MỞ ĐẦU Ô nhiễm môi trường nói chung, ô nhiễm môi trường nước nói riêng đang là một vấn đề toàn cầu. Nguồn gốc ô nhiễm nước chủ yếu do việc xả thải trực tiếp các nguồn ô nhiễm ra môi trường bao gồm nước thải sinh hoạt và nước thải công nghiệp, nông nghiệp… Một trong những ngành gây ô nhiễm nghiêm trọng ở nước ta là dệt nhuộm. Từ năm 2018, ngành dệt may Việt Nam được ghi nhận nằm trong tốp 3 nước xuất khẩu hàng đầu thế giời, chỉ sau Trung Quốc và Ấn Độ. Theo Báo cáo của Hiệp hội Dệt may Việt Nam, 6 tháng đầu năm 2019, kinh tế thế giới có xu hướng tăng chậm lại do những biến động và xung đột chính trị, thương mại, đặc biệt chính sách bảo hộ, chiến tranh thương mại gia tăng ngày càng phức tạp, khó lường, nhưng ngành dệt may đạt tổng kim ngạch xuất khẩu gần 18 tỷ USD, tăng 8,61% so với cùng kỳ năm 2018; trong đó, hàng may mặc đạt 14,02 tỷ USD, tăng 8,71%.
Mặt hàng vải đạt 1,02 tỷ USD, tăng 29,9%; các mặt hàng xơ, sợi đạt 2,01 tỷ USD, tăng 1,1%; vải địa kỹ thuật tăng 16,9%; phụ liệu dệt may giảm 0,29%. Bên cạnh lợi ích kinh tế khổng lồ đó là những ảnh hưởng tiêu cực đến môi trường đáng được quan tâm, với dây chuyền công nghệ phức tạp, bao gồm nhiều công đoạn sản xuất khác nhau nên nước thải sau sản xuất dệt nhuộm chứa nhiều hợp chất hữu cơ độc hại, đặc biệt là công đoạn tẩy trắng và nhuộm màu. Những năm gần đây, đã có nhiều nghiên cứu về chế tạo các vật liệu hấp phụ để xử lý các chất hữu cơ có hại trong nước thải như: ZIF-67, MOFs…Với tiêu chí tận dụng nguồn nguyên liệu rẻ tiền, dễ tìm trong nghiên cứu khóa luận này tiến hành chế tạo vật liệu carbon xốp pha tạp nitơ từ than mỏ Hòn Gai ở Quảng Ninh để ứng dụng làm vật liệu xúc tác hấp phụ xử lý ô nhiễm phẩm màu trong môi trường nước". Mục tiêu của nghiên cứu là biến tính bề mặt than thô (than Hòn Gai) bằng cách gắn phi kim nhằm thay đổi cấu trúc bề mặt của than hoạt tính và làm tăng dung lượng hấp phụ và khảo sát khả năng hấp phụ của phẩm màu trong nước thải dệt nhuộm với hy vọng phát triển đa dạng các loại vật liệu này để ứng dụng trong kiểm soát, xử lý nước thải phẩm nhuộm quá trình thực tiễn.
Tổng quan về vật liệu than Than mỏ được tạo thành do thực vật bị vùi lấp dưới đất và phân hủy dần, bị nén dưới áp suất cao, nhiệt độ lớn trong hàng triệu năm. Thời gian thành tạo càng dài, than càng già và hàm lượng cacbon trong than càng cao. Các mỏ than phân bố nhiều nhất ở các nước Bắc Bán cầu: Trung Quốc, Nga, các nước châu Âu, Canada, Mỹ. Tại Việt Nam mỏ than lớn nhất của Việt Nam ở Quảng Ninh.
Mức sản xuất than của các nước trên thế giới trung bình là 5 tỉ tấn/năm. Than mỏ gồm các loại: than đá, than mỡ, than non, than gỗ, than xương và than bùn, dầu mỏ được phân bố ở các rừng. Than là một loại đá trầm tích có màu nâu đen hoặc đen có thể đốt cháy và thường xuất hiện trong các tầng đá gồm nhiều lớp hoặc lớp khoáng chất hay còn gọi là mạch mỏ. Một loại than cứng như than anthracit, có thể liên quan đến đá biến chất bởi vì sự tác động lâu dài về nhiệt độ và áp suất.
