Luận văn thạc sĩ: Tổng hợp vật liệu giá trị gia tăng từ vỏ sầu riêng và ứng dụng

• Tác giả: Trịnh Mai Hoàng Anh
• Người hướng dẫn: Assoc. Lê Thị Kim Phụng
• Trường học: Ho Chi Minh City University of Technology
• Chuyên ngành: Chemical Engineering
• Đề tài: Synthesis of value-added materials from durian shell and applications
• Loại tài liệu: Master’s thesis
• Năm xuất bản: 2024
• Địa điểm: Ho Chi Minh City

• ACKNOWLEDGMENT
• ABSTRACT
• TÓM TẮT
• GUARANTEE
• TABLE OF CONTENTS
• LIST OF ABBREVIATION
• LIST OF FIGURES
• LIST OF TABLES
• 1. PREFACE

I. Giới thiệu và bối cảnh nghiên cứu

Nghiên cứu này tập trung vào tổng hợp vật liệu giá trị gia tăng từ vỏ sầu riêng và ứng dụng của chúng trong xử lý nước thải chứa thuốc nhuộm. Vỏ sầu riêng, một nguồn phụ phẩm nông nghiệp dồi dào ở Đông Nam Á, được chọn làm nguyên liệu chính do tính chất bền vững và khả năng tái chế. Nghiên cứu nhằm giải quyết hai vấn đề môi trường lớn: quản lý chất thải nông nghiệp và xử lý nước thải công nghiệp. Vật liệu than sinh học pha tạp coban (CoC) được tổng hợp từ vỏ sầu riêng thông qua quá trình thủy nhiệt và nhiệt phân, sau đó được sử dụng để kích hoạt peroxymonosulfate (PMS) nhằm phân hủy các chất ô nhiễm hữu cơ trong nước.

1.1. Vấn đề quản lý chất thải nông nghiệp

Sản xuất sầu riêng ở Đông Nam Á đạt gần 3 triệu tấn vào năm 2023, tạo ra lượng lớn vỏ sầu riêng bị thải bỏ. Mỗi 10 tấn sầu riêng thu hoạch, hơn 7 tấn vỏ bị loại bỏ, gây áp lực lên hệ thống quản lý chất thải và môi trường. Việc đốt hoặc chôn lấp vỏ sầu riêng không chỉ gây ô nhiễm mà còn lãng phí tiềm năng tái chế của nguyên liệu này.

1.2. Ứng dụng trong xử lý nước thải

Nước thải chứa thuốc nhuộm từ ngành dệt may là một vấn đề nghiêm trọng do tính bền vững và độc tính của các hợp chất hữu cơ. Vật liệu CoC được nghiên cứu như một chất xúc tác dị thể để kích hoạt PMS, tạo ra các gốc tự do có khả năng phân hủy các chất ô nhiễm phức tạp thành các sản phẩm ít độc hại hơn.

II. Phương pháp tổng hợp và đặc tính vật liệu

Quá trình tổng hợp vật liệu CoC bao gồm các bước xử lý thủy nhiệt và nhiệt phân vỏ sầu riêng. Vật liệu được phân tích bằng các phương pháp hiện đại như SEM, XRD, và FT-IR để xác định cấu trúc tinh thể và hình thái xốp. Kết quả cho thấy, nhiệt độ nhiệt phân và nồng độ coban ban đầu ảnh hưởng đáng kể đến hiệu suất xúc tác của vật liệu.

2.1. Quy trình tổng hợp

Vỏ sầu riêng được xử lý thủy nhiệt ở nhiệt độ cao, sau đó trải qua quá trình nhiệt phân ở các nhiệt độ khác nhau (250°C - 450°C) để tạo ra than sinh học. Coban được pha tạp vào than sinh học thông qua quá trình ngâm tẩm và nung nóng.

2.2. Đặc tính vật liệu

Phân tích SEM cho thấy cấu trúc xốp và đồng nhất của vật liệu. XRD xác nhận sự hiện diện của các pha tinh thể Co3O4, trong khi FT-IR chỉ ra các nhóm chức hóa học trên bề mặt vật liệu, hỗ trợ quá trình kích hoạt PMS.

III. Ứng dụng và hiệu quả xử lý

Vật liệu CoC được thử nghiệm trong việc xử lý Rhodamine B (RhB), một loại thuốc nhuộm phổ biến trong nước thải dệt may. Kết quả cho thấy, vật liệu đạt hiệu suất loại bỏ RhB lên đến 90% trong vòng 30 phút ở điều kiện pH trung tính. Vật liệu cũng thể hiện tính ổn định cao và khả năng tái sử dụng qua nhiều chu kỳ.

