Tổng hợp một bước than hoạt tính từ tính từ nhánh thanh long ứng dụng cho hoạt hóa persulfate phân hủy methyl orange

Chuyên khảo phân tích Tổng hợp một bước than hoạt tính từ tính từ nhánh thanh long ứng dụng cho hoạt hóa persulfate phân, đánh giá các khía cạnh quan trọng, đề xuất hướng nghiên

• Tác giả: Trần Thanh Phong
• Người hướng dẫn: PGS. Nguyễn Văn Dũng
• Trường học: Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG-HCM
• Chuyên ngành: Kỹ thuật hóa học
• Đề tài: Tổng hợp một bước than hoạt tính từ tính từ nhánh thanh long ứng dụng cho hoạt hóa persulfate phân hủy methyl orange
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2024
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Tổng Hợp Than Hoạt Tính Từ Tính Từ Thanh Long

Nghiên cứu tập trung vào việc tổng hợp than hoạt tính từ tính (MAC) từ nhánh thanh long - một nguồn phụ phẩm nông nghiệp dồi dào. Quá trình này không chỉ giải quyết vấn đề tái chế phụ phẩm nông nghiệp mà còn tạo ra một vật liệu hấp phụ tiềm năng cho xử lý nước thải. Than hoạt tính từ tính kết hợp ưu điểm của than hoạt tính (diện tích bề mặt lớn) và tính chất từ tính (dễ dàng thu hồi). Mục tiêu chính là ứng dụng MAC trong hoạt hóa persulfate để phân hủy methyl orange, một chất ô nhiễm hữu cơ phổ biến trong công nghiệp dệt nhuộm. Nghiên cứu này đánh giá hiệu quả và cơ chế hoạt động của MAC trong quá trình xử lý chất ô nhiễm, góp phần vào giải pháp ứng dụng môi trường bền vững hơn. Luận văn này được thực hiện tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG-HCM, thể hiện sự quan tâm đến các vấn đề môi trường cấp bách.

1.1. Tìm Hiểu Về Tiềm Năng Ứng Dụng Của Nhánh Thanh Long

Nhánh thanh long, vốn là phụ phẩm bỏ đi sau quá trình thu hoạch và tỉa cành, nay được xem là nguồn nguyên liệu tiềm năng cho nhiều ứng dụng. Nghiên cứu tận dụng nguồn sinh khối dồi dào này, hướng đến việc giảm thiểu ô nhiễm môi trường và tạo ra giá trị gia tăng từ tái chế phụ phẩm nông nghiệp. Thay vì lãng phí hoặc xử lý không đúng cách, nhánh thanh long được chuyển đổi thành vật liệu nano hữu ích, đóng góp vào nền kinh tế tuần hoàn. Các nghiên cứu trước đây đã chỉ ra tiềm năng của nhánh thanh long trong việc chiết xuất polysaccharide và tạo ra biomass, mở ra hướng đi mới cho việc tổng hợp vật liệu thân thiện với môi trường.

1.2. Giới Thiệu Về Than Hoạt Tính Từ Tính MAC và Ứng Dụng

Than hoạt tính từ tính (MAC) là một vật liệu đa chức năng, kết hợp khả năng hấp phụ của than hoạt tính và khả năng thu hồi dễ dàng nhờ tính chất từ tính. MAC được tổng hợp bằng cách phân tán các hạt từ tính (thường là oxit sắt) lên nền cacbon thông qua quá trình nhiệt phân. Ưu điểm của MAC so với than hoạt tính truyền thống là khả năng dễ dàng thu hồi và tái sử dụng sau quá trình xử lý, giảm thiểu chi phí và tác động môi trường. MAC được ứng dụng rộng rãi trong xử lý nước thải, loại bỏ các chất ô nhiễm hữu cơ và vô cơ, nhờ vào diện tích bề mặt lớn và tính chất xúc tác.

