dệt nhuộm hoặc nước thải công nghiệp thực tế có thành phần hóa học phức tạp (chứa độ màu cao, muối, chất hoạt động bề mặt và nhiều tạp chất vô cơ cạnh tranh hấp phụ).

Hướng nghiên cứu tiếp theo

• Khảo sát quá trình hấp phụ trong hệ động trên mô hình cột liên tục để tính toán các thông số công nghệ như thời gian xuyên phá (breakthrough time) và đường cong xuyên phá phục vụ thiết kế kỹ thuật.
• Nghiên cứu thử nghiệm vật liệu trên các mẫu nước thải thực tế từ các nhà máy dệt nhuộm và cơ sở sản xuất công nghiệp phát thải phenol.
• Mở rộng nghiên cứu sâu hơn về khả năng tái sinh, khử hấp phụ và độ bền của than hoạt tính qua nhiều chu kỳ tái sử dụng bằng các phương pháp hóa học và nhiệt học.

---

Giá trị tham khảo

Luận án là tài liệu tham khảo chuyên khảo có giá trị trong các lĩnh vực Hóa học vật liệu, Hóa lý và Kỹ thuật môi trường:

• Đối với nghiên cứu sinh và học viên cao học: Luận án cung cấp quy trình thực nghiệm chi tiết về chuyển hóa sinh khối lignocellulosic thành vật liệu xốp; phương pháp luận xử lý số liệu hấp phụ bằng các mô hình đẳng nhiệt phi tuyến tính 2 và 3 tham số; quy trình tính toán nhiệt động học hấp phụ từ hằng số cân bằng $K_o$.
• Đối với giảng viên và nhà nghiên cứu: Cung cấp tài liệu tham khảo phục vụ giảng dạy các chuyên đề về hóa học bề mặt, vật liệu hấp phụ carbon, cơ chế tương tác pha rắn - lỏng và các phương pháp đặc trưng vật liệu hóa lý hiện đại (BET, BJH, DFT, Boehm titration, $\text{pH}_{\text{PZC}}$, FTIR, SEM, EDX).
• Đối với kỹ sư môi trường và nhà quản lý công nghệ: Cung cấp bộ thông số thực nghiệm định lượng về dung lượng hấp phụ cực đại, tốc độ hấp phụ và khoảng pH tối ưu của THT từ vỏ cà phê đối với thuốc nhuộm hoạt tính và phenol, làm cơ sở dữ liệu cho việc tính toán thiết kế tháp hấp phụ xử lý nước thải dệt nhuộm và nước thải công nghiệp.

---

Câu hỏi thường gặp

1. Tác nhân $\text{ZnCl}_2$ và $\text{KOH}$ tạo ra sự khác biệt gì về cấu trúc mao quản của than hoạt tính từ vỏ cà phê?

Theo kết quả nghiên cứu trong luận án, tác nhân $\text{ZnCl}2$ đóng vai trò thúc đẩy quá trình tách nước và phân tách cấu trúc cellulose, giúp hình thành và mở rộng hệ thống mao quản trung bình (mesopores, $2 \le d \le 50\text{ nm}$), rất phù hợp để hấp phụ các phân tử chất màu hữu cơ có kích thước lớn và cồng kềnh như Reactive Red 195. Ngược lại, tác nhân $\text{KOH}$ phản ứng hóa học mạnh với khung carbon ở nhiệt độ cao (tạo kim loại K và các hợp chất khí), tạo ra than hoạt tính có diện tích bề mặt riêng BET rất cao ($S{\text{BET}} > 2000\text{ m}^2/\text{g}$) và chứa chủ yếu là mao quản nhỏ (micropores, $d < 2\text{ nm}$), tối ưu hóa cho việc hấp phụ các phân tử có kích thước nhỏ như phenol qua cơ chế lấp đầy vi mao quản.

