Tổng quan nghiên cứu
Việt Nam là quốc gia nông nghiệp với nguồn sinh khối nông nghiệp dồi dào, ước tính khoảng 118 triệu tấn mỗi năm, trong đó có khoảng 40 triệu tấn rơm rạ, 8 triệu tấn trấu, 6 triệu tấn bã mía và hơn 50 triệu tấn vỏ cà phê, vỏ đậu, phế thải gỗ. Phần lớn sinh khối này hiện bị bỏ phí hoặc đốt gây ô nhiễm môi trường, chỉ khoảng 11% được sử dụng làm chất đốt. Than sinh học (biochar) được chế tạo từ chất thải nông nghiệp là vật liệu hấp phụ tiềm năng trong xử lý ô nhiễm nước, đặc biệt là kim loại nặng và các chất hữu cơ khó phân hủy sinh học. Nghiên cứu này nhằm chế tạo và đánh giá khả năng hấp phụ của than sinh học từ bốn loại sinh khối phổ biến tại Việt Nam gồm xơ dừa, bã mía, trấu và bã cà phê, xử lý các chất ô nhiễm gồm bốn ion kim loại nặng Pb2+, Fe2+, Mn2+, Cr6+, hai loại kháng sinh Levofloxacine và Doxycycline, cùng hai loại màu hữu cơ Tartrazine và Rhodamine B. Phạm vi nghiên cứu tập trung trong quy mô phòng thí nghiệm, so sánh hiệu quả hấp phụ của than sinh học với than hoạt tính thương mại. Mục tiêu chính là xác định loại than sinh học có hiệu quả hấp phụ tốt nhất, phân tích đặc tính vật lý, hóa học và đánh giá ảnh hưởng của các yếu tố như pH, nồng độ ban đầu, thời gian tương tác và nhiệt độ đến dung lượng hấp phụ. Nghiên cứu góp phần phát triển vật liệu hấp phụ thân thiện môi trường, chi phí thấp, tận dụng nguồn nguyên liệu tái tạo, đồng thời giảm thiểu ô nhiễm từ chất thải nông nghiệp.
Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu
Khung lý thuyết áp dụng
Than sinh học là vật liệu giàu carbon được sản xuất qua quá trình nhiệt phân sinh khối trong điều kiện thiếu oxy ở nhiệt độ 300 – 700°C. Quá trình này tạo ra cấu trúc lỗ xốp đa dạng gồm macropores, mesopores và micropores, với diện tích bề mặt lớn và các nhóm chức bề mặt như hydroxy, carboxyl, phenol, giúp tăng khả năng hấp phụ các chất ô nhiễm. Các cơ chế hấp phụ chính bao gồm tương tác tĩnh điện, trao đổi ion, kết tủa hóa học và tạo phức với các nhóm chức trên bề mặt than sinh học. Đặc tính hấp phụ phụ thuộc vào nguồn nguyên liệu sinh khối, điều kiện nhiệt phân (nhiệt độ, thời gian, tốc độ gia nhiệt), và tính chất hóa lý của vật liệu. Mô hình hấp phụ được phân tích qua các phương trình đẳng nhiệt Langmuir và Freundlich, cùng với mô hình động học hấp phụ bậc 1 và bậc 2 để mô tả quá trình hấp phụ. Nghiên cứu cũng dựa trên các lý thuyết về xử lý kim loại nặng, kháng sinh và màu hữu cơ trong nước, đồng thời so sánh hiệu quả với than hoạt tính thương mại.
Phương pháp nghiên cứu
Nguồn dữ liệu chính là các mẫu than sinh học được chế tạo từ bốn loại sinh khối: xơ dừa, bã mía, trấu và bã cà phê, nung ở 600°C trong điều kiện thiếu oxy. Cỡ mẫu gồm các mẫu biochar từ từng loại nguyên liệu và than hoạt tính thương mại làm đối chứng. Phương pháp chọn mẫu là lấy đại diện các loại sinh khối phổ biến tại Việt Nam. Các thí nghiệm hấp phụ được tiến hành trong phòng thí nghiệm với các dung dịch chứa kim loại nặng (Pb2+, Fe2+, Mn2+, Cr6+), kháng sinh (Levofloxacine, Doxycycline) và màu hữu cơ (Tartrazine, Rhodamine B) ở nồng độ ban đầu từ 20 đến 100 ppm, điều chỉnh pH trong khoảng 2 – 12, thời gian lắc 3 giờ với tốc độ 100 vòng/phút. Phân tích nồng độ chất ô nhiễm trước và sau hấp phụ bằng máy quang phổ UV-Vis và phổ hấp thu nguyên tử (AAS). Các đặc tính vật lý và hóa học của than sinh học được xác định bằng phương pháp BET (diện tích bề mặt), SEM-EDS (hình ảnh bề mặt và thành phần), XRD (cấu trúc tinh thể), FTIR (nhóm chức bề mặt), pHpzc, CEC và EC. Phân tích dữ liệu sử dụng mô hình đẳng nhiệt Langmuir, Freundlich và động học hấp phụ bậc 1, bậc 2 để đánh giá cơ chế hấp phụ. Thời gian nghiên cứu từ tháng 9/2021 đến tháng 6/2022.
