Kỹ thuật hóa học: Aerogel vi khuẩn trong hấp phụ chất màu hữu cơ

Chuyên đề nghiên cứu Ứng dụng aerogel từ vi khuẩn trong hấp phụ chất màu hữu cơ, cập nhật xu hướng mới, giá trị tham khảo cao cho chuyên gia hóa học

• Tác giả: Đào Thị Nghĩa
• Người hướng dẫn: TS. Lê Vũ Hà
• Trường học: Đại học Bách Khoa - ĐHQG - HCM
• Chuyên ngành: Kỹ thuật hóa học
• Đề tài: Ứng Dụng Vật Liệu Aerogel Từ Vi Khuẩn Trong Hấp Phụ Chất Màu Hữu Cơ
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2024
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• TÓM TẮT LUẬN VĂN
• LỜI CAM ĐOAN
• DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
• DANH MỤC HÌNH ẢNH
• DANH MỤC BẢNG
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Giới thiệu chung thuốc nhuộm
• 1.2. Ảnh hưởng thuốc nhuộm lên môi trường và con người
• 1.2.1. Đối với môi trường
• 1.2.2. Đối với con người
• 1.3. Phương pháp xử lý thuốc nhuộm
• 1.3.1. Phương pháp sinh học
• 1.3.2. Phương pháp hóa học
• 1.3.3. Phương pháp hấp phụ
• 1.4. Cellulose trên cơ sở vi khuẩn (BC)
• 1.4.1. Vật liệu cellulose trên cơ sở vi khuẩn
• 1.4.2. Đặc tính BC
• 1.4.3. Ứng dụng BC
• 1.4.3.1. Trong thực phẩm
• 1.5. Cellulose aerogel trên cơ sở vi khuẩn (BC aerogel)
• 1.5.1. Phương pháp tổng hợp
• 1.5.1.1. Tổng hợp vật liệu BC
• 1.5.1.2. Tổng hợp vật liệu BC aerogel
• 1.5.2. Ứng dụng vật liệu BC aerogel trong xử lý môi trường
• 1.5.2.1. Hấp phụ dung môi hữu cơ trong nước
• 1.5.2.2. Hấp phụ kim loại
• 1.5.2.3. Hấp phụ thuốc nhuộm
• 1.6. Mục tiêu đề tài
• 2. CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM
• 2.1. Nội dung thực nghiệm
• 2.2. Phương pháp nghiên cứu
• 2.2.1. Xử lý thạch dừa thô
• 2.2.2. Tổng hợp vật liệu BC aerogel
• 2.2.3. Quy trình hấp phụ MB
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT LUẬN VÀ BÀN LUẬN
• 3.1. Khảo sát vật liệu BC aerogel từ thạch dứa và thạch dừa
• 3.1.1. Cấu trúc vật liệu BC aerogel tính khiết từ thạch dừa
• 3.1.1.1. Phân tích nhiễu xạ tia X (XRD)
• 3.1.1.2. Phân tích N2 đẳng nhiệt tại 77K
• 3.1.1.3. Phân tích quang phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FT-IR)
• 3.1.2. Hấp phụ MB bằng BC aerogel không biến tính
• 3.1.2.1. Ảnh hưởng thời gian hấp phụ
• 3.1.2.2. Ảnh hưởng nồng độ MB ban đầu
• 3.1.3. So sánh vật liệu BC aerogel từ thạch dứa và thạch dừa
• 3.2. Khảo sát BC aerogel biến tính
• 3.2.1. Biến tính vật liệu
• 3.2.1.1. Phân tích XRD
• 3.2.1.2. Phân tích N2 đăng nhiệt hấp phụ
• 3.2.1.3. Phân tích FT-IR
• 3.2.2. Hấp phụ MB bằng aerogel biến tính
• 3.2.2.1. Ảnh hưởng nồng độ MB ban đầu
• 3.2.2.2. Ảnh hưởng thời gian hấp phụ
• 3.2.2.3. Ảnh hưởng của pH
• 3.2.2.4. Ảnh hưởng thời gian biến tính vật liệu
• 3.3. Khảo sát hấp phụ màu khác
• 4. CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• LÝ LỊCH TRÍCH NGANG

Tóm tắt

I. Tổng quan về aerogel và vi khuẩn

Aerogel là một loại vật liệu có cấu trúc xốp cao, được biết đến với khả năng hấp phụ vượt trội nhờ vào diện tích bề mặt lớn. Các nghiên cứu gần đây đã chỉ ra rằng aerogel từ vi khuẩn có thể được sử dụng hiệu quả trong việc hấp phụ các chất màu hữu cơ trong nước. Việc sử dụng vật liệu hấp phụ từ cellulose vi khuẩn không chỉ mang lại hiệu quả cao mà còn thân thiện với môi trường. Theo nghiên cứu, công nghệ vi sinh trong sản xuất aerogel từ vi khuẩn giúp tạo ra những vật liệu có khả năng hấp phụ tốt hơn so với các vật liệu truyền thống. Điều này mở ra hướng đi mới cho việc xử lý nước thải công nghiệp, đặc biệt là trong lĩnh vực nhuộm vải, nơi mà các chất màu hữu cơ thường gây ô nhiễm nghiêm trọng.