II. Thách Thức Ô Nhiễm Methyl Orange Và Yêu Cầu Xử Lý Cấp Thiết

Methyl orange (MO) là một loại phẩm màu azo tổng hợp được sử dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp như dệt nhuộm, in ấn, sản xuất giấy, dược phẩm và thực phẩm. Tuy nhiên, MO lại là một chất ô nhiễm nguy hiểm, gây ảnh hưởng tiêu cực đến môi trường và sức khỏe con người. MO có khả năng tồn tại lâu trong môi trường, gây ô nhiễm nguồn nước và ảnh hưởng đến sinh vật thủy sinh. Tiếp xúc với MO có thể gây kích ứng da, mắt và đường hô hấp, thậm chí có nguy cơ gây hại lâu dài. Do đó, việc tìm kiếm các giải pháp hiệu quả để phân hủy methyl orange là vô cùng cấp thiết. Cần các phương pháp xử lý chất ô nhiễm hiệu quả, chi phí thấp và thân thiện với môi trường.

2.1. Tác Động Tiêu Cực Của Methyl Orange MO Đến Môi Trường

Methyl orange (MO) gây ra nhiều tác động tiêu cực đến môi trường. Do khả năng phân hủy chậm, MO tích tụ trong nước thải và nguồn nước, gây ô nhiễm nghiêm trọng. Sự hiện diện của MO ảnh hưởng đến hệ sinh thái thủy sinh, gây hại cho các loài sinh vật và làm suy giảm chất lượng nước. Việc loại bỏ MO khỏi nước thải là một thách thức lớn, đòi hỏi các giải pháp hiệu quả và bền vững. Các phương pháp xử lý ô nhiễm methyl orange cần được nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi để bảo vệ môi trường và sức khỏe cộng đồng.

2.2. Đánh Giá Ảnh Hưởng Của Methyl Orange Đến Sức Khỏe Con Người

Ngoài tác động đến môi trường, methyl orange (MO) còn gây ra những ảnh hưởng tiêu cực đến sức khỏe con người. Tiếp xúc trực tiếp với MO có thể gây kích ứng da, mắt và đường hô hấp. Nghiên cứu cho thấy MO có thể gây ra các vấn đề sức khỏe lâu dài nếu tiếp xúc trong thời gian dài. Do đó, việc giảm thiểu sự tiếp xúc của con người với MO là vô cùng quan trọng. Cần có các biện pháp bảo vệ và kiểm soát để đảm bảo an toàn cho người lao động trong các ngành công nghiệp sử dụng MO. Các giải pháp xử lý methyl orange cũng góp phần bảo vệ sức khỏe cộng đồng.

III. Phương Pháp Tổng Hợp Một Bước Than Hoạt Tính Từ Tính Tối Ưu

Nghiên cứu này sử dụng phương pháp tổng hợp một bước để tạo ra than hoạt tính từ tính (MAC) từ nhánh thanh long. Phương pháp này kết hợp đồng thời quá trình nhiệt phân, hoạt hóa và gắn kết các hạt nano sắt từ trên nền than hoạt tính. Ưu điểm của phương pháp tổng hợp một bước là tiết kiệm thời gian, năng lượng và chi phí so với các phương pháp truyền thống. Việc sử dụng KOH làm tác nhân hoạt hóa giúp tạo ra cấu trúc than hoạt tính với diện tích bề mặt lớn và thể tích lỗ xốp cao, tăng cường khả năng hấp phụ và xúc tác. Sự có mặt của các hạt nano sắt từ (Fe0) giúp vật liệu dễ dàng thu hồi bằng từ trường, giảm thiểu thất thoát và ô nhiễm thứ cấp.

3.1. Chi Tiết Quy Trình Nhiệt Phân Một Giai Đoạn Tạo MAC

Quá trình nhiệt phân một giai đoạn được thực hiện bằng cách trộn lẫn nhánh thanh long đã được nghiền nhỏ với tiền chất từ tính (FeCl3) và tác nhân hoạt hóa (KOH). Hỗn hợp này sau đó được nung trong lò ở nhiệt độ cao (thường là 600-800°C) trong môi trường khí trơ (ví dụ: N2). Trong quá trình nhiệt phân, nhánh thanh long bị phân hủy thành than, KOH hoạt hóa than tạo ra cấu trúc lỗ xốp, và FeCl3 chuyển thành các hạt nano Fe0 phân tán trên nền than hoạt tính. Quá trình này diễn ra đồng thời, tạo ra MAC với tính chất hấp phụ và từ tính mong muốn.