3.1. Hiệu quả xử lý RhB

Các thí nghiệm được tiến hành với các điều kiện khác nhau như nồng độ PMS, liều lượng xúc tác, pH, và nhiệt độ. Kết quả cho thấy, hiệu suất loại bỏ RhB cao nhất đạt được ở nhiệt độ 350°C và nồng độ coban 2 mmol/g.

3.2. Cơ chế phản ứng

Các gốc tự do như SO4●–, •OH, và 1O2 được xác định là các tác nhân chính trong quá trình phân hủy RhB. Cơ chế này được hỗ trợ bởi sự hiện diện của coban và cấu trúc xốp của than sinh học.

IV. Kết luận và khuyến nghị

Nghiên cứu đã chứng minh tiềm năng của vật liệu CoC trong việc xử lý nước thải chứa thuốc nhuộm. Vật liệu không chỉ hiệu quả mà còn bền vững, tận dụng nguồn phụ phẩm nông nghiệp. Cần tiếp tục nghiên cứu để tối ưu hóa quy trình và mở rộng ứng dụng trong thực tế.

4.1. Kết luận

Vật liệu CoC tổng hợp từ vỏ sầu riêng là một giải pháp tiềm năng cho xử lý nước thải công nghiệp, đặc biệt là các chất ô nhiễm hữu cơ khó phân hủy.

4.2. Khuyến nghị

Cần nghiên cứu thêm về khả năng ứng dụng trên quy mô lớn và tác động môi trường của vật liệu trong các điều kiện thực tế.

Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển bền vững, việc xử lý và tái sử dụng chất thải nông nghiệp ngày càng được quan tâm. Riêng tại khu vực Đông Nam Á, sản lượng sầu riêng đạt gần 3 triệu tấn năm 2023, tạo ra lượng lớn vỏ sầu riêng thải bỏ, chiếm hơn 70% trọng lượng quả. Việc xử lý vỏ sầu riêng hiện nay chủ yếu là đốt hoặc chôn lấp, gây ô nhiễm môi trường và lãng phí tài nguyên. Đồng thời, nước thải chứa thuốc nhuộm từ ngành dệt nhuộm cũng là nguồn ô nhiễm nghiêm trọng, với các hợp chất khó phân hủy như Rhodamine B (RhB) gây ảnh hưởng xấu đến sức khỏe con người và hệ sinh thái. Mục tiêu nghiên cứu là tổng hợp vật liệu than sinh học pha tạp coban (CoC) từ vỏ sầu riêng, ứng dụng làm chất xúc tác kích hoạt peroxymonosulfate (PMS) để phân hủy hiệu quả các chất ô nhiễm hữu cơ trong nước, đặc biệt là thuốc nhuộm RhB. Nghiên cứu được thực hiện tại Việt Nam trong giai đoạn 01/2024 đến 05/2024, tập trung vào việc tối ưu hóa điều kiện tổng hợp và đánh giá hiệu quả xử lý trong các điều kiện phản ứng khác nhau. Kết quả nghiên cứu góp phần phát triển công nghệ xử lý nước thải bền vững, tận dụng nguồn nguyên liệu tái tạo từ chất thải nông nghiệp, đồng thời giảm thiểu ô nhiễm môi trường do thuốc nhuộm gây ra.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên lý thuyết về quá trình oxy hóa nâng cao (Advanced Oxidation Process - AOP), trong đó sử dụng các gốc tự do có hoạt tính cao như gốc sunfat (SO4•−), hydroxyl (•OH) và oxy nhóm đơn (1O2) để phân hủy các hợp chất hữu cơ khó phân hủy. Phương pháp kích hoạt PMS bằng xúc tác dị thể cobalt-doped biochar tận dụng khả năng tạo ra các gốc oxy hóa mạnh, đồng thời giảm thiểu sự rò rỉ kim loại nặng so với hệ xúc tác đồng tan trong dung dịch. Than sinh học (biochar) được tổng hợp từ vỏ sầu riêng qua quá trình thủy nhiệt và nhiệt phân, có cấu trúc xốp, diện tích bề mặt lớn, giúp phân tán đồng đều các hạt Co3O4 và tăng hiệu quả xúc tác. Các khái niệm chính bao gồm: than sinh học, kích hoạt PMS, gốc oxy hóa tự do, xúc tác dị thể, và động học phân hủy giả bậc nhất.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính là vỏ sầu riêng thu thập tại chợ địa phương TP. Hồ Chí Minh. Vật liệu CoC được tổng hợp qua hai bước: thủy nhiệt (180 °C, 5 giờ) và nhiệt phân (300-500 °C, 2 giờ) với các nồng độ coban ban đầu khác nhau (1-3 mmol/g). Cỡ mẫu nghiên cứu gồm các mẫu CoC với điều kiện tổng hợp khác nhau, được phân tích bằng SEM-EDS, XRD, FT-IR, BET để xác định cấu trúc, thành phần và diện tích bề mặt. Hiệu quả phân hủy RhB được đánh giá bằng phương pháp UV-Vis, với các biến số phản ứng như nồng độ PMS, liều lượng xúc tác, pH, nhiệt độ, và sự có mặt của các anion (Cl–, HCO3–, CO32–, SO42–). Động học phân hủy được mô hình hóa theo giả thuyết bậc nhất, xác định năng lượng kích hoạt qua phương trình Arrhenius. Thời gian nghiên cứu từ tháng 01 đến tháng 05 năm 2024, với các thí nghiệm lặp lại ba lần để đảm bảo độ tin cậy số liệu.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Ảnh hưởng nhiệt độ nhiệt phân: Nhiệt độ 350 °C cho vật liệu CoC có diện tích bề mặt BET đạt 33,01 m²/g, cấu trúc xốp mesoporous, giúp phân tán đồng đều Co3O4. Hiệu suất loại bỏ RhB đạt 92,3% trong 30 phút với nồng độ RhB 25 mg/L, cao hơn so với các nhiệt độ 300 °C và 500 °C (trên 90% nhưng thấp hơn CoC-350).
2. Ảnh hưởng hàm lượng coban ban đầu: Nồng độ coban 2 mmol/g tối ưu cho sự phân bố cobalt và hiệu quả xúc tác, vượt trội hơn so với 1 và 3 mmol/g, với hiệu suất phân hủy RhB đạt gần 90% trong 30 phút.
3. Điều kiện phản ứng: Ở pH 7, với liều lượng xúc tác 0,3 g/L và nồng độ PMS 150 mg/L, CoC đạt khả năng loại bỏ RhB lên đến 90% trong 30 phút. Vật liệu duy trì hiệu suất cao trong khoảng pH rộng từ 3 đến 9. Nhiệt độ tăng từ 25 °C đến 45 °C làm tăng hằng số tốc độ phân hủy, với năng lượng kích hoạt 46,52 kJ/mol.
4. Ảnh hưởng của anion: Sự có mặt của Cl–, HCO3–, CO32– và SO42– làm giảm hiệu quả phân hủy RhB do cạnh tranh hoặc ức chế các gốc oxy hóa.
5. Tính ổn định và tái sử dụng: Sau 8 chu kỳ sử dụng, hiệu suất loại bỏ RhB vẫn duy trì trên 50%, chứng tỏ tính bền vững và khả năng tái sử dụng cao của xúc tác CoC.