1.1 Đặc điểm của aerogel từ vi khuẩn

Aerogel từ vi khuẩn có cấu trúc ba chiều và độ xốp cao, cho phép chúng có khả năng hấp phụ lớn. Nghiên cứu cho thấy rằng tính năng của aerogel có thể được cải thiện thông qua các phương pháp biến tính, như oxi hóa bằng H2O2. Quá trình này không chỉ làm tăng khả năng hấp phụ mà còn tạo ra các nhóm chức mới trên bề mặt vật liệu, giúp tăng cường khả năng tương tác với các chất màu hữu cơ. Điều này được chứng minh qua kết quả thực nghiệm, khi khả năng hấp phụ của aerogel biến tính tăng lên đáng kể so với aerogel không biến tính.

II. Ứng dụng aerogel trong hấp phụ chất màu hữu cơ

Việc sử dụng aerogel từ vi khuẩn trong hấp phụ chất màu hữu cơ đã mở ra nhiều khả năng ứng dụng trong xử lý nước thải. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng vật liệu hấp phụ từ cellulose vi khuẩn có thể hấp phụ hiệu quả các chất màu như methylene blue với hiệu suất hấp phụ lên đến 59 mg/g. Điều này cho thấy tiềm năng ứng dụng của aerogel trong việc xử lý nước thải, đặc biệt là trong ngành dệt may, nơi mà lượng chất màu thải ra rất lớn. Nghiên cứu cũng chỉ ra rằng các yếu tố như thời gian hấp phụ, nồng độ chất màu và pH của dung dịch ảnh hưởng đáng kể đến hiệu quả hấp phụ của aerogel.

2.1 Các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ

Khả năng hấp phụ của aerogel phụ thuộc vào nhiều yếu tố, bao gồm thời gian tiếp xúc, nồng độ chất màu ban đầu và pH của dung dịch. Nghiên cứu đã cho thấy rằng thời gian hấp phụ càng dài thì hiệu quả hấp phụ càng cao. Bên cạnh đó, nồng độ chất màu cũng ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ; nồng độ cao có thể dẫn đến bão hòa trên bề mặt vật liệu. Việc điều chỉnh pH của dung dịch cũng đóng vai trò quan trọng trong việc tối ưu hóa khả năng hấp phụ, cho phép aerogel tương tác tốt hơn với các chất màu, từ đó nâng cao hiệu quả xử lý nước thải.

III. Tính năng và lợi ích của vật liệu aerogel từ vi khuẩn

Vật liệu aerogel từ vi khuẩn không chỉ có khả năng hấp phụ tốt mà còn mang lại nhiều lợi ích khác cho môi trường. Việc sử dụng vật liệu nano trong sản xuất aerogel giúp tối ưu hóa quy trình xử lý nước thải, giảm thiểu ô nhiễm và tiết kiệm chi phí. Hơn nữa, việc sử dụng aerogel từ cellulose vi khuẩn là một giải pháp bền vững, góp phần vào việc bảo vệ môi trường và tài nguyên thiên nhiên. Nghiên cứu đã chứng minh rằng aerogel có thể tái chế và sử dụng nhiều lần, điều này không chỉ làm giảm chi phí mà còn giảm thiểu lượng chất thải phát sinh trong quá trình xử lý.

3.1 Tính bền vững và khả năng tái chế

Một trong những ưu điểm lớn nhất của aerogel từ vi khuẩn là khả năng tái chế. Sau khi hấp phụ chất màu, aerogel có thể được xử lý để loại bỏ các chất màu đã hấp phụ, cho phép nó được sử dụng lại trong các chu trình xử lý nước tiếp theo. Điều này không chỉ tiết kiệm chi phí mà còn giảm thiểu ô nhiễm môi trường. Hơn nữa, việc sản xuất aerogel từ nguồn nguyên liệu tái tạo như cellulose vi khuẩn cũng góp phần vào việc bảo vệ môi trường và phát triển bền vững.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Ngành công nghiệp dệt may, thuộc da và sản xuất giấy trên thế giới hiện tiêu thụ hơn 700.000 tấn thuốc nhuộm mỗi năm từ khoảng 100.000 chủng loại thương mại khác nhau. Trong đó, nước thải dệt may chiếm tới 54% tổng lượng nước thải nhuộm toàn cầu, kéo theo sự tích tụ các hợp chất màu hữu cơ độc hại, bền nhiệt và rất khó phân hủy sinh học. Khi các chất ô nhiễm này đi vào nguồn nước tự nhiên, chúng làm giảm độ truyền quang, cản trở quang hợp của hệ thực vật thủy sinh và tăng mạnh chỉ số COD, BOD. Các chất màu hữu cơ cation tiêu biểu như Methylene Blue có nguy cơ tích tụ sinh học dọc theo chuỗi thức ăn, đe dọa trực tiếp đến chức năng sinh lý của sinh vật và sức khỏe con người.