Kết quả nghiên cứu và thảo luận
Những phát hiện chính
Hiệu suất thu hồi than sinh học: Hiệu suất thu hồi than sinh học từ trấu đạt khoảng 25%, bã mía và xơ dừa khoảng 20%, bã cà phê thấp nhất khoảng 15%. Tỉ trọng sinh khối bã cà phê cao nhất (0,8 g/cm³), trấu thấp nhất (0,1 g/cm³).
Khả năng hấp phụ kim loại nặng: Biochar từ xơ dừa (biochar D) có dung lượng hấp phụ Pb2+ tối đa 48,98 mg/g, Fe2+ 31,71 mg/g, Mn2+ 20,03 mg/g ở pH tối ưu lần lượt 4,5 – 6,5, 4,5 và 5,5. Biochar D vượt trội hơn than hoạt tính thương mại về hấp phụ Pb2+ và Mn2+, tương đương với Fe2+, thấp hơn với Cr6+. Hiệu quả hấp phụ Cr6+ cao nhất ở pH 2, biochar D đạt 15,29 mg/g.
Khả năng hấp phụ kháng sinh: Biochar D hấp phụ Doxycycline tốt nhất với dung lượng 47,38 mg/g, cao hơn Levofloxacine 40,65 mg/g tại pH 5. Hiệu quả hấp phụ giảm khi pH tăng trên 5. Than hoạt tính thương mại có dung lượng hấp phụ kháng sinh > 98 mg/g, cao hơn biochar.
Khả năng hấp phụ màu hữu cơ: Biochar D hấp phụ Rhodamine B và Tartrazine tốt nhất trong các biochar, với dung lượng hấp phụ Rhodamine B khoảng 50 mg/g ở pH 2 – 5, Tartrazine khoảng 19,39 mg/g ở pH 2. Than hoạt tính hấp phụ hoàn toàn Tartrazine ở nồng độ 50 ppm trong khoảng pH 2 – 7.
Thảo luận kết quả
Hiệu suất thu hồi than sinh học phản ánh thành phần sinh khối và hàm lượng chất dễ bay hơi, bã cà phê có độ ẩm và chất bay hơi cao nên hiệu suất thấp hơn. Khả năng hấp phụ kim loại nặng của biochar D vượt trội do cấu trúc lỗ xốp và nhóm chức bề mặt phong phú, phù hợp với các cơ chế hấp phụ như trao đổi ion, tạo phức và kết tủa bề mặt. Sự khác biệt hiệu quả hấp phụ giữa các ion kim loại liên quan đến tính chất hóa học và kích thước ion, cũng như ảnh hưởng của pH đến trạng thái ion và điện tích bề mặt biochar. Khả năng hấp phụ kháng sinh và màu hữu cơ thấp hơn than hoạt tính do diện tích bề mặt và cấu trúc lỗ rỗng của biochar chưa tối ưu. Kết quả phù hợp với các nghiên cứu trong và ngoài nước cho thấy than sinh học sản xuất ở nhiệt độ cao (600°C) có hiệu quả hấp phụ tốt hơn. Biểu đồ dung lượng hấp phụ theo pH và thời gian hấp phụ minh họa rõ ảnh hưởng của điều kiện môi trường đến hiệu quả xử lý. Bảng so sánh dung lượng hấp phụ giữa các loại biochar và than hoạt tính thể hiện ưu thế của biochar từ xơ dừa trong xử lý kim loại nặng.
Đề xuất và khuyến nghị
Tối ưu quy trình sản xuất than sinh học: Điều chỉnh nhiệt độ nung và thời gian nhiệt phân để tăng diện tích bề mặt và phát triển cấu trúc lỗ rỗng, nhằm nâng cao hiệu quả hấp phụ các chất hữu cơ và kim loại nặng. Thời gian thực hiện 6-12 tháng, chủ thể: các viện nghiên cứu và doanh nghiệp sản xuất vật liệu.
Phát triển vật liệu biochar từ xơ dừa quy mô công nghiệp: Khai thác nguồn nguyên liệu dồi dào tại các vùng nông nghiệp, đặc biệt Đồng bằng Sông Cửu Long, để sản xuất biochar chất lượng cao phục vụ xử lý nước thải công nghiệp và sinh hoạt. Thời gian 1-2 năm, chủ thể: doanh nghiệp chế biến nông sản, hợp tác xã nông nghiệp.
Ứng dụng biochar trong hệ thống xử lý nước thải: Thiết kế và thử nghiệm các mô hình xử lý nước thải công nghiệp chứa kim loại nặng và chất hữu cơ bằng biochar, so sánh hiệu quả với than hoạt tính, hướng tới giải pháp thân thiện môi trường và chi phí thấp. Thời gian 1-2 năm, chủ thể: các trung tâm xử lý nước thải, cơ quan quản lý môi trường.
