Tổng hợp vật liệu carbon từ lõi mít ứng dụng trong xử lý môi trường - Nghiên cứu thạc sĩ kỹ thuật hóa học

• Tác giả: Lê Phú Thịnh
• Người hướng dẫn: Assoc. Lê Thị Kim Phụng
• Trường học: Ho Chi Minh City University of Technology
• Chuyên ngành: Chemical Engineering
• Đề tài: Tổng hợp vật liệu carbon từ lõi mít ứng dụng xử lý môi trường
• Loại tài liệu: master’s thesis
• Năm xuất bản: 2024
• Địa điểm: Ho Chi Minh City

• ACKNOWLEDGEMENT
• ABSTRACT
• TÓM TẮT
• GUARANTEE
• 1. TABLE OF CONTENTS
• 2. Current situations of jackfruit in Vietnam
• 3. Jackfruit core
• 4. Textile dye wastewater and remediation techniques
• 4.1. Textile dye wastewater
• 4.2. Wastewater treatment methods
• 4.3. Peroxymonosulfate (PMS) activation results in oxidizing agents for the decomposition of organic contaminants as AOPs
• 4.4. The activated methods of PMS
• 4.5. Homogenous transition metals for activation of PMS
• 4.6. Heterogeneous transition metals for PMS activation
• 4.7. PMS activation by UV irradiation
• 4.8. PMS activation by ultrasound and conduction electron
• 4.9. Solid supporter types for the synthesis of cobalt-doped material
• 4.9.1. Metal oxides/hydroxides
• 4.9.2. Carbon-based materials
• 4.9.3. Other solid substrates
• 4.10. Current studies of the utilization of Co-doped carbon for heterogeneous PMS activation to degrade organic pollutants
• 5. Research objectives and contents
• 6. Materials and instruments
• 6.1. Experimental equipment and instruments
• 7. Fabrication of aerogel derived from jackfruit core
• 8. Fabrication of cobalt-doped carbon
• 9. Degradation of dye via advanced oxidation processes
• 10. Determination of dye removal efficiency
• 11. Point of zero charge (pHpzc)
• 12. Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR)
• 13. Field Emission Scanning Electron Microscopes (FE-SEM) and energy dispersive spectrometer (EDS)
• 14. RESULTS AND DISCUSSION
• 14.1. Investigating the effect of pyrolysis temperature on the Co-JA
• 14.2. Investigating the effect of loading cobalt content on the Co-JA
• 14.3. Investigating the effect of catalyst dosages on MB removal efficiency
• 14.4. Investigating the effect of PMS concentrations on MB removal efficiency
• 14.5. Investigating the effect of MB concentrations on MB removal efficiency
• 14.6. Investigating the effect of temperature on MB removal efficiency
• 14.7. Investigating the effect of pH values on MB removal efficiency
• 14.8. Investigating the effect of anions on MB removal efficiency
• 14.9. Identification of main reactive oxidized species
• 14.10. Investigating the regeneration of the cobalt-doped carbon
• 14.11. Investigating the ability of Co-JA-350 to decompose dyes
• 15. CONCLUSIONS AND RECOMMENDATIONS
• LIST OF ABBREVIATIONS
• LIST OF FIGURES
• LIST OF TABLES

I. Tổng quan về vật liệu carbon từ lõi mít

Vật liệu carbon được tổng hợp từ lõi mít là một hướng nghiên cứu mới trong lĩnh vực kỹ thuật hóa học. Lõi mít, một phế phẩm nông nghiệp, được xử lý qua quá trình thủy nhiệt và nhiệt phân để tạo ra nguồn carbon. Quá trình này không chỉ tận dụng nguồn nguyên liệu sẵn có mà còn góp phần giảm thiểu chất thải nông nghiệp. Vật liệu carbon từ lõi mít có tiềm năng lớn trong việc xử lý môi trường, đặc biệt là trong việc loại bỏ các chất ô nhiễm hữu cơ như thuốc nhuộm từ nước thải công nghiệp.

1.1. Quy trình tổng hợp vật liệu carbon

Quy trình tổng hợp vật liệu carbon từ lõi mít bao gồm các bước chính: tiền xử lý lõi mít, thủy nhiệt, và nhiệt phân. Lõi mít được làm sạch và nghiền nhỏ trước khi đưa vào quá trình thủy nhiệt để loại bỏ các tạp chất hữu cơ. Sau đó, vật liệu được nhiệt phân ở nhiệt độ cao để tạo ra carbon có cấu trúc xốp và diện tích bề mặt lớn. Quá trình này được tối ưu hóa để đảm bảo hiệu suất cao trong việc hấp phụ và phân hủy các chất ô nhiễm.

