Tổng quan nghiên cứu

Ô nhiễm kim loại nặng trong nước thải công nghiệp là một trong những vấn đề môi trường nghiêm trọng, đặc biệt là ô nhiễm niken (Ni(II)) với nồng độ có thể lên đến hàng chục mg/L, vượt xa giới hạn cho phép theo QCVN 40:2011/BTNMT. Niken là kim loại có tính độc cao, tồn tại lâu dài trong môi trường, có thể tích tụ trong sinh vật và gây ra các bệnh lý nghiêm trọng cho con người như viêm da, dị ứng và tăng nguy cơ ung thư đường hô hấp. Việt Nam, trong quá trình công nghiệp hóa, hiện đang đối mặt với thách thức xử lý nước thải chứa Ni(II) từ các ngành như mạ điện, luyện kim, khai khoáng.

Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là chế tạo vật liệu hấp phụ (VLHP) từ phụ phẩm nông nghiệp gồm vỏ đỗ xanh và than sinh học từ vỏ cà phê để xử lý Ni(II) trong nước và nước thải. Nghiên cứu tập trung khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất xử lý như thời gian tiếp xúc, pH, tỷ lệ rắn-lỏng, đồng thời đánh giá khả năng tái sử dụng vật liệu. Phạm vi nghiên cứu thực hiện trong phòng thí nghiệm tại Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội và Trung tâm Kỹ thuật Tiêu chuẩn Đo lường Chất lượng 1.

Ý nghĩa nghiên cứu thể hiện qua việc tận dụng nguồn phụ phẩm nông nghiệp phong phú, giá thành thấp, thân thiện môi trường để tạo ra vật liệu sinh học có khả năng xử lý kim loại nặng hiệu quả, góp phần giảm thiểu ô nhiễm môi trường nước và nâng cao hiểu biết về công nghệ xử lý kim loại nặng bằng vật liệu sinh học tại Việt Nam.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình hấp phụ sau:

  • Lý thuyết hấp phụ Langmuir: Mô hình hấp phụ đơn lớp, giả định bề mặt vật liệu đồng nhất, không có tương tác giữa các phân tử hấp phụ, cho phép xác định khả năng hấp phụ tối đa $Q_m$ và hằng số cân bằng $b$.

  • Lý thuyết hấp phụ Freundlich: Mô hình hấp phụ đa lớp trên bề mặt không đồng nhất, mô tả bằng hằng số đặc trưng $K_F$ và hệ số phân bố $1/n$, phù hợp với vật liệu sinh học có cấu trúc phức tạp.

  • Mô hình động học hấp phụ bậc 1 và bậc 2: Mô tả tốc độ hấp phụ dựa trên sự thay đổi lượng chất hấp phụ theo thời gian, giúp xác định cơ chế hấp phụ và thời gian cân bằng.

  • Các khái niệm chính: trao đổi ion, tạo phức, liên kết hóa học và hấp phụ vật lý trên bề mặt vật liệu sinh học chứa các nhóm chức như hydroxyl, cacboxyl, amin.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Vật liệu hấp phụ được chế tạo từ vỏ đỗ xanh (ký hiệu MBH) và than sinh học từ vỏ cà phê (ký hiệu CH). Dung dịch Ni(II) chuẩn có nồng độ khoảng 50 mg/L được sử dụng trong các thí nghiệm.

  • Phương pháp chọn mẫu: Vỏ đỗ xanh thu gom từ cơ sở sản xuất giá đỗ tại Hà Nội, vỏ cà phê thu từ Đắk Lắk. Vật liệu được xử lý, nghiền, sàng lọc kích thước 0,6–1 mm, sấy khô và bảo quản trong điều kiện hút ẩm.

  • Phương pháp phân tích: Nồng độ Ni(II) được xác định bằng phổ khối nguyên tử ICP-MS theo tiêu chuẩn US EPA Method 200.8. Đặc tính vật liệu được khảo sát bằng kính hiển vi điện tử quét (SEM), phổ hồng ngoại FTIR và diện tích bề mặt BET.

  • Quy trình thực nghiệm: Thí nghiệm hấp phụ theo mẻ gián đoạn trong bình tam giác 100 mL, khuấy trộn ổn nhiệt 25°C, tốc độ 100 vòng/phút. Các yếu tố thời gian tiếp xúc (5–180 phút), pH (1,5–7,5), tỷ lệ rắn-lỏng (0,5–22 g/L) được khảo sát độc lập. Mẫu nước thải thực tế từ công ty mạ điện có nồng độ Ni(II) 66,6 mg/L được xử lý thử nghiệm.

