Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Nguồn nước có vai trò thiết yếu đối với sự sống và các hoạt động sản xuất, tuy nhiên tình trạng ô nhiễm môi trường nước đang gia tăng nhanh chóng do quá trình công nghiệp hóa, đô thị hóa và tốc độ tăng trưởng dân số. Tại Việt Nam, sự phát triển của các làng nghề truyền thống đóng góp tích cực vào kinh tế nông thôn nhưng đồng thời tạo ra áp lực lớn về môi trường. Nước thải từ các làng nghề dệt nhuộm chủ yếu phát sinh từ quy trình sản xuất quy mô nhỏ, công nghệ thủ công lạc hậu, thiếu đồng bộ và không có hệ thống xử lý nước thải đạt chuẩn do rào cản chi phí đầu tư cao cũng như hạn chế về mặt nhận thức của người dân. Nước thải dệt nhuộm chứa hàm lượng lớn các phẩm màu tổng hợp và các chất hoạt động bề mặt (chất phân tán, chất nhũ hóa, bột giặt), có khả năng gây độc tính cao cho hệ sinh thái thủy sinh, làm cản trở quá trình quang hợp của thực vật thủy sinh, phá hủy vi sinh vật và gây các bệnh lý nguy hiểm cho con người như viêm da, bệnh đường hô hấp và ung thư.

Trong số các kỹ thuật xử lý chất màu hữu cơ hiện nay (bao gồm thẩm thấu ngược, lọc nano, kết tủa, oxy hóa nâng cao và hấp phụ), phương pháp hấp phụ được đánh giá sở hữu nhiều ưu điểm nhờ tính kinh tế, quy trình vận hành đơn giản, nguồn vật liệu dồi dào, thân thiện với môi trường và không tạo ra ô nhiễm thứ cấp. Việc tận dụng các nguồn phụ phẩm nông nghiệp có sẵn, giá thành thấp như vỏ trấu, bã mía, xơ dừa, bã chè, bã cà phê và vỏ lạc để chế tạo vật liệu hấp phụ đang là hướng nghiên cứu được chú trọng. Tuy nhiên, các vật liệu sinh khối thô thường khó thu hồi sau khi hấp phụ trong môi trường nước. Do đó, việc kết hợp vỏ lạc biến tính với các hạt oxit sắt từ ($\text{Fe}_3\text{O}_4$) kích thước nanomet nhằm tạo ra vật liệu compozit từ tính giúp nâng cao khả năng xử lý chất màu và cho phép tách thu hồi vật liệu dễ dàng bằng từ trường ngoài.

Mục tiêu nghiên cứu:

  1. Xây dựng quy trình chế tạo vật liệu hấp phụ (VLHP) vỏ lạc mang oxit nano $\text{Fe}_3\text{O}_4$ để hấp phụ phẩm nhuộm xanh methylene.
  2. Khảo sát khả năng hấp phụ và các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hấp phụ xanh methylene của vật liệu hấp phụ đã chế tạo.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Vật liệu compozit từ tính chế tạo từ vỏ lạc biến tính mang hạt nano oxit sắt từ $\text{Fe}_3\text{O}_4$ (vỏ lạc/$\text{Fe}_3\text{O}_4$).
  • Phạm vi nghiên cứu: Phụ phẩm vỏ lạc được thu gom tại tỉnh Quảng Nam; chất bị hấp phụ mô hình là phẩm nhuộm bazơ cation xanh methylene ($\text{C}{16}\text{H}{18}\text{N}_3\text{SCl}$); các quá trình khảo sát được thực hiện theo phương pháp hấp phụ tĩnh trong điều kiện phòng thí nghiệm.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết và mô hình sử dụng