2. Vì sao tác giả lựa chọn quy trình một giai đoạn khi tổng hợp than hoạt tính bằng tác nhân $\text{ZnCl}_2$?

Khi so sánh giữa mẫu than tổng hợp một giai đoạn ($\text{ACZ3-600-2}$, tẩm trực tiếp vỏ cà phê với $\text{ZnCl}_2$ rồi hoạt hóa) và mẫu than tổng hợp hai giai đoạn ($\text{BiACZ3}$, than hóa trước ở 450°C rồi mới tẩm $\text{ZnCl}_2$ và hoạt hóa), kết quả phân tích diện tích bề mặt BET và đặc trưng mao quản cho thấy quy trình một giai đoạn tạo ra vật liệu có diện tích bề mặt riêng lớn hơn và thể tích mao quản trung bình phát triển đồng đều hơn. Đồng thời, dung lượng hấp phụ chất màu methylene blue của mẫu một giai đoạn cao hơn rõ rệt so với mẫu hai giai đoạn, do đó quy trình một giai đoạn được lựa chọn để tối ưu hóa công nghệ.

3. Thuốc nhuộm Reactive Red 195 (RR 195) có những đặc điểm cấu tạo và tính chất gì trong nghiên cứu?

Reactive Red 195 (tên thương mại: Reactive Red 3BS, Red F3B...) là thuốc nhuộm hoạt tính thuộc nhóm thuốc nhuộm azo và mang bản chất anion trong dung dịch nước. Hợp chất có công thức phân tử $\text{C}{31}\text{H}{19}\text{O}_{19}\text{N}_7\text{S}_6\text{Na}5\text{Cl}$, khối lượng phân tử lớn ($1136,32\text{ g/mol}$), kích thước không gian phân tử khoảng $13,5\text{ \AA} \times 19,5\text{ \AA}$ và bước sóng hấp thụ cực đại được xác định bằng quang phổ UV-Vis tại $\lambda{\max} = 541\text{ nm}$.

4. Quá trình hấp phụ thuốc nhuộm RR 195 và Phenol trên than hoạt tính tuân theo mô hình động học và đẳng nhiệt nào?

• Về động học: Quá trình hấp phụ của cả thuốc nhuộm RR 195 trên mẫu than $\text{ACZ3-600-2}$ và phenol trên mẫu than $\text{ACK3-750-60}$ đều tuân theo mô hình phương trình động học biểu kiến bậc 2 (BKB2) với hệ số tương quan tuyến tính rất cao so với mô hình biểu kiến bậc 1 của Lagergren (BKB1).
• Về cân bằng đẳng nhiệt: Dữ liệu thực nghiệm của cả hai hệ hấp phụ tương thích tốt với mô hình đẳng nhiệt Langmuir (thể hiện bản chất hấp phụ đơn lớp trên các tâm hoạt động đồng nhất) và các mô hình đẳng nhiệt 3 tham số (như Sips, Tóth, Redlich–Peterson).

5. Nguồn nguyên liệu vỏ cà phê sử dụng trong đề tài có nguồn gốc từ đâu và có thành phần hóa học như thế nào?

Nguyên liệu được sử dụng là vỏ cà phê chè (Arabica) thu nhận tại tỉnh Sơn La (vùng Tây Bắc Việt Nam). Vỏ quả chiếm khoảng 18% tổng khối lượng quả cà phê, có thành phần chứa 58 – 85% carbohydrate, 8 – 11% protein, 0,5 – 3% lipid, 3 – 7% khoáng chất và một lượng nhỏ caffeine (~1%), chlorogenic acid (~2,5%), tannins (~5%). Thành phần xơ lignocellulosic của vỏ chứa khoảng 24,5% cellulose, 29,7% hemicellulose và 23,7% lignin.

