Luận Văn Thạc Sĩ: Tổng Hợp Than Hoạt Tính Từ Bẹ Lá Dừa Nước Ứng Dụng Xúc Tác Phân Hủy Methyl Orange Bằng H2O2

• Tác giả: Nguyễn Thị Kim Linh
• Người hướng dẫn: PGS. Nguyễn Quang Long
• Trường học: Đại học Bách Khoa – ĐHQG-HCM
• Chuyên ngành: Hóa học
• Đề tài: Tổng hợp than hoạt tính từ bẹ lá dừa nước xúc tác phân hủy methyl orange bằng H2O2
• Loại tài liệu: luận văn
• Năm xuất bản: 2024
• Địa điểm: Hồ Chí Minh

• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Bẹ lá dừa nước như là một nguồn sinh khối tiềm năng
• 1.2. Than sinh học từ tính và than hoạt tính từ tính
• 1.2.1. Than sinh học từ tính và than hoạt tính từ tính
• 1.2.2. Từ tính của than sinh học từ tính và than hoạt tính từ tính
• 1.3. Phương pháp tổng hợp MAC
• 1.4. Ứng dụng của MAC
• 1.4.1. Ứng dụng MAC trong quá trình xúc tác phân hủy chất hữu cơ gây ô nhiễm
• 1.4.1.1. Các chất hữu cơ gây ô nhiễm môi trường và phương pháp xử lý

I. Tổng hợp than hoạt tính từ bẹ lá dừa nước

Nghiên cứu tập trung vào việc tổng hợp than hoạt tính (MAC) từ bẹ lá dừa nước, một nguồn sinh khối phong phú và chưa được khai thác hiệu quả tại Việt Nam. Quá trình tổng hợp sử dụng phương pháp nhiệt phân một bước với sự hỗ trợ của FeCl3 và KOH để tạo ra vật liệu có cấu trúc xốp và từ tính. MAC được đánh giá qua các phương pháp phân tích như XRD, FTIR, và SEM, cho thấy sự hiện diện của Fe0 và Fe3O4 trong cấu trúc vật liệu. Diện tích bề mặt riêng của MAC đạt 479 m²/g, thể hiện tiềm năng ứng dụng trong xử lý môi trường.

1.1. Quy trình tổng hợp MAC

Quy trình tổng hợp MAC bao gồm việc tẩm bẹ lá dừa nước với FeCl3 và KOH, sau đó tiến hành nhiệt phân ở nhiệt độ cao. Phương pháp này cho phép đồng thời tạo ra các hạt từ tính và hoạt hóa bề mặt vật liệu. Kết quả cho thấy MAC có cấu trúc xốp tốt hơn so với than sinh học từ tính (MBC), với diện tích bề mặt riêng và thể tích lỗ xốp cao hơn đáng kể.

1.2. Đặc tính vật liệu

MAC được đặc trưng bởi sự hiện diện của Fe0 và Fe3O4, mang lại từ tính mạnh với độ bão hòa từ đạt 45,6 emu/g. Các phân tích XRD và FTIR xác nhận cấu trúc tinh thể và các nhóm chức trên bề mặt vật liệu. Điều này giúp MAC không chỉ có khả năng hấp phụ mà còn có thể đóng vai trò xúc tác trong các phản ứng oxy hóa.

II. Xúc tác phân hủy methyl orange bằng H2O2

Nghiên cứu đánh giá hiệu quả của MAC trong việc xúc tác phân hủy methyl orange (MO) bằng H2O2. Kết quả cho thấy, với điều kiện tối ưu (0,50 g/L MAC, 500 ppm H2O2, pH 4,0), MAC có thể phân hủy 87,0% MO sau 180 phút. Phản ứng tuân theo động học bậc nhất với hằng số tốc độ 0,0119 phút⁻¹ và năng lượng hoạt hóa 48,7 kJ/mol. Điều này chứng minh tiềm năng của MAC trong xử lý nước thải chứa chất màu.

2.1. Cơ chế phản ứng

Quá trình phân hủy MO được thúc đẩy bởi phản ứng oxy hóa nâng cao, trong đó H2O2 được kích hoạt bởi các hạt Fe0 và Fe3O4 trên bề mặt MAC. Các gốc hydroxyl tự do (•OH) được tạo ra đóng vai trò chính trong việc phân hủy MO thành các sản phẩm vô hại. Cơ chế này được hỗ trợ bởi các phân tích động học và quang phổ.

