Ứng Dụng Vật Liệu Aerogel Trên Cơ Sở Vi Khuẩn Để Hấp Phụ Chất Màu Hữu Cơ Trong Nước

• Tác giả: Đào Thị Nghĩa
• Người hướng dẫn: TS. Lê Vũ Hà
• Trường học: Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ thuật hóa học
• Đề tài: Ứng Dụng Vật Liệu Trên Cơ Sở Cellulose Vi Khuẩn Để Hấp Phụ Chất Màu Hữu Cơ Trong Nước
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2024
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

• LỜI CẢM ƠN
• TÓM TẮT LUẬN VĂN
• ABSTRACT
• LỜI CAM ĐOAN
• MỤC LỤC
• 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
• 2.3. Xử lý thạch dừa thô
• 2.4. Tổng hợp vật liệu BC aerogel
• 2.5. 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
• 3.1.2. Phân tích nhiễu xạ tia X (XRD)
• 3.1.3. Phân tích N2 đẳng nhiệt tại 77K
• 3.1.4. Phân tích quang phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FT-IR)
• 3.1.5. Hấp phụ MB bằng BC aerogel không biến tính
• 3.1.6. Ảnh hưởng thời gian hấp phụ
• 3.1.7. Ảnh hưởng nồng độ MB ban đầu
• 3.1.8. 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
• 3.2.2. Phân tích XRD
• 3.2.3. Phân tích N2 đăng nhiệt hấp phụ
• 3.2.4. Phân tích FT-IR
• 3.2.5. Hấp phụ MB bằng aerogel biến tính
• 3.2.6. Ảnh hưởng nồng độ MB ban đầu
• 3.2.7. Ảnh hưởng thời gian hấp phụ
• 3.2.8. Ảnh hưởng của pH
• 3.2.9. Ảnh hưởng thời gian biến tính vật liệu
• 3.2.10. Khảo sát hấp phụ màu khác
• 4. CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• LÝ LỊCH TRÍCH NGANG

I. Tổng Quan Về Vật Liệu Aerogel và Ứng Dụng Hấp Phụ Màu

Thuốc nhuộm, với khả năng thay đổi màu sắc vật thể, được ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp như dệt may, thực phẩm, giấy, và mỹ phẩm. Tuy nhiên, việc xả thải chất màu hữu cơ từ các hoạt động công nghiệp này đang gây ra những vấn đề nghiêm trọng về ô nhiễm nguồn nước. Vật liệu aerogel, đặc biệt là aerogel vi khuẩn, nổi lên như một giải pháp tiềm năng nhờ khả năng hấp phụ chất màu hữu cơ hiệu quả. Nghiên cứu này tập trung vào ứng dụng vật liệu aerogel trên cơ sở vi khuẩn cellulose để giải quyết bài toán xử lý nước ô nhiễm, mang lại một phương pháp xử lý nước thân thiện với môi trường và có tính bền vững.

Theo ước tính, có khoảng 700.000 tấn thuốc nhuộm khác nhau, từ khoảng 100.000 loại thuốc nhuộm thương mại, được sản xuất mỗi năm [13]. Sự gia tăng về số lượng và độ đa dạng của thuốc nhuộm kéo theo những thách thức lớn trong việc quản lý và xử lý chất thải nhuộm.

1.1. Giới thiệu về chất màu hữu cơ và nguồn gốc ô nhiễm

Chất màu hữu cơ là thành phần không thể thiếu trong nhiều ngành công nghiệp, nhưng đồng thời cũng là nguồn gây ô nhiễm đáng kể cho nguồn nước. Nước thải từ các ngành công nghiệp dệt nhuộm, sản xuất giấy, và thuộc da chứa nồng độ cao các chất màu hữu cơ, gây ảnh hưởng trực tiếp đến hệ sinh thái và sức khỏe con người. Việc xác định và kiểm soát nguồn gốc ô nhiễm là bước quan trọng để triển khai các giải pháp xử lý nước hiệu quả.

Theo nghiên cứu, ngành dệt may chiếm tỷ lệ cao nhất (54%) lượng nước thải nhuộm trên toàn thế giới, tiếp theo là ngành công nghiệp nhuộm (21%) và công nghiệp giấy & bột giấy (10%) [14].

