SYNTHESIS OF VALUE-ADDED MATERIALS FROM DURIAN SHELL AND APPLICATIONS

Luận văn về tổng hợp vật liệu giá trị gia tăng từ vỏ sầu riêng, ứng dụng trong xử lý ô nhiễm. Nghiên cứu kỹ thuật hóa học, tiềm năng phát triển bền vững.

• Tác giả: Trịnh Mai Hoàng Anh
• Người hướng dẫn: Assoc. Lê Thị Kim Phụng
• Trường học: Ho Chi Minh City University of Technology
• Chuyên ngành: Chemical Engineering
• Đề tài: Chế Tạo Vật Liệu Gia Tăng Từ Vỏ Sầu Riêng Và Ứng Dụng
• Loại tài liệu: Master’s Thesis
• Năm xuất bản: 2024
• Địa điểm: Ho Chi Minh City

Mục lục chi tiết

• ACKNOWLEDGMENT
• ABSTRACT
• TÓM TẮT
• GUARANTEE
• TABLE OF CONTENTS
• 1. PREFACE
• 2. LIST OF ABBREVIATION
• 3. LIST OF FIGURES
• 4. LIST OF TABLES
• 5. Dye-containing wastewater
• 6. Advanced oxidation process
• 7. Research objectives and contents
• 8. Chemicals, experimental equipment, and instruments
• 8.1. Material and chemicals
• 8.2. Experiment equipment and instruments
• 8.3. Catalytic activity experiments
• 9. RESULTS AND DISCUSSION
• 9.1. Influence of operating conditions on RhB removal by Co-doped biochar
• 9.2. Influence of different reaction systems on RhB removal
• 9.3. Influence of reaction parameters on RhB removal by Co-doped biochar
• 9.3.1. Effect of catalysis dosage
• 9.3.2. Effect of the PMS concentration
• 9.3.3. Effect of the RhB concentration
• 9.3.4. Effect of solution pH
• 9.3.5. Effect of reaction temperature
• 9.3.6. Effect of anions
• 9.4. Identification of active radical species
• 9.5. Reusability and applicability of the catalyst in wastewater treatment
• 10. CONCLUSIONS AND RECOMMENDATIONS

Tóm tắt

I. Tổng quan về Biochar Vỏ Sầu Riêng và Ứng dụng tiềm năng

Quản lý chất thải nông nghiệp là một thách thức toàn cầu, đặc biệt với sự gia tăng sản lượng sầu riêng ở Đông Nam Á. Với gần 3 triệu tấn sầu riêng được sản xuất năm 2023, lượng vỏ sầu riêng thải ra là một vấn đề cấp bách. Cứ 10 tấn sầu riêng thu hoạch, hơn 7 tấn vỏ bị loại bỏ, gây ô nhiễm môi trường và tạo gánh nặng cho hệ thống xử lý chất thải. Đồng thời, nước thải chứa thuốc nhuộm từ ngành dệt may cũng gây ra mối lo ngại lớn về môi trường và sức khỏe. Các phương pháp xử lý thông thường thường gặp khó khăn trong việc xử lý triệt để các loại thuốc nhuộm do cấu trúc hóa học phức tạp và độ bền của chúng. Do đó, cần có các công nghệ tiên tiến và hiệu quả để giải quyết tác động môi trường của nước thải chứa thuốc nhuộm. Quá trình xúc tác dị thể kích hoạt PMS nổi lên như một giải pháp đầy hứa hẹn, sử dụng AOPs để tạo ra các gốc tự do có khả năng phản ứng cao, phân hủy hiệu quả các phân tử thuốc nhuộm phức tạp thành các sản phẩm phụ ít gây hại hơn, từ đó nâng cao hiệu quả xử lý nước thải.

1.1. Thực trạng sản xuất và vấn đề ô nhiễm môi trường

Sản lượng sầu riêng toàn cầu đạt hơn 3 triệu tấn hàng năm, chủ yếu tập trung ở Đông Nam Á. Việt Nam, với hơn 110.000 ha trồng sầu riêng, sản xuất khoảng 850.000 tấn mỗi năm. Xu hướng xuất khẩu sầu riêng đông lạnh không vỏ đã làm tăng lượng vỏ sầu riêng thải ra, gây ra các vấn đề về xử lý chất thải. Theo thông tin từ tài liệu, đối với mỗi 10 tấn sầu riêng được chế biến theo cách này, có tới hơn 7 tấn vỏ sầu riêng bị thải ra. Vỏ sầu riêng thường bị đốt hoặc chôn lấp, gây ô nhiễm môi trường và không có biện pháp ngăn chặn các chất ô nhiễm thấm vào các kênh nước ngầm.

1.2. Thành phần của vỏ sầu riêng và tiềm năng ứng dụng

Vỏ sầu riêng chiếm khoảng 60-70% trọng lượng quả. Nó có thể được chia thành lớp vỏ gai bên ngoài và lớp cùi trắng bên trong. Lớp vỏ gai bên ngoài có cấu trúc phức tạp, chủ yếu bao gồm cellulose (40-60%), hemicellulose (15-22%) và lignin (9-11%). Nhiều phương pháp đã được nghiên cứu để chuyển đổi chất thải sinh khối sầu riêng thành các sản phẩm có giá trị. Theo tài liệu, chất thải từ vỏ sầu riêng chứa nhiều hợp chất phytochemical có thể được chiết xuất, chủ yếu bao gồm các este và axit, phù hợp cho các ứng dụng dược phẩm. Tro còn lại sau khi đốt vỏ sầu riêng có hàm lượng K2O cao (47,47%), là các phân tử vi mô quan trọng phù hợp cho các ứng dụng nông học trong cải tạo đất và kết hợp dinh dưỡng thực vật.