3.2. Vai Trò Của KOH Trong Hoạt Hóa Và Tạo Cấu Trúc Than Hoạt Tính

KOH đóng vai trò quan trọng trong việc hoạt hóa than và tạo ra cấu trúc than hoạt tính với diện tích bề mặt lớn và thể tích lỗ xốp cao. KOH phản ứng với than trong quá trình nhiệt phân, tạo ra các lỗ xốp và tăng cường tính chất hấp phụ của vật liệu. So với các tác nhân hoạt hóa khác như ZnCl2, KOH ít gây ô nhiễm hơn và không ảnh hưởng đến hoạt tính của các hạt nano Fe0. Việc sử dụng KOH giúp tạo ra MAC với hiệu quả xử lý cao và tính thân thiện với môi trường.

IV. Hoạt Hóa Persulfate Bằng Than Hoạt Tính Từ Tính Giải Pháp Xanh

Nghiên cứu tập trung vào việc sử dụng than hoạt tính từ tính (MAC) để hoạt hóa persulfate (PS) trong quá trình phân hủy methyl orange (MO). Persulfate là một chất oxy hóa mạnh, có khả năng phân hủy nhiều loại chất ô nhiễm hữu cơ. Tuy nhiên, PS cần được hoạt hóa để tạo ra các gốc sulfate (SO4•-) có khả năng oxy hóa mạnh hơn. MAC đóng vai trò như một chất xúc tác, giúp hoạt hóa PS và tăng cường hiệu quả phân hủy MO. Cơ chế hoạt hóa persulfate bằng MAC có thể bao gồm sự chuyển electron từ Fe0 trên bề mặt than hoạt tính sang PS, tạo ra các gốc sulfate.

4.1. Cơ Chế Hoạt Hóa Persulfate PS Bằng Vật Liệu MAC

Cơ chế hoạt hóa persulfate (PS) bằng than hoạt tính từ tính (MAC) là một quá trình phức tạp. Một số cơ chế được đề xuất bao gồm: (1) Sự phân hủy PS trên bề mặt than hoạt tính do tính chất xúc tác của các nhóm chức bề mặt; (2) Sự chuyển electron từ Fe0 trong MAC sang PS, tạo ra các gốc sulfate (SO4•-) và gốc hydroxyl (•OH); (3) Sự hấp phụ PS trên bề mặt MAC, tạo điều kiện cho quá trình phân hủy MO. Các yếu tố như diện tích bề mặt, cấu trúc than hoạt tính, hàm lượng Fe0 và pH có thể ảnh hưởng đến cơ chế hoạt hóa persulfate.

4.2. Ưu Điểm Của Việc Hoạt Hóa Persulfate Trong Xử Lý Ô Nhiễm

Việc hoạt hóa persulfate mang lại nhiều ưu điểm trong xử lý ô nhiễm môi trường. Persulfate có khả năng oxy hóa mạnh, ổn định và có thể hoạt động trong một phạm vi pH rộng. So với các chất oxy hóa khác như H2O2, persulfate ít bị ảnh hưởng bởi sự có mặt của các chất hữu cơ tự nhiên trong nước thải. Việc sử dụng MAC để hoạt hóa persulfate giúp tăng cường hiệu quả xử lý, giảm thiểu chi phí và tác động môi trường.

V. Kết Quả Nghiên Cứu Hiệu Quả Phân Hủy Methyl Orange Tối Ưu

Nghiên cứu đã chứng minh hiệu quả phân hủy methyl orange (MO) bằng cách sử dụng than hoạt tính từ tính (MAC) để hoạt hóa persulfate (PS). Kết quả cho thấy, với điều kiện tối ưu, MAC có thể phân hủy gần như hoàn toàn MO trong thời gian ngắn. Hiệu quả phân hủy phụ thuộc vào nhiều yếu tố như pH, nồng độ persulfate, nồng độ MAC và nhiệt độ. Vật liệu cũng thể hiện khả năng tái sử dụng tốt, duy trì hiệu quả xử lý sau nhiều chu kỳ. Kết quả này cho thấy tiềm năng ứng dụng của MAC trong xử lý nước thải chứa các chất ô nhiễm hữu cơ.

