Nghiên cứu tổng hợp than hoạt tính từ cây mai dương và ứng dụng vào xử lý ô nhiễm nước

Tài liệu nghiên cứu Nghiên cứu tổng hợp than hoạt tính từ cây mai dương và ứng dụng vào xử lý ô nhiễm nước, tổng hợp lý thuyết và thực hành, cung cấp kiến thức chuyên sâu về .

• Tác giả: Đoàn Thị Như Quỳnh
• Người hướng dẫn: ThS. Bùi Văn Năng
• Trường học: Trường Đại Học Lâm Nghiệp
• Chuyên ngành: Khoa Học Môi Trường
• Đề tài: Tổng Hợp Than Hoạt Tính Từ Cây Mai Dương Và Ứng Dụng Xử Lý Ô Nhiễm Nước
• Loại tài liệu: khóa luận tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2015
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• TÓM TẮT KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
• 1.1. Cây Mai Dương (Mimosa Pigra L.) Đặc điểm sinh học
• 1.2. Phân bố và sinh thái
• 1.3. Chu kỳ sống và tiềm năng xâm lấn
• 1.4. Hiểm họa từ cây Mai Dương
• 1.5. Các biện pháp kiểm soát cây Mai Dương trên Thế giới và ở Việt Nam
• 2. CHƯƠNG 2: THAN HOẠT TÍNH
• 2.1. Đặc trưng về tính chất vật lý, hóa học của than hoạt tính
• 2.2. Khả năng hấp phụ của than hoạt tính
• 2.3. Nguyên liệu chế tạo than hoạt tính
• 2.4. Phương pháp sản xuất than hoạt tính
• 2.5. Tình hình sản xuất và ứng dụng của than hoạt tính trên Thế giới và ở Việt Nam
• 3. CHƯƠNG 3: MỤC TIÊU, ĐỐI TƯỢNG, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 3.1. Mục tiêu nghiên cứu
• 3.2. Đối tượng nghiên cứu
• 3.3. Nội dung nghiên cứu
• 3.4. Phương pháp nghiên cứu
• 3.4.1. Phương pháp kế thừa tài liệu
• 3.4.2. Phương pháp lấy mẫu cây Mai Dương
• 3.4.3. Phương pháp tổng hợp than hoạt tính từ cây Mai Dương
• 3.4.4. Phương pháp Scanning Electron Microscope (SEM)
• 3.4.5. Phương pháp bố trí thí nghiệm đánh giá khả năng hấp phụ của than hoạt tính từ cây Mai Dương
• 3.4.6. Phương pháp phân tích các chỉ tiêu, các thông số ô nhiễm
• 3.4.7. Phương pháp xử lý số liệu
• 3.5. Hóa chất, dụng cụ và thiết bị thí nghiệm
• 3.5.1. Dụng cụ và thiết bị thí nghiệm
• 3.6. Tổng hợp than hoạt tính từ cây Mai Dương
• 3.6.1. Xác định khả năng hấp phụ màu Xanh Metylen trong dung dịch bằng than hoạt tính
• 3.6.2. Xác định khả năng hấp phụ Mn2+ trong nước bằng than hoạt tính
• 3.6.3. Xác định khả năng xử lý nước thải dệt nhuộm bằng than hoạt tính
• 4. CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU
• 4.1. Kết quả tổng hợp than hoạt tính từ cây Mai Dương
• 4.1.1. Sản phẩm tổng hợp từ phương pháp 1: Than hóa và biến tính thành than hoạt tính
• 4.1.2. Sản phẩm tổng hợp từ phương pháp 2: Tổng hợp than hoạt tính từ tác nhân hoạt hóa ZnCl2 3M
• 4.2. Kết quả khảo sát khả năng hấp phụ màu Xanh Metylen trong dung dịch bằng các mẫu than hoạt tính
• 4.3. Kết quả khảo sát khả năng hấp phụ Mn2+ trong nước bằng các mẫu than hoạt tính
• 4.4. Kết quả ứng dụng xử lý nước thải dệt nhuộm bằng than hoạt tính từ cây Mai Dương
• 4.4.1. Kết quả phân tích các thông số COD, BOD và độ đục ban đầu của nước thải dệt nhuộm tại làng nghề Vạn Phúc
• 4.4.2. Kết quả phân tích khả năng xử lý nước thải dệt nhuộm bằng than hoạt tính từ cây Mai Dương
• 4.5. Đề xuất hướng ứng dụng
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• PHỤ LỤC

