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.