Nghiên cứu bổ sung về cơ chế hấp phụ và tái sinh vật liệu: Khảo sát sâu cơ chế hấp phụ, khả năng tái sử dụng và tái sinh biochar sau quá trình xử lý để nâng cao tính bền vững và kinh tế. Thời gian 1 năm, chủ thể: các trường đại học, viện nghiên cứu.
Đối tượng nên tham khảo luận văn
Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật môi trường: Tài liệu cung cấp cơ sở lý thuyết và thực nghiệm về vật liệu biochar, phương pháp chế tạo và đánh giá hiệu quả hấp phụ, hỗ trợ nghiên cứu và phát triển vật liệu xử lý nước.
Doanh nghiệp sản xuất vật liệu hấp phụ và xử lý nước thải: Tham khảo để phát triển sản phẩm biochar từ chất thải nông nghiệp, giảm chi phí nguyên liệu và nâng cao hiệu quả xử lý ô nhiễm nước.
Cơ quan quản lý môi trường và chính sách: Cung cấp dữ liệu khoa học về tiềm năng ứng dụng biochar trong xử lý ô nhiễm nước, hỗ trợ xây dựng chính sách khuyến khích sử dụng vật liệu thân thiện môi trường.
Hợp tác xã và nông dân vùng nông nghiệp: Hướng dẫn tận dụng phế phẩm nông nghiệp để sản xuất vật liệu sinh học có giá trị kinh tế, góp phần giảm thiểu ô nhiễm môi trường và tăng thu nhập.
Câu hỏi thường gặp
Biochar là gì và tại sao được sử dụng trong xử lý nước?
Biochar là vật liệu giàu carbon được sản xuất từ sinh khối qua quá trình nhiệt phân. Nó có cấu trúc lỗ xốp lớn và nhóm chức bề mặt phong phú, giúp hấp phụ hiệu quả các chất ô nhiễm như kim loại nặng và chất hữu cơ trong nước.Loại sinh khối nào cho hiệu quả sản xuất biochar tốt nhất?
Trong nghiên cứu, xơ dừa cho hiệu suất thu hồi than sinh học khoảng 20% và khả năng hấp phụ kim loại nặng tốt nhất so với bã mía, trấu và bã cà phê.Ảnh hưởng của pH đến khả năng hấp phụ của biochar như thế nào?
pH ảnh hưởng đến trạng thái ion của chất ô nhiễm và điện tích bề mặt biochar. Ví dụ, hấp phụ Pb2+ tối ưu ở pH 4,5 – 6,5, Cr6+ hấp phụ tốt ở pH thấp khoảng 2, còn các chất hữu cơ như kháng sinh hấp phụ tốt ở pH 2 – 5.Biochar có thể thay thế hoàn toàn than hoạt tính không?
Biochar có ưu điểm chi phí thấp và hiệu quả hấp phụ tốt với một số kim loại nặng như Pb2+ và Mn2+, nhưng hiệu quả hấp phụ các chất hữu cơ như kháng sinh và màu hữu cơ còn thấp hơn than hoạt tính, do đó cần tối ưu thêm để thay thế hoàn toàn.Làm thế nào để tái sử dụng biochar sau khi hấp phụ?
Nghiên cứu về tái sinh biochar còn hạn chế, nhưng các phương pháp như rửa bằng dung môi, nhiệt phân lại hoặc xử lý hóa học có thể được áp dụng để phục hồi khả năng hấp phụ, giúp tăng tính bền vững và kinh tế.
Kết luận
- Than sinh học chế tạo từ xơ dừa có hiệu quả hấp phụ kim loại nặng Pb2+, Fe2+, Mn2+ vượt trội so với các loại biochar khác và than hoạt tính thương mại.
- Khả năng hấp phụ các chất hữu cơ như kháng sinh và màu hữu cơ của biochar còn thấp hơn than hoạt tính, cần nghiên cứu tối ưu điều kiện sản xuất.
- pH là yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến hiệu quả hấp phụ, với các khoảng pH tối ưu khác nhau cho từng loại chất ô nhiễm.
- Nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học và thực nghiệm cho việc phát triển vật liệu biochar từ chất thải nông nghiệp, góp phần xử lý ô nhiễm nước hiệu quả và bền vững.
- Đề xuất tiếp tục nghiên cứu tối ưu quy trình sản xuất, ứng dụng quy mô công nghiệp và tái sinh vật liệu để nâng cao hiệu quả và tính kinh tế.
Khuyến khích các tổ chức nghiên cứu và doanh nghiệp hợp tác phát triển công nghệ sản xuất biochar quy mô lớn, đồng thời thử nghiệm ứng dụng trong xử lý nước thải thực tế nhằm thúc đẩy chuyển giao công nghệ và bảo vệ môi trường.