5.1. Ảnh Hưởng Của Các Yếu Tố Đến Khả Năng Phân Hủy Methyl Orange

Nghiên cứu đã khảo sát ảnh hưởng của các yếu tố khác nhau đến khả năng phân hủy methyl orange (MO), bao gồm pH, nồng độ persulfate (PS), nồng độ than hoạt tính từ tính (MAC) và nhiệt độ. Kết quả cho thấy pH thấp và nhiệt độ cao có xu hướng làm tăng hiệu quả phân hủy. Nồng độ persulfate và MAC tối ưu cũng được xác định để đạt được hiệu quả xử lý cao nhất. Các yếu tố này cần được kiểm soát chặt chẽ để đảm bảo quá trình phân hủy MO diễn ra hiệu quả và kinh tế.

5.2. Đánh Giá Khả Năng Tái Sử Dụng Của Vật Liệu Than Hoạt Tính Từ Tính

Khả năng tái sử dụng là một yếu tố quan trọng để đánh giá tính kinh tế và bền vững của vật liệu xử lý nước thải. Nghiên cứu đã đánh giá khả năng tái sử dụng của than hoạt tính từ tính (MAC) bằng cách thực hiện nhiều chu kỳ phân hủy methyl orange (MO) liên tiếp. Kết quả cho thấy MAC vẫn duy trì được hiệu quả xử lý tốt sau nhiều chu kỳ, cho thấy vật liệu có tiềm năng ứng dụng thực tế cao. Sự suy giảm hiệu quả có thể do sự bão hòa của bề mặt than hoạt tính hoặc sự mất mát các hạt nano Fe0 trong quá trình tái sử dụng.

VI. Kết Luận Về Ưu Điểm Của MAC Hướng Nghiên Cứu Tiếp Theo

Nghiên cứu đã chứng minh thành công việc tổng hợp một bước than hoạt tính từ tính (MAC) từ nhánh thanh long và ứng dụng nó trong hoạt hóa persulfate để phân hủy methyl orange (MO). MAC thể hiện hiệu quả xử lý cao, khả năng tái sử dụng tốt và tính thân thiện với môi trường. Nghiên cứu này mở ra hướng đi mới trong việc tái chế phụ phẩm nông nghiệp và phát triển các vật liệu xử lý nước thải bền vững. Các nghiên cứu tiếp theo có thể tập trung vào việc tối ưu hóa quy trình tổng hợp MAC, khám phá các cơ chế hoạt hóa persulfate chi tiết hơn và ứng dụng MAC trong xử lý các loại chất ô nhiễm khác.

6.1. Đánh Giá Triển Vọng Ứng Dụng MAC Trong Thực Tế Xử Lý Nước Thải

Than hoạt tính từ tính (MAC) có triển vọng ứng dụng lớn trong thực tế xử lý nước thải. MAC có thể được sử dụng trong các hệ thống xử lý nước thải tập trung hoặc phi tập trung, giúp loại bỏ các chất ô nhiễm hữu cơ và cải thiện chất lượng nước. Khả năng dễ dàng thu hồi và tái sử dụng của MAC giúp giảm thiểu chi phí và tác động môi trường, làm cho MAC trở thành một giải pháp xử lý nước thải bền vững.

6.2. Đề Xuất Hướng Nghiên Cứu Mở Rộng Với Vật Liệu Than Hoạt Tính Từ Tính

Nghiên cứu này mở ra nhiều hướng nghiên cứu tiềm năng khác với than hoạt tính từ tính (MAC). Các hướng nghiên cứu có thể bao gồm: (1) Tối ưu hóa quy trình tổng hợp MAC để cải thiện tính chất hấp phụ và từ tính; (2) Nghiên cứu các cơ chế hoạt hóa persulfate chi tiết hơn; (3) Ứng dụng MAC trong xử lý các loại chất ô nhiễm khác như thuốc trừ sâu, dược phẩm và kim loại nặng; (4) Phát triển các hệ thống xử lý nước thải tích hợp sử dụng MAC.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1.1 Phụ phẩm nhánh thanh long Sinh khối Sinh khối - biomass bao gồm những chất hữu cơ từ các loài thực vật đến chất thải của động vật và con người. Nhưng sinh khối không chỉ là tập hợp của những thứ "bỏ đi", nó chính là nguồn năng lượng xanh, một nguồn năng lượng sạch, tiềm năng và bền vững cho tương lai [12].1 Phân loại các nguồn sinh khối Sinh khối đóng một vai trò đặc biệt quan trọng, được xem như một nguồn tài nguyên tái tạo toàn cầu. Nó đang trở thành một sự thay thế ngày càng quan trọng cho nhiên liệu dầu mỏ và khí đốt, giúp giảm lượng khí CO2 thải ra môi trường, một trong 3 LUẬN VĂN THẠC SĨ TRẦN THANH PHONG những nguyên nhân chính gây ô nhiễm môi trường và hiệu ứng nhà kính. Đồng thời, sinh khối còn đóng góp vào việc giảm thiểu lượng rác thải từ nông nghiệp [14].