2.2. Ứng dụng thực tế

MAC không chỉ hiệu quả trong việc xử lý MO mà còn có thể ứng dụng rộng rãi trong xử lý các chất hữu cơ gây ô nhiễm khác. Khả năng tách từ tính của MAC giúp quá trình xử lý trở nên dễ dàng và tiết kiệm chi phí. Điều này mở ra hướng nghiên cứu mới trong lĩnh vực hóa học môi trường và công nghệ xử lý nước thải.

III. Ý nghĩa và ứng dụng của nghiên cứu

Nghiên cứu này đã chứng minh tiềm năng của bẹ lá dừa nước trong việc tổng hợp than hoạt tính từ tính (MAC), một vật liệu đa chức năng trong xử lý môi trường. MAC không chỉ có khả năng hấp phụ mà còn đóng vai trò xúc tác hiệu quả trong các phản ứng oxy hóa. Kết quả nghiên cứu góp phần vào sự phát triển của hóa học xanh và công nghệ môi trường, đồng thời tạo ra giá trị kinh tế từ nguồn sinh khối dồi dào tại Việt Nam.

3.1. Giá trị khoa học

Nghiên cứu cung cấp một phương pháp tổng hợp MAC hiệu quả từ nguồn sinh khối tái tạo, góp phần giảm thiểu ô nhiễm môi trường. Đồng thời, nghiên cứu cũng làm sáng tỏ cơ chế xúc tác của MAC trong quá trình phân hủy MO, mở ra hướng ứng dụng mới trong xử lý nước thải công nghiệp.

3.2. Giá trị thực tiễn

Việc sử dụng bẹ lá dừa nước để tổng hợp MAC không chỉ giúp tận dụng nguồn sinh khối dồi dào mà còn góp phần bảo vệ hệ sinh thái rừng ngập mặn. MAC có thể được ứng dụng rộng rãi trong các nhà máy xử lý nước thải, giúp giảm thiểu chi phí và nâng cao hiệu quả xử lý.

Tổng quan nghiên cứu

Việt Nam sở hữu nguồn sinh khối phong phú với khoảng 118 triệu tấn phụ phẩm nông nghiệp mỗi năm, trong đó bẹ lá dừa nước (nipa fronds) là một nguồn nguyên liệu tiềm năng chưa được khai thác hiệu quả. Bẹ lá dừa nước phân bố rộng rãi tại các vùng rừng ngập mặn miền Nam, đóng vai trò quan trọng trong hệ sinh thái và kinh tế địa phương. Tuy nhiên, việc sử dụng bẹ lá dừa nước hiện còn hạn chế, dẫn đến tình trạng khai thác rừng ngập mặn không bền vững, ảnh hưởng tiêu cực đến môi trường và xã hội. Trước thực trạng này, nghiên cứu tập trung phát triển vật liệu than hoạt tính từ tính (magnetic activated carbon - MAC) từ bẹ lá dừa nước nhằm ứng dụng trong xử lý ô nhiễm nước, đặc biệt là phân hủy chất màu methyl orange (MO) bằng quá trình oxy hóa nâng cao với H2O2.

Mục tiêu chính của luận văn là tổng hợp MAC bằng phương pháp nhiệt phân một bước, sử dụng FeCl3 làm tiền chất từ tính và KOH làm tác nhân hoạt hóa, đồng thời đánh giá hiệu quả xúc tác phân hủy MO trong điều kiện pH 4,0, nồng độ MAC 0,50 g/L và H2O2 500 ppm. Nghiên cứu được thực hiện tại phòng thí nghiệm Trường Đại học Bách Khoa – ĐHQG TP.HCM trong năm 2023-2024. Kết quả nghiên cứu góp phần phát triển vật liệu sinh học thân thiện môi trường, tận dụng nguồn sinh khối dồi dào, đồng thời nâng cao hiệu quả xử lý ô nhiễm nước thải công nghiệp, hướng tới phát triển bền vững và bảo vệ hệ sinh thái rừng ngập mặn.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

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

• Than sinh học từ tính (Magnetic Biochar - MBC) và Than hoạt tính từ tính (Magnetic Activated Carbon - MAC): MBC là vật liệu cacbon xốp được tích hợp các hạt từ tính như Fe3O4, giúp dễ dàng tách vật liệu sau xử lý bằng từ trường. MAC là phiên bản cải tiến của MBC, được hoạt hóa bằng KOH để tăng diện tích bề mặt và thể tích mao quản, nâng cao hiệu quả xúc tác và hấp phụ.