1.2. Vật liệu aerogel Định nghĩa tính chất và tiềm năng ứng dụng

Vật liệu aerogel là một loại vật liệu xốp, siêu nhẹ với cấu trúc nano đặc biệt, sở hữu nhiều tính chất ưu việt như diện tích bề mặt lớn, độ xốp cao và khả năng cách nhiệt tốt. Nhờ những đặc tính này, vật liệu aerogel được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, từ cách nhiệt, hấp thụ âm thanh, đến xử lý môi trường. Đặc biệt, khả năng hấp phụ vượt trội của aerogel mở ra tiềm năng lớn trong việc loại bỏ các chất ô nhiễm, bao gồm cả chất màu hữu cơ, khỏi nguồn nước.

Aerogel vi khuẩn (bacterial cellulose aerogel) đang thu hút sự quan tâm lớn nhờ khả năng tái tạo sinh học và chi phí sản xuất tương đối thấp.

II. Thách Thức Xử Lý Nước Ô Nhiễm Chứa Chất Màu Hữu Cơ

Các phương pháp xử lý nước truyền thống thường gặp nhiều hạn chế trong việc loại bỏ hoàn toàn chất màu hữu cơ. Các phương pháp vật lý như lọc và lắng đọng có thể loại bỏ các chất rắn lơ lửng, nhưng không hiệu quả với các chất màu hữu cơ hòa tan. Các phương pháp hóa học như clo hóa có thể tạo ra các sản phẩm phụ độc hại. Do đó, nhu cầu cấp thiết đặt ra là cần phát triển các phương pháp xử lý nước hiệu quả, thân thiện với môi trường và có khả năng loại bỏ triệt để chất màu hữu cơ khỏi nguồn nước. Đánh giá hiệu quả xử lý nước bằng các phương pháp hiện có là bước quan trọng để tìm ra giải pháp tối ưu.

2.1. Hạn chế của các phương pháp xử lý nước truyền thống

Các phương pháp xử lý nước truyền thống như lọc, lắng đọng, clo hóa và ozon hóa có những hạn chế nhất định trong việc loại bỏ chất màu hữu cơ. Lọc và lắng đọng chủ yếu loại bỏ các chất rắn lơ lửng, trong khi clo hóa và ozon hóa có thể tạo ra các sản phẩm phụ độc hại như trihalomethanes (THMs). Các phương pháp này thường không hiệu quả với chất màu hữu cơ hòa tan, đòi hỏi các quy trình xử lý phức tạp và tốn kém hơn.

Việc sử dụng clo trong công nghệ xử lý nước có thể tạo ra các hợp chất THMs, gây nguy hại cho sức khỏe con người [9].

2.2. Tác động tiêu cực của chất màu hữu cơ đến môi trường và sức khỏe

Chất màu hữu cơ trong nước ô nhiễm gây ra nhiều tác động tiêu cực đến môi trường và sức khỏe con người. Chúng làm giảm độ trong suốt của nước, ảnh hưởng đến quá trình quang hợp của thực vật thủy sinh và làm suy giảm hệ sinh thái. Một số chất màu hữu cơ có độc tính cao, có thể gây ung thư và các bệnh mãn tính khác. Việc tiếp xúc lâu dài với nước ô nhiễm chứa chất màu hữu cơ có thể gây ra các vấn đề về da, dị ứng, và các bệnh về đường tiêu hóa.

Theo nghiên cứu, thuốc nhuộm dệt có độc tính cao và có khả năng gây ung thư, có liên quan đến nhiều loại bệnh ở người [10].

III. Phương Pháp Hấp Phụ Bằng Aerogel Vi Khuẩn Giải Pháp Tiềm Năng

Phương pháp hấp phụ sử dụng vật liệu hấp phụ, đặc biệt là aerogel vi khuẩn, đang trở thành một giải pháp đầy hứa hẹn cho việc xử lý nước ô nhiễm chứa chất màu hữu cơ. Aerogel vi khuẩn có diện tích bề mặt lớn, độ xốp cao, và khả năng tái tạo sinh học, tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình hấp phụ. Quá trình hấp phụ diễn ra khi các phân tử chất màu hữu cơ bám dính lên bề mặt của aerogel vi khuẩn, giúp loại bỏ chúng khỏi nguồn nước. Nghiên cứu tập trung vào việc tối ưu hóa hiệu quả hấp phụ của aerogel vi khuẩn thông qua các phương pháp biến tính và điều chỉnh các thông số vận hành.