1.2. Đặc tính của vật liệu carbon từ lõi mít

Vật liệu carbon từ lõi mít có cấu trúc xốp và diện tích bề mặt lớn, điều này làm tăng khả năng hấp phụ các chất ô nhiễm. Các phân tích SEM và FTIR cho thấy vật liệu có cấu trúc đồng nhất và chứa các nhóm chức hóa học có khả năng tương tác với các phân tử thuốc nhuộm. Ngoài ra, việc bổ sung cobalt vào vật liệu carbon giúp tăng cường khả năng xúc tác trong quá trình oxy hóa các chất ô nhiễm.

II. Ứng dụng vật liệu carbon trong xử lý môi trường

Vật liệu carbon từ lõi mít được ứng dụng rộng rãi trong xử lý môi trường, đặc biệt là trong việc loại bỏ các chất ô nhiễm hữu cơ từ nước thải công nghiệp. Nghiên cứu cho thấy vật liệu này có khả năng phân hủy hiệu quả các loại thuốc nhuộm như methylene blue với hiệu suất loại bỏ lên đến 87,2% trong vòng 20 phút. Công nghệ xử lý môi trường sử dụng vật liệu carbon từ lõi mít không chỉ hiệu quả mà còn thân thiện với môi trường, giúp tái sử dụng phế phẩm nông nghiệp.

2.1. Hiệu quả xử lý thuốc nhuộm

Nghiên cứu đã chứng minh rằng vật liệu carbon từ lõi mít có khả năng phân hủy methylene blue với hiệu suất cao. Quá trình phân hủy được thúc đẩy bởi sự hình thành các gốc tự do như SO• và OH• thông qua việc kích hoạt PMS. Kết quả cho thấy hiệu suất loại bỏ đạt 87,2% trong vòng 20 phút. Ngoài ra, vật liệu này cũng có khả năng tái sử dụng, duy trì hiệu suất loại bỏ trên 50% sau 9 chu kỳ sử dụng.

2.2. Ứng dụng trong xử lý nước thải công nghiệp

Vật liệu carbon từ lõi mít được ứng dụng trong xử lý nước thải công nghiệp, đặc biệt là trong ngành dệt may. Nghiên cứu cho thấy vật liệu này có khả năng loại bỏ hiệu quả nhiều loại thuốc nhuộm khác nhau, với hiệu suất loại bỏ cao nhất đạt 90,3%. Điều này làm nổi bật tiềm năng của vật liệu carbon trong việc xử lý nước thải chứa thuốc nhuộm, góp phần giảm thiểu ô nhiễm môi trường.

III. Đánh giá và triển vọng của nghiên cứu

Nghiên cứu về vật liệu carbon từ lõi mít đã chứng minh được giá trị khoa học và ứng dụng thực tiễn cao. Luận văn thạc sĩ này không chỉ đóng góp vào lĩnh vực kỹ thuật hóa học mà còn mở ra hướng nghiên cứu mới trong việc tận dụng phế phẩm nông nghiệp để tạo ra các vật liệu thân thiện với môi trường. Công nghệ xử lý môi trường sử dụng vật liệu carbon từ lõi mít có tiềm năng lớn trong việc giải quyết các vấn đề ô nhiễm nước thải công nghiệp.

3.1. Giá trị khoa học của nghiên cứu

Nghiên cứu này đã đóng góp vào việc phát triển vật liệu carbon từ lõi mít, một nguồn nguyên liệu tái tạo và thân thiện với môi trường. Kết quả nghiên cứu cho thấy vật liệu này có khả năng phân hủy hiệu quả các chất ô nhiễm hữu cơ, mở ra hướng nghiên cứu mới trong lĩnh vực kỹ thuật hóa học. Luận văn thạc sĩ này cũng cung cấp các dữ liệu quan trọng về quy trình tổng hợp và ứng dụng của vật liệu carbon trong xử lý môi trường.

