Tổng hợp vật liệu hấp thụ từ tính để loại bỏ chất màu trong nước

Nghiên cứu tổng hợp vật liệu hấp thụ từ tính nhằm loại bỏ chất màu trong nước, góp phần bảo vệ môi trường và nâng cao chất lượng nước.

• Tác giả: Phạm Như Thuần
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Duy Đạt
• Trường học: Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp.HCM
• Chuyên ngành: Công Nghệ Kỹ Thuật Môi Trường
• Đề tài: Tổng Hợp Vật Liệu Hấp Phụ Từ Tính Cho Việc Loại Bỏ Các Chất Màu Trong Nước
• Loại tài liệu: báo cáo tổng kết đề tài nghiên cứu khoa học
• Năm xuất bản: 2021
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• LỜI CAM ĐOAN
• MỤC LỤC
• DANH MỤC BẢNG
• DANH MỤC HÌNH
• DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Tổng quan về các nghiên cứu có liên quan trong và ngoài nước
• 1.2. Phương pháp hấp phụ
• 1.2.1. Các khái niệm hấp phụ
• 1.2.2. Dung lượng hấp phụ
• 1.2.3. Các đối tượng nghiên cứu. Vật liệu hấp phụ
• 1.2.4. Cơ chế hấp phụ
• 1.2.5. Đẳng nhiệt hấp phụ
• 1.2.6. Động học hấp phụ
• 1.2.7. Nhiệt động học quá trình hấp phụ
• 1.2.8. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hấp phụ
• 2. CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP VÀ NỘI DUNG THỰC HIỆN
• 2.1. Phương pháp nghiên cứu
• 2.2. Tổng hợp vật liệu
• 2.3. Các phương pháp xác định tính chất của vật liệu
• 2.4. Thiết bị, dụng cụ và hóa chất
• 2.5. Khảo sát bước sóng tối ưu và xây dựng đường chuẩn MB theo phương pháp UV- Vis
• 2.6. Khảo sát vật liệu nung tối ưu
• 2.7. Khảo sát pH tối ưu
• 2.8. Khảo sát thời gian tối ưu
• 2.9. Khảo sát sự ảnh hưởng NaCl
• 2.10. Thí nghiệm giải hấp
• 2.11. Khảo sát sự thay đổi nồng độ
• 2.12. Thí nghiệm thay đổi nồng độ và nhiệt độ
• 2.13. Thí nghiệm môi trường nước khác nhau
• 2.14. Xử lý số liệu. Tính toán dung lượng hấp phụ.
• 2.15. Tính toán đường đẳng nhiệt
• 2.16. Tính toán đường động học hấp phụ
• 2.17. Tính toán nhiệt động học hấp phụ
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU
• 3.1. Tính chất của vật liệu hấp phụ
• 3.1.1. Phân tích SEM và BET của vật liệu
• 3.1.2. Phân tích phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FT-IR)
• 3.1.3. Xác định giá trị pHpzc (zero point of charge)
• 3.1.4. So sánh tính chất từ tính của than sinh học
• 3.1.5. Khảo sát bước sóng tối ưu và xây dựng đường chuẩn MB theo phương pháp UV- Vis
• 3.2. Kết quả thực nghiệm
• 3.2.1. Khảo sát chọn vật liệu tối ưu
• 3.2.2. Khảo sát chọn pH tối ưu
• 3.2.3. Khảo sát chọn thời gian tối ưu
• 3.2.4. Khảo sát sự ảnh hưởng NaCl
• 3.2.5. Thí nghiệm giải hấp
• 3.2.6. Khảo sát sự thay đổi nồng độ
• 3.2.7. Thí nghiệm môi trường nước khác nhau
• 3.2.8. Thí nghiệm thay đổi nhiệt độ từng nồng độ
• 3.2.9. Đẳng nhiệt hấp phụ và động nhiệt học hấp phụ
• 3.2.9.1. Đẳng nhiệt hấp phụ
• 3.2.9.2. Nhiệt động học hấp phụ
• 3.2.9.3. Động học hấp phụ
• CHƯƠNG: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về vật liệu hấp thụ từ tính cho xử lý nước ô nhiễm màu

Nước ô nhiễm màu là một vấn đề nghiêm trọng trong môi trường hiện nay. Các chất màu từ ngành dệt nhuộm, thực phẩm và hóa chất gây ảnh hưởng lớn đến sức khỏe con người và hệ sinh thái. Việc tìm kiếm các phương pháp hiệu quả để xử lý nước ô nhiễm màu là rất cần thiết. Vật liệu hấp thụ từ tính đã nổi lên như một giải pháp tiềm năng nhờ vào khả năng thu hồi dễ dàng và hiệu quả hấp phụ cao.

1.1. Khái niệm về vật liệu hấp thụ từ tính

Vật liệu hấp thụ từ tính là những vật liệu có khả năng thu hút và giữ lại các chất ô nhiễm trong nước nhờ vào tính chất từ tính của chúng. Chúng thường được chế tạo từ các nguyên liệu tự nhiên hoặc tổng hợp, mang lại hiệu quả cao trong việc xử lý nước ô nhiễm.

1.2. Tầm quan trọng của việc xử lý nước ô nhiễm màu

Xử lý nước ô nhiễm màu không chỉ giúp cải thiện chất lượng nước mà còn bảo vệ sức khỏe cộng đồng và môi trường. Việc áp dụng các công nghệ mới như vật liệu hấp thụ từ tính có thể giảm thiểu chi phí và tăng hiệu quả xử lý.