3.1. Cơ chế hấp phụ chất màu hữu cơ của aerogel vi khuẩn

Cơ chế hấp phụ chất màu hữu cơ của aerogel vi khuẩn bao gồm các tương tác vật lý và hóa học giữa bề mặt aerogel và các phân tử chất màu. Các tương tác vật lý như lực Van der Waals và lực tĩnh điện đóng vai trò quan trọng trong việc hút các phân tử chất màu về phía bề mặt aerogel. Các tương tác hóa học như liên kết hydro và liên kết cộng hóa trị có thể hình thành giữa các nhóm chức trên bề mặt aerogel và các nhóm chức trong phân tử chất màu, tạo nên liên kết bền vững hơn.

Hiểu rõ cơ chế hấp phụ giúp tối ưu hóa vật liệu hấp phụ và điều chỉnh các điều kiện vận hành để đạt được hiệu quả hấp phụ cao nhất.

3.2. Ưu điểm vượt trội của aerogel vi khuẩn so với các vật liệu hấp phụ khác

Aerogel vi khuẩn sở hữu nhiều ưu điểm vượt trội so với các vật liệu hấp phụ truyền thống. Thứ nhất, aerogel vi khuẩn có diện tích bề mặt lớn và độ xốp cao, cung cấp nhiều vị trí hấp phụ cho các phân tử chất màu hữu cơ. Thứ hai, aerogel vi khuẩn có khả năng tái tạo sinh học, giảm thiểu tác động đến môi trường. Thứ ba, chi phí sản xuất aerogel thường thấp hơn so với nhiều vật liệu hấp phụ tổng hợp khác, mở ra tiềm năng ứng dụng rộng rãi.

Ngoài ra, aerogel vi khuẩn có thể được biến tính để tăng cường hiệu quả hấp phụ và mở rộng phạm vi ứng dụng.

IV. Nghiên Cứu Ứng Dụng Aerogel Từ Vi Khuẩn Cellulose Hấp Phụ Màu

Luận văn này tập trung vào nghiên cứu ứng dụng vật liệu aerogel trên cơ sở vi khuẩn cellulose để hấp phụ chất màu hữu cơ trong nước. Nghiên cứu khảo sát quá trình hấp phụ methylene blue (MB) bằng cellulose vi khuẩn từ thạch dừa và thạch dứa. Vật liệu cellulose vi khuẩn được biến tính bằng phương pháp oxy hóa sử dụng H2O2 và FeSO4.7H2O để cải thiện hiệu quả hấp phụ. Các đặc trưng hóa lý của vật liệu trước và sau khi biến tính được xác định bằng các phương pháp phân tích như XRD, FT-IR, SEM và hấp phụ đẳng nhiệt nitrogen. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hấp phụ, như thời gian, pH, nồng độ dung dịch hấp phụ, và thời gian biến tính vật liệu cũng được nghiên cứu. Khả năng hấp phụ của vật liệu BC aerogel biến tính cũng được mở rộng ra với các thuốc nhuộm cation và anion khác.

4.1. Quy trình tổng hợp và biến tính vật liệu aerogel vi khuẩn cellulose

Quy trình tổng hợp vật liệu aerogel vi khuẩn cellulose bắt đầu bằng việc nuôi cấy vi khuẩn cellulose trong môi trường dinh dưỡng phù hợp. Sau khi thu hoạch, cellulose vi khuẩn được rửa sạch và sấy khô. Quá trình sấy có thể sử dụng phương pháp sấy đông khô để duy trì cấu trúc xốp của vật liệu. Vật liệu aerogel sau đó có thể được biến tính bằng các phương pháp hóa học như oxy hóa để tăng cường hiệu quả hấp phụ.

Quá trình biến tính bằng H2O2 và FeSO4.7H2O giúp tạo ra các nhóm chức carboxylic trên bề mặt cellulose, tăng cường khả năng tương tác với các chất màu hữu cơ.