II. Tại sao cần Tổng hợp Biochar Gắn Coban từ Vỏ Sầu Riêng

Các kim loại chuyển tiếp và oxit của chúng đã được chứng minh là chất xúc tác hiệu quả khi được hỗ trợ trên các vật liệu như biochar có nguồn gốc từ quá trình nhiệt phân sinh khối. Biochar có diện tích bề mặt riêng cao đảm bảo sự phân bố đồng đều của các kim loại chuyển tiếp, giải quyết các vấn đề về sự kết tụ chất xúc tác và tăng cường hiệu quả truyền điện tử trong các phản ứng xúc tác. Hệ thống xúc tác composite này mang lại khả năng phân hủy chất ô nhiễm mạnh mẽ thông qua cả con đường gốc tự do và không gốc tự do, làm cho nó trở thành một giải pháp linh hoạt cho AOPs trong cải tạo môi trường. Từ đó, dự án “Tổng hợp vật liệu có giá trị gia tăng từ vỏ sầu riêng và ứng dụng” đã phát triển thành công một vật liệu tiên tiến để kích hoạt PMS nhằm xử lý hiệu quả nước thải chứa thuốc nhuộm.

2.1. Vấn đề xử lý ô nhiễm Rhodamine B trong nước thải

Rhodamine B (RhB) là một loại thuốc nhuộm thường được sử dụng trong ngành dệt may, giấy và mỹ phẩm. Tuy nhiên, RhB cũng là một chất độc hại, gây ô nhiễm nguồn nước và ảnh hưởng đến sức khỏe con người. Các phương pháp xử lý nước thải thông thường thường không hiệu quả trong việc loại bỏ RhB hoàn toàn.

2.2. Ưu điểm của Biochar từ vỏ sầu riêng so với vật liệu khác

Biochar từ vỏ sầu riêng có nhiều ưu điểm so với các vật liệu khác, bao gồm nguồn gốc sinh khối dồi dào, chi phí thấp và khả năng hấp phụ tốt. Việc sử dụng vỏ sầu riêng làm nguyên liệu biochar không chỉ giúp giảm thiểu chất thải nông nghiệp mà còn tạo ra một vật liệu thân thiện với môi trường.

2.3. Vai trò của Coban trong việc tăng cường khả năng xúc tác

Coban là một kim loại chuyển tiếp có khả năng xúc tác mạnh mẽ. Việc gắn Coban lên biochar giúp tăng cường khả năng kích hoạt PMS và tạo ra các gốc tự do, từ đó nâng cao hiệu quả xử lý Rhodamine B.

III. Phương pháp Tổng hợp Biochar Gắn Coban từ Vỏ Sầu Riêng

Nghiên cứu này đã điều tra biochar pha tạp coban (CoC) có nguồn gốc từ vỏ sầu riêng - một nguồn chất thải dồi dào ở Đông Nam Á - như một chất xúc tác để kích hoạt peroxymonosulfate (PMS) để xử lý các chất ô nhiễm hữu cơ trong nước. CoC được tổng hợp thông qua các phương pháp xử lý thủy nhiệt và nhiệt phân và được đặc trưng để tiết lộ cấu trúc tinh thể và hình thái xốp. Sử dụng rhodamine B (RhB) làm chất ô nhiễm mô hình, nghiên cứu đã chứng minh rằng nhiệt độ nhiệt phân và tải lượng coban làm tăng đáng kể khả năng kích hoạt PMS. Khả năng kích hoạt cao nhất đạt được ở nhiệt độ nhiệt phân 350 °C và nồng độ coban ban đầu là 2 mmol/g. Các điều kiện phản ứng khác nhau, bao gồm nồng độ PMS, liều lượng chất xúc tác, nồng độ RhB ban đầu, mức độ pH, nhiệt độ và sự hiện diện của các anion cụ thể, cũng đã được kiểm tra.

3.1. Quy trình xử lý vỏ sầu riêng trước khi tổng hợp

Vỏ sầu riêng cần được xử lý sơ bộ trước khi tổng hợp biochar. Quy trình này bao gồm rửa sạch, sấy khô và nghiền nhỏ vỏ sầu riêng để tăng diện tích bề mặt và loại bỏ các tạp chất. Việc xử lý sơ bộ này rất quan trọng để đảm bảo chất lượng của biochar.

3.2. Các phương pháp tổng hợp biochar gắn Coban Thủy nhiệt Nhiệt phân

Nghiên cứu sử dụng hai phương pháp chính để tổng hợp biochar gắn Coban: thủy nhiệt và nhiệt phân. Quá trình thủy nhiệt được thực hiện trong môi trường nước ở nhiệt độ và áp suất cao. Quá trình nhiệt phân được thực hiện trong môi trường trơ ở nhiệt độ cao. Cả hai phương pháp đều có ưu và nhược điểm riêng, và việc lựa chọn phương pháp phù hợp phụ thuộc vào các điều kiện cụ thể của nghiên cứu.

3.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình tổng hợp biochar gắn Coban

Nhiều yếu tố có thể ảnh hưởng đến quá trình tổng hợp biochar gắn Coban, bao gồm nhiệt độ, thời gian, tỷ lệ Coban và loại khí trơ. Việc kiểm soát các yếu tố này là rất quan trọng để tạo ra biochar có chất lượng cao và khả năng xúc tác tốt.