II. Thách thức trong xử lý nước ô nhiễm màu hiện nay

Mặc dù có nhiều phương pháp xử lý nước ô nhiễm màu, nhưng vẫn tồn tại nhiều thách thức. Các phương pháp truyền thống như hóa lý và sinh học thường gặp khó khăn trong việc loại bỏ hoàn toàn các chất màu. Hơn nữa, chi phí cao và tác động môi trường của các vật liệu sử dụng cũng là vấn đề cần được giải quyết.

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

Các phương pháp như keo tụ, lọc và hấp phụ bằng than hoạt tính thường không đạt hiệu quả cao trong việc loại bỏ các chất màu. Hơn nữa, việc sử dụng hóa chất có thể tạo ra các sản phẩm phụ độc hại.

2.2. Tác động môi trường từ nước thải ô nhiễm

Nước thải ô nhiễm không chỉ ảnh hưởng đến sức khỏe con người mà còn gây hại cho hệ sinh thái. Việc không xử lý kịp thời có thể dẫn đến ô nhiễm nguồn nước và đất, ảnh hưởng đến sự sống của các loài sinh vật.

III. Phương pháp tổng hợp vật liệu hấp thụ từ tính hiệu quả

Nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc tổng hợp vật liệu hấp thụ từ tính từ đường sucroza kết hợp với goethite mang lại hiệu quả cao trong việc xử lý nước ô nhiễm màu. Phương pháp này không chỉ tiết kiệm chi phí mà còn thân thiện với môi trường.

3.1. Quy trình tổng hợp vật liệu từ sucroza

Quy trình tổng hợp vật liệu hấp thụ từ tính bắt đầu bằng việc nhiệt phân đường sucroza ở nhiệt độ cao. Sau đó, kết hợp với goethite để tạo ra vật liệu có khả năng hấp phụ tốt các chất ô nhiễm màu trong nước.

3.2. Đặc tính của vật liệu hấp thụ từ tính

Vật liệu hấp thụ từ tính có diện tích bề mặt lớn và khả năng hấp phụ cao. Các nghiên cứu cho thấy dung lượng hấp phụ tối đa của vật liệu này có thể đạt tới 476 mg/g, cho thấy tiềm năng ứng dụng lớn trong xử lý nước.

IV. Ứng dụng thực tiễn của vật liệu hấp thụ từ tính trong xử lý nước

Vật liệu hấp thụ từ tính đã được áp dụng thành công trong nhiều nghiên cứu và thực tiễn xử lý nước ô nhiễm màu. Kết quả cho thấy khả năng loại bỏ các chất màu hiệu quả, đồng thời có thể thu hồi dễ dàng nhờ vào tính chất từ tính.

4.1. Kết quả nghiên cứu về khả năng hấp phụ

Nghiên cứu cho thấy vật liệu hấp thụ từ tính có khả năng loại bỏ Methylene Blue hiệu quả, với dung lượng hấp phụ cao. Điều này mở ra hướng đi mới cho việc xử lý nước ô nhiễm màu.

4.2. Tiềm năng ứng dụng trong công nghiệp

Vật liệu hấp thụ từ tính có thể được ứng dụng trong các nhà máy xử lý nước thải, giúp giảm thiểu chi phí và nâng cao hiệu quả xử lý. Điều này không chỉ mang lại lợi ích kinh tế mà còn bảo vệ môi trường.

V. Kết luận và triển vọng tương lai của vật liệu hấp thụ từ tính

Vật liệu hấp thụ từ tính cho xử lý nước ô nhiễm màu đang mở ra nhiều cơ hội mới trong nghiên cứu và ứng dụng. Với những ưu điểm vượt trội, vật liệu này có thể trở thành giải pháp hiệu quả cho vấn đề ô nhiễm nước hiện nay.

5.1. Tương lai của nghiên cứu vật liệu hấp thụ

Nghiên cứu về vật liệu hấp thụ từ tính sẽ tiếp tục được mở rộng, với mục tiêu cải thiện hiệu quả hấp phụ và giảm thiểu chi phí sản xuất. Các nghiên cứu tiếp theo có thể tập trung vào việc tối ưu hóa quy trình tổng hợp.

5.2. Hướng đi mới trong xử lý nước ô nhiễm

Việc áp dụng vật liệu hấp thụ từ tính trong xử lý nước ô nhiễm màu không chỉ giúp cải thiện chất lượng nước mà còn góp phần bảo vệ môi trường. Đây là một hướng đi mới đầy hứa hẹn cho ngành công nghệ môi trường.

Nội dung chính

Tổng Hợp Vật Liệu Hấp Phụ Từ Tính Cho Việc Loại Bỏ Phẩm Màu Methylene Blue Trong Nước

---

Tóm tắt nghiên cứu (Research Summary)

Nghiên cứu tập trung giải quyết bài toán cốt lõi: Làm thế nào để chế tạo một loại vật liệu hấp phụ xanh, chi phí siêu rẻ từ tiền chất đường ăn hằng ngày (sucroza) kết hợp sắt từ nhằm xử lý triệt để thuốc nhuộm hữu cơ trong nước thải và có khả năng thu hồi nhanh chóng bằng từ trường?