Hiện nay sinh khối được áp dụng để sản xuất than sinh học thông qua phương pháp nhiệt phân được áp dụng để cải thiện chất lượng môi trường [15]. Việt Nam được xem một quốc gia nông nghiệp, đa dạng về cây lương thực và cây ăn quả. Mặc dù nền kinh tế đang trải qua sự chuyển đổi từ nông nghiệp sang công nghiệp và dịch vụ, nhưng nông nghiệp vẫn đóng một vai trò quan trọng. Do đó, tiềm năng của Việt Nam về nguồn sinh khối là vô cùng đa dạng và tiềm ẩn.

Mỗi năm, hoạt động nông nghiệp tại Việt Nam tạo ra khoảng 97 triệu tấn nguyên liệu sinh khối từ rơm rạ, vỏ và nhánh cây ăn quả, vỏ trấu và một số loại phụ phẩm khác [16]. Vì vậy, việc sử dụng và sản xuất các vật liệu từ sinh khối đang thu hút sự quan tâm và nghiên cứu của nhiều nhà khoa học. Nhánh thanh long là một nguồn sinh khối mới và hứa hẹn sẽ đem lại nhiều ứng dụng thực tiễn trong thời gian tới. Phụ phẩm nhánh thanh long [17] Hình 1.2 Cây thanh long Thanh long (Hylocereus undatus), là một trong những loại cây được du nhập về nước ta khoảng hơn 100 năm trước, chúng có nguồn gốc từ khu vực Trung và Bắc Mỹ [18].

Cây thanh long được trồng tại Việt Nam, đặc biệt ở các tỉnh Bình Thuận, 4 LUẬN VĂN THẠC SĨ TRẦN THANH PHONG Long An và Tiền Giang do có đặc tính ưa thích khí hậu nhiệt đới, nơi có nền nhiệt trung bình từ 21-29 oC và chịu được khoảng nhiệt độ 38-40 oC [17]. Bình Thuận là địa phương nổi tiếng trồng thanh long, mỗi năm cung cấp khoảng 500.000 tấn, chiếm một phần lớn trong tổng sản lượng quốc gia. Đến năm 2021, sản lượng thanh long của Việt Nam năm 2023 đạt gần 1,4 triệu tấn, và dự kiến sẽ tiếp tục tăng lên 1,7 triệu tấn vào năm 2025 [19]. Quá trình tỉa cành hàng năm là cách mà người trồng duy trì và mở rộng quy mô trồng trọt nhờ vào cách chiết cành.

Quá trình này không chỉ tăng cường sản xuất quả thanh long mà còn tạo ra một lượng lớn nhánh cây dư thừa. Những nhánh này, trước đây có thể chỉ được xem là phế phẩm, vì vậy việc tận dụng nguồn nhánh thanh long khổng lồ này để làm vật liệu có ích cho môi trường là rất cần thiết.3 Nhánh thanh long Một số nhóm nghiên cứu đã tận dụng nhánh thanh long để điều chế polysaccharides [21], tận dụng số lượng lớn nhánh thanh long để tạo biomass [22]. Có thể thấy rằng, hướng nghiên cứu tạo vật liệu từ nhánh thanh long hiện đang là xu 5 LUẬN VĂN THẠC SĨ TRẦN THANH PHONG hướng nghiên cứu mới và rất tiềm năng.2 Than hoạt tính từ tính Than sinh học (biochar – BC) và than hoạt tính (activated carbon – AC) là các vật liệu hấp phụ quen thuộc trong việc loại bỏ các chất ô nhiễm hữu cơ nhờ vào thể tích lỗ xốp và diện tích bề mặt riêng lớn. AC có tính bền cơ học và hoá học, chi phí sử dụng thấp và thân thiện môi trường nên nó đang là xu hướng nghiên cứu hiện nay [23-25].