  • Lý thuyết về thuốc nhuộm và xanh methylene: Thuốc nhuộm là các hợp chất hữu cơ mang màu có cấu trúc chứa nhóm mang màu (nối đôi liên hợp $>\text{C}=\text{C}<$, $>\text{C}=\text{N}-$, $-\text{N}=\text{N}-$, $-\text{NO}2$) và nhóm trợ màu ($-\text{NH}2$, $-\text{COOH}$, $-\text{SO}3\text{H}$, $-\text{OH}$). Xanh methylene là thuốc nhuộm bazơ cation thuộc họ thiozin, công thức phân tử $\text{C}{16}\text{H}{18}\text{N}3\text{SCl}$, khối lượng phân tử $319,85\text{ g/mol}$ (dạng ngậm nước $\text{C}{16}\text{H}{18}\text{N}3\text{SCl}\cdot 3\text{H}2\text{O}$ có khối lượng phân tử $373,9\text{ g/mol}$), nhiệt độ nóng chảy $100 - 110^\circ\text{C}$, khi hòa tan phân ly thành cation mang màu $\text{MB}^+$ ($\text{C}{16}\text{H}{18}\text{N}_3\text{S}^+$).
  • Đặc tính vỏ lạc: Thành phần chính gồm xenlulozơ ($65,5 - 79,3%$), carbohydrat ($10,6 - 21,2%$), hemicelluloses ($10,1%$), protein ($4,8 - 7,5%$), tro thô ($1,9 - 4,6%$), khoáng sản ($4,3%$), canxi ($0,24 - 0,27%$) và phốt pho ($0,08 - 0,09%$). Cấu trúc mạch polymer chứa các liên kết $\beta\text{-1,4-glucozit}$ tạo độ bền cơ học cao và có nhiều nhóm chức hoạt động bề mặt sau khi biến tính bằng kiềm và axit citric.
  • Lý thuyết vật liệu nano $\text{Fe}_3\text{O}_4$: $\text{Fe}_3\text{O}_4$ có cấu trúc spinel đảo thuộc nhóm ferit từ, có khối lượng phân tử $231,533\text{ g/mol}$, nhiệt độ Curie $T_c = 850\text{ K}$, nhiệt độ chuyển pha Verwey $118\text{ K}$. Ở kích thước nano, vật liệu thể hiện tính chất siêu thuận từ (có từ độ bão hòa cao khi có từ trường ngoài và mất từ tính dư khi ngắt từ trường).
  • Lý thuyết quá trình hấp phụ: So sánh bản chất giữa hấp phụ vật lý (lực tương tác Van der Waals, nhiệt hấp phụ vài $\text{kcal/mol}$, không đặc thù, thuận nghịch) và hấp phụ hóa học (hình thành liên kết hóa học, nhiệt hấp phụ vài chục $\text{kcal/mol}$, có tính đặc thù cao). Các mô hình đẳng nhiệt hấp phụ:
    • Mô hình đẳng nhiệt Langmuir: Giả định hấp phụ đơn lớp trên bề mặt đồng nhất: $$\frac{C_e}{q_e} = \frac{C_e}{q_m} + \frac{1}{q_m K_L}$$
    • Mô hình đẳng nhiệt Freundlich: Mô tả hấp phụ đa lớp trên bề mặt không đồng nhất: $$\log q_e = \log K_F + \frac{1}{n}\log C_e$$
    • Công thức tính dung lượng hấp phụ ($q$) và hiệu suất ($H$): $$q = \frac{(C_0 - C_{cb})V}{m} \quad (\text{mg/g})$$ $$H = \frac{C_0 - C_{cb}}{C_0} \times 100%$$
Đặc tính so sánh Hấp phụ vật lý Hấp phụ hóa học
Loại liên kết Tương tác vật lý (Van der Waals), không trao đổi electron Liên kết hóa học, có sự trao đổi/chia sẻ electron
Nhiệt hấp phụ Vài kcal/mol Vài chục kcal/mol
Năng lượng hoạt hóa Không quan trọng Đóng vai trò quyết định
Khoảng nhiệt độ Nhiệt độ thấp Nhiệt độ cao
Số lớp hấp phụ Đa lớp Đơn lớp
Tính đặc thù Không có tính đặc thù, ít phụ thuộc bản chất bề mặt Có tính đặc thù cao, phụ thuộc ái lực hóa học
Tính thuận nghịch Thuận nghịch cao, dễ giải hấp Thường bất thuận nghịch, giải hấp khó khăn