Quy trình thực nghiệm được triển khai thông qua việc thủy nhiệt đường sucroza tại $190^\circ\text{C}$ trong 6 giờ để tạo hydrochar, kết hợp với khoáng goethite ($\alpha\text{-FeOOH}$) điều chế từ $\text{FeCl}3/\text{NaOH}$, sau đó đồng nhiệt phân ở dải nhiệt độ $200 - 900^\circ\text{C}$ nhằm tạo thành than sinh học từ tính ($\text{Fe-Bio}$). Các đặc tính hóa lý được đánh giá toàn diện qua SEM, BET, FT-IR và đo giá trị $\text{pH}{\text{PZC}}$. Quá trình hấp phụ phẩm màu Methylene Blue (MB) được khảo sát theo mẻ nhằm đánh giá ảnh hưởng của nhiệt độ nung, pH, thời gian tiếp xúc, nồng độ muối $\text{NaCl}$, nhiệt độ và nền nước thực tế.

Kết quả nổi bật chứng minh vật liệu $\text{Fe-Bio}$ nung ở $800^\circ\text{C}$ sở hữu diện tích bề mặt vượt trội ($568\text{ m}^2/\text{g}$), dung lượng hấp phụ cực đại $q_{\max}$ đạt tới $476\text{ mg/g}$ tại điều kiện tối ưu ($\text{pH} = 8$, thời gian cân bằng 240 phút). Điểm đột phá là vật liệu có khả năng tách pha hoàn toàn bằng nam châm ngoài chỉ trong 26 giây. Nghiên cứu mang lại ý nghĩa to lớn trong công nghệ xử lý nước dệt nhuộm, mở ra hướng đi bền vững thay thế than hoạt tính thương mại đắt đỏ.

---

Bối cảnh và tầm quan trọng (Context & Significance)

Thực trạng ô nhiễm thuốc nhuộm hữu cơ

Ngành công nghiệp dệt nhuộm, may mặc và in ấn đang phát triển bùng nổ, kéo theo lượng nước thải chứa phẩm màu hữu cơ độc hại xả ra môi trường ngày càng lớn. Methylene Blue (MB) là phẩm nhuộm cation dị vòng điển hình, có cấu trúc nhân thơm bền vững, khó phân hủy sinh học tự nhiên. Sự tồn tại của MB trong nguồn nước làm suy giảm khả năng quang hợp của hệ thực vật thủy sinh, gây tích tụ sinh học và tiềm ẩn nguy cơ gây độc tế bào, rối loạn chuyển hóa cùng nhiều bệnh lý nguy hiểm cho con người khi tiếp xúc lâu dài.

Khoảng trống nghiên cứu (Research Gap)

Phương pháp hấp phụ hiện được đánh giá là giải pháp tối ưu nhất nhờ quy trình vận hành đơn giản, hiệu suất cao và không phát sinh sản phẩm phụ thứ cấp độc hại. Tuy nhiên:

• Than hoạt tính thương mại (CAC): Có giá thành sản xuất cao, chi phí tái sinh đắt đỏ.
• Vật liệu sinh khối thô / Biochar truyền thống: Khó thu hồi và tách rời khỏi pha lỏng sau xử lý nếu không qua hệ thống lắng, lọc phức tạp; dễ gây tắc màng lọc hoặc phát tán hạt mịn ngược lại nguồn nước.
• Tiền chất than sinh học: Các nghiên cứu trước đây chủ yếu khai thác phế phẩm nông nghiệp (vỏ cam, vỏ chuối, mùn cưa, rơm rạ) với chất lượng không đồng đều hoặc sử dụng monosaccarit đắt tiền như glucose, fructose. Chưa có công trình nào nghiên cứu sâu về việc sử dụng disacarit phổ thông là đường sucroza thương phẩm kết hợp với khoáng sắt goethite để tạo than hạt nano/micro hình cầu có từ tính cao.

Tính cấp thiết và tiềm năng ứng dụng

Việc tận dụng đường ăn (sucroza) – một nguồn nguyên liệu thuần khiết, sẵn có số lượng lớn với giá thành thấp – kết hợp cùng oxit sắt thân thiện môi trường để tạo ra than sinh học từ tính ($\text{Fe-Bio}$) là hướng tiếp cận có tính thời sự cao. Nghiên cứu giải quyết đồng thời hai thách thức: Tăng cường dung lượng hấp phụ chất màu và Tự động hóa khâu thu hồi vật liệu bằng từ trường, tạo tiền đề cho các mô hình xử lý nước thải công nghiệp tuần hoàn khép kín.

---

Phương pháp luận và cách tiếp cận (Methodology & Approach)

Thiết kế nghiên cứu và quy trình tổng hợp (Synthesis Protocol)

Nghiên cứu áp dụng quy trình tổng hợp xanh gồm hai giai đoạn chính:

1. Chế tạo Hydrochar: Hòa tan 30g đường sucroza trong 150 mL nước cất, tiến hành thủy nhiệt trong bình phản ứng áp suất cao (Autoclave) ở nhiệt độ $190^\circ\text{C}$ suốt 6 giờ. Sản phẩm than thu được được rửa sạch bằng cồn và nước cất, sấy khô ở $105^\circ\text{C}$.
2. Điều chế $\alpha\text{-FeOOH}$ (Goethite): Phản ứng kết tủa nhanh giữa $\text{FeCl}_3\text{ 1M}$ và dung dịch $\text{NaOH 5M}$, khuấy từ cường độ cao ($250\text{ vòng/phút}$) và ủ nhiệt $70^\circ\text{C}$ trong 24 giờ.
3. Chế tạo than sinh học từ tính ($\text{Fe-Bio}$): Phối trộn Goethite và Hydrochar theo tỷ lệ khối lượng tối ưu $1\text{F} : 4\text{H}$, sấy khô và tiến hành nhiệt phân yếm khí trong lò nung ở các mức nhiệt độ từ $200^\circ\text{C}$ đến $900^\circ\text{C}$ trong thời gian 1 giờ. Trong quá trình này, $\alpha\text{-FeOOH}$ chuyển hóa thành mạng tinh thể sắt từ ($\alpha\text{-Fe}_2\text{O}_3/\text{Fe}_3\text{O}_4$), bám chặt trên khung carbon hình cầu.

