CHƯƠNG 1.1 Lý do chọn đề tài Nông nghiệp gắn liền với nền kinh tế của Việt Nam, đóng góp to lớn vào GDP của cả nước một phần đáng kể. Những năm qua, sản lượng nông nghiệp ngày càng được gia tăng thúc đẩy, tạo ra những bước đột phá lớn và quan trọng. Thế nhưng, phế phẩm từ nông nghiệp chưa được quan tâm đúng mức dẫn đến chưa khai thác hiệu quả, tạo ra giá trị kinh tế cho người nông dân và có thể gây ảnh hưởng đến môi trường khi không xử lý đúng cách. Cùng với sự phát triển từ nông nghiệp, công nghiệp cũng đã và đang từng bước thay đổi cơ cấu kinh tế của đất nước.
Các ngành công nghiệp mũi nhọn không ngừng phát triển các công nghệ hiện đại và tiến bộ để có thể thỏa mãn nhu cầu của con người. Trong các ngành công nghiệp đó phải kể chính là công nghiệp dệt nhuộm, phẩm màu. Chính ngành công nghiệp đó đã làm gia tăng tính cảm quan, thẩm mỹ nhằm thoả mãn thị hiếu của con người. Tuy nhiên, chính các ngành công nghiệp này sẽ phát thải lượng lớn chất hữu cơ ô nhiễm vào nước thải, gây hậu quả đến hệ sinh thái, sinh vật và chính bản thân chính chúng ta.
Nhằm thực hiện ý tưởng về “Hóa học xanh” và “Phát triển bền vững”, nguồn phụ phẩm nông nghiệp đài sen sẽ được sử dụng để tổng hợp vật liệu cacbon mao quản có từ tính. Thông qua một bước nhiệt phân, năng lượng cho quá trình tổng hợp sẽ được giảm thiểu, rút ngắn thời gian tổng hợp, tiết kiệm hóa chất, góp phần giảm bớt lượng CO2 phát thải. Bên cạnh đó, nguồn phụ phẩm nông nghiệp đài sen dồi dào sau quá trình tách hạt chưa được sử dụng, gây lãng phí. Đó là lý do của đề tài “Tổng hợp và hoạt hóa đồng thời cacbon mao quản từ tính từ phụ phẩm đài sen cho phân huỷ chất hữu cơ ô nhiễm”.
LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN MINH HÙNG 1.2 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Đề tài hướng đến hai đối tượng chính đó là: phụ phẩm nông nghiệp đài sen chưa được khai thác và một vài chất ô nhiễm hữu cơ phổ biến có trong ngành công nghiệp dệt nhuộm, phẩm màu. Phạm vi của nghiên cứu chính là tổng hợp và hoạt hóa đồng thời vật liệu cacbon mao quản từ tính từ phụ phẩm đài sen và ứng dụng như một xúc tác oxi hóa các chất ô nhiễm hữu cơ tồn tại trong nước. Từ đó sẽ mang lại góc nhìn mới hơn về khả năng khai thác phụ phẩm nông nghiệp nói chung và đài sen nói riêng nhằm tạo ra loại vật liệu mới để xử lý ô nhiễm môi trường. 2 LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN MINH HÙNG CHƯƠNG 2.1 Phụ phẩm đài sen Biomass Biomass – sinh khối bao gồm các chất hữu cơ có đặc tính phân hủy sinh học, từ thực vật, động vật, vi sinh vật và cả sinh khối từ các chất thải: nông nghiệp, công nghiệp, sinh hoạt.
Biomass từ chất thải chăn nuôi, phân động vật gồm chất hữu cơ, ẩm và tro. Khi phân hủy ở điều kiện yếm khí sinh ra CH4, CO2, và chất hữu cơ ổn định cho đất và nhiên liệu khí sinh học.1 Các nguồn sinh khối Xét từ nguồn sinh khối phế thải nông nghiệp, chúng chủ yếu bao gồm: cellulose, hemicellulose và lignin, lượng nhỏ pectin, protein, chất diệp lục các khóang chất vô cơ và một số thành phần khác. Cellulose cấu trúc dạng sợi có tổ chức, dạng vô định hình dễ bị phân hủy bởi enzyme. Gỗ cứng chứa nhiều cellulose, trong khi lúa, rơm, một số thực vật cây một lá mầm có hemicellulose với phần lớn mannose trong các thân mềm, xylose trong gỗ cứng của phế liệu nông nghiệp.
