Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Ngành công nghiệp dệt nhuộm tại Việt Nam đã hình thành và phát triển hơn một thế kỷ, đóng vai trò quan trọng trong việc giải quyết việc làm cho người lao động và đóng góp kim ngạch xuất khẩu đáng kể cho nền kinh tế quốc dân. Tuy nhiên, hoạt động dệt may cũng là một trong những nguồn phát sinh ô nhiễm môi trường nước nghiêm trọng nhất. Mặc dù phần lớn các nhà máy và xí nghiệp dệt nhuộm tập trung đã đầu tư hệ thống xử lý nước thải, nguồn nước thải đầu ra tại nhiều nơi vẫn chưa đáp ứng quy chuẩn kỹ thuật quốc gia QCVN 13: 2015/BTNMT. Tình trạng này càng trở nên phức tạp do sự tồn tại của hàng ngàn cơ sở sản xuất quy mô nhỏ lẻ tại các làng nghề truyền thống, nơi nước thải hầu như không qua xử lý mà xả trực tiếp vào hệ thống kênh rạch, ao hồ và sông ngòi, đe dọa trực tiếp nguồn nước mặt, mạch nước ngầm cũng như sức khỏe cộng đồng.

Nước thải dệt nhuộm đặc trưng bởi lưu lượng xả thải lớn, dao động từ 12 đến 65 lít nước trên 1 m² vải (thải ra 10 - 40 lít) hoặc 12 đến 300 m³ nước trên một tấn vải thành phẩm. Về mặt hóa lý, dòng thải có nhiệt độ cao (vượt ngưỡng tối ưu 35°C của vi sinh vật xử lý sinh học), độ kiềm dao động mạnh (pH từ 2 đến 14), hàm lượng cặn lơ lửng cao, chỉ số nhu cầu oxy sinh hóa (BOD từ 67 đến 159 mg/L), nhu cầu oxy hóa học (COD từ 139 đến 423 mg/L ở công đoạn chung và từ 80 đến 18.000 mg/L ở công đoạn nhuộm) với tỷ lệ COD/BOD từ 2:1 đến 3:1. Đặc biệt, độ màu của nước thải có thể lên tới 50.000 Pt-Co do lượng thuốc nhuộm dư thừa không gắn kết hoàn toàn vào sợi (tổn thất từ 2% đến 50% tùy loại thuốc nhuộm và loại xơ sợi). Thuốc nhuộm tổng hợp dạng hoạt tính, trực tiếp hay axit có cấu trúc thơm bền vững, khó bị phân hủy bởi các kỹ thuật cơ học, hóa lý hoặc sinh học thông thường.

Tại Việt Nam, nguồn phụ phẩm nông nghiệp như vỏ trấu rất dồi dào nhưng chưa được khai thác hiệu quả trong lĩnh vực chế tạo vật liệu xử lý môi trường. Than trấu thu được từ quá trình đốt yếm khí vỏ trấu chứa thành phần carbon cố định (48,73%) và silic dioxit (37,43%), có diện tích bề mặt lớn và cấu trúc xốp. Nhằm giải quyết vấn đề ô nhiễm màu dệt nhuộm và tận dụng nguồn phế thải sẵn có, đề tài tập trung nghiên cứu biến tính than trấu bằng muối sắt(II) để tạo vật liệu xúc tác dị thể cho phản ứng oxy hóa nâng cao Fenton.

Mục tiêu nghiên cứu của khóa luận được xác lập như sau:

  • Mục tiêu tổng quát: Chế tạo vật liệu có khả năng xúc tác cho quá trình oxy hóa nâng cao nhằm xử lý các hợp chất hữu cơ khó phân hủy trong nước thải.
  • Mục tiêu cụ thể:
    1. Biến tính than trấu thành vật liệu có khả năng xúc tác cho quá trình Fenton.
    2. Xác định hình thái, đặc điểm thành phần của than trấu sau biến tính.
    3. Tìm ra điều kiện thích hợp áp dụng phương pháp Fenton dị thể xử lý loại bỏ phẩm màu Reactive Yellow 160 (RY 160) bằng xúc tác than trấu biến tính.
    4. Áp dụng kỹ thuật Fenton/than trấu biến tính cho các đối tượng phẩm nhuộm thông dụng khác.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Than trấu và 5 loại phẩm màu công nghiệp gồm Reactive Yellow 160 (RY 160), Direct Red 239 (DR 239 - đỏ cờ), Direct Blue 199 (DB 199 - xanh), Direct Red 224 (DR 224 - đỏ sen), Acid Red 23 (AR 23 - đỏ vang), được cung cấp bởi Công ty TNHH Thương mại Tân Hồng Phát (Ba Đình, Hà Nội).
  • Phạm vi nghiên cứu: Thực nghiệm điều chế, khảo sát phản ứng xúc tác dị thể được thực hiện tại phòng thí nghiệm của Trung tâm Phân tích và Ứng dụng công nghệ địa không gian, Khoa Quản lý Tài nguyên rừng & Môi trường - Trường Đại học Lâm nghiệp; các phép phân tích vi cấu trúc SEM và thành phần EDX được đo đạc tại Khoa Vật lý - Trường Đại học Khoa học Tự nhiên. Khóa luận được hoàn thành vào tháng 5/2018.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khóa luận dựa trên cơ sở lý thuyết về các quá trình oxy hóa nâng cao (Advanced Oxidation Processes - AOPs), cụ thể là phản ứng Fenton và Fenton dị thể. Quá trình Fenton cổ điển do H.J.H. Fenton phát hiện năm 1894 dựa trên sự tương tác giữa ion sắt Fe²⁺ và hydropeoxit (H₂O₂) trong môi trường axit để tạo ra các gốc hydroxyl tự do (HO•) có khả năng oxy hóa cực mạnh, chuyển hóa các chất màu hữu cơ mạch vòng khó phân hủy thành các hợp chất đơn giản hơn hoặc khoáng hóa hoàn toàn:

$$\text{Fe}^{2+} + \text{H}_2\text{O}_2 \rightarrow \text{Fe}^{3+} + \text{HO}^- + \text{HO}^\bullet$$

Để khắc phục nhược điểm tạo lượng bùn thải chứa sắt lớn và khó thu hồi xúc tác của kỹ thuật Fenton đồng thể, tác giả nghiên cứu cố định muối sắt lên chất mang than trấu giàu silic dioxit, hình thành hệ xúc tác dị thể Ric-Fe(III). Định luật quang trường Lambert - Beer ($A = \varepsilon \cdot l \cdot C$) được sử dụng làm cơ sở lý thuyết cho phương pháp phân tích trắc quang phổ hấp thụ phân tử UV-Vis nhằm định lượng nồng độ phẩm màu dư.

Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm được triển khai đồng bộ qua các bước:

  • Phương pháp biến tính vật liệu: Ngâm tẩm 10 g than trấu với muối Mohr $(NH_4)_2Fe(SO_4)_2\cdot 6H_2O$ theo các tỷ lệ khối lượng xác định trong 200 mL nước cất, khuấy cơ học 1 giờ, gia nhiệt ở 100°C trong 8 giờ để làm bay hơi dung môi, sau đó nung trong chén nung ở dải nhiệt độ 300°C - 500°C trong các khoảng thời gian từ 1 đến 3 giờ để tạo thành xúc tác Ric-Fe(III).
  • Phương pháp xác định đặc trưng vi cấu trúc và thành phần: Sử dụng kính hiển vi điện tử quét (SEM) tại thang đo 50 µm và 100 µm để quan sát hình thái bề mặt và cấu trúc lỗ xốp; sử dụng phổ tán xạ năng lượng tia X (EDX) để xác định định tính và định lượng thành phần nguyên tố hóa học.
  • Phương pháp trắc quang phổ tử ngoại - khả kiến (UV-Vis): Quét phổ hấp thụ trong dải bước sóng 320 - 800 nm để tìm bước sóng hấp thụ cực đại ($\lambda_{max}$), từ đó thiết lập phương trình đường chuẩn hồi quy tuyến tính giữa mật độ quang ($Abs$) và nồng độ ($C$).
  • Phương pháp khảo sát hoạt tính xúc tác dị thể theo mẻ: Thực hiện trên 200 mL dung dịch phẩm màu RY 160 nồng độ 0,05 g/L, điều chỉnh môi trường về pH 2 bằng $H_2SO_4$ 1M và $NaOH$ 1M, bổ sung chất xúc tác Ric-Fe(III) và dung dịch $H_2O_2$ 30%, khuấy đều trong 120 phút. Mẫu được lấy định kỳ, lọc qua giấy lọc băng xanh và đo độ hấp thụ quang để tính toán hiệu suất xử lý $H(%)$.
Tên phẩm màu Ký hiệu Công thức phân tử Phân tử lượng (g/mol) $\lambda_{max}$ (nm) Phương trình đường chuẩn ($y = Abs, x = C$) Hệ số tương quan ($R^2$)
Reactive Yellow 160 RY 160 $\text{C}{25}\text{H}{22}\text{ClN}_9\text{Na}2\text{O}{12}\text{S}_3$ 818,13 422 $y = 37,034x - 0,0013$ 0,9997
Direct Red 239 DR 239 $\text{C}{31}\text{H}{19}\text{ClN}_7\text{Na}5\text{O}{19}\text{S}_6$ 1136,32 550 $y = 19,089x - 0,0090$ 0,9999
Direct Blue 199 DB 199 - - 608 $y = 26,971x - 0,0072$ 1,0000
Direct Red 224 DR 224 $\text{C}{41}\text{H}{34}\text{N}_{10}\text{Na}4\text{O}{18}\text{S}_4$ 1174,99 549 $y = 32,627x - 0,0343$ 0,9993
Acid Red 23 AR 23 $\text{C}{18}\text{H}{13}\text{N}_3\text{Na}_2\text{O}_8\text{S}_2$ 509,42 500 $y = 26,145x - 0,0262$ 0,9993

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan về vấn đề nghiên cứu

Chương này tập trung phân tích tổng quan nguồn gốc phát sinh, lưu lượng và các thông số ô nhiễm chính của nước thải ngành dệt nhuộm, đặc biệt là các công đoạn giũ hồ, nấu, tẩy và nhuộm sợi. Tác giả dẫn chứng số liệu tổn thất thuốc nhuộm vào dòng thải theo từng chủng loại xơ sợi: thuốc nhuộm hoạt tính trên sợi xenlulo có mức tổn thất cao nhất từ 10% đến 50%, thuốc nhuộm trực tiếp mất từ 5% đến 30%, thuốc nhuộm lưu hóa mất từ 10% đến 40%, và thuốc nhuộm axit trên sợi polyamit mất từ 5% đến 10%. Số liệu nghiên cứu của Hobbs tại Anh cho thấy nồng độ thuốc nhuộm trong nước sông do dệt nhuộm thải loại có thể đạt mức xấu nhất lên tới 1555 mg/L đối với thuốc nhuộm hoạt tính và 364 mg/L đối với thuốc nhuộm axit.

Tác giả so sánh chi tiết ưu nhược điểm của các nhóm công nghệ xử lý nước thải dệt nhuộm hiện hữu:

  • Phương pháp cơ học (song chắn, lắng, vi lọc, siêu lọc, lọc nano, thẩm thấu ngược): Có thể tách chất rắn lơ lửng nhưng chi phí màng lọc cao, màng dễ bị tắc bẩn và không phá hủy triệt để phân tử màu có khối lượng phân tử thấp.
  • Phương pháp hóa lý (hấp phụ bằng than hoạt tính, keo tụ tạo bông bằng phèn nhôm hoặc phèn sắt): Phương pháp hấp phụ có chi phí vận hành cao và chỉ chuyển pha ô nhiễm; phương pháp keo tụ tạo ra lượng bùn thải lớn và kém hiệu quả đối với các loại thuốc nhuộm tan.
  • Phương pháp sinh học (hiếu khí, kỵ khí bằng bùn hoạt tính): Chi phí thấp nhưng thời gian xử lý kéo dài và hiệu quả xử lý các chất màu hữu cơ khó phân hủy rất thấp.
  • Phương pháp hóa học (trung hòa, clo hóa, ozon hóa và oxy hóa nâng cao AOPs): Phản ứng Fenton thể hiện tiềm năng phân hủy nhanh, tuy nhiên quá trình Fenton đồng thể đòi hỏi chi phí hóa chất trung hòa và xử lý bùn cặn sắt.