Trước thách thức bức thiết đó, luận văn thạc sĩ chuyên ngành Kỹ thuật Hóa học tại Trường Đại học Bách Khoa – Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh (hoàn thành vào tháng 1 năm 2024) đã tập trung nghiên cứu chế tạo vật liệu aerogel từ cellulose vi khuẩn nhằm xử lý triệt để chất màu hữu cơ trong nước. Nghiên cứu tận dụng hai nguồn sinh khối dồi dào tại Việt Nam là thạch dừa Bến Tre và thạch dứa lên men từ phụ phẩm vỏ quả dứa bởi chủng vi khuẩn Acetobacter xylinum.

Mục tiêu trọng tâm của đề tài là tổng hợp thành công vật liệu aerogel cellulose vi khuẩn tinh khiết, đồng thời phát triển quy trình biến tính oxy hóa bề mặt bằng hệ xúc tác Fenton cải tiến. Kết quả thực nghiệm ghi nhận dung lượng hấp phụ Methylene Blue của vật liệu sau biến tính tăng vượt bậc từ 25 mg/g lên đến 59 mg/g, mở ra giải pháp xử lý nước thải chi phí thấp, thân thiện môi trường và gia tăng giá trị kinh tế cho phụ phẩm nông nghiệp nội địa.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng các học thuyết hóa lý bề mặt và động học chuyển khối hiện đại:

• Lý thuyết vật liệu sinh học Bacterial Cellulose (BC): BC là polysaccharide mạch thẳng cấu tạo từ các đơn vị β-D-glucopyranose liên kết qua cầu nối β-1,4-glycosidic. Khác với cellulose thực vật, BC có độ tinh khiết tuyệt đối, không chứa lignin hay hemicellulose, sở hữu độ kết tinh cao đạt khoảng 90% cùng mạng lưới vi sợi kích thước 25–100 nm đan xen ba chiều.
• Lý thuyết chuyển hóa Aerogel và cấu trúc xốp: Aerogel là trạng thái vật liệu siêu nhẹ với độ rỗng đạt từ 80% đến 99,8%, diện tích bề mặt riêng lớn. Quá trình thăng hoa dung môi giúp duy trì khung xương không gian 3D mà không bị sụp đổ mao quản dưới tác dụng của lực căng bề mặt.
• Lý thuyết biến tính oxy hóa bề mặt: Phản ứng Fenton sử dụng H2O2 và ion xúc tác Fe2+ tại nhiệt độ 60 °C tạo ra các gốc tự do hydroxyl hoạt tính cao, oxy hóa chọn lọc các nhóm hydroxyl (-OH) trên chuỗi cellulose thành các nhóm carboxyl (-COOH).
• Mô hình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir và Freundlich: Mô tả cơ chế hấp phụ đơn lớp trên các tâm hoạt tính đồng nhất hoặc hấp phụ đa lớp trên bề mặt dị thể.
• Mô hình động học Lagergren bậc 1 và Ho bậc 2: Xác định tốc độ và bản chất tương tác hấp phụ vật lý hay hấp phụ hóa học kiểm soát tốc độ phản ứng.

Phương pháp nghiên cứu

• Nguồn dữ liệu và chế bị mẫu: Sử dụng thạch dừa thương mại Bến Tre và thạch dứa thu nhận từ quá trình lên men nước ép vỏ dứa với chủng Acetobacter xylinum trong 7 ngày, tạo màng sinh học dày 2–3 cm với hàm lượng cellulose đạt khoảng 0,80% khối lượng.
• Cỡ mẫu và phương pháp chọn mẫu: Các mẻ thí nghiệm được chuẩn bị đồng loạt với khối lượng 150 g thạch tươi kết hợp 150 g nước cất, xay đồng nhất trong 2 phút ở nhiệt độ phòng. Mẫu được chọn ngẫu nhiên có kiểm soát, chia thành các phân đoạn 100 mL và lặp lại tối thiểu 3 lần đo độc lập để triệt tiêu sai số hệ thống.
• Lý do lựa chọn phương pháp tổng hợp và phân tích:
  • Sấy đông khô thăng hoa: Cấp đông mẫu ở -20 °C trong 24 giờ và sấy thăng hoa ở áp suất 0,5 mbar trong 48 giờ. Phương pháp này bảo toàn tối đa độ rỗng mao quản xốp nano 3D so với sấy nhiệt thông thường.
  • Nhiễu xạ tia X (XRD): Quét góc 2θ từ 5° đến 50° nhằm xác định chính xác các mặt phẳng tinh thể (200), (1-10) và (110) tại đỉnh đặc trưng 2θ = 22,7°.
  • Quang phổ FT-IR và Kính hiển vi điện tử quét (SEM): Xác định các nhóm chức đặc trưng (-OH, -COOH, C=O) và quan sát trực quan hình thái vi sợi nano.
  • Hấp phụ đẳng nhiệt Nitrogen tại 77 K (BET): Đo đạc thể tích lỗ xốp và phân bố kích thước mao quản.
  • Quang phổ hấp thụ UV-Vis: Đo độ hấp thụ quang tại bước sóng cực đại 664 nm để định lượng chính xác nồng độ Methylene Blue trước và sau hấp phụ.
• Thời gian thực hiện: Toàn bộ quy trình thực nghiệm được triển khai chặt chẽ từ tháng 9 năm 2023 đến tháng 12 năm 2023 tại Phòng thí nghiệm Kỹ thuật Hóa hữu cơ, Trường Đại học Bách Khoa – Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