Ngược với cellulose, hemicellulose dễ dàng bị thủy phân. Cây thân thảo có hàm lượng lignin thấp nhất, cây thân gỗ có nhiều lignin hơn nên cấu trúc ổn định, cứng hơn, ít thấm nước, kháng hóa chất, giảm phân hủy sinh học [1]. 3 LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN MINH HÙNG Biomass được xem như một nguồn năng lượng có mặt sớm nhất, tại các vùng nông thôn mà tại đó dễ dàng thu nhặt cũng như chi phí giá thành vô cùng rẻ. Sinh khối là một nguồn nguyên liệu tái tạo với những tính chất riêng biệt.
So với các công nghệ tái tạo khác như năng lượng mặt trời hoặc gió, sinh khối có ít vấn đề với việc lưu trữ năng lượng. Hơn nữa, sinh khối là một loại nhiên liệu đa năng có thể sản xuất khí đốt, nhiên liệu lỏng và điện. Đôi khi sinh khối được phân loại là vật liệu dễ cháy có thể được sử dụng như một nguồn năng lượng. Nó là một nguồn năng lượng tái tạo vì khả năng cung cấp của nó không có giới hạn.
Chúng ta luôn có thể trồng trọt hoa màu và chất thải sẽ bắt đầu tái sinh trở lại [2]. Việt Nam là một nước nông nghiệp từ rất lâu đời. Các loại cây lương thực, thực phẩm, ăn quả phong phú đa dạng như lúa, ngô, khoai, sắn, dừa và dứa. Nông nghiệp đóng vai trò quan trọng trong nền kinh tế, cho dù dần thay thế sang công nghiệp.
Việc phát triển nông nghiệp mạnh mẽ đã tạo ra một nguồn sinh khối lớn mang tính mùa vụ. Tiềm năng về sinh khối của Việt Nam được đánh giá là rất đa dạng và có trữ lượng khá lớn. Theo tính toán của Viện Năng lượng Việt Nam, tổng nguồn sinh khối vào khoảng 118 triệu tấn/năm bao gồm khoảng 40 triệu tấn rơm rạ, 8 triệu tấn trấu, 6 triệu tấn bã mía và trên 50 triệu tấn vỏ cà phê, vỏ đậu, phế thải gỗ [3]. Bên cạnh đó, nguồn phụ phẩm từ cây sen cũng khá dồi dào.
Phụ phẩm đài sen Sen (Nelumbo nucifera) loại thực vật sống dưới nước, sinh trưởng và phát triển tốt trong các đầm lầy, ao hồ, có mặt rộng khắp các quốc gia châu Á [4]. Hoa sen là quốc hoa của Việt Nam và còn là biểu tượng của các tổ chức khác. Hoa sen là quốc hoa của Việt Nam và còn là biểu tượng của các tổ chức khác. Cây sen mang lại giá trị kinh tế cao và ổn định cho người nông dân, các phần của cây sen được sử dụng cho nhiều mục đích khác nhau từ thực phẩm, dược phẩm, may mặc, thủ công mỹ nghệ.
Điểm nổi bật của cây sen là giá trị cao cho ngành dược phẩm thiên nhiên. Cây sen đã sớm xuất hiện như một loại thuốc dân gian trong các bài thuốc [5–7]. Mỗi phần đều có những đặc tính và thành phần hóa học riêng biệt bởi sự dồi dào của các 4 LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN MINH HÙNG flavonoid, axit phenolic và ancaloit có trong cây [5–7]. Lá sen, tim sen có tác dụng tốt cho cách bệnh liên quan đến chuyển hóa lipid máu, có tác dụng an thần.