---

Kết luận

Luận án đã nghiên cứu thành công quá trình tổng hợp than hoạt tính từ phế phẩm vỏ cà phê Arabica Sơn La với việc định hướng điều khiển cấu trúc mao quản bằng các tác nhân hoạt hóa hóa học $\text{ZnCl}_2$ và $\text{KOH}$. Vật liệu tổng hợp được đặc trưng đầy đủ về hình thái học, cấu trúc lỗ xốp, diện tích bề mặt riêng và các nhóm chức bề mặt thông qua các phương pháp hóa lý hiện đại. Các dữ liệu thực nghiệm đã làm sáng tỏ cơ chế, quy luật động học biểu kiến bậc 2, cân bằng đẳng nhiệt và các đặc trưng nhiệt động học của quá trình hấp phụ chất màu hoạt tính Reactive Red 195 và hợp chất phenol trong pha lỏng. Kết quả nghiên cứu khẳng định tiềm năng ứng dụng thực tiễn của vỏ cà phê trong việc chế tạo vật liệu hấp phụ xử lý môi trường nước, góp phần gia tăng giá trị kinh tế cho chuỗi sản xuất cà phê tại Việt Nam.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MỞ ĐẦU Than hoạt tính là một loại vật liệu có bề mặt riêng lớn, chứa nhiều mao quản và có chứa các nhóm chức có tính acid, base bề mặt nên có khả năng hấp phụ cả chất hữu cơ và vô cơ. Than hoạt tính đã được biết đến từ lâu và được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực của khoa học kỹ thuật, sản xuất và đời sống. Than hoạt tính có thể được tổng hợp từ nhiều nguồn nguyên liệu khác nhau như: tre, nứa, gỗ, than đá, than bùn, than củi, than xương,… Tuy nhiên cùng với thời gian, trữ lượng các nguồn nguyên liệu này ngày càng giảm và dần tiến tới trạng thái cạn kiện. Vì vậy gần đây, nhiều nguồn nguyên liệu thay thế đã được quan tâm nghiên cứu, trong đó có phế phụ phẩm nông nghiệp.

Phế phụ phẩm nông nghiệp thường có giá trị kinh tế rất thấp và được coi là những chất thải tiềm ẩn nhiều nguy cơ gây ô nhiễm môi trường cần phải được xử lí. Tuy nhiên các phế phụ phẩm này lại có hàm lượng carbon khá cao, chứa chủ yếu cellulose (10 – 60%), hemicellulose (5 – 30%) và lignin (2 – 30%) [117]. Vì vậy tận dụng các nguồn phế thải nông nghiệp để tổng hợp than hoạt tính đang thu hút được sự chú ý của nhiều nhà nghiên cứu trong và ngoài nước vì việc này sẽ góp phần làm tăng giá trị kinh tế của chúng và làm giảm chi phí xử lí chất thải. Than hoạt tính có thể được tổng hợp thông qua quy trình một giai đoạn hoặc hai giai đoạn nối tiếp nhau, theo phương pháp hoạt hóa vật lí hoặc hoạt hóa hóa học.

Trong đó phương pháp hoạt hóa hóa học có nhiều ưu điểm như có thể thực hiện ở nhiệt độ không quá cao (500 – 800oC), yêu cầu thiết bị đơn giản. Tính chất của than hoạt tính phụ thuộc nhiều vào nguồn nguyên liệu và điều kiện tổng hợp. Bằng cách thay đổi điều kiện tổng hợp có thể điều khiển được bề mặt riêng cũng như các đặc trưng mao quản của than thành phẩm. Xử lí nước thải chứa phenol và nước thải dệt nhuộm cũng đang là vấn đề được quan tâm nghiên cứu.

Các phương pháp dùng để xử lí các loại nước thải này có thể được chia thành ba nhóm chính: phương pháp hóa lí (hấp phụ, lọc màng, trao đổi ion, chiếu xạ, keo tụ điện hóa,…), phương pháp hóa học (oxi hóa, phản ứng 2 Fenton, ozon hóa, quang hóa, điện phân, oxi hóa tiên tiến, điện phân,…) và phương pháp sinh học [125]. Trong đó phương pháp hấp phụ bằng than hoạt tính được đánh giá là có hiệu quả cao nhờ giá thành thấp, công nghệ đơn giản, chi phí lắp đặt hợp lý, dễ dàng kết hợp với các phương pháp khác và đặc biệt có thể xử lí được các chất ô nhiễm ở nồng độ thấp. Việt Nam là nước xuất khẩu cà phê đứng thứ hai trên thế giới với sản lượng năm 2019 đạt 1,67 triệu tấn. Với sản lượng cao, lượng vỏ cà phê thải ra hàng năm là vô cùng lớn.

Hiện nay một lượng nhỏ vỏ cà phê được các hộ trồng cà phê dùng để bón vào gốc cây cà phê. Cách làm này tuy giúp cho đất tơi xốp và hạn chế cỏ dại nhưng lại hình thành môi trường thuận lợi để một số vi sinh vật có hại phát triển, gây bệnh cho cây cà phê. Phần lớn vỏ cà phê còn lại chưa được nghiên cứu sử dụng để chuyển thành các sản phẩm hữu ích một cách hiệu quả, đặc biệt ở các tỉnh Tây Bắc, trong đó có Sơn La, nơi mới phát triển trồng cây cà phê Arabica trong những năm gần đây. Lượng vỏ cà phê chưa qua xử lí này đang được thải trực tiếp ra môi trường tự nhiên và được xem là nguồn tiềm ẩn gây ô nhiễm môi trường rất cao.

