Luận văn thạc sĩ về thu hồi và ứng dụng kẽm carbon từ pin sơ cấp đã qua sử dụng

• Tác giả: Nguyễn Thị Kim Liên
• Người hướng dẫn: GS. Võ Viễn
• Trường học: Trường Đại học Quy Nhơn
• Chuyên ngành: Hóa vô cơ
• Đề tài: Nghiên cứu thu hồi và ứng dụng kẽm, carbon từ pin sơ cấp đã qua sử dụng
• Loại tài liệu: luận văn
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Quy Nhơn

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
• DANH MỤC CÁC BẢNG
• DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH VÀ ĐỒ THỊ
• PHẦN MỞ ĐẦU
• 0.1. Lý do chọn đề tài
• 0.2. Mục tiêu nghiên cứu
• 0.3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
• 0.4. Nội dung nghiên cứu
• 0.5. Phương pháp luận và phương pháp nghiên cứu
• 0.6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn đề tài
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN LÝ THUYẾT
• 1.1. Tổng quan về pin kẽm – carbon
• 1.2. Lịch sử phát triển
• 1.3. Nguyên lý cấu tạo
• 1.4. Vật liệu ZnO và composite trên cơ sở ZnO
• 1.5. Đặc điểm cấu trúc và phương pháp tổng hợp ZnO
• 1.6. Ứng dụng của vật liệu ZnO và composite trên cơ sở ZnO
• 1.7. Vật liệu graphene oxide (GO) và composite trên cơ sở graphene oxide
• 1.8. Đặc điểm cấu trúc và phương pháp tổng hợp GO
• 1.9. Ứng dụng của vật liệu GO trong hấp phụ chất màu
• 1.10. Ứng dụng của vật liệu composite trên cơ sở GO trong hấp phụ màu
• 1.11. Vật liệu xúc tác quang
• 1.12. Khái niệm xúc tác quang
• 1.13. Cơ chế phản ứng xúc tác quang
• 1.14. Tiềm năng ứng dụng vật liệu xúc tác quang
• 1.15. Vật liệu composite ZnO/GO
• 1.16. Rhodamine B và tính chất
• 1.17. Độc tính của thuốc nhuộm RhB
• 1.18. Ứng dụng và tình hình sử dụng của RhB
• 1.19. Các phương pháp đặc trưng vật liệu
• 1.19.1. Phương pháp nhiễu xạ Ronghen (X-ray Diffraction, XRD)
• 1.19.2. Phương pháp hiển vi điện tử quét (Scanning Electron Microscopy, SEM)
• 1.19.3. Phương pháp hiển vi điện tử truyền qua (Tranmission Electron Microscopy, TEM)
• 1.19.4. Phổ tán xạ năng lượng tia X (Energy Dispersive X-ray Spectroscopy, EDX hay EDS)
• 1.19.5. Phương pháp phổ hồng ngoại (Infrared Spectroscopy, IR)
• 1.19.6. Phương pháp phổ phản xạ khuếch tán tử ngoại khả kiến (UV-Visible Diffuse Reflectance Spectroscopy, UV-Vis DRS)
• 1.19.7. Phương pháp phổ huỳnh quang tia X (X-ray Flourescence Spectrometers, XRF)
• 2. THU HỒI VỎ KẼM VÀ CARBON TỪ PIN SƠ CẤP ĐÃ QUA SỬ DỤNG
• 2.1. Quy trình tháo gỡ pin bằng phương pháp bóc tách cơ học
• 3. TỔNG HỢP VẬT LIỆU VÀ VẬT LIỆU COMPOSITE
• 3.1. Tổng hợp vật liệu
• 3.2. Khảo sát hoạt tính quang xúc tác
• 3.3. Khảo sát thời gian đạt cân bằng hấp phụ
• 3.4. Khảo sát hoạt tính xúc tác của vật liệu
• 3.5. Đánh giá năng lực quang điện hoá tách nước
• 4. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 4.1. Thành phần của pin
• 4.2. Khảo sát các thành phần nguyên tố vỏ kẽm trước khi thu hồi
• 4.3. Vật liệu ZnO thu hồi
• 4.3.1. Khảo sát thành phần các nguyên tố (XRF) của vật liệu ZnO thu hồi
• 4.3.2. Phổ nhiễu xạ tia X (XRD) của ZnO-T
• 4.4. Vật liệu GO thu hồi
• 4.4.1. Phổ nhiễu xạ tia X (XRD) của vật liệu GO thu hồi
• 4.4.2. Phổ dao động Raman của vật liệu GO thu hồi
• 4.5. Tổng hợp vật liệu composite nZnO/GO-T từ các vật liệu thu hồi
• 4.5.1. Khảo sát tỉ lệ khối lượng ZnO:GO trong composite chưa nung
• 4.5.2. Khảo sát sự ảnh hưởng của nhiệt độ nung đến cấu trúc và tính chất của vật liệu composite ZnO/GO
• 4.6. Đánh giá hoạt tính xúc tác quang của vật liệu
• 4.7. Hoạt tính xúc tác của vật liệu thông qua phản ứng phân huỷ chất RhB trong dung dịch nước
• 4.8. Đánh giá năng lực xúc tác quang điện hoá tách nước của vật liệu
• PHẦN KẾT LUẬN
• DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH NGHÊN CỨU CỦA TÁC GIẢ ĐÃ CÔNG BỐ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• QUYẾT ĐỊNH GIAO TÊN ĐỀ TÀI (BẢN SAO)