Ngoài ra, hạt sen, ngó sen, củ sen có nguồn dinh dưỡng dồi dào tốt cho sức khỏe.2 Cánh đồng sen Ước tính trung bình tính tại vùng Đồng bằng Sông Cửu Long sản lượng thu hoạch hạt sen lên đến 4 – 5 tấn hạt/hecta. Trong đó, Đồng Tháp chiếm 1/3 diện tích trồng sen trên cả nước với hơn 850 hecta trồng sen [8]. Tại các cơ sở sản xuất sản phẩm từ hạt sen, sau khi tách lấy hạt người ta thường vứt bỏ đài sen mà không sử dụng làm gì hơn (Hình 2.3 Đài sen sau khi thu hoạch hạt còn tươi và sau khi phơi khô 5 LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN MINH HÙNG Ở một số vùng nông thôn, có thể người dân sẽ tận dụng đem phơi khô làm chất đốt hoặc ủ làm phân bón nhưng nhìn chung không phổ biến cũng không mang lại nhiều giá trị. Trong khi đó đài sen lại có một cấu trúc rỗng bên trong rất phức tạp, bản thân nó đã là một nguyên liệu thô có độ xốp cao.
Thành phần hóa học của đài sen được khảo sát có trong Bảng 2.1 Thành phần gần đúng của đài sen Thành phần Tỷ lệ phần trăm (wt%) Chất xơ thô 22,90 2,09 Tro thô 5,79 0,28 Chất đạm thô 0,77 0,04 Lipid thô 5,19 0,02 Carbohydrate 88,25 2,05 Bản thân đài sen là nguyên liệu có nguồn gốc từ sinh khối, thành phần chủ yếu là carbohydrate [9], có cấu trúc rỗng và độ xốp cao. Với nguồn phụ phẩm đài sen rẻ tiền, dễ thu gom và có trữ lượng tương đối lớn được lấy từ huyện Tháp Mười, tỉnh Đồng Tháp, nghiên cứu sẽ sử dụng chúng như một nguồn cung cấp cacbon nhằm tạo ra các loại vật liệu cacbon mao quản đáp ứng mục tiêu của hóa học xanh và phát triển bền vững.2 Vật liệu cacbon mao quản từ tính Về cơ bản MPC chính là các cacbon mao quản (PC) được thêm vào các thành phần có từ tính. Phổ biến là hạt nano từ tính như: Fe, Co, -Fe2O3, Fe3O4, MnFe2O4 vì bên cạnh tính chất từ tính thì hoạt tính xúc tác của các hạt từ tính trên cũng mang lại nhiều sự quan tâm [10–13]. Cụ thể, những hạt từ tính có thể dễ dàng tách riêng ra khỏi hỗn hợp bằng từ trường ngoài [14].
Thêm vào đó, những hạt từ tính có thể được sử dụng như là một xúc tác dị thể cho quá trình oxi hóa nâng cao các chất hữu cơ ô nhiễm trong nước thải [11,15]. Thines và Abdullah [16] đã báo cáo rằng những hạt 6 LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN MINH HÙNG nano từ tính sẽ có hiệu quả tốt nhất trong khoảng kích cỡ 10 – 20 nm. Do đó, để ngăn các hạt nano từ tính keo tụ thành những hạt lớn hơn và thu hồi nó sau khi sử dụng, nhiều nghiên cứu đã đề xuất giải pháp là phân tán các hạt từ tính trên các vật liệu cacbon [16,17]. Về phía vật liệu cacbon, vấn đề của nó khi sử dụng liên quan đến khả năng hấp phụ kém, ít mao quản và rất khó phân riêng.
Do đó, việc phân tán các hạt nano từ tính trên các mạng lưới biomass có thể giải quyết vấn đề trên. Khi đó, vật liệu composite nano từ tính/cacbon mao quản có thể dễ dàng được tách ra bằng từ trường thay vì phải trải qua các quá trình lọc và ly tâm thường thấy. Theo cách này, chi phí toàn bộ quá trình có thể được giảm bằng cách sử dụng từ trường [23,24]. Phương pháp tổng hợp cacbon mao quản từ tính ● Phương pháp truyền thống – 2 giai đoạn Là phương pháp tổng hợp MPC nhiều giai đoạn, mà trong đó, PC được sản xuất hoặc mua trực tiếp từ bên ngoài.
Sau đó, PC được tẩm các muối sắt với liều lượng thích hợp, đem nhiệt phân để thu được MPC thành phẩm. Nhược điểm của việc sản xuất này chính là tốn nhiều thời gian, giá thành có thể tăng hơn. Việc tẩm muối sắt trong giai đoạn này có thể không đồng nhất do hầu như bề mặt của PC trơ.