Than mỏ là một chất gồm chủ yếu là nguyên tố carbon ở dạng vô định hình (bột), chiếm từ 60 đến 75% khối lượng, một phần nữa có dạng tinh thể vụn grafit, 1 lượng nhỏ tàn tro và các nguyên tố khác như hydro, nitơ, lưu huỳnh, oxi,. có sẵn trong nguyên liệu ban đầu hoặc mới liên kết với carbon trong quá trình hoạt hóa.1 Thành phần của than [1] STT Tên nguyên tố Thành phần % khối lượng 1 C (Carbon) 63,89 2 H (Hydrogen) 4,36 3 N (Nitrogen) 0.21 10 Than là chất hấp phụ được sử dụng phổ biến nhất và được sử dụng rộng rãi để loại bỏ các chất ô nhiễm hữu cơ và vô cơ trong nước. Khả năng hấp phụ là một chỉ số quan trọng để đánh giá hiệu quả hấp phụ của chất hấp phụ. Các chất hấp phụ khác nhau từ chất thải rắn nông nghiệp, chất thải rắn công nghiệp, phụ phẩm nông nghiệp được sử dụng trong xử lý nước thải.
Ví dụ, đất sét , bùn , montmorillonite , sợi lanh , zeolit và than sinh học (trấu , gỗ thông , lúa mì , bã mía , cỏ switchgrass , Ficus carica libe [1] làm chất hấp phụ đã được sử dụng để xử lý hấp phụ nước thải nhuộm.2 Biến tính than 1. Biến tính vật liệu than bằng axit - bazơ Để chuẩn bị cho quá trình pha tạp N vào vật liệu, mẫu than mỏ cần phải được làm sạch than bằng cách loại bỏ các chất khoáng vô cơ không mong muốn và không cháy khỏi than. Có hai kỹ thuật kỹ thuật tách có thể được sử dụng để làm sạch than. Một trong những kỹ thuật đó là chất hữu cơ được chiết xuất từ than thông qua quá trình chiết dung môi để lại than dư giàu lượng tro [11].
Trong một số phương pháp khác, chất khoáng vô cơ được loại bỏ khỏi than bằng cách rửa trôi hóa học sử dụng các hóa chất vô cơ. Việc lọc than qua quá trình chiết xuất dung môi, tức là tinh chế than hữu cơ có thể dẫn đến sản lượng than sạch lớn. Hơn nữa, các khoáng chất vô cơ được tách ra khỏi than có thể dẫn đến việc thu hồi các khoáng chất gia tăng [12]. Bảng 1 tóm tắt những nhược điểm và ưu điểm của các phương pháp rửa trôi khác nhau được sử dụng để khử khoáng chất than.2 Ưu điểm và nhược điểm của các phương pháp xử lý Phương pháp Ưu điểm Nhược điểm Xử lý bằng axit Axit hòa tan hầu hết các Không phải tất cả các khoáng khoáng chất như phốt phát, chất đều được rửa sạch chỉ cacbonat, sunfat tùy thuộc bằng một axit vào axit được sử dụng Xử lý axit từng Hai axit có thể được sử Việc sử dụng HF, HCl và bước dụng với khả năng của một HNO3 sẽ yêu cầu các vật liệu axit loại bỏ những khoáng đặc biệt và chắc chắn.
Chúng chất không thể được loại bỏ có thể làm thay đổi cấu trúc trong lần rửa trước đó than và đặc tính hình thái của than Chất oxy hóa và Dẫn đến việc khử lưu Các chất oxy hóa và tạo chelat chất tạo chelat huỳnh hiệu quả của than có thể nhạy cảm với pH và có thể tạo ra các phức chất khó loại bỏ khỏi than Xử lý axit kiềm Kết quả loại bỏ tro hiệu Sử dụng quá nhiều có thể cản quả (90%) chỉ với việc rửa trở cấu trúc của than hai bước Việc sử dụng các kỹ thuật làm sạch sinh học bằng cách sử dụng vi khuẩn hoặc các enzym của chúng về quá trình tẩy trắng sinh học và phân hủy sinh học của than bằng cách sử dụng các ferroodoxin Acidithiobacillus. Trên thực tế, khả năng chiết xuất của than trong dung môi hữu cơ ở mức độ nhẹ hơn, điều kiện áp suất xung quanh thường nhỏ hơn 25% - 30%. Năng suất chiết xuất có thể được nâng cao bằng cách sử dụng áp suất cao hơn ở nhiệt độ cao. Tuy nhiên, điều này dẫn đến những thay đổi trong cấu trúc hóa học hữu cơ của than.