Phương pháp nghiên cứu

  • Phương pháp tổng hợp:
    • Xử lý hóa học và biến tính bề mặt vỏ lạc bằng dung dịch $\text{NaOH } 0,1\text{ M}$ (loại bỏ tạp chất hữu cơ, chất béo) và dung dịch axit citric $55%$ (tạo thêm nhóm chức carboxyl $-\text{COOH}$), gia nhiệt biến tính ở $120^\circ\text{C}$.
    • Tổng hợp hạt nano $\text{Fe}_3\text{O}_4$ và phủ lên vỏ lạc bằng phương pháp đồng kết tủa hỗn hợp muối $\text{Fe}^{2+}$ và $\text{Fe}^{3+}$ (tỷ lệ mol 1:2 từ $\text{FeCl}_2\cdot 4\text{H}_2\text{O}$ và $\text{FeCl}_3$ khan) trong môi trường kiềm $\text{NH}_3\text{ } 25%$ ở $80^\circ\text{C}$. Phản ứng tổng hợp: $$\text{Fe}^{2+} + 2\text{Fe}^{3+} + 8\text{OH}^- \rightarrow \text{Fe}_3\text{O}_4 + 4\text{H}_2\text{O}$$
  • Phương pháp phân tích công cụ và đặc trưng vật liệu:
    • Nhiễu xạ tia X (XRD): Xác định cấu trúc pha tinh thể dựa trên định luật Wulff – Bragg ($2d\sin\theta = n\lambda$).
    • Kính hiển vi điện tử quét (SEM): Quan sát hình thái vi cấu trúc bề mặt vật liệu.
    • Kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM): Đo kích thước và hình dạng hạt nano oxit sắt từ.
    • Quang phổ hồng ngoại (FT-IR): Nhận diện các nhóm chức hóa học trên bề mặt vỏ lạc trước và sau khi gắn nano $\text{Fe}_3\text{O}_4$.
    • Phương pháp trắc quang hấp thụ phân tử (UV-Vis): Đo mật độ quang ở bước sóng cực đại $\lambda = 664\text{ nm}$ để xác định nồng độ xanh methylene theo định luật Bouguer – Lambert – Beer.
    • Phương pháp xác định điểm đẳng điện ($pH_I$): Khảo sát độ dịch chuyển $\Delta pH$ trong dung dịch $\text{NaCl } 0,1\text{ M}$ với dải pH ban đầu từ 2 đến 12 trong thời gian 48 giờ.

Nguồn dữ liệu

Dữ liệu thực nghiệm được đo đạc và phân tích tại các cơ sở chuyên môn:

  • Phổ XRD thực hiện tại Trường Đại học Bách khoa – Đại học Đà Nẵng.
  • Ảnh TEM chụp tại Phòng Siêu cấu trúc, Khoa Vi rút, Viện Vệ sinh Dịch tễ Trung ương.
  • Ảnh SEM đo tại Viện Khoa học Vật liệu – Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam (Hà Nội).
  • Phổ IR, phân tích quang phổ UV-Vis và các thí nghiệm hấp phụ tĩnh thực hiện tại Khoa Hóa học, Trường Đại học Sư phạm – Đại học Đà Nẵng.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan

Chương 1 hệ thống hóa cơ sở lý luận về thuốc nhuộm và thực trạng ô nhiễm môi trường nước do nước thải làng nghề dệt nhuộm tại Việt Nam. Tác giả phân tích chi tiết đặc tính hóa lý của xanh methylene ($\text{C}{16}\text{H}{18}\text{N}_3\text{SCl}$), trạng thái phân ly thành cation $\text{MB}^+$ trong nước cũng như chu trình oxy hóa - khử thuận nghịch của chất màu này.