  • Timeline nghiên cứu: Thực hiện trong năm 2018, bao gồm giai đoạn chế tạo vật liệu, khảo sát điều kiện tối ưu, phân tích đặc tính vật liệu và ứng dụng xử lý nước thải.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Đặc tính vật liệu: Diện tích bề mặt riêng của MBH là 44,8 m²/g, của CH là 137,6 m²/g. Ảnh SEM cho thấy bề mặt MBH gợn sóng, CH nhiều lỗ xốp. Sau xử lý Ni(II), bề mặt vật liệu thay đổi cấu trúc và số lượng lỗ xốp, chứng tỏ sự tương tác hấp phụ.

  2. Ảnh hưởng của thời gian tiếp xúc: Hiệu suất xử lý Ni(II) tăng nhanh trong 10 phút đầu, đạt cân bằng sau 40 phút với MBH (hiệu suất >75%) và sau 60 phút với CH (hiệu suất >50%). Thời gian tiếp xúc tối ưu được chọn là 60 phút cho MBH và 80 phút cho CH.

  3. Ảnh hưởng của pH: Hiệu suất hấp phụ rất thấp (<2%) khi pH < 2, tăng mạnh từ pH 2 đến 5, đạt ổn định khi pH > 6. Ở pH ban đầu 4,98, hiệu suất đạt trên 74% với MBH và trên 50% với CH. pH cân bằng tương ứng là 4,64 và 6,76.

  4. Ảnh hưởng của tỷ lệ rắn-lỏng: Khi tỷ lệ rắn-lỏng tăng từ 0,62 đến 22,42 g/L, hiệu suất hấp phụ của MBH tăng từ 18% lên 85,5%, đạt ổn định ở tỷ lệ ≥13 g/L. Với CH, hiệu suất tăng từ 6,5% lên 73,5%, ổn định ở tỷ lệ ≥13,3 g/L. Lượng Ni(II) hấp phụ trên đơn vị khối lượng vật liệu giảm khi tỷ lệ rắn-lỏng tăng.

  5. Mô hình đẳng nhiệt hấp phụ: Dữ liệu phù hợp với cả mô hình Langmuir và Freundlich, tuy nhiên mô hình Freundlich phù hợp hơn với hệ số tương quan R² lần lượt là 0,998 (MBH) và 0,974 (CH). Khả năng hấp phụ tối đa Qm của MBH là 57,8 mg/g, cao hơn nhiều so với CH (8,61 mg/g).

Thảo luận kết quả

Hiệu suất hấp phụ nhanh và cao của MBH so với CH có thể giải thích do sự khác biệt về số lượng nhóm chức năng trên bề mặt và diện tích bề mặt riêng. Quá trình hấp phụ Ni(II) chủ yếu diễn ra qua cơ chế trao đổi ion giữa Ni²⁺ và các ion Ca²⁺, K⁺, Mg²⁺, Na⁺ có trong vật liệu, cùng với liên kết hóa học giữa Ni(II) và các nhóm hydroxyl, cacboxyl, amin.

Sự phụ thuộc mạnh mẽ của hiệu suất vào pH phản ánh vai trò của điện tích bề mặt vật liệu và sự cạnh tranh của ion H⁺ với Ni²⁺. Ở pH thấp, ion H⁺ chiếm vị trí hấp phụ, làm giảm hiệu quả xử lý. Khi pH tăng, lực đẩy tĩnh điện giảm, tăng khả năng liên kết Ni(II).

So sánh với các nghiên cứu trước đây, khả năng hấp phụ của MBH tương đương hoặc vượt trội so với các vật liệu sinh học từ phụ phẩm nông nghiệp như thân cây nho (10,67 mg/g), xơ dừa (83% hiệu suất), cây cỏ lác (88,6%), vỏ trấu (96,9%). Điều này khẳng định tiềm năng ứng dụng của vật liệu MBH trong xử lý nước thải chứa Ni(II).

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ hiệu suất theo thời gian, pH, tỷ lệ rắn-lỏng và đồ thị đẳng nhiệt Langmuir, Freundlich để minh họa rõ ràng các xu hướng và mô hình phù hợp.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Ứng dụng vật liệu MBH trong xử lý nước thải công nghiệp: Khuyến nghị sử dụng vật liệu MBH với tỷ lệ rắn-lỏng ≥13 g/L, pH điều chỉnh khoảng 5, thời gian tiếp xúc tối thiểu 60 phút để đạt hiệu suất xử lý Ni(II) trên 85%. Thời gian thực hiện trong vòng 1 giờ, phù hợp cho các hệ thống xử lý nước thải mạ điện.

  2. Phát triển quy trình tái sử dụng vật liệu: Thực hiện chu kỳ giải hấp phụ bằng dung dịch HNO₃ 0,1–0,25M để tái sinh vật liệu, giảm chi phí vận hành và tăng tính bền vững. Khuyến nghị kiểm soát số chu kỳ tái sử dụng để duy trì hiệu suất hấp phụ.

  3. Mở rộng nghiên cứu xử lý hỗn hợp kim loại nặng: Nghiên cứu khả năng xử lý đồng thời các kim loại khác như Cu, Pb, Fe trong nước thải công nghiệp để đánh giá hiệu quả toàn diện của vật liệu.