Các phương pháp được sử dụng để điều chỉnh than xốp bao gồm các phương pháp vật lý, hóa học và sinh học. Công nghệ biến tính hóa học cho thấy ý nghĩa to lớn để cải thiện tính ưa nước và sự phân tán trong nước do tăng ái lực giữa than xốp và nước và giảm năng lượng hấp dẫn giữa các hạt. Ưu điểm của phương pháp này là giá thành rẻ [15] và ít làm hỏng cấu trúc của than. Hơn nữa, chất hoạt động bề mặt có thể thay đổi đặc tính điện tích bề mặt của than và cung cấp nhiều vị trí hấp phụ ion hơn cho chất ô nhiễm, điều này không chỉ có thể nâng cao khả năng hấp phụ ion của chất ô nhiễm trên vật liệu than xốp [15], mà còn có thể thúc đẩy quá trình hấp phụ có chọn lọc.
12 Do đó, rửa than hóa học bằng cách sử dụng hóa chất vô cơ dường như là một lựa chọn tốt hơn để làm sạch than để thu được than sạch có độ tro thấp. Trong quá trình này, than được xử lý với axit và kiềm vô cơ để giảm tro cũng như hàm lượng lưu huỳnh trong than. Các thuốc thử thông dụng nhất đã được sử dụng là NaOH, Na2CO3, CaO, Ca (OH)2, vôi sống, KOH [10], các axit khoáng như HCl, HF, HNO3, H2SO4, HI. Các chất oxy hóa như H2O2, Fe2(SO4)3, K2Cr2O7, NaOCl, cũng đã được một số nhà nghiên cứu sử dụng.
Các chất như EDTA, axit xitric, axit pyroliological cũng đã được sử dụng. Sự có mặt của các chất oxy hóa trong axit cũng là một phương pháp đã được sử dụng vì điều này cũng có thể dẫn đến việc loại bỏ lưu huỳnh pyritic. Việc sử dụng axit, kiềm, chất oxy hóa và các loại kiềm khác nhau, kết hợp axit là một lựa chọn tốt để khử khoáng và khử lưu huỳnh trong than. Tuy nhiên, với khả năng khử khoáng và khử lưu huỳnh cao tới 80% –90% ngay cả trong than cấp thấp.
Vì vậy, nghiên cứu có thể được mở rộng theo hướng sử dụng các quá trình vật lý với các phương pháp hóa học trong tương lai để làm sạch than và sử dụng than hiệu quả.2 Vật liệu carbon xốp pha tạp nitơ Cấu trúc và đặc điểm của cacbon xốp có các tính năng độc đáo: độ bền cơ học cao, cấu trúc lỗ có thể kiểm soát và độ xốp cao. Carbon xốp cũng được sử dụng rộng rãi, các biện pháp được nghiên cứu nhằm cải thiện hiệu suất của vật liệu đâng được nghiên cứu sâu và ngày càng đa dạng. Một trong những phương pháp phổ biến là pha tạp nitơ, đây là phương pháp quan trọng để tối ưu hóa cấu trúc bề mặt của vật liệu và cải thiện cấu trúc lỗ rỗng của nó. Nitơ trong bảng tuần hoàn các nguyên tố hóa học ở gần vị trí carbon và có bán kính nguyên tử gần giống với bán kính nguyên tử của carbon là điều kiện thuận lợi để thay thế nguyên tử.
Các đặc tính và cấu trúc của vật liệu carbon có thể được tối ưu hóa bằng cách pha tạp nitơ bằng cách sử dụng kỹ thuật thủy nhiệt và lắng đọng hơi có thể được sử dụng để tổng hợp vật liệu cacbon nitrua có cấu trúc graphit.