• Cấu trúc không gian xốp 3D hoàn hảo: Ảnh SEM và phổ XRD khẳng định vật liệu aerogel từ thạch dứa và thạch dừa giữ nguyên độ tinh thể vượt trội khoảng 90%. Đường kính sợi nano dao động trong khoảng 25–100 nm, tạo nên hệ mao quản liên thông với tỷ trọng cực thấp và diện tích tiếp xúc lớn.
• Hiệu quả biến tính oxy hóa vượt bậc: Quá trình biến tính bằng H2O2 kết hợp FeSO4.7H2O trong thời gian từ 2 đến 8 giờ đã ghép thành công các nhóm chức carboxylic (-COOH) lên khung sợi cellulose. Phổ FT-IR ghi nhận rõ nét sự xuất hiện của mũi hấp thu đặc trưng của liên kết carbonyl C=O tại số sóng khoảng 1720–1735 cm⁻¹.
• Dung lượng hấp phụ Methylene Blue tăng hơn 136%: BC aerogel thô ban đầu đạt dung lượng hấp phụ khoảng 25 mg/g (thạch dừa) và 27 mg/g (thạch dứa). Sau quá trình biến tính oxy hóa tối ưu, dung lượng hấp phụ bão hòa của vật liệu vọt lên mức 59 mg/g đối với chất màu cation Methylene Blue.
• Thời gian cân bằng và tính chọn lọc cao: Quá trình hấp phụ diễn ra rất nhanh trong 30 phút đầu và đạt trạng thái cân bằng ổn định sau 60–90 phút ở nồng độ khảo sát từ 50 ppm đến 400 ppm. Vật liệu thể hiện ái lực đặc biệt vượt trội với các thuốc nhuộm cation (Methylene Blue 664 nm, Rhodamine B 555 nm, Malachite Green 618 nm, Crystal Violet 589 nm) so với các chất màu mang điện tích âm anion.

Thảo luận kết quả

Cơ chế hấp phụ tăng cường được giải thích chủ yếu thông qua lực hút tĩnh điện mạnh mẽ giữa các nhóm carboxylate mang điện tích âm (-COO⁻ hình thành sau khi phân ly tại pH > điểm đẳng điện PZC) trên bề mặt sợi BC aerogel và các phân tử cation mang điện tích dương của Methylene Blue (MB⁺). Khi nồng độ ban đầu tăng từ 50 ppm lên 400 ppm, động lực chuyển khối giữa pha lỏng và bề mặt pha rắn tăng mạnh, thúc đẩy các phân tử chất màu khuếch tán sâu vào các mao quản nội vùng của aerogel.

Dữ liệu thực nghiệm được xử lý qua đồ thị tuyến tính hóa cho thấy sự tương thích tuyệt đối với mô hình động học biểu kiến bậc 2 của Ho (hệ số tương quan R² > 0,99), chứng minh rằng quá trình hấp phụ bị chi phối bởi cơ chế hấp phụ hóa học kết hợp tương tác tĩnh điện đa điểm. Đồng thời, đường cong đẳng nhiệt thực nghiệm khớp hoàn toàn với mô hình Langmuir, thể hiện quá trình hấp phụ đơn lớp đồng đều trên bề mặt vật liệu.

Khi so sánh với các vật liệu sinh khối truyền thống như than hoạt tính từ hạt sầu riêng (hiệu suất loại bỏ MB chỉ đạt 29%) hay tro bay mía đường (độ hấp phụ khoảng 17%), BC aerogel biến tính thể hiện năng lực xử lý vượt trội, cấu trúc bền vững trong nước và khả năng thu hồi tách pha vô cùng dễ dàng mà không gây tắc nghẽn dòng chảy.