+------------------+         +------------------+
|  Đường Sucroza   |         |  FeCl3 + NaOH    |
+--------+---------+         +--------+---------+
         | (Thủy nhiệt 190°C)         | (Ủ 70°C, 24h)
         v                            v
   [ Hydrochar ]               [ α-FeOOH Goethite ]
         |                            |
         +------------+---------------+
                      | (Tỷ lệ 4:1)
                      v
             [ Trộn ướt + Sấy khô ]
                      |
                      v (Nung 200 - 900°C)
       +-------------------------------+-------------------------------+
       |                               |                               |
       v                               v                               v
[ Than Biochar ]             [ Fe-Bio Từ Tính ]               [ Oxit Fe (α-Fe2O3) ]

Kỹ thuật phân tích đặc tính hóa lý

• SEM (Scanning Electron Microscopy): Thiết bị FE-SEM S-4800 (Hitachi, Nhật Bản) phân tích hình thái vi cấu trúc bề mặt.
• BET (Brunauer-Emmett-Teller): Thiết bị TPDRO 1100 (Thermo Scientific) xác định diện tích bề mặt riêng và độ rỗng xốp.
• FT-IR (Fourier Transform Infrared Spectroscopy): Máy quang phổ PerkinElmer MIR/NIR Frontier ghi nhận các nhóm chức hóa học bề mặt trong dải sóng $4000 - 400\text{ cm}^{-1}$.
• Xác định $\text{pH}_{\text{PZC}}$: Phương pháp chuẩn độ dịch chuyển pH trong dung dịch $\text{NaCl 0.1M}$ tại các giá trị pH ban đầu từ 2 đến 10.
• Khảo sát tính chất từ tính: Định lượng thời gian thu hồi hạt vật liệu lơ lửng bằng khối nam châm vĩnh cửu.

Khảo sát thực nghiệm hấp phụ mẻ (Batch Experiments)

Các thí nghiệm hấp phụ Methylene Blue được đo quang tại bước sóng hấp thụ cực đại $\lambda_{\max} = 664\text{ nm}$ trên máy quang phổ UV-Vis Hitachi U2910:

• Tỷ lệ pha rắn/lỏng: $0.5\text{ g/L}$ ($0.05\text{ g}$ vật liệu trên $100\text{ mL}$ dung dịch).
• Khảo sát biến thiên các yếu tố: Nhiệt độ nung ($200 - 900^\circ\text{C}$), pH dung dịch ($2 - 11$), thời gian tiếp xúc ($1 - 1440\text{ phút}$), nồng độ muối nền $\text{NaCl}$ ($0.01 - 1.0\text{ M}$), nồng độ đầu MB ($25 - 1000\text{ mg/L}$), nhiệt độ hệ ($10^\circ\text{C}, 31^\circ\text{C}, 42^\circ\text{C}$) và nền nước thực tế (nước cất, nước máy, nước ngầm, nước sông).
• Dữ liệu thực nghiệm được xử lý khớp mô hình đẳng nhiệt (Langmuir, Freundlich), động học (Biểu kiến bậc 1, Biểu kiến bậc 2, Elovich) và tính toán nhiệt động học ($\Delta G^\circ, \Delta H^\circ, \Delta S^\circ$).

---

Phát hiện chính của nghiên cứu (Major Findings)

1. Nhiệt độ nhiệt phân $800^\circ\text{C}$ tối ưu hóa cấu trúc rỗng và pha từ tính

Khảo sát nhiệt độ nung từ $200^\circ\text{C}$ đến $900^\circ\text{C}$ cho thấy $\text{Fe-Bio}$ đạt dung lượng hấp phụ vượt bậc tại $800^\circ\text{C}$ ($137.31\text{ mg/g}$ tại nồng độ thử nghiệm $125\text{ mg/L}$), cao hơn $40%$ so với mẫu nung ở $700^\circ\text{C}$ và vượt trội hơn hẳn Biochar không từ tính ($18%$) cùng oxit sắt thuần Fe ($18.5%$).

2. Diện tích bề mặt riêng lớn và cấu trúc hạt hình cầu đồng nhất

Kết quả BET ghi nhận diện tích bề mặt riêng của Biochar đạt $613\text{ m}^2/\text{g}$ và $\text{Fe-Bio}$ đạt $568\text{ m}^2/\text{g}$ (cao gấp gần 30 lần so với Fe nguyên chất chỉ $20\text{ m}^2/\text{g}$). Ảnh chụp SEM chứng minh các hạt than sinh học có dạng hình cầu nhẵn, phân bố tương đối đồng đều; oxit sắt tạo liên kết phân tán bền vững trên bề mặt cầu, duy trì mạng lưới mao quản phong phú.

3. Khả năng phân tách từ tính siêu tốc (26 giây)

Mẫu $\text{Fe-Bio}$ nung ở $800^\circ\text{C}$ biểu hiện lực từ mạnh nhất: chỉ mất đúng 26 giây để nam châm thu gom sạch toàn bộ hạt phân tán trong nước. Ngược lại, oxit sắt đơn lẻ (Fe) nhanh chóng bị mất từ tính khi tiếp xúc với không khí do oxy hóa, chứng minh khung carbon đóng vai trò cốt lõi trong việc bảo vệ và ổn định pha từ tính.