IV. Ứng dụng của Biochar Gắn Coban trong Xử lý Rhodamine B

Chất xúc tác thể hiện hoạt tính đáng kể, đạt được khả năng loại bỏ RhB lên đến 90% (nồng độ ban đầu 50 mg/L) trong vòng 30 phút ở pH 7. Chất xúc tác CoC duy trì hiệu suất tuyệt vời trong phạm vi pH rộng từ 3 đến 9. Động học phân hủy RhB tuân theo mô hình giả bậc nhất với năng lượng hoạt hóa là 46,52 kJ/mol, cho thấy tác dụng hiệp đồng giữa Co3O4 và nền biochar. Ngoài ra, sự hiện diện của các anion như Cl–, HCO3–, CO32– và SO42– trong dung dịch đã ảnh hưởng đến hiệu quả loại bỏ RhB. Cơ chế kích hoạt và oxy hóa được đề xuất đã xác định các gốc sunfat (SO4●–), hydroxyl (•OH) và oxy đơn (1O2) là các loài phản ứng chính để phân hủy RhB hiệu quả.

4.1. Điều kiện phản ứng tối ưu để xử lý Rhodamine B

Hiệu quả xử lý Rhodamine B phụ thuộc vào nhiều yếu tố, bao gồm nồng độ PMS, liều lượng chất xúc tác, nồng độ RhB ban đầu và độ pH của dung dịch. Nghiên cứu đã xác định các điều kiện phản ứng tối ưu để đạt được hiệu quả xử lý cao nhất.

4.2. Cơ chế hấp phụ Rhodamine B của biochar gắn Coban

Cơ chế hấp phụ Rhodamine B của biochar gắn Coban bao gồm cả quá trình hấp phụ vật lý và hấp phụ hóa học. Quá trình hấp phụ vật lý xảy ra do lực hút Van der Waals giữa RhB và bề mặt biochar. Quá trình hấp phụ hóa học xảy ra do sự tương tác giữa RhB và các nhóm chức trên bề mặt biochar.

4.3. Ảnh hưởng của các ion khác đến hiệu quả xử lý Rhodamine B

Sự hiện diện của các ion khác trong dung dịch có thể ảnh hưởng đến hiệu quả xử lý Rhodamine B. Ví dụ, các ion Cl-, HCO3-, CO32- và SO42- có thể cạnh tranh với RhB để hấp phụ trên bề mặt biochar, từ đó làm giảm hiệu quả xử lý.

V. Đánh giá Hiệu quả và Tính Bền Vững của Biochar Gắn Coban

Chất xúc tác CoC đã chứng minh tính ổn định cao và khả năng tái chế, duy trì hiệu quả loại bỏ trên 50% trong tám chu kỳ liên tiếp. Trong số nhiều loại thuốc nhuộm được thử nghiệm, hiệu quả loại bỏ tuân theo thứ tự RhB > Methyl orange > Congo red. Điều này cho thấy tiềm năng ứng dụng thực tế của vật liệu trong việc xử lý các chất ô nhiễm hữu cơ khó phân hủy trong nước bằng cách hoạt hóa PMS thông qua xúc tác dị thể. Nhìn chung, CoC được tổng hợp từ vỏ sầu riêng thể hiện nhiều ưu điểm vượt trội.

5.1. Khả năng tái sử dụng của biochar gắn Coban

Biochar gắn Coban thể hiện khả năng tái sử dụng tốt, duy trì hiệu quả xử lý Rhodamine B sau nhiều chu kỳ sử dụng. Điều này làm giảm chi phí và tăng tính bền vững của quá trình xử lý.

5.2. So sánh với các phương pháp xử lý Rhodamine B khác

Biochar gắn Coban có nhiều ưu điểm so với các phương pháp xử lý Rhodamine B khác, bao gồm chi phí thấp, hiệu quả cao và thân thiện với môi trường. Việc sử dụng biochar gắn Coban có thể là một giải pháp thay thế hiệu quả cho các phương pháp xử lý truyền thống.

5.3. Đánh giá chi phí và lợi ích kinh tế của ứng dụng

Việc sử dụng biochar gắn Coban trong xử lý Rhodamine B có thể mang lại lợi ích kinh tế đáng kể do chi phí nguyên liệu thấp và khả năng tái sử dụng. Tuy nhiên, cần có các nghiên cứu sâu hơn để đánh giá đầy đủ chi phí và lợi ích kinh tế của ứng dụng này.

VI. Triển vọng và Hướng Nghiên Cứu Tiếp theo về Biochar gắn Coban

Nghiên cứu này cung cấp một cái nhìn tổng quan về tiềm năng của biochar gắn Coban từ vỏ sầu riêng trong xử lý ô nhiễm Rhodamine B. Tuy nhiên, vẫn còn nhiều vấn đề cần được nghiên cứu thêm để tối ưu hóa quá trình tổng hợp và ứng dụng của vật liệu này. Các nghiên cứu trong tương lai có thể tập trung vào việc cải thiện khả năng hấp phụ, tăng cường tính ổn định và đánh giá hiệu quả xử lý của biochar gắn Coban đối với các chất ô nhiễm khác.

6.1. Nghiên cứu tối ưu hóa quá trình tổng hợp biochar gắn Coban

Các nghiên cứu trong tương lai có thể tập trung vào việc tối ưu hóa các điều kiện tổng hợp biochar gắn Coban để tăng cường khả năng hấp phụ và hiệu quả xử lý Rhodamine B.

6.2. Đánh giá hiệu quả xử lý các chất ô nhiễm khác của biochar gắn Coban

Cần có các nghiên cứu để đánh giá hiệu quả xử lý của biochar gắn Coban đối với các chất ô nhiễm khác, bao gồm các loại thuốc nhuộm khác, kim loại nặng và các chất ô nhiễm hữu cơ.