4.2. Đánh giá hiệu quả hấp phụ và khả năng tái sử dụng aerogel

Hiệu quả hấp phụ của vật liệu aerogel vi khuẩn cellulose được đánh giá thông qua các thí nghiệm hấp phụ trong điều kiện khác nhau. Các yếu tố như thời gian hấp phụ, pH, nồng độ chất màu, và nhiệt độ được điều chỉnh để xác định điều kiện tối ưu cho quá trình hấp phụ. Khả năng tái sử dụng aerogel cũng được đánh giá thông qua các chu kỳ hấp phụ - giải hấp liên tiếp.

Khả năng tái sử dụng aerogel là yếu tố quan trọng đánh giá tính kinh tế và bền vững của phương pháp xử lý nước này.

4.3. Ảnh hưởng của các yếu tố đến quá trình hấp phụ

Các yếu tố ảnh hưởng đến các quá trình hấp phụ, như thời gian, giá trị pH, nồng độ dung dịch hấp phụ hay thời gian biến tính vật liệu cũng được nghiên cứu. Khả năng hấp phụ của vật liệu BC aerogel biến tính cũng được mở rộng ra với các thuốc nhuộm cation và anion khác như malachite green, rhodamine B, crystal violet, sunset yellow, methyl orange, quinoline yellow và congo red. Việc tối ưu các yếu tố này giúp tăng hiệu quả hấp phụ và tiết kiệm chi phí xử lý nước.

V. Kết Quả Nghiên Cứu và Tiềm Năng Phát Triển Aerogel Vi Khuẩn

Nghiên cứu đã chứng minh tiềm năng ứng dụng của vật liệu aerogel trên cơ sở vi khuẩn cellulose trong việc hấp phụ chất màu hữu cơ trong nước. Kết quả cho thấy aerogel vi khuẩn có hiệu quả hấp phụ cao, đặc biệt sau khi được biến tính. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hấp phụ đã được xác định và tối ưu hóa. Nghiên cứu này mở ra hướng đi mới trong việc phát triển các giải pháp xử lý nước ô nhiễm thân thiện với môi trường và có tính bền vững, góp phần bảo vệ nguồn nước và sức khỏe cộng đồng.

5.1. So sánh hiệu quả hấp phụ của aerogel từ các nguồn vi khuẩn cellulose khác nhau

Nghiên cứu so sánh hiệu quả hấp phụ của aerogel được tổng hợp từ các nguồn vi khuẩn cellulose khác nhau, như thạch dừa và thạch dứa. Kết quả cho thấy aerogel từ các nguồn khác nhau có những đặc tính khác nhau, ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ. Việc lựa chọn nguồn vi khuẩn cellulose phù hợp là yếu tố quan trọng để tối ưu hóa hiệu quả xử lý.

5.2. Triển vọng ứng dụng aerogel vi khuẩn trong công nghệ xử lý nước quy mô lớn

Aerogel vi khuẩn có tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong công nghệ xử lý nước quy mô lớn. Với hiệu quả hấp phụ cao, khả năng tái tạo sinh học, và chi phí sản xuất tương đối thấp, aerogel vi khuẩn có thể thay thế các vật liệu hấp phụ truyền thống trong các hệ thống xử lý nước thải công nghiệp và sinh hoạt. Việc nghiên cứu và phát triển các quy trình sản xuất aerogel vi khuẩn quy mô lớn là cần thiết để hiện thực hóa tiềm năng này.

Đánh giá hiệu quả xử lý nước và chi phí sản xuất aerogel là những yếu tố quan trọng để đảm bảo tính khả thi của ứng dụng này.

VI. Kết Luận và Hướng Nghiên Cứu Tiềm Năng Về Aerogel Vi Khuẩn

Nghiên cứu này khẳng định tiềm năng to lớn của vật liệu aerogel trên cơ sở vi khuẩn cellulose trong lĩnh vực xử lý nước ô nhiễm, đặc biệt là khả năng hấp phụ chất màu hữu cơ hiệu quả. Việc biến tính aerogel tiếp tục nâng cao hiệu quả hấp phụ, mở ra nhiều hướng ứng dụng thực tiễn. Các nghiên cứu tiếp theo nên tập trung vào tối ưu hóa quy trình sản xuất, đánh giá độ bền và khả năng tái sử dụng aerogel, cũng như mở rộng phạm vi ứng dụng cho các loại chất ô nhiễm khác.