Đề xuất và khuyến nghị

• Quy chuẩn hóa quy trình sản xuất quy mô bán công nghiệp: Các doanh nghiệp công nghệ môi trường và viện nghiên cứu cần phối hợp thiết kế module sấy đông khô liên tục nhằm nâng công suất tổng hợp BC aerogel lên 50–100 kg/ngày, tối ưu hóa chu kỳ đông khô xuống dưới 36 giờ để tiết kiệm 20% năng lượng tiêu thụ trong giai đoạn 2024–2025.
• Xây dựng chuỗi cung ứng tận thu phụ phẩm nông nghiệp: Sở Nông nghiệp và các hợp tác xã chế biến trái cây tại Đồng bằng sông Cửu Long cần triển khai mô hình thu gom nước ép vỏ dứa và nước dừa thải loại, đặt mục tiêu tái sử dụng 100% sinh khối phụ phẩm để hạ giá thành nguyên liệu đầu vào của vật liệu xuống dưới 15.000 VNĐ/kg trong giai đoạn 2025–2026.
• Tích hợp module lọc aerogel vào hệ thống xử lý nước thải dệt nhuộm: Ban quản lý các khu công nghiệp dệt may cần ứng dụng các cột lọc hấp phụ chứa BC aerogel biến tính làm công đoạn xử lý tinh sau bể sinh học, đảm bảo hiệu suất khử màu đạt trên 95% và nước thải đầu ra đạt chuẩn A theo QCVN 40:2011/BTNMT trước năm 2027.
• Nghiên cứu công nghệ tái sinh và nhả hấp phụ tuần hoàn: Nhóm tác giả và các phòng thí nghiệm chuyên ngành cần tiếp tục hoàn thiện quy trình giải hấp phụ bằng dung dịch acid loãng (HCl 0,1 M) hoặc ethanol, hướng tới mục tiêu duy trì dung lượng hấp phụ đạt trên 85% sau 5 chu kỳ tái sử dụng liên tiếp trong giai đoạn 2024–2026.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

• Học viên cao học, nghiên cứu sinh và giảng viên ngành Kỹ thuật Hóa học: Tiếp cận tài liệu tham khảo chuẩn mực về phương pháp phân tích vật liệu nano sinh học, kỹ thuật biến tính bề mặt bằng phản ứng Fenton và các mô hình tính toán động học hấp phụ chuyên sâu.
• Kỹ sư vận hành hệ thống xử lý nước thải công nghiệp: Tham khảo quy trình công nghệ chế tạo vật liệu lọc hấp phụ chọn lọc, nắm bắt các thông số vận hành thực tế như pH tối ưu, thời gian lưu và dung lượng hấp phụ bão hòa 59 mg/g để cải tiến các trạm xử lý nước thải dệt nhuộm, in ấn và thuộc da.
• Doanh nghiệp chế biến nông sản và sản xuất thực phẩm: Ứng dụng giải pháp công nghệ sinh học lên men từ nguồn vỏ dứa phế thải và nước dừa già, chuyển đổi dòng phế phẩm gây ô nhiễm thành sản phẩm vật liệu mới có giá trị gia tăng cao.
• Cơ quan quản lý tài nguyên môi trường và tổ chức phát triển bền vững: Sử dụng cơ sở dữ liệu thực nghiệm để xây dựng các chính sách khuyến khích kinh tế tuần hoàn, thúc đẩy mô hình cộng sinh công nghiệp giữa ngành chế biến nông sản và ngành xử lý môi trường.

Câu hỏi thường gặp

• Cellulose vi khuẩn (BC) có điểm gì vượt trội so với cellulose chiết xuất từ thực vật thông thường?
  Cellulose vi khuẩn sở hữu độ tinh khiết hóa học tuyệt đối, hoàn toàn không chứa tạp chất phức tạp như lignin, pectin hay hemicellulose. Do đó, quy trình tổng hợp không cần dùng hóa chất độc hại để tinh chế. Ngoài ra, BC có độ kết tinh cao đạt tới 90% và diện tích bề mặt riêng lớn gấp gần 200 lần so với sợi thực vật.

• Tại sao quá trình biến tính bằng H2O2 và Fe2+ lại giúp tăng dung lượng hấp phụ Methylene Blue từ 25 mg/g lên 59 mg/g?
  Hệ xúc tác Fenton tạo ra các gốc hydroxyl tự do tấn công và oxy hóa các nhóm -OH trên mạch BC thành các nhóm carboxylic (-COOH). Trong môi trường nước có pH thích hợp, nhóm -COOH phân ly tạo thành ion carboxylate (-COO⁻), làm tăng mật độ điện tích âm bề mặt và tạo lực hút tĩnh điện cực mạnh với cation Methylene Blue (MB⁺).

• Phương pháp sấy đông khô thăng hoa giữ vai trò quyết định như thế nào đối với cấu trúc aerogel?
  Quá trình sấy đông khô ở áp suất chân không 0,5 mbar giúp nước đá thăng hoa trực tiếp thành thể hơi mà không qua trạng thái lỏng. Cơ chế này loại bỏ hoàn toàn áp suất mao quản và lực căng bề mặt, bảo vệ cấu trúc mạng lưới sợi nano 3D không bị co rút hay xẹp lún, duy trì độ xốp trên 90%.

• Vật liệu BC aerogel biến tính có xử lý được các loại chất màu hữu cơ nào khác ngoài Methylene Blue không?
  Vật liệu có khả năng hấp phụ tuyệt vời đối với nhiều chất màu cation khác như Rhodamine B (bước sóng 555 nm), Malachite Green (618 nm) và Crystal Violet (589 nm). Ngược lại, do bề mặt mang điện tích âm, vật liệu có tính chọn lọc cao và ít hấp phụ các chất màu anion như Methyl Orange hay Sunset Yellow.