6.3. Nghiên cứu về tác động của biochar gắn Coban đến môi trường

Cần có các nghiên cứu để đánh giá tác động của biochar gắn Coban đến môi trường, bao gồm tác động đến đất, nước và sinh vật sống. Điều này sẽ giúp đảm bảo rằng việc sử dụng biochar gắn Coban là an toàn và bền vững.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển bền vững, việc xử lý và tái sử dụng chất thải nông nghiệp ngày càng được quan tâm. Riêng tại khu vực Đông Nam Á, sản lượng sầu riêng đạt gần 3 triệu tấn năm 2023, tạo ra lượng lớn vỏ sầu riêng thải bỏ, chiếm hơn 70% trọng lượng quả. Việc xử lý vỏ sầu riêng chưa được khai thác hiệu quả, gây áp lực lên môi trường và hệ thống quản lý chất thải. Đồng thời, nước thải chứa thuốc nhuộm từ ngành dệt nhuộm cũng là nguồn ô nhiễm nghiêm trọng, với các hợp chất khó phân hủy như Rhodamine B (RhB) – một loại thuốc nhuộm có tính độc và khả năng gây ung thư được WHO xếp loại nhóm 3.

Mục tiêu nghiên cứu là tổng hợp vật liệu than sinh học pha tạp coban (CoC) từ vỏ sầu riêng, ứng dụng làm chất xúc tác kích hoạt peroxymonosulfate (PMS) để xử lý các chất ô nhiễm hữu cơ trong nước, đặc biệt là thuốc nhuộm RhB. Nghiên cứu thực hiện tại Việt Nam trong giai đoạn 01/2024 – 05/2024, tập trung vào việc tối ưu hóa điều kiện tổng hợp và đánh giá hiệu quả xử lý trong các điều kiện phản ứng khác nhau.

Ý nghĩa của nghiên cứu thể hiện qua việc tận dụng nguồn nguyên liệu phụ phẩm nông nghiệp dồi dào, giảm thiểu ô nhiễm môi trường, đồng thời phát triển công nghệ xử lý nước thải hiệu quả, thân thiện với môi trường. Kết quả cho thấy vật liệu CoC có khả năng loại bỏ tới 90% RhB trong 30 phút ở pH trung tính, duy trì hiệu suất cao trong phạm vi pH rộng từ 3 đến 9, mở ra triển vọng ứng dụng thực tiễn trong xử lý nước thải công nghiệp.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

• Quá trình oxy hóa nâng cao (Advanced Oxidation Process - AOPs): Sử dụng các gốc tự do mạnh như gốc sunfat (SO4•−), hydroxyl (•OH) và oxy nhóm đơn (1O2) để phân hủy các hợp chất hữu cơ khó phân hủy trong nước thải.
• Kích hoạt peroxymonosulfate (PMS): PMS là chất oxy hóa mạnh, cần được kích hoạt bằng các chất xúc tác để tạo ra các gốc oxy hóa mạnh, tăng hiệu quả xử lý.
• Vật liệu than sinh học (Biochar): Than sinh học có cấu trúc xốp, diện tích bề mặt lớn, chứa các nhóm chức năng hóa học giúp hấp phụ và hỗ trợ phân tán các kim loại chuyển tiếp.
• Pha tạp coban (Co3O4) trên than sinh học: Cobalt oxit có khả năng kích hoạt PMS hiệu quả, đặc biệt ở dạng Co3O4, giảm thiểu sự rò rỉ ion coban và tăng tính ổn định của xúc tác.

Các khái niệm chính bao gồm: than sinh học, kích hoạt PMS, gốc oxy hóa tự do, động học phân hủy giả bậc nhất, và pH điểm không điện tích (pHPZC).

Phương pháp nghiên cứu

• Nguồn dữ liệu: Vỏ sầu riêng thu thập tại chợ địa phương TP. Hồ Chí Minh, các hóa chất phân tích chuẩn, dung môi RO.
• Quy trình tổng hợp: Vỏ sầu riêng được xử lý thủy nhiệt ở 180 °C trong 5 giờ, ngâm rửa bằng dung dịch ethanol – nước, sau đó sấy đông khô. Tiếp theo, pha tạp coban bằng cách ngâm trong dung dịch Co(NO3)2, urea và ethanol, xử lý thủy nhiệt ở 120 °C trong 10 giờ, sấy khô và pyrolysis ở nhiệt độ 300 – 500 °C trong 2 giờ.
• Phân tích vật liệu: SEM-EDS để khảo sát hình thái và phân bố nguyên tố; XRD xác định cấu trúc tinh thể; FT-IR xác định nhóm chức năng; BET đo diện tích bề mặt; pHPZC xác định điểm không điện tích bề mặt.
• Thí nghiệm xúc tác: Đánh giá khả năng phân hủy RhB trong dung dịch với các biến số: nồng độ PMS, liều lượng xúc tác, nồng độ RhB, pH, nhiệt độ, và sự có mặt của các anion (Cl–, HCO3–, CO32–, SO42–).
• Phân tích động học: Mô hình giả bậc nhất được áp dụng để tính hằng số tốc độ và năng lượng kích hoạt theo phương trình Arrhenius.
• Đánh giá tái sử dụng: Thử nghiệm 8 chu kỳ liên tiếp để kiểm tra độ bền và hiệu suất xúc tác.
• Thời gian nghiên cứu: Từ tháng 01/2024 đến tháng 05/2024.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Ảnh hưởng nhiệt độ pyrolysis: Nhiệt độ 350 °C tạo ra vật liệu CoC có cấu trúc xốp dạng tổ ong, diện tích bề mặt BET đạt 33,01 m²/g, kích thước lỗ trung bình 9,94 nm, phân bố coban đồng đều. Hiệu suất loại bỏ RhB đạt 92,3% trong 30 phút với nồng độ RhB 25 mg/L, cao hơn so với các nhiệt độ 300 °C và 500 °C (trên 90% nhưng hiệu quả giảm khi tăng nồng độ RhB lên 75 mg/L).
2. Ảnh hưởng hàm lượng coban ban đầu: Nồng độ coban 2 mmol/g tối ưu cho việc pha tạp, tạo ra Co3O4 phân tán tốt trên bề mặt than sinh học, tăng hiệu quả kích hoạt PMS và phân hủy RhB.
3. Điều kiện phản ứng: Ở pH 7, với liều lượng xúc tác 0,3 g/L và nồng độ PMS 150 mg/L, CoC đạt khả năng loại bỏ RhB lên đến 90% trong 30 phút. Hiệu suất duy trì cao trong khoảng pH 3 – 9. Nhiệt độ tăng từ 25 °C đến 45 °C làm tăng hằng số tốc độ phân hủy, với năng lượng kích hoạt 46,52 kJ/mol.
4. Ảnh hưởng các anion: Sự có mặt của Cl–, HCO3–, CO32– và SO42– làm giảm hiệu quả phân hủy RhB do cạnh tranh hoặc ức chế các gốc oxy hóa. Tuy nhiên, CoC vẫn duy trì hiệu suất xử lý đáng kể.
5. Tính ổn định và tái sử dụng: Sau 8 chu kỳ, hiệu suất loại bỏ RhB vẫn trên 50%, chứng tỏ tính bền vững và khả năng tái sử dụng cao của xúc tác.
6. Khả năng xử lý các loại thuốc nhuộm khác: Hiệu suất phân hủy theo thứ tự RhB > Methyl orange > Congo red, cho thấy tính chọn lọc và hiệu quả cao đối với các hợp chất thuốc nhuộm khác nhau.