I. Tổng quan về pin kẽm carbon

Pin kẽm – carbon là loại pin khô truyền thống, được phát minh vào năm 1866 bởi Georges Leclanché. Đây là loại pin phổ biến nhất trên toàn cầu, thường được sử dụng trong các thiết bị như đèn pin, đồ chơi, và radio. Cấu tạo của pin bao gồm cực dương là hợp kim kẽm, cực âm là mangan dioxide, và chất điện phân là dung dịch amoni clorua bão hòa. Pin kẽm – carbon cung cấp điện áp từ 1,55V đến 1,7V, nhưng điện áp này sẽ giảm dần khi sử dụng. Việc sử dụng pin này ngày càng giảm do sự phát triển của các loại pin khác như pin kiềm, nhưng nó vẫn giữ vị trí quan trọng trong thị trường pin hiện nay.

1.1. Lịch sử phát triển

Pin kẽm – carbon đã trải qua nhiều giai đoạn phát triển từ khi được phát minh. Được cấp bằng sáng chế lần đầu vào năm 1899, pin này đã được cải tiến nhiều lần để tăng hiệu suất và giảm độc tính. Các loại pin mới như pin kiềm đã xuất hiện và cung cấp hiệu suất tốt hơn, nhưng pin kẽm – carbon vẫn là một lựa chọn kinh tế cho nhiều ứng dụng. Mặc dù có những hạn chế, pin này vẫn được sử dụng rộng rãi do giá thành thấp và tính khả dụng cao.

II. Quy trình thu hồi kẽm và carbon

Quy trình thu hồi kẽm và carbon từ pin đã qua sử dụng bao gồm nhiều bước quan trọng nhằm đảm bảo hiệu quả và an toàn môi trường. Đầu tiên, pin được thu gom và phân loại để xác định loại pin kẽm – carbon. Sau đó, thực hiện quy trình tháo gỡ pin bằng phương pháp bóc tách cơ học, giúp tách rời các thành phần như vỏ kẽm và lõi carbon. Các thành phần này sau đó sẽ được xử lý để chiết xuất kẽm và carbon, phục vụ cho các ứng dụng tái chế và sản xuất vật liệu mới.

2.1. Phương pháp thu hồi

Phương pháp thu hồi kẽm từ pin sơ cấp đã qua sử dụng thường sử dụng công nghệ thủy nhiệt để chiết xuất kẽm từ vỏ pin. Quá trình này không chỉ giúp thu hồi kim loại mà còn giảm thiểu chất thải và ô nhiễm môi trường. Lõi carbon cũng được thu hồi và xử lý để tổng hợp graphene oxide, một vật liệu có nhiều ứng dụng trong lĩnh vực công nghệ cao và môi trường. Việc tái chế kẽm và carbon từ pin không chỉ giúp bảo vệ môi trường mà còn cung cấp nguồn nguyên liệu quý giá cho ngành công nghiệp.

III. Ứng dụng của kẽm và carbon đã thu hồi

Kẽm và carbon thu hồi từ pin có nhiều ứng dụng quan trọng trong công nghiệp và nghiên cứu. Kẽm có thể được sử dụng để sản xuất vật liệu ZnO, một chất xúc tác quan trọng trong nhiều phản ứng hóa học. Carbon, đặc biệt là dưới dạng graphene oxide, có tính chất điện và nhiệt tốt, được ứng dụng trong các lĩnh vực như điện tử, năng lượng và môi trường. Việc ứng dụng các vật liệu này không chỉ giúp phát triển công nghệ mà còn đóng góp vào việc bảo vệ tài nguyên thiên nhiên và môi trường.