• Tính khả thi kinh tế của việc sản xuất aerogel từ thạch dứa và thạch dừa được đánh giá ra sao?
  Việt Nam có nguồn phụ phẩm vỏ dứa và nước dừa vô cùng trù phú tại các tỉnh Bến Tre và Tiền Giang. Việc sử dụng nguồn sinh khối giá rẻ này để lên men bằng Acetobacter xylinum giúp hạ giá thành sản xuất nguyên liệu thô xuống mức tối thiểu, đồng thời giải quyết bài toán ô nhiễm chất thải rắn hữu cơ tại địa phương.

Kết luận

• Đề tài đã chế tạo thành công vật liệu aerogel siêu nhẹ, cấu trúc không gian 3D xốp cao từ hai nguồn sinh khối sinh học là thạch dừa Bến Tre và vỏ dứa lên men.
• Quy trình biến tính hóa học bằng hệ Fenton (H2O2/Fe2+) đã carboxyl hóa thành công bề mặt BC, nâng dung lượng hấp phụ Methylene Blue từ 25 mg/g lên 59 mg/g.
• Quá trình hấp phụ tuân theo hoàn hảo mô hình động học biểu kiến bậc 2 và mô hình đẳng nhiệt Langmuir, phản ánh cơ chế hấp phụ hóa học đơn lớp dựa trên tương tác tĩnh điện mạnh.
• Nghiên cứu đóng góp giải pháp công nghệ xanh, vừa giải quyết triệt để ô nhiễm chất màu trong nước thải dệt nhuộm, vừa nâng tầm chuỗi giá trị cho phụ phẩm nông nghiệp Việt Nam.
• Hướng phát triển tiếp theo giai đoạn 2024–2026 sẽ tập trung thử nghiệm cột hấp phụ liên tục quy mô pilot và hoàn thiện chu kỳ tái sinh vật liệu.

Quý độc giả, nhà nghiên cứu và doanh nghiệp quan tâm đến giải pháp xử lý nước thải bằng vật liệu aerogel sinh học hãy kết nối ngay với nhóm tác giả tại Trường Đại học Bách Khoa – Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh để cùng hợp tác chuyển giao công nghệ và triển khai ứng dụng thực tế.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1. Giới thiệu chung thuốc nhuộm Thuốc nhuộm là thuật ngữ chung mô tả bất kỳ chất nào để thay đổi màu sắc của một vật thể bằng cách thay đổi độ truyền quang phổ của nó, hoặc độ phản xạ quang phổ của nó. Do đó, thuốc nhuộm được ứng dụng chủ yếu trong công nghiệp như thuộc da, thực phẩm, giấy và mỹ phẩm. Hầu hết tất cả hàng hóa sản xuất đều được nhuộm, từ hàng dệt, vật liệu tự nhiên và nhân tạo, vecni, sơn cho đến thực phẩm và mỹ phẩm.

Thuốc nhuộm đặc biệt thậm chí còn được sản xuất cho mục đích chụp ảnh, kỹ thuật laser hoặc chẩn đoán y tế, cũng như các lĩnh vực khác, dường như khác xa với công nghệ hóa học [1]. Theo nguồn gốc, thuốc nhuộm có thể chia thành hai loại là thuốc nhuộm từ nhiên và thuốc nhuộm tổng hợp. Thuốc nhuộm tự nhiên thường được chiết xuất từ thực vật nên thường không đáp ứng được nhu cầu của hoạt động công nghiệp ngày nay. Ngoài ra, việc sử dụng thuốc nhuộm tự nhiên cũng dễ dẫn đến vấn đề bị “phai màu” các màu nhuộm khá nhanh khi tiếp xúc với các chất tẩy hoặc ánh sáng.

Do đó thuốc nhuộm tổng hợp ngày càng được phát triển mạnh hơn và chiếm ưu thế, đặc biệt là trong ngành dệt may. Theo bản chất điện tích, thuốc nhuộm có thể chia thành 3 loại như Hình 1.1 là anion, cation và không ion. Thuốc nhuộm anion là thuốc nhuộm trực tiếp, có tính acid và tính bám màu vải tốt. Đây là những loại thuốc nhuộm có màu tươi sáng tuy nhiên có độ độc tính cao vì chúng có xu hướng không được xử lý được bằng xử lý nước thải thông thường.

Thuốc nhuộm không ion là thuốc nhuộm phân tán vì chúng không ion hóa trong môi trường nước. Thuốc nhuộm cation là một loại thuốc nhuộm có tính kiềm, có thể phân ly thành các ion mang điện tích dương trong dung dịch nước [2-4]. 1: Phân loại thuốc nhuộm 1. Ảnh hưởng thuốc nhuộm lên môi trường và con người Mặc dù thuốc nhuộm mang lại màu sắc sống động cho vải vóc, thực phẩm và các sản phẩm khác, tuy nhiên khi thuốc nhuộm thải vào nguồn nước dưới dạng chất thải công nghiệp nó sẽ gây ảnh hưởng đến hệ sinh thái và sự an toàn của cuộc sống con người.