3.2. Triển vọng ứng dụng trong tương lai

Với những kết quả tích cực từ nghiên cứu, vật liệu carbon từ lõi mít có tiềm năng lớn trong việc ứng dụng rộng rãi trong xử lý môi trường. Công nghệ này không chỉ giúp giảm thiểu ô nhiễm nước thải công nghiệp mà còn góp phần tận dụng phế phẩm nông nghiệp, tạo ra các sản phẩm có giá trị kinh tế cao. Trong tương lai, nghiên cứu có thể mở rộng để tối ưu hóa quy trình và ứng dụng vật liệu carbon trong các lĩnh vực khác như xử lý khí thải và lọc nước.

Tổng quan nghiên cứu

Việc xử lý nước thải công nghiệp chứa thuốc nhuộm ngày càng trở nên cấp thiết do sự gia tăng các chất ô nhiễm hữu cơ trong môi trường. Theo ước tính, ngành công nghiệp dệt may chiếm khoảng 54% lượng thuốc nhuộm thải ra môi trường, gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến hệ sinh thái và sức khỏe con người. Mục tiêu của nghiên cứu này là tổng hợp vật liệu carbon pha tạp cobalt từ lõi quả mít để ứng dụng trong xử lý môi trường, đặc biệt là phân hủy thuốc nhuộm methylene blue (MB) trong nước thải. Nghiên cứu tập trung vào việc khảo sát ảnh hưởng của các điều kiện tổng hợp vật liệu và điều kiện phản ứng đến hiệu quả phân hủy MB, đồng thời đánh giá khả năng tái sử dụng của xúc tác. Phạm vi nghiên cứu bao gồm việc sử dụng lõi quả mít thu thập từ tỉnh Tiền Giang, với các quy trình thủy nhiệt và nhiệt phân được áp dụng trong giai đoạn từ tháng 1 đến tháng 5 năm 2024. Ý nghĩa của nghiên cứu được thể hiện qua việc phát triển vật liệu xúc tác thân thiện với môi trường, tận dụng phế phẩm nông nghiệp, đồng thời nâng cao hiệu quả xử lý nước thải chứa thuốc nhuộm với hiệu suất loại bỏ MB đạt tới 87,2% trong 20 phút.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

• Quá trình oxy hóa nâng cao (AOPs): Sử dụng các gốc tự do hydroxyl (OH•) và sulfate (SO4•−) để phân hủy các chất hữu cơ khó phân hủy trong nước thải.
• Kích hoạt peroxymonosulfate (PMS) bằng xúc tác cobalt pha tạp carbon: PMS có tiềm năng oxy hóa cao (điện thế chuẩn 1,82 V) nhưng cần được kích hoạt để tạo ra các gốc tự do có hoạt tính cao. Cobalt đóng vai trò là chất kích hoạt hiệu quả, đặc biệt khi được pha tạp trên vật liệu carbon.
• Khái niệm về vật liệu carbon pha tạp cobalt: Vật liệu này kết hợp ưu điểm của carbon như diện tích bề mặt lớn, khả năng dẫn điện tốt và khả năng hấp phụ cao với hoạt tính xúc tác của cobalt, giúp tăng hiệu quả kích hoạt PMS.
• Các khái niệm chính: pyrolysis (nhiệt phân), hydrothermal (thủy nhiệt), điểm điện tích không (pHpzc), quenching (ức chế gốc tự do), tái sử dụng xúc tác.