Thảo luận kết quả

Hiệu quả cao của CoC-350 được giải thích bởi sự kết hợp giữa cấu trúc xốp của than sinh học và sự phân tán đồng đều của Co3O4, tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình truyền electron và kích hoạt PMS. So với các nghiên cứu trước đây sử dụng rơm rạ, ngô hay rơm lúa, vật liệu từ vỏ sầu riêng cho thấy khả năng xử lý tương đương hoặc vượt trội, đồng thời tận dụng nguồn nguyên liệu địa phương dồi dào. Động học phân hủy tuân theo mô hình giả bậc nhất, phù hợp với cơ chế oxy hóa qua gốc tự do. Việc duy trì hiệu suất trong phạm vi pH rộng và khả năng tái sử dụng cao làm tăng tính ứng dụng thực tiễn của vật liệu. Các anion trong nước thải thực tế có thể ảnh hưởng đến hiệu quả, do đó cần xem xét trong thiết kế hệ thống xử lý. Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ SEM, XRD, FT-IR, biểu đồ hiệu suất phân hủy theo thời gian và điều kiện phản ứng, cũng như bảng so sánh hằng số tốc độ và năng lượng kích hoạt.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Tối ưu hóa quy trình tổng hợp: Áp dụng nhiệt độ pyrolysis 350 °C và hàm lượng coban 2 mmol/g để đảm bảo hiệu suất xúc tác cao, giảm chi phí nguyên liệu và năng lượng. Thời gian thực hiện trong vòng 2 giờ pyrolysis.
2. Ứng dụng xử lý nước thải công nghiệp: Triển khai hệ thống xử lý nước thải chứa thuốc nhuộm sử dụng CoC/PMS tại các nhà máy dệt nhuộm, với liều lượng xúc tác 0,3 g/L và PMS 150 mg/L, đảm bảo loại bỏ trên 90% RhB trong 30 phút.
3. Quản lý và tái sử dụng xúc tác: Thiết lập quy trình thu hồi, rửa sạch và sấy khô xúc tác để tái sử dụng ít nhất 8 chu kỳ, giảm thiểu chi phí vận hành và tác động môi trường.
4. Nghiên cứu mở rộng: Khuyến khích nghiên cứu ảnh hưởng của các ion và chất hữu cơ khác trong nước thải thực tế, đồng thời thử nghiệm với các loại thuốc nhuộm và chất ô nhiễm khác để đánh giá tính phổ quát của vật liệu.
5. Hỗ trợ chính sách và đào tạo: Đề xuất các cơ quan quản lý môi trường hỗ trợ doanh nghiệp áp dụng công nghệ mới, đồng thời tổ chức đào tạo kỹ thuật cho nhân viên vận hành hệ thống xử lý.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Hóa học và Kỹ thuật Hóa học: Nghiên cứu về vật liệu xúc tác, công nghệ xử lý nước thải, và phát triển vật liệu sinh học từ phụ phẩm nông nghiệp.
2. Doanh nghiệp ngành dệt nhuộm và xử lý nước thải: Áp dụng công nghệ xúc tác CoC/PMS để nâng cao hiệu quả xử lý nước thải, giảm chi phí và đáp ứng tiêu chuẩn môi trường.
3. Cơ quan quản lý môi trường và chính sách: Tham khảo để xây dựng các chính sách khuyến khích sử dụng công nghệ xanh, tái chế chất thải nông nghiệp và kiểm soát ô nhiễm nước.
4. Các tổ chức phát triển bền vững và môi trường: Tìm hiểu giải pháp xử lý ô nhiễm hữu cơ, thúc đẩy kinh tế tuần hoàn và giảm thiểu tác động môi trường từ chất thải nông nghiệp.