4. Hiệu suất hấp phụ tối ưu tại môi trường kiềm nhẹ ($\text{pH} = 8$)

Dung lượng hấp phụ MB tăng mạnh từ pH 2 đến 8, đạt đỉnh tại $\text{pH} = 8$ ($153\text{ mg/g}$ với $\text{Fe-Bio}$) trước khi giảm nhẹ ở vùng kiềm cao ($\text{pH } 9 - 11$). Kết quả được giải thích chuẩn xác qua giá trị điểm đẳng điện:

• Điểm điện tích không $\text{pH}_{\text{PZC}}$ của $\text{Fe-Bio}$ là $7.0$.
• Phẩm màu MB có $\text{p}K_a = 3.8$. Ở $\text{pH} = 8 > \text{pH}_{\text{PZC}}$, bề mặt $\text{Fe-Bio}$ mang điện tích âm thuần, tạo lực hút tĩnh điện cực mạnh với các cation $\text{MB}^+$.

[Bề mặt Fe-Bio tích điện âm (pH > 7.0)] <==== (Lực hút tĩnh điện) ====> [Cation MB+ (pH > 3.8)]

5. Dung lượng hấp phụ cực đại $q_{\max}$ vượt trội ($476\text{ mg/g}$) và cơ chế đa tương tác

Dung lượng hấp phụ bão hòa của $\text{Fe-Bio}$ đạt $476\text{ mg/g}$, tương thích chặt chẽ với mô hình đẳng nhiệt Langmuir và động học biểu kiến bậc 2. Quá trình hấp phụ là sự tổng hòa của 5 cơ chế chủ đạo:

• Tương tác tĩnh điện: Giữa cation $\text{MB}^+$ và bề mặt tích điện âm.
• Tương tác xếp chồng $\pi\text{-}\pi$: Giữa hệ vòng thơm liên hợp của than sinh học và khung nhân thơm của phân tử MB.
• Liên kết Hydro: Giữa các nhóm chức chứa oxy ($-\text{OH}, -\text{COOH}, \text{C-O}$) trên bề mặt than với nguyên tử dị vòng N, S trên phân tử MB.
• Tương tác ion - lưỡng cực: Với các tâm oxit sắt ($\text{Fe-O}$).
• Cơ chế làm đầy lỗ rỗng (Pore filling): Nhờ cấu trúc mao quản xốp nano diện tích cao.

---

Đóng góp khoa học và giá trị ứng dụng (Scientific Contributions)

Đóng góp về mặt lý thuyết và học thuật

• Bổ sung dữ liệu khoa học nền tảng về động học, nhiệt động học và cơ chế hấp phụ phẩm màu hữu cơ trên vật liệu lai vô cơ - hữu cơ ($\text{Fe/Biochar}$).
• Làm sáng tỏ vai trò cộng sinh của mạng lưới khung carbon trong việc ngăn chặn quá trình oxy hóa mất từ tính của các hạt nano oxit sắt.

Cải tiến về phương pháp và công nghệ

• Tiên phong sử dụng nguồn nguyên liệu đường sucroza thương phẩm kết hợp với khoáng goethite tự nhiên/tổng hợp thân thiện. Quy trình điều chế thủy nhiệt kết hợp nhiệt phân đơn giản, dễ kiểm soát, không sử dụng dung môi hữu cơ độc hại.
• Tạo ra vật liệu than sinh học dạng cầu có độ tinh khiết cao, cấu trúc mao quản đồng đều hơn hẳn các loại than đi từ sinh khối nông nghiệp dị thể.

Giá trị thực tiễn và tác động kinh tế - môi trường

• Tối ưu hóa chi phí: Tận dụng đường ăn giá rẻ, quy trình tổng hợp tiêu tốn ít hóa chất đắt tiền, giảm giá thành xử lý nước màu tới $40-60%$ so với than hoạt tính thương phẩm.
• Thu hồi và tái sinh dễ dàng: Loại bỏ hoàn toàn công đoạn lọc qua màng hoặc bể lắng cồng kềnh, chỉ cần bẫy từ trường để thu hồi $100%$ chất hấp phụ, tái sử dụng hiệu quả qua nhiều chu kỳ giải hấp bằng cồn hoặc axit loãng ($\text{HCl 0.1N}$).

---

Đối tượng hưởng lợi và ứng dụng thực tế (Target Audience)

Đối tượng quan tâm	Lợi ích và Giá trị nhận được
Các nhà nghiên cứu & Học thuật	Nguồn tài liệu tham khảo giá trị về hóa học bề mặt, cơ chế lai tạo vật liệu từ tính từ carbohydrate và ứng dụng xử lý môi trường.
Doanh nghiệp Dệt nhuộm & In ấn	Giải pháp xử lý nước thải chứa phẩm màu cation (MB) đạt chuẩn xả thải với chi phí đầu tư và vận hành thấp.
Đơn vị thiết kế công nghệ xử lý nước	Cơ sở kỹ thuật để tích hợp module bẫy từ tính/lọc từ trường trong các trạm xử lý nước thải công nghiệp cục bộ.
Ngành Y sinh & Hóa dược	Tiềm năng ứng dụng hạt than cầu từ tính siêu tinh khiết từ sucroza làm chất mang dẫn thuốc hoặc hấp phụ độc tố trong y học.