Tóm tắt

I. Tổng quan về tổng hợp than hoạt tính từ cây mai dương

Cây mai dương (Mimosa pigra L.) là một loài thực vật ngoại lai xâm lấn, gây ra nhiều vấn đề về môi trường. Việc nghiên cứu tổng hợp than hoạt tính từ cây mai dương không chỉ giúp kiểm soát sự phát triển của loài này mà còn mang lại giải pháp hiệu quả cho việc xử lý ô nhiễm nước. Than hoạt tính có khả năng hấp phụ cao, giúp loại bỏ các chất ô nhiễm trong nước, từ đó cải thiện chất lượng môi trường.

1.1. Đặc điểm sinh học và phân bố của cây mai dương

Cây mai dương có nguồn gốc từ vùng nhiệt đới châu Mỹ, hiện nay đã lan rộng ra nhiều quốc gia, trong đó có Việt Nam. Loài cây này có khả năng sinh sản nhanh chóng và dễ dàng phát tán, gây ra nhiều tác hại cho hệ sinh thái địa phương.

1.2. Tác động của cây mai dương đến môi trường

Sự xâm lấn của cây mai dương làm giảm đa dạng sinh học, cản trở sự phát triển của các loài thực vật bản địa và gây khó khăn cho hoạt động của con người. Việc kiểm soát loài cây này là rất cần thiết để bảo vệ môi trường.

II. Vấn đề ô nhiễm nước và thách thức hiện nay

Ô nhiễm nước là một trong những vấn đề nghiêm trọng hiện nay, đặc biệt là do các hoạt động công nghiệp và nông nghiệp. Các chất ô nhiễm như kim loại nặng và hợp chất hữu cơ đang ảnh hưởng đến sức khỏe con người và hệ sinh thái. Việc tìm kiếm các giải pháp hiệu quả để xử lý ô nhiễm nước là rất cấp bách.

2.1. Nguyên nhân chính gây ô nhiễm nước

Các hoạt động như sản xuất công nghiệp, nông nghiệp và sinh hoạt hàng ngày đều góp phần vào ô nhiễm nước. Các chất thải từ những hoạt động này thường chứa nhiều chất độc hại, ảnh hưởng đến chất lượng nước.

2.2. Hệ quả của ô nhiễm nước đối với sức khỏe

Ô nhiễm nước có thể gây ra nhiều bệnh tật cho con người, từ các bệnh về tiêu hóa đến các bệnh nghiêm trọng hơn như ung thư. Việc xử lý ô nhiễm nước là cần thiết để bảo vệ sức khỏe cộng đồng.

III. Phương pháp tổng hợp than hoạt tính từ cây mai dương

Việc tổng hợp than hoạt tính từ cây mai dương có thể thực hiện qua nhiều phương pháp khác nhau. Hai phương pháp chính được nghiên cứu là than hóa và tẩm chất hoạt hóa. Mỗi phương pháp đều có những ưu điểm và nhược điểm riêng, ảnh hưởng đến chất lượng của sản phẩm cuối cùng.

3.1. Phương pháp than hóa

Phương pháp than hóa là quá trình nhiệt phân cây mai dương ở nhiệt độ cao để tạo ra than hoạt tính. Phương pháp này đơn giản và dễ thực hiện, nhưng chất lượng than hoạt tính có thể không cao.

3.2. Phương pháp tẩm chất hoạt hóa

Phương pháp tẩm chất hoạt hóa sử dụng các hóa chất như ZnCl2 để cải thiện khả năng hấp phụ của than hoạt tính. Kết quả cho thấy than hoạt tính được tổng hợp từ phương pháp này có hiệu suất hấp phụ cao hơn.