Nhờ vào đặc tính ổn định trong ánh sáng và không phân hủy sinh học cao, thuốc nhuộm có khả năng chống lại quá trình phân hủy sinh học và trở thành một trong những thành phần khó loại bỏ nhất khỏi của nước thải công nghiệp, đặc biệt là các ngành công nghiệp dệt may, nhuộm vải và thuộc da [5]. Đối với môi trường Khi thuốc nhuộm xâm nhập hệ sinh thái dưới nước sẽ dẫn đến những tác động tiêu cực đến hệ thực vật thủy sinh do sự hấp thụ và phản xạ ánh sáng mặt trời trong nước, cụ thể là ngăn cản ánh sáng đi vào trong nước. Hậu quả dẫn đến thay đổi về bản chất của hệ sinh thái dưới nước và giảm khả năng quang hợp của sinh vật thủy sinh. Sự hiện diện của thuốc nhuộm trong nước thải khiến nước thải có màu sắc cao, với độ pH thay đổi và mức độ cao về nhu cầu oxy sinh học (BOD), nhu cầu oxy hóa học 2 (COD), tổng lượng carbon hữu cơ (TOC), và chất rắn lơ lửng.

Những chất rắn lơ lửng này cản trở dòng nước qua mang của cá, ngăn cản sự trao đổi khí và có khả năng dẫn đến giảm tốc độ tăng trưởng hoặc đầu độc dẫn đến cái chết cho các loại cá tiếp xúc với nguồn nước thải nhuộm [6]. Hơn nữa, việc tiếp xúc lâu dài với nước thải nhuộm làm giảm khả năng hấp thụ dinh dưỡng của cá, dẫn đến hàm lượng protein, carbohydrate và lipid thấp hơn. Thuốc nhuộm azo có thể gây ra tác dụng gây đột biến gen ở cá trưởng thành gây tác động tiêu cực của tình trạng thiếu oxy lên hệ thống miễn dịch và phản ứng sinh lý, cá dễ mắc nhiều bệnh khác nhau [7]. 2: Ảnh hưởng ô nhiễm thuốc nhuộm trong nước đến các bộ phận của cá Một số nghiên cứu đã chứng minh rằng ô nhiễm thuốc nhuộm sẽ ức chế sự phát triển của vi tảo và làm gián đoạn quá trình truyền năng lượng và chất dinh dưỡng trong hệ sinh thái dưới nước.

Cụ thể, độc tính của methylene blue (MB) đã được nghiên cứu trên vi tảo Spirulina platensis và Chlorella Vulgaris cho kết quả sự giảm tốc độ tăng trưởng, protein và hàm lượng sắc tố cụ thể đối với các nồng độ khác nhau của thuốc nhuộm MB. Ngoài ra, MB ức chế sự tổng hợp chất diệp lục sau khi tiếp xúc với thuốc nhuộm và tốc độ quang hợp [8]. Đối với con người Thuốc nhuộm dệt có độc tính cao và có khả năng gây ung thư, có liên quan đến nhiều loại bệnh ở người. Thuốc nhuộm dệt có thể gây ra các bệnh từ viêm da đến các vấn đề về hệ thần kinh trung ương.

Do việc sử dụng rộng rãi thuốc nhuộm, chúng có thể được phát hiện trong môi trường và tích lũy sinh lý dọc theo chuỗi thức ăn ở hệ thực vật nước ngọt như cá và tảo. Mức độ độc hại của các hợp chất hữu cơ ở người cao hơn 1000 lần so với nồng độ ban đầu của chúng trong nước. Trong quá trình xử lý nước, clo phản ứng với các hợp chất hữu cơ tạo thành trihalomethanes, là sản phẩm phụ để loại bỏ các vi sinh vật gây hại. Tuy nhiên, việc tiếp xúc lâu dài với các hợp chất này có hại cho sức khỏe con người, bao gồm ung thư bàng quang, ung thư ruột kết và ung thư đại trực tràng [9].

Các công nhân ngành dệt may tiếp xúc với các thuốc nhuộm độc hại tiềm tàng có thể cản trở quá trình rụng trứng và sinh tinh. Do được sử dụng rộng rãi trong ngành dệt, giấy và da, thuốc nhuộm azo có nguồn gốc từ benzidine và các dẫn xuất của nó đã được nghiên cứu kỹ lưỡng về độc tính của chúng, có liên quan đến ung thư bàng quang ở người. Ở động vật có vú, hệ vi sinh vật đường ruột chuyển hóa thuốc nhuộm azo thành các amin của chúng, dễ dàng được ruột hấp thụ hiện diện trong nước tiểu của người và động vật đã được ghi nhận. Các loại thuốc nhuộm dệt như Reactive Green 19, Disperse Red 1 và Reactive Blue 2 đều được ghi nhận có tác dụng gây độc gen lâu dài với sức khỏe con người [10-12].