---

Câu hỏi thường gặp (FAQ)

1. Phát hiện quan trọng nhất của công trình nghiên cứu này là gì?

Nghiên cứu đã chứng minh vật liệu than sinh học từ tính ($\text{Fe-Bio}$) chế tạo từ đường sucroza nung ở $800^\circ\text{C}$ đạt dung lượng hấp phụ Methylene Blue cực cao ($476\text{ mg/g}$), đồng thời có thể thu hồi hoàn toàn khỏi nước bằng từ trường chỉ trong 26 giây.

2. Phương pháp chế tạo vật liệu này có gì đặc biệt so với các nghiên cứu trước?

Điểm mới nằm ở việc sử dụng đường ăn (sucroza) làm nguồn carbon thông qua thủy nhiệt tạo hạt cầu nhẵn đồng nhất, kết hợp với khoáng goethite ($\alpha\text{-FeOOH}$) thân thiện môi trường thay vì dùng các tiền chất đắt đỏ (graphene, carbon nanotube) hay sinh khối thô không ổn định.

3. Kết quả của nghiên cứu có thể áp dụng cho các loại nước thải thực tế không?

Có. Nghiên cứu đã thử nghiệm hấp phụ MB trên nhiều nền nước khác nhau (nước ngầm, nước máy, nước sông) và khảo sát ảnh hưởng của nồng độ muối $\text{NaCl}$ ($0.01 - 1.0\text{ M}$), cho thấy vật liệu duy trì độ bền và hiệu suất xử lý màu ổn định.

4. Hướng phát triển tiếp theo của đề tài là gì?

Nhóm tác giả định hướng nâng quy mô thử nghiệm liên tục trên cột hấp phụ từ trường (fixed-bed column), mở rộng đánh giá trên các phẩm màu anion khác, kim loại nặng, hợp chất dược phẩm tồn dư và tối ưu hóa chu kỳ tái sinh vật liệu.

5. Khả năng tái sinh và tái sử dụng của Fe-Bio ra sao?

Vật liệu có thể giải hấp hiệu quả bằng cồn $96^\circ$ hoặc dung dịch $\text{HCl 0.1N}$, cho phép thu hồi phẩm màu và tái sử dụng vật liệu qua nhiều chu trình mà không làm suy giảm đáng kể dung lượng hấp phụ và lực từ.

---

Kết luận (Conclusion)

Đề tài nghiên cứu khoa học của nhóm sinh viên Trường ĐH Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM dưới sự hướng dẫn của TS. Nguyễn Duy Đạt đã phát triển thành công vật liệu than sinh học từ tính ($\text{Fe-Bio}$) từ tiền chất đường sucroza và goethite. Với diện tích bề mặt $568\text{ m}^2/\text{g}$, dung lượng hấp phụ cực đại $476\text{ mg/g}$ và khả năng tách từ tính nhanh chóng trong 26 giây, vật liệu mở ra giải pháp xanh, kinh tế và đột phá cho ngành xử lý nước thải dệt nhuộm.

Các doanh nghiệp và đơn vị xử lý môi trường quan tâm có thể tiếp cận chuyển giao công nghệ, hợp tác thử nghiệm pilot hoặc tích hợp vật liệu vào các hệ thống xử lý nước thải công nghiệp tiên tiến.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1. Tổng quan về các nghiên cứu có liên quan trong và ngoài nước Bảng 1. 1: Tổng hợp các nghiên cứu trong và ngoài nước Chất ô Tài liệu STT Vật liệu Qe (mg/g) Ghi chú nhiễm tham khảo Diclofenac 6,437 Tomul, 1 Vỏ cam (chất giảm Kết hợp 2019 đau) 144,1 FeCl3 Zhang, 2 Vỏ chuối MB 862 Langmuir 2019 3 Mùn cưa MB 256,41 Langmuir Ding, 2016 GNS/ Fe3O4 (graphene 4 MB 43,82 Langmuir Ai, 2011 nanosheet/magnetite) 5 Rơm lúa mì MB 14,98 Langmuir Liu, 2012 6 Phân gia súc MB 241,99 Langmuir Zhu, 2018 Trong nghiên cứu hấp phụ bằng vỏ cam của Tomul, vỏ cam sau khi rửa được băm nhỏ và sấy ở 70oC trong 48 giờ tạo thành hydrochar. Trộn lẫn 50g hydrochar với 300mL FeCl3.

Mẫu sau đó được đem đi hấp phụ với liều lượng rắn/lỏng là 2g/L. Kết quả thu được cho thấy biochar từ vỏ cam có dung lượng hấp phụ Diclofenac đạt tới 144 mg/g ở 270 phút. Điều này cho thấy tiềm năng của nguyên liệu từ tự nhiên trong nghiên cứu hấp phụ (Tomul et al. Zhang đã thực nghiệm thí nghiệm hấp phụ MB bằng than sinh học than thiện với môt trường được điều chế từ vỏ chuối vào năm 2019 và cho ra kết quả đáng kinh ngạc.

Cụ thể, vỏ chuối sau khi đem về từ nguồn được rửa sạch với nước khử ion nhiều lần để loại bỏ bụi bẩn và tạp chất bề mặt, sau đó được sấy khô đến khối lượng không đổi và cắt thành từng miếng nhỏ. Vỏ chuối sau sấy được ngâm trong nước cất tại 80oC trong 90 phút để lấy nước chiết xuất và lọc chân không, lấy phần rắn. Phần rắn được nung chân không tại 600oC trong 60 phút để tạo thành than sinh học, cuối cùng được làm lạnh 5 tới nhiệt độ phòng và bảo quản. Than sinh học từ vỏ chuối được biến tính bằng cách cho 200mL nước chiết xuất vào 1,2g than sinh học trong lò siêu âm.