Với thành phần chứa khoảng 58 – 85% carbohydrate, 8 – 11% protein, 0,5 – 3% lipid, 3 – 7% khoáng chất và một lượng nhỏ các chất khác như caffeine (~ 1%), chlorogenic acid (~ 2,5%), tannins (~ 5%) [28], vỏ cà phê được xem là nguồn nguyên liệu tiềm năng để tổng hợp than hoạt tính. Nghiên cứu chuyển hóa phế phụ phẩm nông nghiệp thành than hoạt tính trong những năm gần đây đã thu hút được sự quan tâm của nhiều cơ sở nghiên cứu ở nước ta. Song đến nay chưa có nhiều công trình nghiên cứu bài bản và chi tiết về chuyển hóa vỏ cà phê thành than hoạt tính theo định hướng ứng dụng trong xử lí ô nhiễm môi trường nước bởi các chất hữu cơ độc hại. Xuất phát từ thực tế này đề tài luận án: Nghiên cứu tổng hợp và tính chất hấp phụ một số chất hữu cơ trong môi trường nước của than hoạt tính từ vỏ cà phê tập trung vào: - Nghiên cứu tổng hợp than hoạt tính từ vỏ cà phê Arabica ở Sơn La với tác nhân hoạt hóa ZnCl2 nhằm tạo ra than hoạt tính có chứa nhiều mao quản trung bình, định hướng để hấp phụ chất màu hữu cơ và với tác nhân KOH nhằm tạo ra than 3 hoạt tính có bề mặt riêng lớn, chứa nhiều mao quản nhỏ, định hướng để hấp phụ phenol trong dung dịch nước.

- Nghiên cứu xác định các đặc trưng nhiệt động học và động học của quá trình hấp phụ thuốc nhuộm hoạt tính có kích thước phân tử lớn là RR 195 và phenol, hai loại chất hữu cơ độc hại tiêu biểu có mặt trong nước thải của nhiều ngành công nghiệp ở nước ta. Từ đó cung cấp các dữ liệu cho sự tính toán thiết kế các mô hình xử lí nước thải chứa các chất này trong thực tế. Đề tài luận án được thực hiện với mong muốn góp phần vào giải quyết hai vấn đề ở nước ta hiện nay là giải quyết nguy cơ tiềm ẩn gây ô nhiễm môi trường của vỏ cà phê, làm tăng giá trị sử dụng và giá trị kinh tế của phế phụ phẩm này. Đồng thời chỉ ra tiềm năng của việc sử dụng nguồn nguyên liệu vỏ cà phê trong việc tổng hợp than hoạt tính theo định hướng ứng dụng trong xử lí nước thải chứa phenol và nước thải ngành công nghiệp dệt nhuộm.

THAN HOẠT TÍNH Than hoạt tính (THT) được biết đến và được sử dụng từ rất lâu trong đời sống và sản xuất. THT đóng vai trò quan trọng trong các ngành kinh tế khác nhau như thực phẩm, dược phẩm, hóa chất, dầu khí, luyện kim và công nghiệp ô tô,… THT có thành phần chính là carbon, có bề mặt riêng và thể tích mao quản lớn, chứa khoảng 80 – 95% carbon ở dạng vô định hình và chứa một phần nhỏ ở dạng vụn graphite. Về mặt hóa học, ngoài carbon trong THT còn có một số nguyên tố khác như H, N, O, S,… và có thể chứa tro (thường là các oxide kim loại và vụn cát). THT có độ xốp cao, có bề mặt riêng nằm trong khoảng 500 – 3000 m2 g-1 với hệ thống mao quản rất phát triển.