Phương pháp xử lý thuốc nhuộm Như đã đề cập ở trên, thuốc nhuộm tổng hợp được sản xuất ngày càng nhiều để đáp ứng được nhu cầu ngày càng tăng của các ngành công nghiệp khác nhau như ngành thuộc da, giấy cũng như dệt may vì đặc tính tạo màu của nó. Người ta ước tính rằng 700.000 tấn thuốc nhuộm khác nhau từ khoảng 100.000 loại thuốc nhuộm thương mại được sản xuất mỗi năm [13]. 3: Phần trăm nước thải nhuộm từ các ngành công nghiệp khác nhau Thông thường, một khi thuốc nhuộm đã hoàn thành vai trò của chúng trong sản xuất, hầu hết chúng sẽ bị loại bỏ mà không được xử lý thêm vào các vùng nước trong môi trường. Có thể kể đến năm ngành công nghiệp chính được thể hiện trong Hình 1.3 là nguyên nhân gây ra sự hiện diện của nước thải thuốc nhuộm trong môi trường.

Ngành dệt may chiếm tỉ lệ cao nhất với 54% lượng nước thải nhuộm của toàn thế giới. Ngành công nghiệp nhuộm (21%), công nghiệp giấy và bột giấy (10%), công nghiệp thuộc da và sơn (8%) và ngành sản xuất thuốc nhuộm (7%) cũng được biết là sản xuất lượng lớn nước thải thuốc nhuộm từ các quá trình liên quan khác nhau [14]. Hiện chưa xác định chính xác lượng nước thải thuốc nhuộm mà mỗi ngành công nghiệp thải ra môi trường nhưng có thể nói rằng con số này khá lớn và gây ra những vấn đề nghiêm trọng ảnh hưởng môi trường [15]. Do đó vấn đề xử lý nước thải có thuốc nhuộm là một vấn đề cấp thiết được quan tâm nghiên cứu ứng dụng vào thực tế.

Hầu hết các kỹ thuật hiện nay được sử dụng để loại bỏ thuốc nhuộm trong nước được chia làm 3 phương pháp chính bao gồm  Phương pháp vật lý (bao gồm quá trình hấp phụ sử dụng chất hấp phụ tự nhiên, chất hấp phụ nông nghiệp và công nghiệp, chất hoạt động bề mặt.)  Phương pháp hóa học (bao gồm phương pháp oxy hóa nâng cao sử dụng thuốc thử Fenton, hydrogen peroxide, ozon hóa, phương pháp chiết bằng dung môi, keo tụ điện, .)  Phương pháp sinh học (bao gồm sử dụng tảo, vi khuẩn và các loài nấm) 5 1. Phương pháp sinh học Xử lý sinh học là phương pháp được sử dụng hầu hết ở nhiều nước để loại bỏ chất màu, đây là một quá trình sử dụng vi sinh vật như tảo, nấm cũng như vi khuẩn để loại bỏ chất màu trong nước. Xử lý sinh học được coi là phương pháp tốt nhất do khả năng phân hủy các loại thuốc nhuộm khác nhau, ít tích tụ bùn vô hại và là phương pháp xử lý nước thải dệt may hiệu quả và an toàn hơn. Quá trình xử lý sinh học được thực hiện bởi nhiều loại vi sinh vật như tảo, nấm và vi khuẩn [16].

1: Các chủng vi khuẩn, nấm, tảo trong phương pháp xử lý Malachite green Malachite green Vi khuẩn Kurthia sp. 96% Pseudomonas putida 91% Aeromanas hydrophila 87% P.plecolpssicida 50% Lysinibacillus fussiformis 77% P.Montelli 18% Nấm Isehnodermaresinosum 96% Fusarium solani 96% Aspergolus flavus >96% Alternaria salani >96% Tảo Chkorella sp. 87% Ngòa ra, là một trong những loại vi sinh vật, tảo cũng đã được thử nghiệm làm chất hấp phụ sinh học để loại bỏ thuốc nhuộm. Một số loài tảo đã được thử nghiệm để thực hiện xử lý khử màu sinh học cho thuốc nhuộm là Chlorella sp.

và Euglena sp. đã được thử nghiệm làm chất hấp phụ sinh học để loại bỏ thuốc nhuộm Malachite green (MG) và cho thấy hiệu suất loại bỏ lần lượt là 92%, 91% và 87% như 6 Bảng 1.1, thể hiện hiệu quả loại bỏ của một số thuốc nhuộm mục tiêu khi sử dụng các loài vi khuẩn khác nhau, tảo và nấm [17]. Mặc dù phương pháp sinh học không gây ô nhiễm thứ cấp, chi phí vận hành rẻ, ổn định, khá hiệu quả, tận dụng được nguồn vi sinh vật trong nước thải, cho sản phẩm cuối hoàn toàn thân thiện với môi trường [18]. Nhưng, phương pháp này cần thời gian xử lý dài, lượng bùn thải được tạo ra chưa có các biện pháp xử lý hữu hiệu.

Đối với phương pháp hiếu khí, quá trình loại bỏ chất hữu cơ sử dụng 1 kg khí oxygen sẽ tạo ra 0.5 kg bùn thải, và tương tự đối với phương pháp yếm khí là 0.