Sau 15 phút, cho từng giọt FeSO4 0,1M vào với tổng thể tích là 200 mL trong 90 phút, tiếp theo rửa lại phần than nhiều lần bằng nước cất và quay ly tâm để tách rắn. Phần than cuối cùng được sấy khô tại 60oC trong 12h. Mẫu vật liệu được đem đi hấp phụ methylene blue ở liều lượng 0,5g/L cho ra hiệu quả hấp phụ cực đại tại nồng độ 500mg/L là 862mg/g tại pH 6,1 (Zhang et al. Ding chế tạo than sinh học từ gỗ bằng cách nhiệt phân mùn cưa trong lò nung cyclone, sau đó hấp phụ MB với liều lượng là 0,5g/L thu được kết quả dung lượng hấp phụ cực đại là 256,41mg/g tại nồng độ methylene 200mg/L (Ding et al,.

Theo nghiên cứu của Ai, sử dụng vật liệu hấp phụ là hỗn hợp graphene nanosheet và magnetite (Fe3O4) để hấp phụ MB. Trong đó, graphene nanosheet được điều chế bằng cách hòa trộn 0,5g graphene oxide và 80mL ethylene glycol (C2H4O), sau đó sử dụng công nghệ siêu âm loại bỏ tế bào chết và tạp chất; magnetite được tổng hợp bằng 1,6g tinh thể FeCl3. Magnetite được cho vào graphene nanosheet ở nhiệt độ phòng và khuấy đều trong 30 phút, sau đó hấp ở 200 oC trong 6 giờ ròi để nguội đến nhiệt độ phòng, sau khi lọc sạch kết tủa đen thì rửa nhiều lần bằng dung dịch etanol (C2H5OH) và cuối cùng là đem sấy 60oC trong lò chân không. Mẫu vật liệu sau đó được đem đi hấp phụ MB với tỷ lệ 0,4g/L và thu được dung lượng hấp phụ cực đại là 43,82mg/g (Ai et al,.

Liu sử dụng rơm lúa mì để tạo than sinh học bằng cách nhiệt phân chậm trong lò phản ứng tầng sôi, hiệu quả tạo vật liệu là 30%. Đầu tiên, rơm lúa mì được phơi khô trong không khí trong vòng 24 giờ và được nghiền thành cỡ hạt 2mm trước khi sử dụng. Tiếp theo đem đi nhiệt phân trong lò phản ứng tầng sôi với nhiệt độ lên đến 550oC trong vòng 5 phút tạo thành vật liệu than sinh học. Mẫu vật liệu sau đó được đem đi hấp phụ MB ở 30oC cho ra dung lượng hấp phụ cực đại là 14,98mg/g (Liu et al,.

Zhu cũng đã nghiên cứu loại bỏ MB trong nước bằng than sinh học từ phân gia súc. Theo đó, phân gia súc được nhiệt phân trong điều kiện chân không ở 200oC tạo ra vật liệu than sinh học từ phân gia súc. Vật liệu hấp phụ này được đem đi xử lý loại bỏ MB ở nồng độ 500mg/L với liều lượng 1,25g/L cho ra dung lượng hấp phụ cực đại là 241,99 mg/g (Zhu et al. Phương pháp hấp phụ 1.

Các khái niệm hấp phụ 6 ❖ Hiện tượng hấp phụ Hấp phụ là một quá trình liên kết (ion, nguyên tử, phân tử) trong pha thể tích (khí, lỏng) với bề mặt phân cách của pha rắn (lỏng) bằng lực vật lý (Van der Walls, London, lưỡng cực phản ứng) hoặc bằng lực hóa học (liên kết hóa học). Chất bị thu hút vào pha bề mặt được gọi là chất bị hấp phụ. Chất có pha bề mặt thu hút chất bị hấp phụ được gọi là chất hấp phụ. Lượng chất bị hấp phụ q trên một đơn vị khối lượng chất hấp phụ tại một nhiệt độ đã cho (T = const), được gọi là dung lượng hấp phụ.

❖ Giải hấp phụ Giải hấp phụ là quá trình giải phóng chất đã bị hấp phụ khỏi bề mặt chất hấp phụ. Quá trình này dựa trên nguyên tắc sử dụng các yếu tố bất lợi đối với quá trình hấp phụ. Đối với hấp phụ vật lý để làm giảm khả năng hấp phụ có thể tác động thông qua các yếu tố sau: - Giảm nồng độ dung dịch chất bị hấp phụ để thay đổi cân bằng hấp phụ. - Thay đổi nhiệt độ - Thay đổi pH của môi trường 1.

Dung lượng hấp phụ Dung lượng hấp phụ là khối lượng chất bị hấp phụ trên một đơn vị khối lượng chất hấp phụ ở trạng thái cân bằng ở điều kiện xác định về nồng độ và nhiệt độ. Dung lượng hấp phụ được tính theo công thức (𝐶0 −𝐶𝑐𝑏 )×𝑉 𝑞𝑒 = (1-1) 𝑚 Trong đó: 7 Qe: dung lượng hấp phụ cân bằng (mg/g) V: thể tích dung dịch chất bị hấp phụ (L) m: khối lượng chất hấp phụ (g) C0: nồng độ dung dịch ban đầu (mg/L) Ccb: nồng độ cân bằng của dung dịch sau hấp phụ (mg/L) 1. Các đối tượng nghiên cứu 1. Vật liệu hấp phụ Đường sucroza thuộc nhóm saccharozo hay còn gọi là một disacarit có công thức phân tử C12H22O11.