Câu hỏi thường gặp

1. Vật liệu cobalt-doped biochar được tổng hợp như thế nào?
   Vật liệu được tổng hợp qua hai bước chính: xử lý thủy nhiệt vỏ sầu riêng ở 180 °C trong 5 giờ, sau đó pha tạp coban bằng dung dịch Co(NO3)2 và urea, tiếp tục xử lý thủy nhiệt ở 120 °C trong 10 giờ, cuối cùng pyrolysis ở 350 °C trong 2 giờ để tạo vật liệu Co3O4 phân tán trên than sinh học.

2. Hiệu quả xử lý Rhodamine B của vật liệu này ra sao?
   Vật liệu CoC đạt hiệu suất loại bỏ RhB lên đến 90% trong 30 phút với nồng độ RhB 50 mg/L, pH 7 và liều lượng xúc tác 0,3 g/L, cho thấy khả năng xử lý nhanh và hiệu quả.

3. Vật liệu có thể tái sử dụng bao nhiêu lần?
   Nghiên cứu cho thấy vật liệu duy trì hiệu suất trên 50% sau 8 chu kỳ sử dụng liên tiếp, chứng tỏ tính bền vững và khả năng tái sử dụng cao.

4. Ảnh hưởng của pH và các ion trong nước thải như thế nào?
   Vật liệu hoạt động hiệu quả trong phạm vi pH rộng từ 3 đến 9. Tuy nhiên, sự có mặt của các anion như Cl–, HCO3–, CO32– và SO42– có thể làm giảm hiệu quả phân hủy do cạnh tranh hoặc ức chế các gốc oxy hóa.

5. Có thể áp dụng vật liệu này cho các loại thuốc nhuộm khác không?
   Có, vật liệu cũng được thử nghiệm với Methyl orange và Congo red, với hiệu suất phân hủy theo thứ tự RhB > Methyl orange > Congo red, cho thấy tính linh hoạt trong xử lý nhiều loại thuốc nhuộm.

Kết luận

• Vật liệu cobalt-doped biochar từ vỏ sầu riêng được tổng hợp thành công với cấu trúc xốp và phân tán Co3O4 đồng đều, tối ưu ở nhiệt độ pyrolysis 350 °C và hàm lượng coban 2 mmol/g.
• CoC thể hiện khả năng kích hoạt PMS hiệu quả, đạt tới 90% loại bỏ RhB trong 30 phút ở pH trung tính, duy trì hiệu suất cao trong phạm vi pH 3 – 9.
• Động học phân hủy tuân theo mô hình giả bậc nhất với năng lượng kích hoạt 46,52 kJ/mol, phản ánh cơ chế oxy hóa qua gốc tự do SO4•−, •OH và 1O2.
• Vật liệu có tính ổn định và khả năng tái sử dụng cao, giữ hiệu suất trên 50% sau 8 chu kỳ, đồng thời có hiệu quả với nhiều loại thuốc nhuộm khác nhau.
• Nghiên cứu mở ra hướng phát triển công nghệ xử lý nước thải bền vững, tận dụng phụ phẩm nông nghiệp, góp phần giảm thiểu ô nhiễm môi trường và thúc đẩy kinh tế tuần hoàn.

Khuyến khích triển khai thử nghiệm quy mô pilot tại các nhà máy xử lý nước thải, đồng thời nghiên cứu mở rộng ứng dụng với các loại chất ô nhiễm khác. Các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp nên hợp tác để phát triển và thương mại hóa công nghệ này.

Trích đoạn nội dung tài liệu

VIETNAM NATIONAL UNIVERSITY HO CHI MINH CITY HO CHI MINH CITY UNIVERSITY OF TECHNOLOGY TRINH MAI HOANG ANH SYNTHESIS OF VALUE-ADDED MATERIALS FROM DURIAN SHELL AND APPLICATIONS Major: Chemical Engineering Major code: 8520301 MASTER’S THESIS HO CHI MINH CITY, June 2024 THIS THESIS IS COMPLETED AT HO CHI MINH CITY UNIVERSITY OF TECHNOLOGY – VNU-HCM Supervisor 1: Assoc. Lê Thị Kim Phụng Supervisor 2: Assoc. Trần Tấn Việt Examiner 1: Dr. Trần Phước Nhật Uyên Examiner 2: Dr.

Phạm Thị Hồng Phượng This master’s thesis is defended at HCM City University of Technology, VNU- HCM City on 24th June 2024. Master’s Thesis Committee: 1. Nguyễn Trường Sơn: Chairman 2. Phạm Hoàng Huy Phước Lợi: Secretary 3.

Trần Phước Nhật Uyên: Examiner 1 4. Phạm Thị Hồng Phượng: Examiner 2 5. Trần Tấn Việt: Commissioner Approval of the Chair of Master’s Thesis Committee and Dean of the Faculty of Chemical Engineering after the thesis is corrected (If any). CHAIR OF THESIS COMMITTEE DEAN OF FACULTY OF CHEMICAL ENGINEERING VIETNAM NATIONAL UNIVERSITY – HO CHI MINH CITY SOCIALIST REPUBLIC OF VIETNAM HO CHI MINH CITY UNIVERSITY OF TECHNOLOGY Independence – Freedom – Happiness THE TASK SHEET OF MASTER’S THESIS Full name: Trịnh Mai Hoàng Anh Student ID: 2370063 Day of birth: 23/04/2000 Place of birth: Gia Lai Province Major: Chemical Engineering Major ID: 8520301 I.

THESIS TITLE (In Vietnamese): Chế tạo vật liệu gia tăng từ vỏ sầu riêng và ứng dụng. THESIS TITLE (In English): Synthesis of value-added materials from durian shell and applications. TASKS AND CONTENTS: - Fabrication of cobalt-doped biochar material with several conditions. - Evaluating Rhodamine B degradation ability of the synthesized cobalt-doped biochar under various synthesis conditions.