Thảo luận kết quả

Sự kết hợp giữa cấu trúc xốp của than sinh học và sự phân tán đồng đều của Co3O4 tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình kích hoạt PMS, sinh ra các gốc oxy hóa mạnh như SO4•− và •OH, góp phần phân hủy hiệu quả RhB. Kết quả XRD và FT-IR xác nhận sự hình thành Co3O4 ở nhiệt độ 350 °C, phù hợp với các nghiên cứu trước đây cho thấy Co3O4 hiệu quả hơn CoO trong kích hoạt PMS. Động học giả bậc nhất và năng lượng kích hoạt 46,52 kJ/mol phản ánh cơ chế phân hủy có sự phối hợp giữa các gốc oxy hóa và bề mặt xúc tác. So sánh với các nghiên cứu sử dụng nguyên liệu nông nghiệp khác như rơm rạ, ngô, vật liệu từ vỏ sầu riêng cho hiệu quả tương đương hoặc vượt trội, đồng thời tận dụng nguồn nguyên liệu địa phương dồi dào. Việc duy trì hiệu suất trong khoảng pH rộng và khả năng tái sử dụng cao làm tăng tính ứng dụng thực tiễn của vật liệu trong xử lý nước thải công nghiệp.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Tối ưu hóa quy trình tổng hợp: Áp dụng nhiệt phân ở 350 °C với hàm lượng coban 2 mmol/g để đảm bảo hiệu suất xúc tác cao nhất, giảm chi phí nguyên liệu và năng lượng.
2. Ứng dụng trong xử lý nước thải công nghiệp: Khuyến nghị sử dụng CoC/PMS trong các nhà máy dệt nhuộm với nồng độ thuốc nhuộm RhB khoảng 50 mg/L, pH trung tính, nhằm đạt hiệu quả xử lý trên 90% trong vòng 30 phút.
3. Phát triển hệ thống tái sử dụng xúc tác: Thiết kế quy trình thu hồi và tái sử dụng xúc tác ít nhất 8 chu kỳ, giảm thiểu phát thải kim loại nặng và chi phí vận hành.
4. Nghiên cứu mở rộng: Khuyến khích nghiên cứu ứng dụng CoC cho các loại thuốc nhuộm khác như Methyl orange, Congo red, và các chất ô nhiễm hữu cơ khó phân hủy khác, đồng thời đánh giá ảnh hưởng của các ion trong nước thải thực tế.
5. Hỗ trợ chính sách và đào tạo: Đề xuất các cơ quan quản lý môi trường và doanh nghiệp phối hợp triển khai công nghệ, đồng thời tổ chức đào tạo kỹ thuật cho nhân viên vận hành để đảm bảo hiệu quả và an toàn trong xử lý nước thải.