Phương pháp nghiên cứu

• Nguồn dữ liệu: Lõi quả mít thu thập từ tỉnh Tiền Giang, các hóa chất thương mại như cobalt (II) nitrate hexahydrate, peroxymonosulfate, methylene blue, và các hóa chất khác phục vụ cho thí nghiệm.
• Phương pháp tổng hợp: Lõi mít được xử lý thủy nhiệt ở 180°C trong 5 giờ, sau đó ngâm rửa bằng dung dịch ethanol và nước, đông khô và nhiệt phân ở các nhiệt độ khác nhau (300-500°C) để tạo vật liệu carbon. Cobalt được pha tạp bằng cách ngâm lõi mít trong dung dịch cobalt và urea, sau đó tiến hành thủy nhiệt và nhiệt phân.
• Phương pháp phân tích: Sử dụng UV-Vis để đo hiệu suất phân hủy MB, FTIR và SEM để khảo sát cấu trúc hóa học và hình thái bề mặt, XRD để xác định tính kết tinh, EDS để phân tích thành phần nguyên tố, xác định điểm điện tích không (pHpzc) để đánh giá tính bề mặt.
• Thiết kế thí nghiệm: Thí nghiệm được thực hiện với cỡ mẫu 200 mL dung dịch MB, các biến số gồm liều lượng xúc tác (0-0.1 g/L), nồng độ PMS (0-800 mg/L), nồng độ MB (25-150 mg/L), nhiệt độ (25-70°C), pH (3-11), và sự có mặt của các anion khác nhau. Mỗi thí nghiệm được lặp lại 3 lần để đảm bảo độ tin cậy.
• Timeline nghiên cứu: Bắt đầu từ tháng 1/2024, hoàn thành tổng hợp và khảo sát vật liệu trong tháng 3, thực hiện các thí nghiệm phân hủy và tái sử dụng từ tháng 4 đến tháng 5/2024.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Ảnh hưởng của nhiệt độ nhiệt phân: Vật liệu cobalt-doped carbon pyrolyzed ở 350°C (Co-JA-350) cho hiệu suất phân hủy MB cao nhất, đạt 87,2% trong 20 phút, vượt trội so với các nhiệt độ khác (300°C đạt khoảng 70%, 450°C giảm xuống còn khoảng 60%). Điều này được hỗ trợ bởi dữ liệu XRD và FTIR cho thấy cấu trúc tinh thể và nhóm chức năng bề mặt tối ưu ở 350°C.

2. Ảnh hưởng của hàm lượng cobalt: Khi tăng hàm lượng cobalt từ 0 đến 2 mmol, hiệu suất phân hủy MB tăng từ 50% lên 87,2%. Tuy nhiên, vượt quá 2 mmol cobalt, hiệu suất giảm nhẹ do hiện tượng quá tải cobalt gây ức chế hoạt tính xúc tác.

3. Ảnh hưởng của liều lượng xúc tác và nồng độ PMS: Tăng liều lượng xúc tác từ 0.02 đến 0.08 g/L làm tăng hiệu suất phân hủy MB từ 60% lên 87%. Tương tự, nồng độ PMS tối ưu là 400 mg/L, vượt quá mức này hiệu suất giảm do sự cạnh tranh gốc tự do và hiện tượng quenching.

4. Khả năng tái sử dụng: Sau 9 chu kỳ tái sử dụng, hiệu suất phân hủy MB vẫn duy trì trên 50%, chứng tỏ tính bền vững và khả năng tái sinh của xúc tác cobalt-doped carbon.

Thảo luận kết quả

Hiệu quả cao của Co-JA-350 được giải thích bởi sự cân bằng giữa cấu trúc vật liệu và sự phân bố cobalt, tạo điều kiện thuận lợi cho việc kích hoạt PMS và sinh ra các gốc SO4•− và OH• có hoạt tính mạnh. So với các nghiên cứu trước đây sử dụng vật liệu cobalt-doped carbon từ nguồn khác, hiệu suất phân hủy MB trong nghiên cứu này tương đương hoặc vượt trội, đồng thời tận dụng được nguồn nguyên liệu tái tạo từ lõi quả mít, góp phần giảm chi phí và thân thiện môi trường. Dữ liệu biểu đồ thể hiện rõ sự tăng giảm hiệu suất theo các biến số nhiệt độ, hàm lượng cobalt, liều lượng xúc tác và nồng độ PMS, giúp minh họa trực quan cho quá trình tối ưu hóa. Việc duy trì hiệu suất trên 50% sau nhiều chu kỳ tái sử dụng cho thấy xúc tác có độ bền cao, phù hợp cho ứng dụng thực tế trong xử lý nước thải công nghiệp.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Tối ưu hóa quy trình nhiệt phân ở 350°C nhằm đảm bảo cấu trúc vật liệu và phân bố cobalt đồng đều, nâng cao hiệu quả xúc tác trong sản xuất quy mô lớn.

2. Kiểm soát hàm lượng cobalt trong khoảng 1.5-2 mmol để tránh hiện tượng quá tải cobalt gây giảm hiệu suất, đồng thời giảm thiểu nguy cơ ô nhiễm cobalt trong nước thải.

3. Áp dụng liều lượng xúc tác 0.08 g/L và nồng độ PMS 400 mg/L trong các hệ thống xử lý nước thải để đạt hiệu suất phân hủy thuốc nhuộm tối ưu trong thời gian ngắn (khoảng 20 phút).