6.1. Tóm tắt các kết quả chính và đóng góp của nghiên cứu

Nghiên cứu đã thành công trong việc tổng hợp và biến tính vật liệu aerogel từ vi khuẩn cellulose để hấp phụ chất màu hữu cơ trong nước. Kết quả cho thấy aerogel có hiệu quả hấp phụ cao, đặc biệt sau khi được biến tính. Nghiên cứu đã xác định các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hấp phụ và đề xuất các giải pháp tối ưu hóa. Đóng góp của nghiên cứu là cung cấp một giải pháp xử lý nước thân thiện với môi trường và có tính bền vững.

Nghiên cứu cũng đóng góp vào việc mở rộng kiến thức về tính chất và ứng dụng của vật liệu aerogel.

6.2. Đề xuất các hướng nghiên cứu tiếp theo để phát triển công nghệ

Các hướng nghiên cứu tiếp theo có thể tập trung vào tối ưu hóa quy trình sản xuất aerogel vi khuẩn quy mô lớn, đánh giá độ bền và khả năng tái sử dụng aerogel trong điều kiện thực tế, nghiên cứu cơ chế hấp phụ chi tiết hơn, và mở rộng phạm vi ứng dụng cho các loại chất ô nhiễm khác. Việc kết hợp aerogel vi khuẩn với các vật liệu khác để tạo ra aerogel composite cũng là một hướng nghiên cứu đầy hứa hẹn.

Nghiên cứu về chi phí sản xuất aerogel và khả năng cạnh tranh với các công nghệ xử lý nước khác cũng cần được quan tâm.

Tổng quan nghiên cứu

Ô nhiễm nước do thuốc nhuộm hữu cơ là một trong những vấn đề môi trường nghiêm trọng hiện nay, đặc biệt trong các ngành công nghiệp dệt may, giấy và thuộc da. Ước tính hàng năm có khoảng 700.000 tấn thuốc nhuộm được sản xuất và phần lớn trong số đó thải ra môi trường dưới dạng nước thải chưa qua xử lý hoặc xử lý chưa hiệu quả. Thuốc nhuộm có tính bền vững cao, khó phân hủy sinh học, gây ảnh hưởng tiêu cực đến hệ sinh thái thủy sinh và sức khỏe con người. Ví dụ, methylene blue (MB) – một loại thuốc nhuộm cation phổ biến – có thể ức chế sự phát triển của vi tảo và gây độc cho các loài thủy sinh.

Trong bối cảnh đó, việc phát triển các vật liệu hấp phụ hiệu quả, thân thiện môi trường để xử lý thuốc nhuộm trong nước thải là cấp thiết. Cellulose vi khuẩn (BC) là một polymer sinh học có cấu trúc nano ba chiều, độ tinh thể cao (khoảng 90%), diện tích bề mặt lớn và khả năng giữ nước tốt. BC aerogel – vật liệu aerogel được tổng hợp từ BC – có cấu trúc xốp ba chiều, mật độ thấp và khả năng hấp phụ cao, được xem là ứng viên tiềm năng trong xử lý môi trường.

Nghiên cứu này tập trung vào việc tổng hợp và biến tính vật liệu BC aerogel từ nguồn sinh khối thạch dừa và thạch dứa nhằm nâng cao hiệu quả hấp phụ các chất màu hữu cơ cation trong nước, đặc biệt là methylene blue. Phạm vi nghiên cứu thực hiện tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG TP. HCM trong khoảng thời gian từ tháng 9 đến tháng 12 năm 2023. Kết quả nghiên cứu không chỉ góp phần nâng cao giá trị sản phẩm nông nghiệp mà còn hỗ trợ giảm thiểu ô nhiễm môi trường do thuốc nhuộm, đồng thời mở rộng ứng dụng của vật liệu sinh học trong xử lý nước thải.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên hai lý thuyết chính: lý thuyết hấp phụ đẳng nhiệt và mô hình động học hấp phụ.

1. Lý thuyết hấp phụ đẳng nhiệt: Mô hình Langmuir và Freundlich được sử dụng để mô tả sự hấp phụ của thuốc nhuộm trên bề mặt vật liệu BC aerogel. Mô hình Langmuir giả định hấp phụ đơn lớp với các vị trí hấp phụ đồng nhất, trong khi mô hình Freundlich mô tả hấp phụ đa lớp trên bề mặt không đồng nhất.