3.1. Tính chất và ứng dụng của vật liệu thu hồi

Vật liệu ZnO và graphene oxide thu hồi từ pin có nhiều tính chất nổi bật. ZnO được biết đến với khả năng xúc tác quang và ứng dụng trong lĩnh vực năng lượng mặt trời. Graphene oxide với cấu trúc hai chiều có tính dẫn điện và dẫn nhiệt cao, được sử dụng trong sản xuất pin lithium và các thiết bị điện tử. Việc ứng dụng các vật liệu này không chỉ giúp tăng cường hiệu suất mà còn giảm thiểu tác động tiêu cực đến môi trường, nhấn mạnh vai trò quan trọng của việc thu hồi và tái chế.

Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển công nghiệp hóa và đô thị hóa nhanh chóng tại Việt Nam, lượng chất thải rắn sinh hoạt và công nghiệp ngày càng gia tăng, trong đó pin sơ cấp đã qua sử dụng là một nguồn thải độc hại tiềm ẩn nguy cơ ô nhiễm môi trường nghiêm trọng. Ước tính, pin kẽm – carbon và pin alkaline chiếm khoảng 80% tổng lượng pin khô thải ra môi trường, chứa hàm lượng kim loại Zn từ 12 – 28% và Mn từ 26 – 45% tổng khối lượng bột trong pin. Việc xử lý và tái chế các thành phần này không chỉ giúp giảm thiểu ô nhiễm mà còn góp phần bảo tồn tài nguyên kim loại quý hiếm. Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là thu hồi và ứng dụng kẽm, carbon từ pin sơ cấp đã qua sử dụng, tập trung vào pin tiểu AA Panasonic HI-TOP, với phạm vi nghiên cứu bao gồm thu gom, phân loại pin, thu hồi vỏ kẽm và lõi carbon, tổng hợp vật liệu ZnO và graphene oxide (GO), cũng như tổng hợp composite ZnO/GO và khảo sát tính chất. Nghiên cứu được thực hiện trong điều kiện phòng thí nghiệm tại Trường Đại học Quy Nhơn, với ý nghĩa khoa học nhằm phát triển phương pháp thu hồi và tổng hợp vật liệu mới, đồng thời ứng dụng trong lĩnh vực xúc tác quang và năng lượng, góp phần phát triển bền vững môi trường và công nghiệp.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

• Lý thuyết về pin kẽm – carbon và pin alkaline: Cấu tạo, nguyên lý hoạt động và thành phần hóa học của pin sơ cấp, đặc biệt là vai trò của kẽm và mangan dioxide trong phản ứng điện hóa.
• Vật liệu ZnO và graphene oxide (GO): Đặc điểm cấu trúc tinh thể wurtzite của ZnO với năng lượng vùng cấm khoảng 3.3 eV, tính chất quang xúc tác và ứng dụng trong xử lý môi trường. GO là vật liệu 2D có cấu trúc mạng tổ ong, chứa nhiều nhóm chức oxy hóa, có khả năng hấp phụ và tương tác với các chất ô nhiễm hữu cơ.
• Mô hình composite ZnO/GO: Cơ chế tăng cường hoạt tính quang xúc tác nhờ sự kết hợp giữa ZnO và GO, giảm tái kết hợp electron – lỗ trống, tăng diện tích bề mặt và khả năng hấp thụ ánh sáng.
• Khái niệm và cơ chế xúc tác quang: Quá trình tạo cặp electron – lỗ trống quang sinh, phân tách và phản ứng oxy hóa khử trên bề mặt vật liệu xúc tác, ứng dụng trong phân hủy chất ô nhiễm hữu cơ như thuốc nhuộm Rhodamine B.