4. Phát triển quy trình tái sử dụng xúc tác với các bước rửa bằng ethanol và sấy khô ở 50°C nhằm duy trì hiệu suất trên 50% sau 9 chu kỳ, giảm chi phí vận hành và tăng tính bền vững.

5. Khuyến khích các cơ sở xử lý nước thải công nghiệp sử dụng vật liệu cobalt-doped carbon từ lõi quả mít như một giải pháp thân thiện môi trường, tận dụng phế phẩm nông nghiệp và giảm thiểu phát thải độc hại.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Hóa học và Kỹ thuật Hóa học: Nghiên cứu cung cấp kiến thức về tổng hợp vật liệu carbon pha tạp kim loại và ứng dụng trong xử lý môi trường, hỗ trợ phát triển đề tài liên quan.

2. Doanh nghiệp xử lý nước thải công nghiệp: Tham khảo giải pháp xúc tác hiệu quả, chi phí thấp, thân thiện môi trường để áp dụng trong hệ thống xử lý nước thải chứa thuốc nhuộm.

3. Cơ quan quản lý môi trường và chính sách: Cung cấp cơ sở khoa học cho việc khuyến khích sử dụng vật liệu tái chế và công nghệ xử lý tiên tiến nhằm giảm thiểu ô nhiễm môi trường.

4. Người làm trong ngành nông nghiệp và chế biến nông sản: Khai thác giá trị phế phẩm nông nghiệp như lõi quả mít để tạo ra sản phẩm có giá trị gia tăng, góp phần phát triển kinh tế tuần hoàn.

Câu hỏi thường gặp

1. Vật liệu cobalt-doped carbon được tổng hợp như thế nào?
   Vật liệu được tổng hợp bằng cách xử lý lõi quả mít qua quy trình thủy nhiệt ở 180°C trong 5 giờ, ngâm rửa ethanol, đông khô, sau đó pha tạp cobalt bằng cách ngâm trong dung dịch cobalt nitrate và urea, tiếp tục thủy nhiệt và nhiệt phân ở 350°C.

2. Hiệu suất phân hủy methylene blue đạt được là bao nhiêu?
   Hiệu suất phân hủy MB đạt 87,2% trong vòng 20 phút với vật liệu cobalt-doped carbon pyrolyzed ở 350°C và hàm lượng cobalt 2 mmol.

3. Vật liệu có thể tái sử dụng bao nhiêu lần?
   Sau 9 chu kỳ tái sử dụng, hiệu suất vẫn duy trì trên 50%, cho thấy vật liệu có độ bền và khả năng tái sinh tốt.

4. Các gốc tự do chính trong quá trình phân hủy là gì?
   Các gốc tự do chính được xác định là sulfate radical (SO4•−) và hydroxyl radical (OH•), được sinh ra từ quá trình kích hoạt peroxymonosulfate bởi cobalt-doped carbon.

5. Vật liệu này có thể ứng dụng cho các loại thuốc nhuộm khác không?
   Nghiên cứu cho thấy cobalt-doped carbon cũng hiệu quả trong việc phân hủy các loại thuốc nhuộm khác như crystal violet, methylene orange và congo red với hiệu suất lên đến 90,3%.

Kết luận

• Đã tổng hợp thành công vật liệu cobalt-doped carbon từ lõi quả mít bằng quy trình thủy nhiệt và nhiệt phân, với điều kiện tối ưu là nhiệt độ 350°C và hàm lượng cobalt 2 mmol.
• Vật liệu thể hiện hiệu suất phân hủy methylene blue cao, đạt 87,2% trong 20 phút, vượt trội so với nhiều vật liệu tương tự.
• Khả năng tái sử dụng tốt, duy trì hiệu suất trên 50% sau 9 chu kỳ, phù hợp cho ứng dụng thực tế trong xử lý nước thải.
• Các gốc sulfate và hydroxyl đóng vai trò chủ đạo trong quá trình oxy hóa nâng cao, giúp phân hủy hiệu quả các chất hữu cơ độc hại.
• Đề xuất áp dụng quy trình tổng hợp và sử dụng vật liệu trong các hệ thống xử lý nước thải công nghiệp, đồng thời phát triển nghiên cứu mở rộng cho các loại thuốc nhuộm và môi trường khác.

Hành động tiếp theo: Khuyến khích các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp thử nghiệm quy mô lớn, đồng thời phát triển các công nghệ tái chế phế phẩm nông nghiệp thành vật liệu xúc tác thân thiện môi trường.