2. Mô hình động học hấp phụ: Mô hình bậc một của Lagergren và bậc hai của Ho được áp dụng để phân tích cơ chế hấp phụ, xác định xem quá trình hấp phụ chủ yếu là vật lý hay kết hợp cả hóa học và vật lý.

Các khái niệm chính bao gồm: cellulose vi khuẩn (BC), aerogel, nhóm hydroxyl (-OH), nhóm carboxylic (-COOH), điểm điện tích không (PZC), và quá trình biến tính oxy hóa bằng H2O2/Fe2+.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính là vật liệu BC aerogel được tổng hợp từ thạch dừa và thạch dứa, hai nguồn sinh khối có sẵn tại Việt Nam. Quá trình tổng hợp BC aerogel thực hiện bằng phương pháp nghiền và sấy đông khô (freeze-drying) ở -20°C trong 24 giờ, áp suất 0.5 mbar trong 48 giờ.

Biến tính vật liệu được tiến hành bằng phương pháp oxy hóa sử dụng hydrogen peroxide (H2O2 30%) với xúc tác FeSO4.7H2O ở 60°C trong khoảng thời gian từ 2 đến 8 giờ nhằm chuyển đổi nhóm hydroxyl thành nhóm carboxylic, tăng cường khả năng hấp phụ.

Phân tích đặc trưng vật liệu sử dụng các kỹ thuật: nhiễu xạ tia X dạng bột (XRD) để xác định độ tinh thể, quang phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FT-IR) để nhận diện nhóm chức, kính hiển vi điện tử quét (SEM) để quan sát cấu trúc bề mặt, và hấp phụ đẳng nhiệt nitrogen ở 77 K để đánh giá độ xốp. Điểm điện tích không (PZC) được xác định bằng phương pháp đo thay đổi pH.

Quá trình hấp phụ methylene blue được khảo sát với các biến số: nồng độ ban đầu (0-400 ppm), thời gian hấp phụ (0-90 phút), pH dung dịch (3-8), và thời gian biến tính vật liệu (0-8 giờ). Nồng độ thuốc nhuộm sau hấp phụ được đo bằng quang phổ UV-Vis. Cỡ mẫu nghiên cứu khoảng 0.02 g aerogel trong 10 mL dung dịch thuốc nhuộm.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Đặc trưng vật liệu BC aerogel: Mẫu BC aerogel từ thạch dứa có độ tinh thể cao khoảng 90% theo kết quả XRD, với các đỉnh đặc trưng ở góc 2θ = 22.7°, tương ứng với mặt phẳng tinh thể (200). Phân tích hấp phụ đẳng nhiệt nitrogen cho thấy vật liệu có cấu trúc xốp ba chiều với diện tích bề mặt lớn, phù hợp cho quá trình hấp phụ.

2. Hiệu quả hấp phụ methylene blue (MB): Vật liệu BC aerogel chưa biến tính có khả năng hấp phụ MB khoảng 25 mg/g. Sau khi biến tính oxy hóa bằng H2O2/Fe2+ trong 6 giờ, khả năng hấp phụ tăng lên đến 59 mg/g, gấp hơn 2 lần so với vật liệu ban đầu. Hiệu quả hấp phụ đạt tối đa ở pH khoảng 6-7 và thời gian hấp phụ 60 phút.

3. Ảnh hưởng các yếu tố đến hấp phụ: Nồng độ MB ban đầu tăng từ 50 đến 400 ppm làm tăng lượng MB hấp phụ nhưng giảm hiệu suất phần trăm hấp phụ do bão hòa vị trí hấp phụ. Thời gian biến tính vật liệu từ 2 đến 8 giờ làm tăng hàm lượng nhóm carboxylic, cải thiện khả năng hấp phụ. Mô hình hấp phụ Langmuir phù hợp với dữ liệu, cho thấy hấp phụ đơn lớp với q_max tương ứng với giá trị thực nghiệm.

4. Khả năng hấp phụ các thuốc nhuộm khác: Vật liệu BC aerogel biến tính cũng thể hiện khả năng hấp phụ tốt với các thuốc nhuộm cation khác như malachite green, rhodamine B, crystal violet và một số thuốc nhuộm anion như sunset yellow, methyl orange, quinoline yellow, congo red, mở rộng ứng dụng trong xử lý nước thải đa dạng.