Thành phần hóa học Tỷ lệ phần trăm trong vỏ lạc (%)
Xenlulozơ 65,5 – 79,3
Hemicelluloses 10,1
Carbohydrate 10,6 – 21,2
Protein 4,8 – 7,5
Tro thô 1,9 – 4,6
Khoáng sản 4,3
Canxi 0,24 – 0,27
Phốt pho 0,08 – 0,09

Tác giả tổng hợp các nghiên cứu về việc ứng dụng phụ phẩm nông nghiệp (vỏ lạc, vỏ đậu tương, bã mía, lõi ngô, bã chè, bã cà phê, xơ dừa) trong xử lý môi trường; đồng thời phân tích các phương pháp chế tạo nano $\text{Fe}_3\text{O}_4$ (phương pháp nghiền cơ học, polyol, phân ly nhiệt, vi nhũ tương và đồng kết tủa), nhấn mạnh tính ưu việt của phương pháp đồng kết tủa về tính đơn giản và hiệu quả tạo hạt. Chương này cũng phân tích các nghiên cứu tiền nhiệm (Đỗ Trà Hương với bã chè và nanocompozit MWCNTs/$\text{Fe}_2\text{O}_3$, Bùi Xuân Vững với bã cà phê từ tính) và trình bày lý thuyết hấp phụ, sự hấp phụ ion điện ly, các mô hình đẳng nhiệt Langmuir và Freundlich.

Chương 2: Phương pháp nghiên cứu

Chương 2 mô tả chi tiết danh mục hóa chất đạt độ tinh khiết phân tích (PA) cùng các thiết bị phục vụ thí nghiệm. Quy trình thực nghiệm được chuẩn hóa qua các bước cụ thể:

  1. Biến tính vỏ lạc: Vỏ lạc thu lượm tại Quảng Nam được rửa sạch, phơi khô, nghiền và rây đồng đều; ngâm trong dung dịch $\text{NaOH } 0,1\text{ M}$ trong 48 giờ để loại bỏ tạp chất; rửa lại bằng nước cất; ngâm trong dung dịch axit citric $55%$ trong 48 giờ; lọc hút chân không, sấy 12 giờ ở $80^\circ\text{C}$ và nâng nhiệt biến tính ở $120^\circ\text{C}$ trong 3 giờ; để nguội, ngâm rửa nước cất trong 4 giờ để loại axit dư đến khi nước rửa không còn màu nâu vàng; sấy khô ở $60^\circ\text{C}$ trong 6 giờ.
  2. Tổng hợp nano $\text{Fe}_3\text{O}_4$ và compozit vỏ lạc/$\text{Fe}_3\text{O}_4$: Hòa tan $1,72\text{ g } \text{FeCl}_2\cdot 4\text{H}_2\text{O}$ và $2,8\text{ g } \text{FeCl}_3$ trong $160\text{ mL}$ nước cất, gia nhiệt khuấy từ ở $80^\circ\text{C}$ trong 15 phút; nhỏ từ từ $25\text{ mL}$ dung dịch $\text{NH}_3\text{ } 25%$ (tốc độ 1 giọt/giây) trong 30 phút; sau đó cho $m$ gam vỏ lạc biến tính vào hỗn hợp và tiếp tục khuấy trong 30 phút ở $80^\circ\text{C}$; làm nguội về nhiệt độ phòng, lọc rửa nhiều lần bằng nước cất và sấy ở $40^\circ\text{C}$ trong 20 giờ.
  3. Xây dựng đường chuẩn trắc quang: Khảo sát phổ hấp thụ của xanh methylene ở $\text{pH} = 8$ trong dải bước sóng $400 - 800\text{ nm}$ xác định cực đại hấp thụ tại $\lambda = 664\text{ nm}$. Pha dãy dung dịch chuẩn xanh methylene có nồng độ từ $0$ đến $10\text{ mg/L}$ và đo mật độ quang ($A$).
Mẫu chuẩn Nồng độ ($C$, mg/L) Mật độ quang ($A$ tại 664 nm)
Mẫu trống 0,00 0,0000
Mẫu 1 2,00 0,0543
Mẫu 2 4,00 0,1303
Mẫu 3 6,00 0,1685
Mẫu 4 8,00 0,2332
Mẫu 5 10,00 0,3181