THT được thương mại hóa dưới ba dạng chính là THT dạng viên (pellet activated carbon) có kích thước khoảng 0,8 – 5 mm, THT dạng hạt (granular activated carbon, GAC) với đường kính hạt nằm trong khoảng 0,2 – 5 mm và THT dạng bột (powdered activated carbon, PAC) có kích thước hạt nhỏ hơn 0,2 mm. Tổng hợp than hoạt tính Trước đây, THT được tổng hợp từ các loại than (than nâu, than bùn, than antraxit), gỗ, tre nứa, than củi, than xương,… Tuy nhiên cùng với thời gian, trữ lượng các nguồn nguyên liệu này ngày càng giảm và dần tiến tới trạng thái cạn kiệt. Vì thế nhiều nguồn nguyên liệu có sẵn đang dần được sử dụng để thay thế các nguyên liệu truyền thống này. Nhiều nhà máy sản xuất THT ở nước ta đã chuyển sang sử dụng nguyên liệu gáo dừa (Công ty cổ phần Trà Bắc, tỉnh Trà Vinh; Công ty than hoạt tính toàn cầu, nhà máy tại Bến Tre), tre luồng (Công ty TNHH sản xuất than tre Thanh Hải, tỉnh Hòa Bình; Công ty TNHH Vietnam Charcoal, tỉnh Thanh Hóa), cây bạch đàn, hoặc keo lai, tràm (Yên Thành, Nghệ An),… Hiện nay các phế phụ phẩm nông nghiệp cũng đang được xem là một nguồn nguyên liệu thay thế tiềm năng.

Các phế phụ phẩm nông nghiệp thường được xem là chất thải, có giá trị kinh tế rất thấp và tiềm ẩn nhiều nguy cơ gây ô nhiễm môi 5 trường khi được để trong môi trường tự nhiên. Tuy nhiên các phế phụ phẩm này lại có hàm lượng carbon khá cao, chứa chủ yếu cellulose (10 – 60%), hemicellulose (5 – 30%) và lignin (2 – 30%) [117].1 giới thiệu cấu trúc của các lignocellulosic có trong sinh khối phế phụ phẩm nông nghiệp. Cấu trúc của các lignocellulosic của sinh khối [25] Việt Nam là một nước nông nghiệp phát triển với nhiều loại nông sản xuất khẩu như gạo, cà phê, hạt điều,… và nhiều nhà máy chế biến nông sản. Hàng năm nước ta có một nguồn nguyên liệu phế phụ phẩm rất dồi dào, gồm: rơm rạ, vỏ trấu, vỏ cà phê, lõi ngô, vỏ gáo dừa, bã mía, vỏ các loại hạt, vỏ các loại cây,… Vì thế nghiên cứu chuyển hóa các phế phụ phẩm nông nghiệp thành THT để đánh giá tiềm năng sử dụng nguồn nguyên liệu này thay thế cho các nguồn nguyên liệu đang sử dụng hiện nay có ý nghĩa thực tiễn cao.

Mỗi loại phế phụ phẩm có thành phần hóa học, cấu trúc khác nhau cũng như có một số đặc điểm tính chất riêng biệt (Bảng 1. Chẳng hạn vỏ trấu có chứa nhiều silica ở đầu mẩu; vỏ cà phê rắn chắc, lõi ngô xốp,. Vì thế THT tổng hợp từ các loại phế phụ phẩm khác nhau sẽ có các tính chất khác nhau. Do đó cần dựa vào định hướng ứng dụng, các yêu cầu sản phẩm để lựa chọn nguồn nguyên 6 liệu cho quá trình tổng hợp cũng như lựa chọn quy trình và điều kiện tổng hợp thích hợp.

Tổng hợp THT từ phế phụ phẩm là quá trình làm hình thành mao quản cho vật liệu bằng cách phá vỡ một số cấu trúc, làm bay hơi một số chất hữu cơ nhẹ, và nhờ vào phản ứng giữa C với các tác nhân hoạt hóa,… Có thể tạo độ xốp cho THT theo quy trình một giai đoạn hoặc hai giai đoạn nối tiếp nhau (Hình 1. Quy trình tổng hợp than hoạt tính 1. Quy trình một giai đoạn Trong quy trình một giai đoạn, THT được hoạt hóa trực tiếp từ nguồn nguyên liệu ban đầu. Quy trình này thường được thực hiện với phương thức hoạt hóa hóa học, sử dụng các tác nhân có tác dụng thúc đẩy quá trình tách H2O khỏi nguồn nguyên liệu ban đầu như: ZnCl2, FeCl3, H3PO4,… 1.