Thảo luận kết quả

Sự gia tăng hiệu quả hấp phụ sau biến tính được giải thích bởi sự chuyển đổi nhóm hydroxyl (-OH) thành nhóm carboxylic (-COOH) trên bề mặt cellulose, tạo ra các vị trí hấp phụ tích điện âm, tăng cường tương tác tĩnh điện với các phân tử thuốc nhuộm cation. Kết quả này phù hợp với các nghiên cứu trước đây về vật liệu aerogel biến tính oxy hóa.

Phân tích SEM cho thấy cấu trúc xốp ba chiều không bị phá hủy sau biến tính, đảm bảo diện tích bề mặt lớn và khả năng khuếch tán thuốc nhuộm vào bên trong vật liệu. Mô hình động học hấp phụ bậc hai của Ho cho thấy quá trình hấp phụ có sự kết hợp giữa liên kết vật lý và hóa học, phù hợp với cơ chế tương tác giữa nhóm carboxylic và thuốc nhuộm.

So sánh với các vật liệu hấp phụ truyền thống như than hoạt tính hay tro bay, BC aerogel biến tính có ưu điểm về khả năng tái sử dụng, thân thiện môi trường và hiệu suất hấp phụ cao hơn đáng kể. Việc sử dụng nguồn nguyên liệu từ thạch dừa và thạch dứa tận dụng phế phẩm nông nghiệp, góp phần phát triển bền vững và giảm chi phí sản xuất.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir và Freundlich, biểu đồ động học hấp phụ theo thời gian, cũng như bảng so sánh hiệu suất hấp phụ các loại thuốc nhuộm khác nhau.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Tăng cường nghiên cứu biến tính vật liệu: Khuyến nghị tiếp tục tối ưu hóa thời gian và điều kiện biến tính oxy hóa để nâng cao hàm lượng nhóm carboxylic, từ đó cải thiện hiệu quả hấp phụ. Thời gian biến tính tối ưu dự kiến trong khoảng 6-8 giờ, do đó cần thiết lập quy trình chuẩn để đảm bảo tính đồng nhất.

2. Phát triển quy trình sản xuất quy mô lớn: Đề xuất xây dựng quy trình tổng hợp BC aerogel từ thạch dừa và thạch dứa trên quy mô công nghiệp, tận dụng nguồn nguyên liệu sẵn có tại các vùng nông nghiệp như Bến Tre. Mục tiêu giảm chi phí sản xuất và tăng khả năng ứng dụng thực tế trong xử lý nước thải.

3. Ứng dụng trong xử lý nước thải công nghiệp: Khuyến nghị phối hợp với các nhà máy dệt may, giấy để thử nghiệm thực tế khả năng hấp phụ thuốc nhuộm của vật liệu BC aerogel biến tính, nhằm đánh giá hiệu quả và khả năng tái sử dụng trong điều kiện thực tế.

4. Mở rộng nghiên cứu hấp phụ các chất ô nhiễm khác: Đề xuất nghiên cứu khả năng hấp phụ của vật liệu đối với các loại chất ô nhiễm hữu cơ và kim loại nặng khác trong nước thải, nhằm đa dạng hóa ứng dụng và tăng giá trị sử dụng của vật liệu.

5. Đào tạo và chuyển giao công nghệ: Khuyến nghị tổ chức các khóa đào tạo, hội thảo để phổ biến công nghệ sản xuất và ứng dụng BC aerogel biến tính cho các doanh nghiệp và cơ sở nghiên cứu, thúc đẩy phát triển bền vững ngành công nghiệp xử lý nước thải.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Kỹ thuật Hóa học, Môi trường: Luận văn cung cấp kiến thức chuyên sâu về vật liệu sinh học, phương pháp biến tính và ứng dụng trong xử lý nước thải, hỗ trợ nghiên cứu và phát triển đề tài liên quan.

2. Doanh nghiệp sản xuất vật liệu hấp phụ và xử lý nước thải: Thông tin về quy trình tổng hợp, biến tính và hiệu quả hấp phụ giúp doanh nghiệp phát triển sản phẩm mới, nâng cao hiệu quả xử lý nước thải công nghiệp.