Phương trình hồi quy tuyến tính của đường chuẩn thu được: $$A = 0,0301 \times C_{\text{xanh methylene}} - 0,0027$$

Chương này cũng thiết lập quy trình khảo sát hấp phụ tĩnh đối với các yếu tố: so sánh hiệu suất giữa các vật liệu, tỷ lệ phối trộn vỏ lạc : $\text{Fe}_3\text{O}_4$ ($5:1$ đến $5:7$), ảnh hưởng của pH ($2 - 10$), thời gian tiếp xúc ($30 - 180\text{ phút}$), khối lượng vật liệu hấp phụ ($0,1 - 0,4\text{ g}$) và nồng độ ban đầu của xanh methylene ($50 - 300\text{ mg/L}$).

Chương 3: Kết quả và thảo luận

Chương 3 trình bày các phát hiện thực nghiệm về cấu trúc vật liệu và hiệu năng hấp phụ:

  • Đặc trưng cấu trúc và hình thái:
    • Giản đồ XRD của nano $\text{Fe}_3\text{O}_4$: Xuất hiện các đỉnh nhiễu xạ đặc trưng tại góc $2\theta = 30,4^\circ; 35,8^\circ; 43,5^\circ; 54,1^\circ; 57,4^\circ; 62,7^\circ$ tương ứng với các mặt mạng tinh thể $(220), (311), (400), (422), (511)$ và $(440)$, chứng minh sự hình thành của pha tinh thể oxit sắt từ $\text{Fe}_3\text{O}_4$ cấu trúc spinel đảo.
    • Ảnh TEM của $\text{Fe}_3\text{O}_4$: Các hạt nano có dạng hình cầu, kích thước phân bố trong khoảng $10 - 20\text{ nm}$ và kết tụ thành từng cụm nhỏ.
    • Ảnh SEM: Bề mặt vỏ lạc tự nhiên có cấu trúc xốp, nhiều hốc và rãnh sâu; hạt nano $\text{Fe}_3\text{O}_4$ gồm nhiều tinh thể nhỏ tơi xốp; khi tạo compozit vỏ lạc phủ $\text{Fe}_3\text{O}_4$, các tinh thể nano bám phủ đều lên bề mặt và lấp đầy các rãnh xốp, làm tăng độ nhám và phát triển tâm hấp phụ.
    • Phổ hồng ngoại (FT-IR): Phổ của vỏ lạc xuất hiện vân rộng ở $3332,39\text{ cm}^{-1}$ (nhóm $-\text{NH}$ amin bậc 2), $2917,77\text{ cm}^{-1}$ (liên kết $\text{C}-\text{H}$ no), $1644,02\text{ cm}^{-1}$ ($\text{C}=\text{O}$ amid), $1026,91\text{ cm}^{-1}$ ($\text{C}=\text{O}$) và $535,15\text{ cm}^{-1}$ ($\text{C}-\text{I}$). Trên phổ của vật liệu vỏ lạc phủ $\text{Fe}_3\text{O}_4$, các vân phổ đặc trưng của vỏ lạc bị dịch chuyển tần số hoặc biến đổi cường độ, khẳng định các hạt nano $\text{Fe}_3\text{O}_4$ đã tạo liên kết hóa học với các nhóm chức trên nền vỏ lạc.
  • Điểm đẳng điện ($pH_I$): Kết quả xác định từ giao điểm của đường biểu diễn $\Delta pH$ với trục hoành cho thấy điểm đẳng điện của vỏ lạc là $pH_I = 5,8$; của nano $\text{Fe}_3\text{O}_4$ là $pH_I = 5,5$; và của vật liệu vỏ lạc phủ $\text{Fe}_3\text{O}_4$ giảm xuống $pH_I = 4,5$. Khi $\text{pH} > pH_I$, bề mặt vật liệu tích điện âm, tạo lực hút tĩnh điện thuận lợi với cation xanh methylene $\text{MB}^+$.
  • So sánh khả năng hấp phụ xanh methylene giữa các vật liệu: Thử nghiệm với $0,15\text{ g}$ vật liệu, $25\text{ mL}$ dung dịch xanh methylene $C_0 = 100\text{ mg/L}$, thời gian khuấy $120\text{ phút}$, tốc độ $200\text{ vòng/phút}$:
Vật liệu hấp phụ Nồng độ đầu ($C_0$, mg/L) Nồng độ cân bằng ($C_{cb}$, mg/L) Hiệu suất hấp phụ ($H$, %)
Vỏ lạc biến tính 100 38,06 61,94
Nano $\text{Fe}_3\text{O}_4$ 100 33,05 66,95
Vỏ lạc : $\text{Fe}_3\text{O}_4$ (tỷ lệ 5:2) 100 24,50 75,47
  • Ảnh hưởng của tỷ lệ khối lượng vỏ lạc : $\text{Fe}_3\text{O}_4$: Khảo sát tỷ lệ từ $5:1$ đến $5:7$ cho thấy hiệu suất hấp phụ tăng nhanh khi tăng lượng oxit sắt từ và đạt giá trị cực đại $H = 78%$ tại tỷ lệ $5:2$. Khi tỷ lệ oxit sắt từ tăng cao hơn ($5:3$ đến $5:7$), hiệu suất hấp phụ có xu hướng giảm nhẹ do sự tích tụ dày đặc của các hạt nano làm che lấp các mao quản xốp của chất mang vỏ lạc.