  4. Triển khai thí điểm quy mô lớn tại các cơ sở công nghiệp: Hợp tác với các nhà máy mạ điện để thử nghiệm thực tế, đánh giá hiệu quả xử lý, chi phí và tác động môi trường nhằm hoàn thiện công nghệ trước khi nhân rộng.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Kỹ thuật Môi trường: Tài liệu cung cấp cơ sở lý thuyết, phương pháp và kết quả thực nghiệm chi tiết về xử lý kim loại nặng bằng vật liệu sinh học từ phụ phẩm nông nghiệp.

  2. Chuyên gia và kỹ sư xử lý nước thải công nghiệp: Tham khảo quy trình chế tạo và ứng dụng vật liệu hấp phụ giá rẻ, thân thiện môi trường để cải thiện hiệu quả xử lý nước thải chứa Ni(II).

  3. Các cơ quan quản lý môi trường và chính sách: Cung cấp dữ liệu khoa học về mức độ ô nhiễm và giải pháp xử lý, hỗ trợ xây dựng tiêu chuẩn và hướng dẫn quản lý nước thải công nghiệp.

  4. Doanh nghiệp sản xuất vật liệu sinh học và công nghệ môi trường: Tham khảo công nghệ chế tạo vật liệu hấp phụ từ phụ phẩm nông nghiệp, mở rộng sản phẩm và ứng dụng trong xử lý môi trường.

Câu hỏi thường gặp

  1. Vật liệu MBH và CH được chế tạo như thế nào?
    Vật liệu MBH được chế tạo từ vỏ đỗ xanh qua quá trình rửa, sấy, nghiền và xử lý bằng nước de-ion ở 121°C trong 1 giờ. Vật liệu CH là than sinh học từ vỏ cà phê được nhiệt phân ở 850–950°C trong điều kiện thiếu oxy, sau đó nghiền và sấy khô.

  2. Hiệu suất xử lý Ni(II) của hai vật liệu này ra sao?
    MBH đạt hiệu suất xử lý Ni(II) trên 85% ở điều kiện tối ưu, trong khi CH đạt khoảng 73%. Khả năng hấp phụ tối đa của MBH là 57,8 mg/g, cao hơn nhiều so với CH (8,61 mg/g).

  3. Các yếu tố nào ảnh hưởng đến hiệu suất hấp phụ Ni(II)?
    Thời gian tiếp xúc, pH dung dịch và tỷ lệ rắn-lỏng là các yếu tố chính. Hiệu suất tăng theo thời gian đến khi cân bằng, tăng theo pH từ 2 đến 6 và tăng theo tỷ lệ rắn-lỏng đến mức bão hòa.

  4. Vật liệu có thể tái sử dụng được không?
    Có thể tái sử dụng sau khi giải hấp phụ bằng dung dịch axit HNO₃ 0,1–0,25M. Quá trình tái sinh giúp duy trì hiệu suất và giảm chi phí vận hành.

  5. Ứng dụng thực tế của nghiên cứu này là gì?
    Nghiên cứu cung cấp giải pháp xử lý nước thải công nghiệp chứa Ni(II) bằng vật liệu sinh học giá rẻ, thân thiện môi trường, phù hợp cho các nhà máy mạ điện và các ngành công nghiệp khác, góp phần bảo vệ môi trường và sức khỏe cộng đồng.

Kết luận

  • Đã chế tạo thành công vật liệu hấp phụ MBH từ vỏ đỗ xanh và CH từ than sinh học vỏ cà phê với đặc tính bề mặt và nhóm chức phù hợp cho xử lý Ni(II).
  • Thời gian tiếp xúc, pH và tỷ lệ rắn-lỏng là các yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến hiệu suất hấp phụ Ni(II), với điều kiện tối ưu cho MBH là 60 phút, pH ~5 và tỷ lệ rắn-lỏng ≥13 g/L.
  • Mô hình hấp phụ phù hợp nhất là Freundlich, cho thấy quá trình hấp phụ diễn ra trên bề mặt không đồng nhất với nhiều cơ chế phối hợp.
  • Vật liệu MBH có khả năng hấp phụ Ni(II) tối đa 57,8 mg/g, vượt trội so với nhiều vật liệu sinh học cùng loại, đồng thời có thể tái sử dụng sau quá trình giải hấp phụ.
  • Đề xuất triển khai thí điểm ứng dụng công nghệ tại các nhà máy công nghiệp, đồng thời mở rộng nghiên cứu xử lý hỗn hợp kim loại nặng và phát triển quy trình tái sinh vật liệu.

Hành động tiếp theo: Khuyến khích các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp phối hợp triển khai thử nghiệm thực tế, đồng thời hoàn thiện quy trình công nghệ để ứng dụng rộng rãi trong xử lý nước thải công nghiệp.