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 về vật liệu xúc tác, công nghệ xử lý nước thải, và phát triển vật liệu sinh học từ chất thải nông nghiệp.
2. Doanh nghiệp ngành dệt nhuộm và xử lý nước thải: Áp dụng công nghệ xúc tác CoC/PMS để nâng cao hiệu quả xử lý nước thải chứa thuốc nhuộm, giảm chi phí và ô nhiễm môi trường.
3. Cơ quan quản lý môi trường và chính sách: Tham khảo để xây dựng các quy định, hướng dẫn về xử lý nước thải công nghiệp và quản lý chất thải nông nghiệp bền vững.
4. Các tổ chức phát triển bền vững và môi trường: Sử dụng kết quả nghiên cứu để thúc đẩy các dự án tái chế chất thải nông nghiệp, giảm thiểu ô nhiễm và phát triển kinh tế tuần hoàn.

Câu hỏi thường gặp

1. Vật liệu cobalt-doped biochar được tổng hợp như thế nào?
   Vật liệu được tổng hợp từ vỏ sầu riêng qua hai bước chính: thủy nhiệt ở 180 °C trong 5 giờ và nhiệt phân ở 350 °C trong 2 giờ, với nồng độ coban ban đầu 2 mmol/g, giúp tạo ra cấu trúc xốp và phân tán đồng đều Co3O4 trên bề mặt.

2. Hiệu quả phân hủy Rhodamine B của vật liệu này ra sao?
   CoC/PMS đạt hiệu suất loại bỏ RhB lên đến 90% trong 30 phút với nồng độ RhB 50 mg/L và pH 7, duy trì hiệu quả trong khoảng pH từ 3 đến 9, phù hợp với điều kiện nước thải thực tế.

3. Vật liệu có thể tái sử dụng được bao nhiêu lần?
   Nghiên cứu cho thấy vật liệu giữ được hiệu suất trên 50% sau 8 chu kỳ sử dụng liên tiếp, cho thấy tính ổn định và khả năng tái sử dụng cao, giúp giảm chi phí vận hành.

4. Ảnh hưởng của các ion trong nước thải đến hiệu quả xử lý như thế nào?
   Các anion như Cl–, HCO3–, CO32– và SO42– có thể làm giảm hiệu quả phân hủy RhB do cạnh tranh hoặc ức chế các gốc oxy hóa, cần xem xét khi áp dụng trong nước thải thực tế.

5. Có thể ứng dụng vật liệu này cho các loại thuốc nhuộm khác không?
   Có, vật liệu cũng được thử nghiệm với Methyl orange và Congo red, cho hiệu suất phân hủy theo thứ tự RhB > Methyl orange > Congo red, mở rộng khả năng ứng dụng trong xử lý đa dạng chất ô nhiễm.

Kết luận

• Đã thành công trong việc tổng hợp vật liệu cobalt-doped biochar từ vỏ sầu riêng với cấu trúc xốp và phân tán Co3O4 đồng đều.
• Vật liệu CoC kích hoạt PMS hiệu quả, đạt đến 90% loại bỏ RhB trong 30 phút ở điều kiện tối ưu.
• Hiệu suất xử lý duy trì ổn định trong khoảng pH rộng và có khả năng tái sử dụng ít nhất 8 chu kỳ.
• Nghiên cứu làm rõ cơ chế phân hủy qua các gốc SO4•−, •OH và 1O2, đồng thời đánh giá ảnh hưởng của các ion trong dung dịch.
• Đề xuất ứng dụng thực tiễn trong xử lý nước thải công nghiệp và phát triển công nghệ bền vững từ chất thải nông nghiệp.

Tiếp theo, cần triển khai thử nghiệm quy mô pilot tại các nhà máy xử lý nước thải, đồng thời nghiên cứu mở rộng ứng dụng cho các loại chất ô nhiễm khác. Mời các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp quan tâm liên hệ để hợp tác phát triển và ứng dụng công nghệ này.