Tổng quan nghiên cứu

Ô nhiễm nước do ngành dệt nhuộm là một thách thức toàn cầu nghiêm trọng, với hàng năm khoảng 7 x 10^7 tấn thuốc nhuộm tổng hợp được sản xuất, trong đó hơn 10.000 tấn được sử dụng trong ngành dệt may. Nước thải dệt nhuộm chứa nhiều loại thuốc nhuộm độc hại và kim loại nặng như thủy ngân, crom, cadmium, chì và asen, gây nguy cơ nghiêm trọng cho sức khỏe sinh vật và làm giảm độ phì nhiêu đất, ảnh hưởng đến hoạt động quang hợp của thực vật thủy sinh. Tại Việt Nam, ngành nông nghiệp tạo ra khoảng 8-11 triệu tấn phụ phẩm nông nghiệp mỗi năm, trong đó lõi ngô, vỏ ngô, vỏ bưởi và vỏ sầu riêng là nguồn nguyên liệu tiềm năng để sản xuất than sinh học. Luận văn tập trung tổng hợp vật liệu than sinh học từ các phụ phẩm này nhằm ứng dụng hấp phụ thuốc nhuộm trong nước thải dệt nhuộm, với mục tiêu đánh giá hiệu quả xử lý, nghiên cứu động lực học hấp phụ và khảo sát khả năng tái sử dụng vật liệu. Nghiên cứu được thực hiện trong phạm vi quy mô phòng thí nghiệm tại Thành phố Hồ Chí Minh trong giai đoạn 2022-2024. Kết quả nghiên cứu góp phần phát triển giải pháp xử lý nước thải dệt nhuộm hiệu quả, thân thiện môi trường, đồng thời tận dụng nguồn phụ phẩm nông nghiệp dồi dào, giảm thiểu phát thải chất thải và chi phí xử lý.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình hấp phụ truyền thống, bao gồm:

  • Lý thuyết hấp phụ: Quá trình hấp phụ là sự chuyển phân tử từ pha lỏng lên bề mặt chất rắn, được phân loại thành hấp phụ vật lý (lực Van der Waals) và hấp phụ hóa học (liên kết hóa học). Các yếu tố ảnh hưởng gồm pH, nhiệt độ, nồng độ chất hấp phụ và chất bị hấp phụ.

  • Mô hình đẳng nhiệt hấp phụ: Sử dụng các mô hình Langmuir, Freundlich, Temkin và Dubinin-Redushkevich để mô tả sự hấp phụ thuốc nhuộm trên than sinh học.

  • Mô hình động học hấp phụ: Áp dụng mô hình động học bậc nhất và bậc hai để phân tích tốc độ hấp phụ.

  • Khái niệm than sinh học: Than sinh học được tạo ra từ phụ phẩm nông nghiệp qua quá trình nhiệt phân, có đặc tính diện tích bề mặt lớn, cấu trúc vi xốp và khả năng hấp phụ cao, đặc biệt khi biến tính bằng chất hoạt động bề mặt như CTAB (Cetyltrimethylammonium bromide).

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Phụ phẩm nông nghiệp gồm lõi ngô, vỏ ngô, vỏ bưởi và vỏ sầu riêng thu thập từ chợ Gò Vấp, Thành phố Hồ Chí Minh; thuốc nhuộm Methylene Blue (MB), Methylene Orange (MO), Direct Green 19 (DG-19); mẫu nước thải dệt nhuộm thực tế.

  • Tổng hợp vật liệu: Phụ phẩm được sơ chế, sấy khô, nghiền mịn và nhiệt phân ở các nhiệt độ 250°C, 300°C, 400°C, 500°C trong 3 giờ để tạo than sinh học. Vật liệu than sinh học được biến tính bằng CTAB để tăng hiệu quả hấp phụ.

  • Phân tích vật liệu: Sử dụng kính hiển vi điện tử quét (SEM) để quan sát hình thái bề mặt, phương pháp BET đo diện tích bề mặt, nhiễu xạ tia X (XRD) xác định cấu trúc tinh thể, phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FT-IR) xác định nhóm chức, điện thế zeta đánh giá điện tích bề mặt.

  • Đánh giá hiệu quả hấp phụ: Thí nghiệm hấp phụ thuốc nhuộm ở các điều kiện pH, nhiệt độ, nồng độ khác nhau, đo nồng độ thuốc nhuộm còn lại bằng máy quang phổ UV/VIS. Mô hình đẳng nhiệt và động học được áp dụng để phân tích dữ liệu.

  • Khảo sát khả năng tái sử dụng: Thực hiện chu kỳ hấp phụ - giải hấp để đánh giá khả năng tái sinh vật liệu.

  • Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu được thực hiện từ tháng 9/2022 đến tháng 3/2024, với các giai đoạn tổng hợp vật liệu, phân tích đặc tính, thí nghiệm hấp phụ và đánh giá hiệu quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Hiệu suất hấp phụ thuốc nhuộm theo nhiệt độ nhiệt phân: Than sinh học từ vỏ sầu riêng nung ở 300°C (VSR300) cho hiệu suất hấp phụ Methylene Blue đạt khoảng 85%, cao hơn so với các mẫu nung ở 250°C (khoảng 70%) và 400°C (khoảng 80%). Điều này cho thấy nhiệt độ 300°C là điều kiện tối ưu để tạo vật liệu than sinh học có khả năng hấp phụ tốt.

  2. Ảnh hưởng của biến tính CTAB: Vật liệu VSR300 biến tính bằng CTAB (VSR300+CTAB) tăng hiệu suất hấp phụ MB lên đến 95%, MO lên 90% và DG-19 lên 88% ở nồng độ ban đầu 20 mg/l, liều lượng 0,2 g/l, nhiệt độ 30°C. So với vật liệu chưa biến tính, hiệu suất hấp phụ tăng trung bình 10-15%.

  3. Ảnh hưởng của pH, nhiệt độ và nồng độ thuốc nhuộm: Hiệu suất hấp phụ MB của VSR300+CTAB đạt cao nhất ở pH 7 (~98%), giảm nhẹ ở pH thấp hoặc cao hơn. Nhiệt độ tăng từ 20°C đến 40°C làm tăng dung lượng hấp phụ từ 18 mg/g lên 22 mg/g. Khi nồng độ MB tăng từ 10 mg/l đến 50 mg/l, dung lượng hấp phụ tăng từ 10 mg/g lên 35 mg/g, cho thấy khả năng hấp phụ phụ thuộc vào nồng độ thuốc nhuộm.

  4. Mô hình đẳng nhiệt và động học hấp phụ: Dữ liệu hấp phụ MB phù hợp với mô hình Dubinin-Redushkevich (R² = 1) và mô hình động học hấp phụ bậc hai (R² = 0.99), cho thấy quá trình hấp phụ chủ yếu là hấp phụ hóa học với sự tương tác mạnh giữa thuốc nhuộm và bề mặt than sinh học.

  5. Hiệu quả trên mẫu nước thải thực tế: VSR300+CTAB đạt hiệu suất loại bỏ màu trên mẫu nước thải dệt nhuộm thực tế khoảng 85% sau 120 phút, chứng minh tính ứng dụng thực tiễn của vật liệu.

  6. Khả năng tái sử dụng: Sau 5 chu kỳ hấp phụ - giải hấp bằng dung dịch EDTA 0,2N, hiệu suất hấp phụ MB của VSR300+CTAB chỉ giảm khoảng 10%, cho thấy vật liệu có khả năng tái sử dụng tốt.

Thảo luận kết quả

Hiệu quả hấp phụ cao của than sinh học từ vỏ sầu riêng nung ở 300°C có thể giải thích bởi cấu trúc vi xốp và diện tích bề mặt lớn được xác định qua BET (khoảng 350 m²/g) và SEM cho thấy bề mặt nhiều lỗ rỗng. Việc biến tính bằng CTAB làm tăng điện tích dương trên bề mặt than sinh học (điện thế zeta tăng từ -15 mV lên +25 mV), giúp tăng tương tác tĩnh điện với các phân tử thuốc nhuộm mang điện tích âm, từ đó nâng cao hiệu suất hấp phụ. Kết quả phù hợp với các nghiên cứu quốc tế về ứng dụng than sinh học biến tính trong xử lý nước thải dệt nhuộm. Sự phụ thuộc của hiệu suất hấp phụ vào pH và nhiệt độ cũng tương đồng với các nghiên cứu trước, cho thấy điều kiện môi trường ảnh hưởng lớn đến quá trình hấp phụ. Mô hình động học bậc hai phản ánh quá trình hấp phụ kiểm soát bởi sự tương tác hóa học, không chỉ đơn thuần là hấp phụ vật lý. Khả năng tái sử dụng vật liệu giúp giảm chi phí vận hành và tăng tính bền vững của công nghệ. Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ đường đẳng nhiệt hấp phụ, biểu đồ động học hấp phụ và bảng so sánh hiệu suất hấp phụ các loại vật liệu ở các điều kiện khác nhau.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Phát triển quy trình sản xuất than sinh học ở nhiệt độ 300°C: Tập trung tối ưu hóa quy trình nhiệt phân phụ phẩm nông nghiệp, đặc biệt vỏ sầu riêng, để tạo vật liệu than sinh học có diện tích bề mặt lớn và cấu trúc vi xốp, nâng cao hiệu quả hấp phụ thuốc nhuộm. Thời gian thực hiện: 6-12 tháng. Chủ thể: các doanh nghiệp chế biến nông sản và viện nghiên cứu môi trường.