• Quá trình oxy hóa nâng cao (Advanced Oxidation Processes - AOPs): Sử dụng các gốc hydroxyl (•OH) mạnh để phân hủy các chất hữu cơ ô nhiễm trong nước. Trong đó, quá trình Fenton và Fenton dị thể sử dụng ion sắt và H2O2 tạo gốc •OH để oxy hóa các hợp chất khó phân hủy.

• Phản ứng Fenton dị thể: Sử dụng các vật liệu rắn chứa sắt (Fe0, Fe3O4) làm xúc tác, giúp tái sử dụng nhiều lần, giảm lượng bùn kim loại phát sinh và tăng tính bền vững của quá trình xử lý.

Các khái niệm chính bao gồm: diện tích bề mặt riêng (SBET), thể tích mao quản (Vtotal), từ tính bão hòa (Ms), động học phản ứng pseudo-first-order, năng lượng hoạt hóa (EA).

Phương pháp nghiên cứu

• Nguồn dữ liệu: Bẹ lá dừa nước thu thập tại Bình Quới, Bình Thạnh, TP.HCM. Hóa chất FeCl3, KOH, H2O2, methyl orange được sử dụng với độ tinh khiết cao.

• Quy trình tổng hợp MAC: Phương pháp nhiệt phân một bước, tẩm FeCl3 và KOH lên bột bẹ lá dừa nước, sấy khô, sau đó nhiệt phân ở 600 ℃ trong khí N2 với tốc độ gia nhiệt 5 ℃/phút trong 1 giờ. Sản phẩm rửa sạch đến pH trung tính và sấy khô.

• Phân tích vật liệu: XRD xác định pha tinh thể; FTIR xác định nhóm chức bề mặt; SEM, TEM khảo sát hình thái và cấu trúc; EDX phân tích thành phần nguyên tố; VSM đo từ tính; hấp phụ giải hấp N2 xác định diện tích bề mặt và thể tích mao quản.

• Khảo sát hoạt tính xúc tác: Thí nghiệm phân hủy methyl orange (50 ppm) trong dung dịch chứa MAC (0,50 g/L) và H2O2 (500 ppm) tại pH 4,0, nhiệt độ phòng (33 ℃). Đo nồng độ MO theo thời gian bằng máy quang phổ hấp thu ở bước sóng 469 nm. Các biến số khảo sát gồm loại xúc tác, pH, nồng độ xúc tác, nồng độ H2O2 và nhiệt độ.

• Phân tích động học: Xác định hằng số tốc độ phản ứng (k) theo mô hình pseudo-first-order và năng lượng hoạt hóa (EA) từ biểu đồ Arrhenius.

• Cỡ mẫu và chọn mẫu: Mẫu MAC với tỷ lệ FeCl3 tẩm 0,2 (MAC-0,2) được chọn làm mẫu tiêu chuẩn dựa trên đặc tính vật liệu và hiệu quả xúc tác.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Đặc tính vật liệu MAC:

   • MAC-0,2 có diện tích bề mặt riêng SBET đạt 479 m²/g và thể tích mao quản tổng Vtotal là 0,30 cm³/g, chỉ giảm nhẹ so với AC (506 m²/g, 0,35 cm³/g) nhưng vượt xa MBC (36 m²/g, 0,04 cm³/g).
   • XRD cho thấy MAC chứa các hạt Fe0 tinh thể với các peak đặc trưng ở 2θ = 44,63° và 64,98°, trong khi MBC chủ yếu chứa Fe3O4.
   • Từ tính bão hòa của MAC đạt 45,6 emu/g, cao hơn nhiều so với MBC (14,2 emu/g), đảm bảo khả năng tách bằng từ trường hiệu quả.