Để tạo được BC và AC người ta nhiệt phân các phụ phẩm nông nghiệp đã được thu gom, rửa sạch và nghiền trước đó. Khác với BC, AC được hoạt hoá bằng tác nhân hoạt hoá, sau đó cũng được sinh khối bằng cách nhiệt phân trong điều kiện yếm khí oxy [26]. Như vậy, sau quá trình nhiệt phân, ta đã có được BC và AC. AC do được hoạt hoá bằng tác nhân hoạt hoá nên có cấu trúc xốp, diện tích bề mặt riêng lớn [27].

Mặc dù AC có tiềm năng về diện tích bề mặt riêng lớn, nhưng việc thu hồi chúng khá khó khăn vì chỉ có thể thu hồi bằng ly tâm hoặc để lắng trọng lực [28]. Vì vậy, một số nghiên cứu đã gắn thêm kim loại từ tính cho BC và AC để tăng khả năng thu hồi của chúng. Một số hạt kim loại chuyển tiếp (Fe, Co, Ni) hoặc oxit của chúng được sử dụng để phân bố vào cấu trúc than sinh học và than hoạt tính để tạo từ tính cho vật liệu này [29, 30]. Điều này có nghĩa rằng các nhà khoa học đã tìm ra được phương pháp để thu hồi vật liệu xúc tác một cách hiệu quả như trong Hình 1.4 Than sinh học từ tính và than hoạt tính từ tính được thu hồi dựa vào khả năng từ tính 6 LUẬN VĂN THẠC SĨ TRẦN THANH PHONG Sắt là một trong những kim loại không chỉ phổ biến trong tự nhiên mà còn thân thuộc trong đời sống con người, đặc biệt nổi bật với khả năng từ hóa bão hòa cao ngay cả ở điều kiện nhiệt độ phòng [32].

Sự ổn định của sắt trong không khí và độc tính thấp làm cho nó trở thành đối tượng nghiên cứu chủ chốt để phát triển các loại vật liệu từ. Fe0 với đặc tính từ mạnh và khả năng khử cao, đã được ứng dụng trong việc hoạt hoá các tác nhân oxy hoá nhầm loại bỏ các hợp chất như nitroaromatics và hydrocarbon, cũng như các ion kim loại nặng từ môi trường nước. Khi tổng hợp than hoạt tính từ tính (MAC), các nhà khoa học sử dụng ba loại tiền chất chính bao gồm muối kim loại chuyển tiếp, quặng sắt và oxit sắt. Trong số các muối kim loại chuyển tiếp, muối sắt như FeSO4 và FeCl3 được ưu tiên do tính an toàn, chi phí thấp và khả năng tạo ra các dạng từ tính mạnh mẽ như Fe3O4 và các hình thái của oxit sắt (α- Fe2O3, γ-Fe2O3.

Bài nghiên cứu này chọn muối sắt FeCl3 làm nguyên liệu ban đầu để tạo ra MAC nhằm khai thác những lợi ích này. Phương pháp tổng hợp MAC Nguồn sinh khối Tiền chất từ tính Tẩm Hoạt hoá Nhiệt phân MAC Hình 1.5 Sơ đồ tổng hợp MAC bằng phương pháp tiên tiến một giai đoạn Phương pháp tổng hợp MAC dựa trên phương pháp nhiệt phân một bước của MBC. Phương pháp này đã được nhóm nghiên cứu ở phòng thí nghiệm xúc tác, Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG-HCM thực hiện thành công [34]. Tuy nhiên MBC sau khi tổng hợp có diện tích bề mặt riêng và thể tích lỗ xốp nhỏ.