Kết quả và đóng góp

Kết quả chính kèm số liệu thực nghiệm

  • Đã chế tạo thành công vật liệu compozit vỏ lạc phủ nano oxit sắt từ $\text{Fe}_3\text{O}_4$ bằng phương pháp đồng kết tủa kết hợp biến tính hóa học bằng $\text{NaOH } 0,1\text{ M}$ và axit citric $55%$.
  • Phân tích hóa lý chứng minh hạt nano $\text{Fe}_3\text{O}_4$ tổng hợp được mang cấu trúc spinel đảo tinh khiết (qua các góc nhiễu xạ XRD: $30,4^\circ; 35,8^\circ; 43,5^\circ; 54,1^\circ; 57,4^\circ; 62,7^\circ$), kích thước hạt đạt thang đo nanomet đồng đều từ $10 - 20\text{ nm}$ (TEM).
  • Vật liệu compozit tổng hợp có điểm đẳng điện $pH_I = 4,5$, thấp hơn so với các hợp phần riêng rẽ (vỏ lạc $5,8$ và $\text{Fe}_3\text{O}_4$ $5,5$), giúp bề mặt tích điện âm trong môi trường $\text{pH} > 4,5$, tối ưu hóa quá trình hút tĩnh điện cation $\text{MB}^+$.
  • Vật liệu compozit thể hiện dung lượng và hiệu suất hấp phụ vượt trội so với vỏ lạc thô và nano oxit sắt từ đơn thuần ($75,47%$ so với $61,94%$ và $66,95%$), đạt hiệu suất tối đa $78%$ ở tỷ lệ khối lượng phối trộn vỏ lạc : $\text{Fe}_3\text{O}_4 = 5:2$.

Giải pháp và kiến nghị của tác giả

  • Đề xuất quy trình công nghệ tận dụng triệt để nguồn phế thải nông nghiệp sẵn có (vỏ lạc) nhằm tạo ra vật liệu xử lý môi trường chi phí thấp, thân thiện sinh thái.
  • Đề xuất giải pháp tích hợp hạt nano từ tính $\text{Fe}_3\text{O}_4$ lên khung sinh khối xenlulozơ để vừa cải thiện diện tích bề mặt tiếp xúc và tăng mật độ tâm hấp phụ, vừa giúp thu hồi vật liệu nhanh chóng sau xử lý bằng từ trường của nam châm vĩnh cửu, khắc phục nhược điểm khó phân tách của các vật liệu dạng bột mịn truyền thống.