2. Hiệu quả phân hủy methyl orange:

   • Dưới điều kiện 0,50 g/L MAC, 500 ppm H2O2, pH 4,0, sau 180 phút xử lý, tỷ lệ phân hủy MO đạt 87,0%.
   • Phản ứng phân hủy tuân theo động học pseudo-first-order với hằng số tốc độ k = 0,0119 phút⁻¹.
   • Năng lượng hoạt hóa EA được xác định là 48,7 kJ/mol, cho thấy quá trình xúc tác có tính chất nhiệt động học phù hợp.

3. Ảnh hưởng các yếu tố:

   • pH tối ưu là 4,0, phù hợp với điều kiện hoạt động của quá trình Fenton dị thể.
   • Tăng nồng độ MAC và H2O2 làm tăng tốc độ phân hủy nhưng vượt quá mức tối ưu có thể gây phản ứng phụ làm giảm hiệu quả.
   • Nhiệt độ tăng từ 33 ℃ đến 50 ℃ làm tăng tốc độ phản ứng, phù hợp với mô hình Arrhenius.

Thảo luận kết quả

Sự kết hợp FeCl3 và KOH trong quy trình tổng hợp một bước đã tạo ra MAC với cấu trúc xốp cao và hạt Fe0 phân tán đều trên nền than hoạt tính, khác biệt so với MBC chỉ chứa Fe3O4. KOH không chỉ hoạt hóa bề mặt mà còn hỗ trợ quá trình khử Fe3+ thành Fe0, nâng cao từ tính và khả năng xúc tác. Diện tích bề mặt lớn và thể tích mao quản phù hợp giúp tăng diện tích tiếp xúc giữa chất ô nhiễm và xúc tác, thúc đẩy quá trình phân hủy.

Hiệu quả phân hủy MO cao chứng minh MAC là vật liệu xúc tác hiệu quả trong quá trình oxy hóa nâng cao với H2O2, giảm thiểu ô nhiễm chất màu trong nước thải. Kết quả động học và năng lượng hoạt hóa phù hợp với các nghiên cứu về Fenton dị thể, cho thấy MAC hoạt động như một xúc tác dị thể ổn định, có thể tái sử dụng và dễ dàng tách bằng từ trường.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ động học phân hủy MO theo thời gian, biểu đồ Arrhenius thể hiện mối quan hệ giữa tốc độ phản ứng và nhiệt độ, cùng bảng so sánh đặc tính vật liệu MAC, MBC và AC.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Tối ưu quy trình tổng hợp MAC: Áp dụng tỷ lệ FeCl3/KOH và điều kiện nhiệt phân 600 ℃ trong 1 giờ để đảm bảo tạo ra vật liệu có diện tích bề mặt và từ tính tối ưu, nâng cao hiệu quả xúc tác.

2. Ứng dụng MAC trong xử lý nước thải công nghiệp: Khuyến nghị sử dụng MAC làm xúc tác trong các hệ thống xử lý nước thải chứa chất màu azo như methyl orange, với điều kiện pH duy trì khoảng 4,0 và kiểm soát nồng độ H2O2 để tối ưu hiệu quả và giảm chi phí.

3. Phát triển quy trình tái sử dụng và thu hồi MAC: Tận dụng tính từ tính cao của MAC để thu hồi vật liệu dễ dàng bằng từ trường, giảm thiểu phát sinh bùn và chi phí vận hành, đồng thời nghiên cứu khả năng tái sinh xúc tác sau nhiều chu kỳ sử dụng.

4. Mở rộng nghiên cứu ứng dụng: Khuyến khích nghiên cứu thêm về khả năng phân hủy các chất ô nhiễm hữu cơ khác và ứng dụng MAC trong các quá trình oxy hóa nâng cao kết hợp với các công nghệ xử lý khác như màng lọc, điện hóa để nâng cao hiệu quả xử lý.

Các giải pháp trên nên được triển khai trong vòng 1-2 năm tiếp theo bởi các trung tâm nghiên cứu môi trường, doanh nghiệp xử lý nước thải và các cơ quan quản lý môi trường nhằm thúc đẩy ứng dụng thực tiễn.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Hóa học, Môi trường: Nghiên cứu về vật liệu sinh học, than hoạt tính từ tính và các quá trình oxy hóa nâng cao trong xử lý ô nhiễm nước.