Phương pháp nghiên cứu

• Nguồn dữ liệu: Pin tiểu AA Panasonic HI-TOP đã qua sử dụng thu gom tại các điểm thu gom địa phương.
• Phương pháp thu hồi: Tháo gỡ pin bằng phương pháp bóc tách cơ học, loại bỏ vỏ thép, màng nhựa, tách vỏ kẽm và lõi carbon.
• Tổng hợp vật liệu:
  • ZnO được tổng hợp từ vỏ kẽm bằng phương pháp thủy nhiệt, với các bước phản ứng hóa học và nung ở nhiệt độ 300, 400, 500 °C.
  • Graphene oxide được tổng hợp từ lõi carbon bằng phương pháp Hummers biến tính.
  • Composite ZnO/GO được tổng hợp bằng phương pháp thủy nhiệt, điều chỉnh tỉ lệ khối lượng ZnO:GO và nhiệt độ nung.
• Phân tích đặc trưng vật liệu: Sử dụng các kỹ thuật hiện đại như SEM, TEM để khảo sát hình thái và kích thước hạt; XRD để xác định cấu trúc tinh thể; EDS và XRF để phân tích thành phần hóa học; IR và UV-Vis DRS để xác định nhóm chức và năng lượng vùng cấm.
• Khảo sát hoạt tính quang xúc tác: Đánh giá khả năng phân hủy thuốc nhuộm Rhodamine B dưới ánh sáng LED 30W, sử dụng máy UV-Vis để đo nồng độ RhB theo thời gian.
• Timeline nghiên cứu: Quá trình thu hồi và tổng hợp vật liệu kéo dài khoảng 12 tháng, bao gồm thu thập mẫu, tổng hợp, phân tích và đánh giá hoạt tính.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

• Thành phần pin: Phân tích XRF cho thấy vỏ kẽm chứa hàm lượng Zn chiếm khoảng 25%, lõi carbon có thành phần chủ yếu là cacbon với tạp chất thấp.
• Cấu trúc vật liệu ZnO thu hồi: XRD xác định ZnO có cấu trúc wurtzite tinh khiết với kích thước hạt nano trung bình khoảng 33-35 nm, phù hợp cho ứng dụng xúc tác quang.
• Đặc điểm vật liệu GO thu hồi: Phổ Raman và XRD cho thấy GO có cấu trúc phân lớp với các nhóm chức oxy hóa phong phú, độ dày lớp đơn khoảng 1-2 nm.
• Composite ZnO/GO: Tỉ lệ ZnO:GO tối ưu là 10:1, nhiệt độ nung 300 °C cho vật liệu có hoạt tính quang xúc tác cao nhất, với hiệu suất phân hủy RhB đạt trên 90% sau 120 phút chiếu sáng.
• Hoạt tính xúc tác quang: Composite ZnO/GO thể hiện khả năng phân hủy RhB vượt trội so với ZnO hoặc GO đơn lẻ, với hằng số tốc độ phản ứng cao hơn khoảng 1.3 lần so với ZnO tinh khiết.

Thảo luận kết quả

Kết quả cho thấy việc thu hồi và tái sử dụng vỏ kẽm và lõi carbon từ pin sơ cấp là khả thi và hiệu quả. Cấu trúc nano wurtzite của ZnO thu hồi phù hợp với các ứng dụng xúc tác quang nhờ năng lượng vùng cấm thích hợp và kích thước hạt nhỏ giúp tăng diện tích bề mặt. GO thu hồi giữ được các nhóm chức oxy hóa cần thiết cho khả năng hấp phụ và tương tác với các chất ô nhiễm. Sự kết hợp ZnO và GO tạo thành composite dị cấu trúc giúp giảm thiểu tái kết hợp electron – lỗ trống, tăng hiệu suất quang xúc tác. So sánh với các nghiên cứu trước đây, hiệu suất phân hủy RhB của composite ZnO/GO trong nghiên cứu này tương đương hoặc vượt trội, chứng tỏ tính ứng dụng cao trong xử lý nước thải. Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ phân hủy RhB theo thời gian và bảng so sánh hằng số tốc độ phản ứng giữa các vật liệu.

Đề xuất và khuyến nghị

• Tăng cường thu gom và phân loại pin sơ cấp đã qua sử dụng nhằm đảm bảo nguồn nguyên liệu đầu vào chất lượng, nâng cao hiệu quả thu hồi kim loại và carbon, thực hiện trong vòng 6-12 tháng, do các cơ quan quản lý môi trường và doanh nghiệp thu gom thực hiện.
• Phát triển quy trình thu hồi Zn và carbon quy mô công nghiệp dựa trên phương pháp thủy nhiệt và Hummers biến tính, tối ưu hóa điều kiện phản ứng để nâng cao năng suất và chất lượng vật liệu, triển khai trong 1-2 năm, do các viện nghiên cứu và doanh nghiệp công nghệ thực hiện.
• Ứng dụng vật liệu composite ZnO/GO trong xử lý nước thải công nghiệp nhằm phân hủy các chất ô nhiễm hữu cơ như thuốc nhuộm, thuốc trừ sâu, với mục tiêu giảm nồng độ ô nhiễm đạt chuẩn trong vòng 6 tháng đến 1 năm, do các nhà máy xử lý nước và các tổ chức môi trường thực hiện.
• Nâng cao nhận thức cộng đồng về tác hại của việc thải bỏ pin không đúng cách và khuyến khích tái chế pin, thông qua các chiến dịch truyền thông và chính sách hỗ trợ, thực hiện liên tục, do các cơ quan quản lý nhà nước và tổ chức xã hội đảm nhiệm.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

• Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Hóa vô cơ, Vật liệu và Môi trường: Nghiên cứu phương pháp thu hồi và tổng hợp vật liệu mới từ nguồn nguyên liệu tái chế, áp dụng trong các đề tài liên quan.
• Doanh nghiệp công nghệ và xử lý môi trường: Áp dụng quy trình thu hồi kim loại và carbon từ pin đã qua sử dụng, phát triển sản phẩm composite xúc tác quang phục vụ xử lý nước thải.
• Cơ quan quản lý môi trường và chính sách: Tham khảo dữ liệu khoa học để xây dựng chính sách thu gom, xử lý và tái chế pin, giảm thiểu ô nhiễm môi trường.
• Người tiêu dùng và cộng đồng: Nâng cao nhận thức về tác hại của pin thải và lợi ích của việc tái chế, góp phần bảo vệ môi trường sống.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao cần thu hồi kẽm và carbon từ pin sơ cấp đã qua sử dụng?
   Pin sơ cấp chứa kim loại độc hại và carbon có thể gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng nếu thải bỏ không đúng cách. Thu hồi giúp bảo vệ môi trường và tái sử dụng tài nguyên quý giá.

2. Phương pháp tổng hợp ZnO và GO từ pin thu hồi là gì?
   ZnO được tổng hợp bằng phương pháp thủy nhiệt từ vỏ kẽm, còn GO được tổng hợp bằng phương pháp Hummers biến tính từ lõi carbon, đảm bảo chất lượng vật liệu nano.

3. Composite ZnO/GO có ưu điểm gì trong xử lý ô nhiễm?
   Composite này giảm tái kết hợp electron – lỗ trống, tăng hiệu suất quang xúc tác, giúp phân hủy nhanh các chất ô nhiễm hữu cơ như thuốc nhuộm Rhodamine B dưới ánh sáng.

4. Hiệu quả phân hủy Rhodamine B của composite ZnO/GO ra sao?
   Composite ZnO/GO đạt hiệu suất phân hủy trên 90% sau 120 phút chiếu sáng, vượt trội hơn so với ZnO hoặc GO đơn lẻ, phù hợp cho ứng dụng xử lý nước thải.

5. Làm thế nào để áp dụng kết quả nghiên cứu vào thực tiễn?
   Có thể triển khai quy trình thu hồi và tổng hợp vật liệu quy mô công nghiệp, đồng thời ứng dụng composite trong các nhà máy xử lý nước thải, kết hợp với chính sách thu gom pin hiệu quả.

Kết luận

• Đã phát triển thành công quy trình thu hồi kẽm và carbon từ pin sơ cấp đã qua sử dụng, đặc biệt là pin tiểu AA Panasonic HI-TOP.
• Tổng hợp vật liệu ZnO và graphene oxide chất lượng cao từ nguyên liệu thu hồi, phù hợp cho ứng dụng xúc tác quang.
• Composite ZnO/GO thể hiện hoạt tính quang xúc tác vượt trội trong phân hủy thuốc nhuộm Rhodamine B, mở ra tiềm năng ứng dụng trong xử lý nước thải.
• Nghiên cứu góp phần bảo vệ môi trường, tiết kiệm tài nguyên và phát triển bền vững ngành công nghiệp tái chế pin.
• Đề xuất các giải pháp thu gom, xử lý và ứng dụng vật liệu thu hồi, hướng tới triển khai quy mô công nghiệp trong tương lai gần.

Hành động tiếp theo là mở rộng quy mô nghiên cứu, tối ưu hóa quy trình tổng hợp và thử nghiệm ứng dụng thực tế tại các nhà máy xử lý nước thải, đồng thời phối hợp với các cơ quan quản lý để xây dựng chính sách thu gom và tái chế pin hiệu quả.