Đóng góp so với các nghiên cứu trước

  • Tác giả tự nêu việc phát triển thành công hệ vật liệu compozit mới kết hợp giữa vỏ lạc biến tính axit citric và nano $\text{Fe}_3\text{O}_4$, tạo ra vật liệu có từ tính ổn định và khả năng xử lý chất màu hữu cơ cation cao hơn so với việc sử dụng chất mang sinh khối đơn lẻ.
  • Cung cấp số liệu thực nghiệm chi tiết về các đặc trưng cấu trúc (XRD, SEM, TEM, IR), điểm đẳng điện và các thông số công nghệ tối ưu cho hệ hấp phụ xanh methylene trên nền compozit vỏ lạc/$\text{Fe}_3\text{O}_4$.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đề tài

  • Các khảo sát thực nghiệm mới chỉ dừng lại ở quy mô phòng thí nghiệm theo chế độ hấp phụ tĩnh trên dung dịch xanh methylene nhân tạo (hệ đơn chất), chưa tiến hành thử nghiệm trên mẫu nước thải dệt nhuộm thực tế vốn có thành phần đa tạp (chứa hỗn hợp nhiều loại phẩm màu, chất hoạt động bề mặt, muối vô cơ và độ đục cao).
  • Khóa luận chưa công bố đầy đủ số liệu thực nghiệm kiểm chứng khả năng tái sinh, chu kỳ giải hấp và độ bền từ tính của vật liệu sau nhiều lần tái sử dụng liên tục.

Hướng nghiên cứu tiếp

  • Tiếp tục khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ để xác định các thông số nhiệt động học ($\Delta H^\circ$, $\Delta S^\circ$, $\Delta G^\circ$) của quá trình hấp phụ.
  • Nghiên cứu động học hấp phụ (mô hình bậc 1, bậc 2 biểu kiến) và khảo sát quá trình hấp phụ động trên hệ cột liên tục.
  • Đánh giá khả năng giải hấp, hiệu quả tái sinh vật liệu bằng các tác nhân hóa học thích hợp và thử nghiệm xử lý trên các nguồn nước thải công nghiệp hoặc nước thải làng nghề dệt nhuộm thực tế.

Giá trị tham khảo

  • Đối tượng thụ hưởng: Tài liệu là nguồn tham khảo hữu ích cho sinh viên, học viên cao học và nghiên cứu sinh thuộc các chuyên ngành Hóa học (Hóa vô cơ, Hóa lý, Hóa môi trường, Sư phạm Hóa học), Công nghệ Môi trường và Khoa học Vật liệu.
  • Nội dung có giá trị chuyên môn cao:
    • Quy trình xử lý và biến tính bề mặt phụ phẩm nông nghiệp giàu xenlulozơ bằng kiềm kết hợp axit citric để tăng cường nhóm chức trao đổi ion.
    • Kỹ thuật tổng hợp vật liệu compozit từ tính bằng phương pháp đồng kết tủa đơn giản trong điều kiện phòng thí nghiệm thông thường.
    • Phương pháp xây dựng đường chuẩn trắc quang UV-Vis xác định nồng độ xanh methylene tại bước sóng $664\text{ nm}$ và quy trình đo đạc xác định điểm đẳng điện ($pH_I$) của vật liệu hấp phụ dạng rắn.

Câu hỏi thường gặp

1. Vật liệu compozit vỏ lạc/$\text{Fe}_3\text{O}_4$ được tổng hợp bằng phương pháp hóa học nào?

Vật liệu được tổng hợp bằng phương pháp đồng kết tủa dung dịch muối $\text{FeCl}_2\cdot 4\text{H}_2\text{O}$ ($1,72\text{ g}$) và $\text{FeCl}_3$ khan ($2,8\text{ g}$) theo tỷ lệ mol $\text{Fe}^{2+} : \text{Fe}^{3+} = 1:2$ trong $160\text{ mL}$ nước cất ở nhiệt độ $80^\circ\text{C}$, sử dụng dung dịch $\text{NH}_3\text{ } 25%$ nhỏ giọt làm tác nhân kết tủa, sau đó phối trộn với vỏ lạc đã biến tính bằng $\text{NaOH } 0,1\text{ M}$ và axit citric $55%$.