2. Doanh nghiệp xử lý nước thải công nghiệp: Tìm kiếm giải pháp xúc tác hiệu quả, thân thiện môi trường để xử lý các chất màu và hợp chất hữu cơ khó phân hủy.

3. Cơ quan quản lý môi trường và chính sách: Đánh giá tiềm năng ứng dụng vật liệu sinh học tái tạo trong xử lý ô nhiễm, góp phần xây dựng các chính sách phát triển bền vững.

4. Nhà sản xuất vật liệu và thiết bị xử lý nước: Phát triển sản phẩm than hoạt tính từ tính với khả năng xúc tác cao, dễ thu hồi và tái sử dụng, đáp ứng nhu cầu thị trường.

Mỗi nhóm đối tượng có thể áp dụng kết quả nghiên cứu để nâng cao hiệu quả công việc, giảm chi phí và tăng tính bền vững trong xử lý môi trường.

Câu hỏi thường gặp

1. MAC được tổng hợp từ nguồn nguyên liệu nào?
   MAC được tổng hợp từ bẹ lá dừa nước – một nguồn sinh khối dồi dào tại Việt Nam, kết hợp với FeCl3 làm tiền chất từ tính và KOH làm tác nhân hoạt hóa qua phương pháp nhiệt phân một bước.

2. Tại sao chọn pH 4,0 cho quá trình phân hủy methyl orange?
   pH 4,0 là điều kiện tối ưu cho phản ứng Fenton dị thể, giúp tạo ra gốc hydroxyl hiệu quả, đồng thời hạn chế sự kết tủa của sắt và phân hủy không mong muốn của H2O2.

3. Hiệu quả phân hủy methyl orange của MAC như thế nào?
   MAC đạt tỷ lệ phân hủy methyl orange lên đến 87% sau 180 phút trong điều kiện 0,50 g/L MAC và 500 ppm H2O2, cho thấy khả năng xúc tác mạnh mẽ.

4. Làm thế nào để thu hồi MAC sau xử lý?
   Nhờ tính từ tính cao (45,6 emu/g), MAC có thể được thu hồi dễ dàng bằng cách sử dụng từ trường ngoài, giúp tái sử dụng và giảm phát sinh bùn kim loại.

5. MAC có thể ứng dụng cho các chất ô nhiễm khác không?
   Ngoài methyl orange, MAC có tiềm năng ứng dụng trong xử lý nhiều chất hữu cơ ô nhiễm khác nhờ cấu trúc xốp lớn và khả năng xúc tác oxy hóa nâng cao, cần nghiên cứu thêm để mở rộng ứng dụng.

Kết luận

• Đã phát triển thành công quy trình tổng hợp MAC từ bẹ lá dừa nước bằng phương pháp nhiệt phân một bước với FeCl3 và KOH, tạo ra vật liệu có diện tích bề mặt 479 m²/g và từ tính 45,6 emu/g.
• MAC thể hiện hiệu quả xúc tác cao trong phân hủy methyl orange với tỷ lệ 87% sau 180 phút, tuân theo động học pseudo-first-order với hằng số k = 0,0119 phút⁻¹ và năng lượng hoạt hóa 48,7 kJ/mol.
• Tính từ tính cao giúp MAC dễ dàng thu hồi bằng từ trường, giảm chi phí và ô nhiễm thứ cấp so với xúc tác đồng thể truyền thống.
• Nghiên cứu mở ra hướng phát triển vật liệu sinh học thân thiện môi trường, tận dụng nguồn sinh khối dồi dào tại Việt Nam cho xử lý ô nhiễm nước thải.
• Đề xuất tiếp tục tối ưu quy trình tổng hợp, mở rộng ứng dụng và phát triển quy trình tái sử dụng MAC trong 1-2 năm tới nhằm thúc đẩy ứng dụng thực tiễn.

Luận văn là tài liệu tham khảo quý giá cho các nhà nghiên cứu, doanh nghiệp và cơ quan quản lý trong lĩnh vực xử lý môi trường và phát triển vật liệu sinh học. Để biết thêm chi tiết và hợp tác nghiên cứu, vui lòng liên hệ với Trường Đại học Bách Khoa – ĐHQG TP.HCM.