  2. Biến tính than sinh học bằng CTAB hoặc các chất hoạt động bề mặt tương tự: Áp dụng biến tính để tăng điện tích bề mặt và khả năng hấp phụ, giảm thiểu lượng thuốc nhuộm trong nước thải. Thời gian thực hiện: 3-6 tháng. Chủ thể: phòng thí nghiệm nghiên cứu và doanh nghiệp xử lý nước thải.

  3. Ứng dụng than sinh học biến tính trong xử lý nước thải dệt nhuộm quy mô pilot và công nghiệp: Thử nghiệm xử lý nước thải thực tế tại các nhà máy dệt nhuộm, đánh giá hiệu quả và chi phí vận hành. Thời gian thực hiện: 12-18 tháng. Chủ thể: các nhà máy dệt nhuộm, cơ quan quản lý môi trường.

  4. Xây dựng quy trình tái sinh vật liệu hấp phụ: Phát triển phương pháp giải hấp và tái sử dụng vật liệu than sinh học để giảm chi phí và tăng tính bền vững. Thời gian thực hiện: 6 tháng. Chủ thể: viện nghiên cứu và doanh nghiệp xử lý nước thải.

  5. Đào tạo và nâng cao nhận thức cho các bên liên quan: Tổ chức các khóa đào tạo về công nghệ than sinh học và xử lý nước thải cho cán bộ kỹ thuật, doanh nghiệp và cộng đồng. Thời gian thực hiện: liên tục. Chủ thể: trường đại học, viện nghiên cứu, cơ quan quản lý.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Kỹ thuật Môi trường: Luận văn cung cấp cơ sở lý thuyết và thực nghiệm về tổng hợp và ứng dụng than sinh học trong xử lý nước thải, giúp mở rộng kiến thức và phát triển đề tài nghiên cứu mới.

  2. Doanh nghiệp xử lý nước thải và nhà máy dệt nhuộm: Tham khảo giải pháp xử lý nước thải hiệu quả, tiết kiệm chi phí và thân thiện môi trường, đặc biệt trong bối cảnh yêu cầu về tiêu chuẩn môi trường ngày càng nghiêm ngặt.

  3. Cơ quan quản lý môi trường và chính sách: Cung cấp dữ liệu khoa học và đề xuất công nghệ xử lý nước thải bền vững, hỗ trợ xây dựng chính sách và quy định về bảo vệ môi trường ngành dệt nhuộm.

  4. Người làm trong lĩnh vực nông nghiệp và chế biến nông sản: Khai thác tiềm năng phụ phẩm nông nghiệp để sản xuất vật liệu than sinh học, tạo giá trị gia tăng và giảm thiểu phát thải chất thải nông nghiệp.

Câu hỏi thường gặp

  1. Than sinh học là gì và tại sao được sử dụng trong xử lý nước thải?
    Than sinh học là vật liệu cacbon được tạo ra từ quá trình nhiệt phân phụ phẩm nông nghiệp. Nó có cấu trúc vi xốp và diện tích bề mặt lớn, giúp hấp phụ hiệu quả các chất ô nhiễm hữu cơ và vô cơ trong nước thải, đặc biệt là thuốc nhuộm.

  2. Tại sao cần biến tính than sinh học bằng CTAB?
    CTAB là chất hoạt động bề mặt cation giúp tăng điện tích dương trên bề mặt than sinh học, từ đó tăng tương tác tĩnh điện với các phân tử thuốc nhuộm mang điện tích âm, nâng cao hiệu suất hấp phụ.

  3. Quá trình hấp phụ thuốc nhuộm diễn ra như thế nào?
    Quá trình hấp phụ bao gồm sự gắn kết các phân tử thuốc nhuộm lên bề mặt than sinh học thông qua các lực hóa học và vật lý. Mô hình động học bậc hai cho thấy hấp phụ chủ yếu do liên kết hóa học, diễn ra nhanh và bền vững.

  4. Than sinh học có thể tái sử dụng được không?
    Nghiên cứu cho thấy than sinh học biến tính có thể tái sử dụng ít nhất 5 chu kỳ với hiệu suất hấp phụ giảm không quá 10%, giúp giảm chi phí vận hành và tăng tính bền vững của công nghệ.

  5. Ứng dụng thực tế của than sinh học trong xử lý nước thải dệt nhuộm ra sao?
    Than sinh học biến tính đã được thử nghiệm trên mẫu nước thải thực tế, đạt hiệu suất loại bỏ màu khoảng 85%, cho thấy tiềm