IV. Ứng dụng than hoạt tính trong xử lý ô nhiễm nước

Than hoạt tính từ cây mai dương đã được chứng minh là có khả năng hấp phụ tốt các chất ô nhiễm trong nước. Các nghiên cứu cho thấy than hoạt tính có thể loại bỏ hiệu quả các hợp chất hữu cơ và kim loại nặng, từ đó cải thiện chất lượng nước.

4.1. Khả năng hấp phụ chất màu hữu cơ

Nghiên cứu cho thấy than hoạt tính từ cây mai dương có khả năng hấp phụ chất màu hữu cơ như xanh metylen với hiệu suất cao, đạt tới 99,82%.

4.2. Khả năng hấp phụ kim loại nặng

Than hoạt tính cũng cho thấy khả năng hấp phụ kim loại nặng như Mn2+ với hiệu suất đạt 99,10%, cho thấy tiềm năng ứng dụng trong xử lý nước thải công nghiệp.

V. Kết luận và triển vọng tương lai

Việc tổng hợp than hoạt tính từ cây mai dương không chỉ giúp kiểm soát sự phát triển của loài cây này mà còn mang lại giải pháp hiệu quả cho việc xử lý ô nhiễm nước. Tương lai, cần tiếp tục nghiên cứu và phát triển các phương pháp tổng hợp và ứng dụng than hoạt tính để nâng cao hiệu quả xử lý ô nhiễm.

5.1. Tầm quan trọng của nghiên cứu

Nghiên cứu này không chỉ có ý nghĩa trong việc bảo vệ môi trường mà còn góp phần vào việc phát triển bền vững. Việc sử dụng nguyên liệu từ cây mai dương giúp giảm thiểu ô nhiễm và bảo vệ đa dạng sinh học.

5.2. Đề xuất hướng nghiên cứu tiếp theo

Cần nghiên cứu thêm về các phương pháp cải tiến trong tổng hợp than hoạt tính và mở rộng ứng dụng của nó trong các lĩnh vực khác nhau như xử lý khí thải và lọc nước.

Trích đoạn nội dung tài liệu

ĐẶT VẤN ĐỀ Mai Dƣơng (Mimosa pigra L.) là một loài cây bụi, mọc dày đặc và rất nhiều gai cứng, đƣợc xem là một trong các loài ngoại lai xâm hại ở nhiều quốc gia trên Thế giới trong đó có Việt Nam. Cây Mai Dƣơng mọc tràn lan, khó kiểm soát và tiêu diệt. Làm thay đổi thảm thực vật, gây tác hại đến hệ động vật ở nh ng vùng nó xâm lấn. Hầu nhƣ có rất ít loài thực vật có thể mọc đƣợc dƣới tán Mai Dƣơng, việc mọc dày đặc còn cản trở việc đi lại của con ngƣời, động vật và gia súc chăn thả.

Sự xâm hại của Mai Dƣơng sẽ làm giảm hoặc tuyệt chủng các loài bản địa, suy giảm sự đa dạng sinh học. Đã có rất nhiều biện pháp để kiểm soát Mai Dƣơng nhƣ cơ giới (cắt, nhổ.), hóa học (thuốc diệt cỏ.) và biện pháp tổng hợp (phối hợp các biện pháp trên). Tuy nhiên, mỗi biện pháp có nh ng khó khăn riêng và hầu nhƣ chƣa có biện pháp nào ngăn chặn hoàn toàn sự xâm lấn của cây Mai Dƣơng. Cùng với sự suy giảm đa dạng sinh học do các loài ngoại lai gây ra, tình hình ô nhiễm môi trƣờng, đặc biệt là ô nhiễm môi trƣờng nƣớc cũng trở nên nghiêm trọng.