- Evaluating Rhodamine B degradation ability of the synthesized cobalt-doped biochar under numerous reaction conditions. THESIS START DATE: 01/2024 V. THESIS COMPLETION DATE: 05/2024 VI. Lê Thị Kim Phụng Assoc.

Trần Tấn Việt Ho Chi Minh City, 16th June 2024 HEAD OF DEPARTMENT SUPERVISOR 1 SUPERVISOR 2 Assoc. Lê Thị Kim Phụng Assoc. Trần Tấn Việt DEAN OF FACULTY OF CHEMICAL ENGINEERING i ACKNOWLEDGMENT First and foremost, I would like to express sincere thanks to my supervisors, Assoc. Le Thi Kim Phung and Assoc.

Tran Tan Viet, for wholehearted support and assistance through my studies. I wish they would keep in touch with me in the future and continue giving valuable advice. I am deeply grateful to my instructor, MSc. Do Nguyen Hoang Nga, for her diligent oversight and constructive feedback, which played a crucial role in this thesis.

Her dedicated involvement in every step of the process has been instrumental to its success. Special appreciation goes to MSc. Tran Anh Khoi for his enthusiastic guidance from the outset of this project, always ready to assist with even the smallest queries. I extend my heartfelt thanks to all members of the Refinery and Petrochemical Technology Research Center (RPTC) – Chi Huong, Anh Luon, Anh Viet, Anh Co, Tuyen, Huy, Oanh, Duyen, and Trieu – for their unwavering support, sharing of knowledge, and dedication throughout this journey.

Your presence has been a constant source of strength and inspiration. I am also grateful to my dear friends Khanh, Thinh, An, Ha, Phong, Truong, Tin, and Phuoc, who stood by me during my five years at HCMUT. Their encouragement has made me more resilient and determined in my endeavors, and I sincerely thank them for their unwavering support. Additionally, I extend my thanks to all members of the Processes and Equipment Department and the Faculty of Chemical Engineering for enriching my knowledge and providing invaluable assistance with laboratory equipment and chemicals.

The foundational knowledge I acquired from them has been indispensable in completing this project and preparing for future endeavors. Last but not least, none of this would have been possible without the unconditional love and encouragement of my family. They have been my pillars of strength, especially during the most challenging times of my university journey. This dissertation is a testament to their boundless love and encouragement.

Trịnh Mai Hoàng Anh ii ABSTRACT The growing focus on sustainable development has prompted the exploration of value-added applications for agricultural waste streams. This study investigated cobalt-doped biochar (CoC) derived from durian shell – an abundant waste source in Southeast Asia – as a catalyst to activate peroxymonosulfate (PMS) for treating organic pollutants in water. CoC was synthesized via hydrothermal and pyrolysis treatments and characterized to reveal its crystalline structure and porous morphology. Using rhodamine B (RhB) as a model pollutant, the study demonstrated that pyrolysis temperature and cobalt loading significantly enhance PMS activation.

The highest activation ability was achieved at a pyrolysis temperature of 350 °C and an initial cobalt concentration of 2 mmol/g. Various reaction conditions, including PMS concentration, catalyst dosage, initial RhB concentration, pH levels, temperature, and the presence of specific anions, were also examined. The catalyst exhibited remarkable activity, achieving up to 90% RhB removal (initial concentration 50 mg/L) within 30 min at pH 7. The CoC catalyst maintained excellent performance across a wide pH range of 3 to 9.

RhB degradation kinetics followed a pseudo-first-order model with an activation energy of 46.52 kJ/mol, indicating the synergistic effect between Co3O4 and biochar matrix. Additionally, the presence of anions such as Cl–, HCO3–, CO32–, and SO42– in the solution influenced the efficiency of RhB removal. Proposed activation and oxidation mechanisms identified sulfate (SO4●–), hydroxyl (•OH), and singlet oxygen (1O2) radicals as key reactive species for efficient RhB degradation. The CoC catalyst demonstrated high stability and recyclability, maintaining a removal efficiency above 50% over eight consecutive cycles.

Among numerous dyes tested, removal efficiencies followed the order of RhB > Methyl orange > Congo red. This study suggests its potential for practical applications in the treatment of recalcitrant organic pollutants in water using PMS activation by heterogeneous catalysts. iii TÓM TẮT Mối quan tâm ngày càng tăng vào sự phát triển bền vững đã thúc đẩy việc khám phá ứng dụng các giá trị gia tăng cho các dòng chất thải nông nghiệp. Trong luận văn này, than sinh học pha tạp coban (CoC) có nguồn gốc từ vỏ sầu riêng – một nguồn phụ phẩm dồi dào ở Đông Nam Á – được nghiên cứu làm chất xúc tác kích hoạt peroxymonosulfate (PMS) để xử lý các chất ô nhiễm hữu cơ trong nước.

Vật liệu CoC được tổng hợp thông qua các phương pháp xử lý thủy nhiệt và nhiệt phân và được phân tích thông qua các phương pháp phân tích hiện đại, cho thấy cấu trúc tinh thể và hình thái xốp. Kết quả nghiên cứu chỉ ra rằng các điều kiện tổng hợp bao gồm nhiệt độ nung và hàm lượng coban ban đầu ảnh hưởng đến khả năng phân hủy của rohdamine B (RhB). Khả năng kích hoạt PMS cao nhất của xúc tác được tổng hợp ở nhiệt độ nung 350 °C và nồng độ coban ban đầu là 2 mmol/g. Ngoài ra, các điều kiện phản ứng của xúc tác bao gồm ảnh hưởng của nồng độ PMS, hàm lượng xúc tác, nồng độ RhB ban đầu, ảnh hưởng của pH, ảnh hưởng của nhiệt độ và sự có mặt của một số anion cũng được trình bày trong nghiên cứu này.