2. Kích thước hạt và cấu trúc tinh thể của nano oxit sắt từ trong nghiên cứu được xác định như thế nào?

Cấu trúc tinh thể của hạt nano $\text{Fe}_3\text{O}_4$ được xác định qua phổ nhiễu xạ tia X (XRD) với 6 đỉnh đặc trưng tại các góc $2\theta = 30,4^\circ; 35,8^\circ; 43,5^\circ; 54,1^\circ; 57,4^\circ; 62,7^\circ$ tương ứng cấu trúc spinel đảo. Kích thước hạt được xác định qua ảnh kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) cho thấy hạt có dạng hình cầu với kích thước phân bố trong khoảng $10 - 20\text{ nm}$.

3. Điểm đẳng điện ($pH_I$) của vật liệu vỏ lạc phủ $\text{Fe}_3\text{O}_4$ là bao nhiêu và có ý nghĩa gì đối với quá trình hấp phụ?

Điểm đẳng điện của vật liệu compozit là $pH_I = 4,5$ (thấp hơn so với vỏ lạc thô $pH_I = 5,8$ và $\text{Fe}_3\text{O}_4$ $pH_I = 5,5$). Khi môi trường dung dịch có $\text{pH} > 4,5$, bề mặt vật liệu mang điện tích âm, tạo lực hút tĩnh điện mạnh với các cation $\text{MB}^+$ của phẩm nhuộm xanh methylene, từ đó làm tăng hiệu suất hấp phụ.

4. Tỷ lệ khối lượng phối trộn giữa vỏ lạc và nano $\text{Fe}_3\text{O}_4$ tối ưu là bao nhiêu?

Qua khảo sát dải tỷ lệ khối lượng vỏ lạc : $\text{Fe}_3\text{O}_4$ từ $5:1$ đến $5:7$, tỷ lệ tối ưu được xác định là $5:2$, cho hiệu suất hấp phụ xanh methylene đạt mức cao nhất là $78%$.

5. Hiệu suất xử lý xanh methylene của compozit vỏ lạc/$\text{Fe}_3\text{O}_4$ thay đổi như thế nào so với các cấu phần đơn lẻ?

Trong cùng điều kiện thí nghiệm ($0,15\text{ g}$ vật liệu, $25\text{ mL}$ dung dịch $C_0 = 100\text{ mg/L}$, thời gian $120\text{ phút}$), vật liệu compozit vỏ lạc:$\text{Fe}_3\text{O}4$ đạt hiệu suất hấp phụ $75,47%$ ($C{cb} = 24,50\text{ mg/L}$), cao hơn đáng kể so với hạt nano $\text{Fe}3\text{O}4$ đơn thuần ($H = 66,95%$, $C{cb} = 33,05\text{ mg/L}$) và vỏ lạc biến tính đơn thuần ($H = 61,94%$, $C{cb} = 38,06\text{ mg/L}$).

Kết luận

Khóa luận tốt nghiệp của tác giả Nguyễn Thị Minh Hà đã nghiên cứu và hoàn thiện quy trình chế tạo vật liệu hấp phụ từ tính compozit vỏ lạc phủ nano oxit sắt từ $\text{Fe}_3\text{O}_4$ bằng phương pháp đồng kết tủa kết hợp biến tính hóa học. Các phân tích cấu trúc XRD, TEM, SEM và FT-IR khẳng định hạt nano $\text{Fe}_3\text{O}_4$ có kích thước $10 - 20\text{ nm}$, cấu trúc spinel đảo và gắn kết bền vững trên bề mặt chất mang xenlulozơ. Vật liệu tổng hợp với tỷ lệ khối lượng vỏ lạc : $\text{Fe}_3\text{O}_4$ là $5:2$ cho hiệu suất tách loại phẩm màu cation xanh methylene đạt $78%$, mở ra hướng tiếp cận triển vọng trong việc tận dụng phế phẩm nông nghiệp để xử lý nước thải dệt nhuộm và dễ dàng thu hồi bằng từ trường.