Sự phát thải của các ngành công nghiệp nhƣ chế biến thực phẩm, công nghiệp dệt nhuộm. hay khai thác khoáng sản, mạ. đã làm cho vấn đề ô nhiễm môi trƣờng nƣớc bởi các hợp chất h u cơ và kim loại nặng trở thành vấn đề cấp bách. Nh ng vấn đề này sẽ ảnh hƣởng trực tiếp đến chất lƣợng cuộc sống cũng nhƣ sự phát triển bền v ng của mỗi quốc gia.

Chiến lƣợc bảo vệ Môi trƣờng Quốc gia của Việt Nam đã xác định mục tiêu đến năm 2020 phải hình thành và phát triển ngành công nghiệp tái chế chất thải. Nghiên cứu xử lý màu, chất h u cơ và kim loại nặng trong nƣớc thải bằng các vật liệu hấp phụ giá thành thấp, thân thiện với môi trƣờng, đƣợc chế tạo từ các chất thải, vật liệu có trong tự nhiên đang là vấn đề đƣợc nhiều tác giả nghiên cứu thực hiện trên Thế giới. Có nhiều phƣơng pháp khác nhau để xử lý nƣớc thải của các ngành công nghiệp trên, trong đó phƣơng pháp hấp phụ bằng than hoạt tính là phƣơng pháp có hiệu quả cao và đƣợc ứng dụng rộng rãi. 1 Than hoạt tính là một trong nh ng vật liệu hấp phụ đƣợc sử dụng khá phổ biến, bởi nh ng đặc tính tuyệt vời nhƣ có thể làm sạch nƣớc, không khí, khử màu, khử mùi, tham gia vào quá trình tinh chế các chất hóa học h u ích khác,.

Vì vậy, việc ứng dụng than hoạt tính vào mục đích xử lý môi trƣờng ngày càng tăng cao. Từ định hƣớng sử dụng cây Mai Dƣơng làm nguyên liệu tổng hợp than hoạt tính, không chỉ giúp nâng cao hiệu quả diệt trừ cây Mai Dƣơng, bảo tồn đa dạng sinh thái môi trƣờng, mà còn thu đƣợc sản phẩm là than hoạt tính để xử lý môi trƣờng bị ô nhiễm. Điều này không chỉ đem lại nhiều lợi ích mà còn thực sự ý nghĩa trong việc bảo vệ môi trƣờng từ chính loài ngoại lai xâm hại. Khóa luận “Nghiên cứu tổng hợp than hoạt tính từ cây Mai Dương và ứng dụng vào xử lý ô nhiễm nước” sẽ giúp tìm hiểu rõ hơn về các đặc tính của cây Mai Dƣơng cũng nhƣ của than hoạt tính, từ đó đƣa ra phƣơng pháp tổng hợp than hoạt tính từ cây Mai Dƣơng, hiệu quả xử lý của than hoạt tính từ cây Mai Dƣơng đối với nƣớc thải dệt nhuộm, nh ng ý nghĩa từ việc tổng hợp than hoạt tính từ cây Mai Dƣơng đem lại.

2 Chƣơng 1 TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1. Cây Mai Dƣơng (Mimosa Pigra L. Đặc điểm sinh học Cây Mai Dƣơng còn có các tên khác là: Cây Ngƣu ma vƣơng, cây Mắc cỡ Mỹ, cây Trinh n nâu,., tên khoa học là Mimosa Pigra L., thuộc họ Mimosaceae, chi Mimosa (Phạm Hoàng Hộ, 1999), có 400 – 500 loài, hầu hết có nguồn gốc từ Trung và Nam Mỹ. Cây Mai Dƣơng đƣợc Linnaeus mô tả là một loài riêng lần đầu tiên vào năm 1759 Lonsdale, 1992 [19], [33].

là loài cây bụi mọc nơi đất trống, ẩm ƣớt của vùng nhiệt đới. Thân màu xanh lúc còn nhỏ và dần trở nên thân gỗ với độ dài đến 3 m và phân bố ngẫu nhiên. Lá màu xanh sáng, lá kép dài 20 – 25 cm, gồm 15 cặp lá đơn mọc đối, dài khoảng 5 cm, với phiến lá không cuống, dạng thon hẹp, lá xếp lại khi bị va chạm hoặc vào ban đêm. Hoa nhỏ màu tím hoặc hồng, dạng tia và chụm lại từng nhóm thành một đầu tròn có đƣờng kính 1 - 2 cm.