Vật liệu CoC thể hiện hoạt tính xúc tác vượt trội, đạt khả năng loại bỏ tới 90% RhB (với nồng độ ban đầu 50 mg/L) trong vòng 30 phút ở pH 7. Vật liệu duy trì hiệu suất cao trong phạm vi pH rộng từ 3 đến 9. Động học phân hủy RhB tuân theo mô hình giả bậc nhất với năng lượng kích hoạt là 46,52 kJ /mol, cho thấy tác dụng hiệp đồng giữa Co3O4 và nền than sinh học. Hơn nữa, sự có mặt của các anion như Cl–, HCO3–, CO32– và SO42– trong dung dịch ảnh hưởng đến hiệu quả loại bỏ RhB.

Cơ chế kích hoạt và các chất oxy hóa được đề xuất đã xác định các gốc sunfat (SO4●–), gốc hydroxyl (•OH) và oxy nhóm đơn (1O2) là các gốc phản ứng chính góp phần phân hủy RhB hiệu quả. Vật liệu CoC thể hiện tính chất ổn định và khả năng tái sử dụng cao, duy trì hiệu suất loại bỏ trên 50% trong 8 chu kỳ liên tiếp. Trong số các loại thuốc nhuộm khác nhau được thử nghiệm, hiệu suất loại bỏ tuân theo thứ tự RhB > Methyl orange > Congo red. Điều này cho thấy tiềm năng ứng dụng thực tế của vật liệu trong việc xử lý các chất ô nhiễm hữu cơ khó phân hủy trong nước bằng cách hoạt hóa PMS thông qua xúc tác dị thể.

iv GUARANTEE I hereby declare that I am the sole individual who was responsible for the workload in this thesis, under the supervision of Assoc. Le Thi Kim Phung and Assoc. Tran Tan Viet, at Refinery and Petrochemical Technology Research Center (RPTC), Ho Chi Minh City University of Technology, VNU-HCM. The data and experimental results in this thesis were completely authentic and have not been published in any other dissertations of the same academic level.

If the above declaration is not true, I will take full responsibility for my thesis. Ho Chi Minh City, May 2024 Author Trinh Mai Hoang Anh v TABLE OF CONTENTS ACKNOWLEDGMENT.iv TABLE OF CONTENTS. v LIST OF ABBREVIATION .vii LIST OF FIGURES. viii LIST OF TABLES.

Dye-containing wastewater. Advanced oxidation process. Research objectives and contents. Chemicals, experimental equipment, and instruments.

Material and chemicals. Experiment equipment and instruments. Catalytic activity experiments. RESULTS AND DISCUSSION.

Influence of operating conditions on RhB removal by Co-doped biochar. Influence of different reaction systems on RhB removal. Influence of reaction parameters on RhB removal by Co-doped biochar. Effect of catalysis dosage.

Effect of the PMS concentration. Effect of the RhB concentration. Effect of solution pH. Effect of reaction temperature.

Effect of anions. Identification of active radical species. Reusability and applicability of the catalyst in wastewater treatment. CONCLUSIONS AND RECOMMENDATIONS.

75 vii LIST OF ABBREVIATION AOP Advanced oxidation process BET Brunauer–Emmett–Teller surface area analysis CoC Cobalt doped biochar CoDA Cobalt–doped durian shell CR Congo red DA Durian EDS Energy–dispersive X-ray spectroscopy FT–IR Fourier Transform Infrared Spectroscopy MO Methyl orange pHZPC The pH at zero–point charge PMS Peroxymonosulfate RhB Rhodamine B ROS Reactive oxygen specie SEM Scanning electron microscopy SR–AOP Radical–based advanced oxidation process XRD X-ray diffraction analysis viii LIST OF FIGURES Figure 1.1 Vietnam durian farm [4].2 The structure of durian shell [7].3 Applications of biochar [7].4 Various categories of dyes and their possible industrial applications [27].5 Industrial sources of dyes wastewater [28].6 Chemical structure of RhB dye [32].7 Molecular structure of Oxone [46].8 Main methods for PMS activation [49].1 Durian shell pretreatment procedure.2 Cobalt-doped biochar catalyst preparation procedure.3 Field emission scanning electron microscopy (Model: Mira4, TESCAN).5 Fourier Transform Infrared Spectroscopy (Model: Alpha II, Bruker).8 UV-Vis spectrophotometer (Model: X7000, Lavionbon).1 SEM images of white durian shell, DA, and CoDA at difference magnifications (a–c) x1000 and (d–f) x5000.2 Effect of pyrolysis temperature on morphology of catalyst.3 XRD patterns of DA, CoDA, and CoC-n.4 FT–IR spectra of DA, CoDA, and CoC-n.5 Influence of pyrolysis temperature of catalyst on RhB removal efficiency at (a) 25 mg/L and (b) 75 mg/L.6 Effect of initial cobalt concentration on morphology of catalyst.7 (a) XRD patterns and (b) FT–IR spectra of the catalyst with different initial cobalt content.8 Effect of initial cobalt concentration on RhB degradation.9 Effect of different systems on RhB degradation.10 Effect of catalyst dosage on RhB degradation.11 Effect of PMS concentration on RhB degradation.12 Effect of RhB concentration on RhB degradation.13 Relationship between lnK and lnCo.14 Effect of pH on RhB degradation.15 Determination of isoelectric point (pHPZC) of catalyst.16 Effect of reaction temperature on CoC/PMS system.17 Effect of reaction temperature on RhB degradation of PMS.