Đường sucroza thông thường nhất hay được sản xuất dưới dạng bột kết tinh mịn màu trắng, không mùi với vị ngọt dễ chịu. Đường sucroza nóng chảy và phân hủy ở 185°C (SGK Hóa Học 12, trang 27) để tạo ra caramen (đường thắng), và khi cháy tạo ra cacbon, dioxide cacbon, nước. Nước có thể phá vỡ cấu trúc của sucroza nhờ thủy phân, tuy nhiên quá trình này là rất chậm và vì thế sucroza có thể tồn tại trong dung dịch trong nhiều năm mà gần như không thay đổi. Theo như tính chất đó, ta có thể điều chế than bằng cách thủy nhiệt đường ăn tại nhiệt độ >185°C, nghiên cứu này áp dụng mức nhiệt 190°C trong 6 giờ.

Hỗn hợp lấy ra sau thủy nhiệt được rửa nhiều lần để loại bỏ tro xỉ và cặn bẩn, ổn định pH. Các oxi-hydroxit sắt có nhiều ưu điểm như khả năng hấp phụ tốt đối với các ion kim loại nặng và chất hoạt động bề mặt, hơn nữa chúng có độ bền cao và đơn giản trong việc chế tạo nên đã được nhiều nhà khoa học trên thế giới nghiên cứu và đưa vào ứng dụng một cách hiệu quả trong xử lý nước. Tuy nhiên, ở Việt Nam thì loại hợp chất này chưa được sử dụng nhiều trong quy trình xử lý nước, do đó việc nghiên cứu tổng các oxi-hydroxit sắt cũng như việc xây dựng quy trình công nghệ để xử lý nước bằng các loại vật liệu này có nhiều ý nghĩa cả về lý thuyết lẫn thực tiễn. Bằng việc nghiên cứu các điều kiện thích hợp để tổng hợp vật liệu sẽ góp phần vào sự phát triển lý thuyết về điều kiện hình thành, cấu trúc cũng như các đặc tính của loại vật liệu này.

Việc xây dựng quy trình ứng dụng loại vật liệu này trong xử lý nước có ý nghĩa rất lớn về mặt thực tiễn trong việc loại bỏ các chất ô nhiểm ra khỏi nước, hơn nữa nó phù hợp với xu hướng nghiên cứu hiện nay của các nhà khoa học trong và ngoài nước. Có bảy loại hợp chất oxi-hiđroxit sắt bao gồm akaganeite (β-FeOOH), goethite (α- FeOOH), lepidocrocite (γ-FeOOH), schwertmannite (Fe8O8(OH)6(SO4).nH2O), ferrihydrite (Fe5HO8.4H2O), feroxyhyte (δ’-FeOOH) và FeOOH tổng hợp ở áp suất cao. 8 Các hợp chất này chủ yếu được tạo bởi cation Fe3+ cùng với các anion O2- và OH-, được ứng dụng rộng rãi đối với xử lý ô nhiễm trong nước. Trong nghiên cứu này chúng tôi hướng tới khảo sát ứng dụng của α-FeOOH trong việc kết hợp với hydrochar từ đường sucroza nhằm hấp phụ màu MB và thu hồi vật liệu hấp phụ.

Goethite là khoáng chất có sẵn trong tự nhiên, trong phạm vi phòng thí nghiệm, α-FeOOH có thể được điều chế từ kết tủa của tinh thể sắt và dung dịch kiềm, dưới tác dụng của máy khuấy từ ở cường độ cao. Sau phản ứng, mẫu được ủ trong khoảng thời gian xấp xỉ 24h để tạo thành α-FeOOH. Mẫu sau đó được đem rửa nhiều lần để loại bỏ muối và sấy đến khi khô tạo thành tinh thể (Zhang et al.6H2O + 3 NaOH  α-FeOOH + 3 NaCl + 7 H2O Goethite được trộn lẫn với hydrochar (từ sucroza) trong nước cất với tỷ lệ (1α- FeOOH:4Hydrochar) (Sewu et al., 2020), khuấy đều hỗn hợp và đem nung ở nhiệt độ cao tạo thành than sinh học từ tính từ đường sucroza. Theo phương pháp này, dung dịch chứa sắt sẽ kết tinh trên bề mặt than tạo thành vật liệu dùng cho hấp phụ.

Cho một khối lượng vật liệu hấp phụ vào mẫu nước ô nhiễm, các phân tử ô nhiễm sẽ bám trên bề mặt vật liệu. Vật liệu có độ rỗng càng cao, diện tích tiếp xúc với chất ô nhiễm càng nhiều thì khả năng hấp phụ càng tốt. Methylene Blue ❖ Công thức hóa học và đặc tính Công thức phân tử: C16H18ClN3S Phân tử khối: 319,85 g/mol Khối lượng phân tử: 373,9 g/mol Nhiệt độ nóng chảy: 100 - 110oC Methylene Blue là một chất màu thuộc họ thiozin, một số tên gọi khác của MB như là glutylene, methylthioninium chloride, tetramethylthionine chlorhydrate. MB nguyên chất 100% dạng bột hoặc tinh thể không mùi, màu xanh đậm, khi hòa tan vào nước hình thành dung dịch màu xanh lam, MB hấp thụ cực đại ở bước sóng 664nm.

Khó tan trong nước lạnh và rượu etylic, khi đun nóng thì tan dễ hơn. Nó không chỉ có trong công nghiệp dệt nhuộm, mà còn là nhân tố quan trọng trong một vài lĩnh vực khác như y tế, nghiên cứu phòng thí nghiệm, dệt nhuộm,.