Phát hoa mọc trên một trục dài 2 - 3 cm với hai trong mỗi nách lá, trong khi đó vành có 4 cánh với 8 bao phấn màu hồng. Trái có lông rất dày đặc, có từ 20 - 25 hạt, trái mọc thành từng chùm trên nách lá, trái dài 6,5 - 7,5 cm, và rộng từ 0,7 - 1 cm. Trái chuyển sang màu nâu khi chín, gây ra thành từng phần nhỏ mang 1 hạt. Hạt có màu nâu hoặc xanh ô liu, dẹp, bầu tròn, dài 4 - 6 mm và rộng 2 mm (Walden et al.

Phân và sinh th i Cây Mai Dƣơng có nguồn gốc ở vùng nhiệt đới châu Mỹ từ Mexico qua Trung Mỹ đến Bắc Argentina, và nay đã lan rộng khắp vùng nhiệt đới (Chopping, 2004; Lonsdale, 1992). Hiện nay, cây Mai Dƣơng là cỏ dại ở Mỹ, Úc, Malaysia, Myanmar, Lào, Thái Lan, Campuchia và Việt Nam (Trần Văn Hiến, 2006; Lonsdale và cộng sự, 1995). Khí hậu nhiệt đới với hai mùa khô và mƣa rất thích hợp cho cây Mai Dƣơng tăng trƣởng. Mai Dƣơng bành trƣớng rất nhanh ở nơi đất trống, sống 3 đƣợc ở nh ng vùng có lƣợng mƣa thấp hơn 750 mm hoặc cao hơn 2250 mm và chịu đƣợc ngập nƣớc trong thời gian dài.

Cây Mai Dƣơng không kén đất, nhƣng thƣờng mọc ở nơi ẩm ƣớt nhƣ đồng bằng ven sông, ven biển tạo nên thảm bụi cao dày đặc. Nó tạo thành tầng cây rậm rạp che bóng không cho hột của các cây bản địa nảy mầm, nó có rất ít loài thiên địch, và ít bị ảnh hƣởng bởi sự cạnh tranh khác loài (Lonsdale và cộng sự, 1995; Walden và cộng sự, 2004) [6], [19]. Chu kỳ s ng và tiềm năng xâm lấn Cây Mai Dƣơng sinh sản bằng hột và trƣởng thành rất nhanh. Cây bắt đầu ra hoa khoảng 6 - 8 tháng sau khi nảy mầm.

Mỗi năm cây tạo một lƣợng hột rất lớn, trung bình 9000 hột/cây (Lonsdale và cộng sự, 1995; Marambe và cộng sự, 2004; Walden và cộng sự, 2004) [21]. Hột đƣợc bao bọc bởi lớp áo nhiều lông, rất nhẹ giúp chúng dễ dàng di chuyển theo gió, hay bám trên ngƣời, động vật, xe cộ cơ giới và cả trong đất và cát nhƣng chủ yếu phát tán theo dòng nƣớc, nƣớc lũ, hệ thống kênh rạch. Hột cực kỳ cứng và có thể duy trì miên trạng trong vòng 15 năm tùy thuộc vào môi trƣờng, có thể sống hơn 5 năm trong phòng thí nghiệm, và tồn tại ít nhất 23 năm trong đất cát. Vì luôn có một lƣợng lớn hột nằm sâu trong đất nên phải kiểm soát cây mầm nhiều năm sau khi loại trừ cây trƣởng thành.

Nhiệt độ cao không ảnh hƣởng đến sức sống của hột. Hơn n a, dao động nhiệt độ còn làm vỡ vỏ hột để giúp hột dễ hút nƣớc và nảy mầm, thƣờng nảy mầm vào mùa mƣa hoặc sau khi cháy. Mai Dƣơng còn nảy chồi rất mạnh từ gốc thân đã bị chặt. Cây Mai Dƣơng tăng trƣởng với một thân đơn độc khi còn non, khi trƣởng thành có nhiều nhánh mọc từ gốc với hệ thống rễ phụ.