Vì vậy trong nghiên cứu này tác nhân hoạt hoá được thêm vào sau khi thêm tiền chất từ tính để cải 7 LUẬN VĂN THẠC SĨ TRẦN THANH PHONG thiện diện tích bề mặt riêng và thể tích lỗ xốp. Tác nhân hoạt hóa Quá trình hoạt có hai phương pháp cơ bản thường được sử dụng đó là: hoạt hóa vật lý, hoạt hóa hóa học. Hoạt hóa bằng phương pháp vật lý là quy trình sử dụng nhiệt để biến các chất nguyên liệu thành cacbon, sử dụng môi trường oxy hóa như hơi nước hoặc CO2 làm chất hóa tiền chất. Quá trình này diễn ra ở nhiệt độ từ 700 - 900 oC.

Các nhân tố quan trọng ảnh hưởng đến hoạt hóa vật lý bao gồm nhiệt độ trong quá trình hoạt hóa, tỷ lệ giữa nguyên liệu và lượng hơi nước hoặc CO2 sử dụng, cùng với thời gian cần thiết để tiến hành nhiệt phân [35]. Cơ chế của quá trình hoạt hóa này có thể được giải thích thông qua việc sử dụng hơi nước và CO2 như sau [36]: C + H2O → CO + H2 C + CO2 → 2CO Quá trình hoạt hóa hóa học trong cacbon hóa bắt đầu bằng việc ngâm tẩm nguyên liệu với các chất hoạt hóa hóa học đa dạng như KOH, K2CO3, H2SO4, AlCl3, ZnCl2, và FeCl3. Mục tiêu chính của bước này là tạo ra các cấu trúc lỗ xốp, nhờ vào phản ứng khử nước của các chất hoạt hóa, qua đó cải thiện đáng kể diện tích bề mặt và khả năng hấp thụ của vật liệu. Các lỗ xốp này không chỉ giúp tăng hiệu quả hấp thụ mà còn đóng góp vào việc tối ưu hóa từ tính và hoạt tính của than hoạt tính từ tính (MAC), mở ra khả năng ứng dụng rộng rãi của chúng trong nhiều lĩnh vực khác nhau.

Quá trình hoạt hóa hóa học trong tổng hợp MAC có ưu điểm là có thể thực hiện ở nhiệt độ thấp hơn so với phương pháp hoạt hóa vật lý. Điều này phù hợp hơn với các hướng nghiên cứu nhằm phát triển MAC. Ngược lại, hoạt hóa vật lý yêu cầu nhiệt độ cao từ 700 - 900 oC, tạo ra chủ yếu là khí CO và H2, ảnh hưởng đến cấu trúc Fe3O4 do quá trình khử chuyển hóa sang Fe0 [37]. Trong thời gian gần đây, KOH và các muối kali khác như KCl, K2CO3 đã trở nên phổ biến trong việc sản xuất than hoạt tính từ tính.

Các nghiên cứu chỉ ra rằng than hoạt tính từ tính tạo ra bằng cách sử dụng ZnCl2 hoặc H3PO4 có độ xốp thấp hơn 8 LUẬN VĂN THẠC SĨ TRẦN THANH PHONG so với than được hoạt hóa bằng KOH [38]. Từ đó, việc nghiên cứu tổng hợp vật liệu MAC, kết hợp với quá trình hoạt hóa bổ sung sử dụng KOH để nâng cao tính chất vật liệu, nhằm ứng dụng trong xử lý môi trường là mục tiêu chính mà tác giả đề xuất. Ứng dụng của một số vật liệu tâm sắt Vật liệu tâm sắt có thể thu hồi dễ dàng, tái sử dụng dựa vào khả năng từ tính vốn có của nó. Các nghiên cứu và ứng dụng được trình bày trong Bảng 1.7 dưới đây là một số ứng dụng cụ thể mà các nhóm nghiên cứu đã làm.1 Ứng dụng của vật liệu tâm sắt Ứng dụng Tài liệu tham khảo Hấp phụ băng sóng [39] Kháng khuẩn bằng Ag [40] Xử lý chì trong nước [41] Xử lý nước thải [42] Phân hủy phẩm màu hữu cơ [43] [44] Hình 1.6 Ứng dụng của vật liệu tâm sắt trong hấp phụ một số chất kháng sinh 9 LUẬN VĂN THẠC SĨ TRẦN THANH PHONG Có thể thấy rằng, vật liệu tâm sắt được ứng dụng đa dạng và rộng rãi trong các lĩnh vực khác nhau.