3. Cơ quan quản lý môi trường và chính sách: Cung cấp cơ sở khoa học để xây dựng các chính sách khuyến khích sử dụng vật liệu thân thiện môi trường trong xử lý ô nhiễm, góp phần bảo vệ nguồn nước và sức khỏe cộng đồng.

4. Người làm trong ngành nông nghiệp và chế biến thực phẩm: Tận dụng phế phẩm nông nghiệp như thạch dừa, thạch dứa để sản xuất vật liệu giá trị cao, tạo thêm nguồn thu và giảm thiểu chất thải, thúc đẩy phát triển kinh tế tuần hoàn.

Câu hỏi thường gặp

1. Vật liệu BC aerogel là gì và có ưu điểm gì?
   BC aerogel là vật liệu aerogel được tổng hợp từ cellulose vi khuẩn, có cấu trúc xốp ba chiều, mật độ thấp và diện tích bề mặt lớn. Ưu điểm gồm khả năng hấp phụ cao, thân thiện môi trường, độ bền cơ học tốt và có thể biến tính để tăng hiệu quả hấp phụ.

2. Tại sao cần biến tính vật liệu BC aerogel?
   Biến tính oxy hóa bằng H2O2/Fe2+ giúp chuyển nhóm hydroxyl (-OH) thành nhóm carboxylic (-COOH), tạo thêm vị trí hấp phụ tích điện âm, tăng cường tương tác với thuốc nhuộm cation, nâng cao hiệu quả hấp phụ gấp hơn 2 lần so với vật liệu chưa biến tính.

3. Quá trình hấp phụ methylene blue được thực hiện như thế nào?
   Quá trình hấp phụ được tiến hành bằng cách ngâm vật liệu BC aerogel (khoảng 0.02 g) vào dung dịch methylene blue với nồng độ từ 0 đến 400 ppm, khuấy trộn trong 0-90 phút, sau đó đo nồng độ MB còn lại bằng quang phổ UV-Vis để tính lượng hấp phụ.

4. Vật liệu BC aerogel có thể hấp phụ các loại thuốc nhuộm khác không?
   Có, vật liệu BC aerogel biến tính cho thấy khả năng hấp phụ hiệu quả với nhiều loại thuốc nhuộm cation như malachite green, rhodamine B, crystal violet và cả một số thuốc nhuộm anion như sunset yellow, methyl orange, mở rộng ứng dụng trong xử lý nước thải đa dạng.

5. Ứng dụng thực tế của vật liệu BC aerogel trong xử lý nước thải ra sao?
   Vật liệu có thể được sử dụng trong các hệ thống xử lý nước thải công nghiệp, đặc biệt là ngành dệt may và giấy, để loại bỏ thuốc nhuộm hữu cơ. Ngoài ra, vật liệu có thể tái sử dụng nhiều lần, giảm chi phí vận hành và thân thiện với môi trường.

Kết luận

• Đã tổng hợp thành công vật liệu BC aerogel từ thạch dừa và thạch dứa với độ tinh thể cao (~90%) và cấu trúc xốp ba chiều phù hợp cho hấp phụ.
• Biến tính oxy hóa bằng H2O2/Fe2+ làm tăng hàm lượng nhóm carboxylic, nâng cao hiệu quả hấp phụ methylene blue lên 59 mg/g, gấp hơn 2 lần so với vật liệu chưa biến tính.
• Quá trình hấp phụ tuân theo mô hình Langmuir và động học bậc hai, cho thấy hấp phụ đơn lớp kết hợp liên kết vật lý và hóa học.
• Vật liệu cũng hấp phụ hiệu quả nhiều loại thuốc nhuộm cation và anion khác, mở rộng ứng dụng trong xử lý nước thải đa dạng.
• Đề xuất phát triển quy trình sản xuất quy mô lớn, ứng dụng thực tế và mở rộng nghiên cứu các chất ô nhiễm khác nhằm góp phần bảo vệ môi trường và phát triển bền vững.

Hành động tiếp theo: Khuyến khích các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp phối hợp thử nghiệm thực tế, đồng thời triển khai đào tạo chuyển giao công nghệ để ứng dụng rộng rãi vật liệu BC aerogel trong xử lý nước thải công nghiệp.