Cây tăng trƣởng và ra hoa quanh năm. Tuổi thọ của cây tùy thuộc vào từng loại đất, cây thƣờng chết trong khoảng 5 năm tuổi. Cây trƣởng thành còn bị chết với một tỉ lệ nhất định, đƣợc bổ sung bằng cây nảy mầm, và chúng tồn tại ít nhất 15 năm [20], [21]. 4 Quần thể Mai Dƣơng tăng trƣởng và phát triển rất nhanh quanh hệ thống sông ngòi, ao hồ.

Diện tích của vùng bị xâm lấn tăng gấp đôi sau 1 đến 2 năm. Cây có khả năng tái sinh, lan rộng cực kì lớn, theo hàm mũ cơ số 2, nếu 1 ha không đƣợc kiểm soát, sau 10 năm cây có thể phát triển thành 1024 ha [30]. Theo số liệu của Phòng Nghiên cứu Khoa học và Môi trƣờng, nh ng năm 1984 - 1985, Vƣờn Quốc gia Tràm Chim chỉ có vài bụi Mai Dƣơng xuất hiện. Năm 1999, diện tích bị Mai Dƣơng xâm lấn khoảng 150 ha.

Đến năm 2000, loài cây này đã lây lan, chiếm diện tích gần 1000 ha. Và đến năm 2013 con số này đã là 2200 ha (chiếm 25% diện tích rừng). Với tốc độ nhanh nhƣ vậy, nếu không sớm đƣa nh ng biện pháp diệt trừ Mai Dƣơng, có thể nó sẽ xâm lấn toàn hệ sinh thái của Vƣờn Quốc gia [5], [30]. Hiểm họa từ cây Mai Dương Với sự tăng trƣởng và phát triển nhanh chóng, cây Mai Dƣơng hiện đang xâm lấn mạnh các khu bảo tồn đất ngập nƣớc ở Úc, Thái Lan, Mỹ (Florida) và châu Phi.

Ở Úc, 450 km2 đồng bằng ngập lũ và đầm lầy đã bị cây Mai Dƣơng bao phủ. Nh ng nơi có cây Mai Dƣơng mọc dày đặc, các loài chim, bò sát, thực vật thân thảo, và cây mầm của các loài cây khác ít hơn ở thảm thực vật bản địa, rất ít loài thực vật có thể mọc đƣợc dƣới tán Mai Dƣơng. Cây Mai Dƣơng là mối đe dọa ngành chăn nuôi, nhất là chăn nuôi trâu, bò, khi bị mắc kẹt trong bụi Mai Dƣơng thì khó có thể tự đi ra đƣợc. Động vật bậc cao hầu nhƣ không ăn lá cây Mai Dƣơng ngay cả khi hiếm thức ăn.

Theo Miller, 2004, lƣợng Axit amin Mimosine đƣợc ly trích từ cây Mai Dƣơng ở nồng độ 0,2% trọng lƣợng khô của lá có thể gây độc nhƣ gây bƣớu cổ với nhiều loài động vật bậc cao [6], [28]. Hơn n a, sự phát triển của loài Mai Dƣơng cũng giới hạn dòng chảy sông ngòi, làm ảnh hƣởng đến ngƣ dân, du lịch và giao thông thủy [24]. Hiện nay, ở Việt Nam, sự xâm lấn của cây Mai Dƣơng đang trở thành mối hiểm họa đối với nhiều khu vực trên cả nƣớc. Tại Quảng Trị, năm 2007 toàn tỉnh chỉ có 1015 ha đất bị nhiễm cây Mai Dƣơng nhƣng đến năm 2014 5 con số này là 10000 ha.

Ở các tỉnh vùng đồng bằng sông Cửu Long, diện tích cây Mai Dƣơng đã lên đến 6000 ha, các tỉnh Đông Nam Bộ, Tây Nguyên và các tỉnh phía Bắc là trên 10000 ha [39].