Về vật liệu than trấu, văn bản trình bày đặc tính cấu tạo chứa 75% chất hữu cơ dễ bay hơi, 25% tro với hàm lượng silic dioxit chiếm 58% tro, hàm lượng carbon cố định đạt 48,73%, diện tích bề mặt lớn, mở ra tiềm năng ứng dụng làm giá mang xúc tác kim loại nhằm xử lý chất ô nhiễm trong môi trường nước.

Chương 2: Mục tiêu - Đối tượng - Nội dung phương pháp nghiên cứu

Chương 2 mô tả chi tiết thiết kế thí nghiệm, danh mục hóa chất, trang thiết bị và các phương pháp nghiên cứu thực nghiệm. Hóa chất sử dụng gồm phẩm màu RY 160, $H_2SO_4$ 98,08%, $NaOH$ rắn, muối Mohr $(NH_4)_2Fe(SO_4)_2\cdot 6H_2O$ rắn, $H_2O_2$ 30% và than trấu. Thiết bị thực nghiệm gồm máy đo quang UV-Vis, cân phân tích, lò nung, máy khuấy từ gia nhiệt, máy đo pH Hanna HI 2211, tủ sấy và hệ thống kính hiển vi điện tử SEM, phổ EDX.

Nội dung nghiên cứu bao gồm quy trình biến tính than trấu ở các điều kiện nhiệt độ nung, thời gian nung và tỷ lệ muối Mohr khác nhau; xác định vi cấu trúc và thành phần nguyên tố bằng kỹ thuật SEM và EDX; lập đường chuẩn trắc quang cho 5 loại phẩm màu công nghiệp; và khảo sát các yếu tố công nghệ ảnh hưởng đến phản ứng Fenton dị thể bao gồm hàm lượng xúc tác Ric-Fe(III), nồng độ chất oxy hóa $H_2O_2$, thời gian phản ứng, khả năng tái sử dụng xúc tác và khả năng phân hủy mở rộng trên các phẩm màu khác.

Chương 3: Kết quả và thảo luận

Chương 3 trình bày các phát hiện thực nghiệm và phân tích dữ liệu nghiên cứu:

  • Đặc trưng hình thái và thành phần vật liệu sau biến tính: Ảnh chụp SEM cho thấy bề mặt than trấu sau xử lý ngâm tẩm và gia nhiệt có bề mặt sần sùi, xuất hiện nhiều lỗ xốp, không trơn nhẵn, tạo điều kiện thuận lợi cho việc hình thành các tâm hấp phụ và tâm xúc tác phản ứng. Phổ EDX khẳng định sự có mặt của sắt trong mạng cấu trúc than trấu với tỷ lệ 0,65% khối lượng (0,25% nguyên tử). Tỷ lệ nguyên tử của oxy đạt 50,63% và silic đạt 43,45%, chứng minh Si tồn tại chủ yếu ở dạng $SiO_2$, trong khi muối Mohr chuyển hóa thành dạng oxit sắt $Fe_2O_3$ phân tán đều trên bề mặt.
Nguyên tố Thành phần nguyên tố theo khối lượng (%) Thành phần nguyên tử (%)
Silic (Si) 57,60 43,45
Oxy (O) 38,23 50,63
Carbon (C) 3,08 5,43
Sắt (Fe) 0,65 0,25
Kali (K) 0,35 0,19
Canxi (Ca) 0,09 0,05
  • Tối ưu hóa điều kiện biến tính than trấu: Khảo sát phản ứng phân hủy phẩm màu RY 160 (0,05 g/L, pH 2, $[H_2O_2] = 9,79$ mM, nồng độ xúc tác 1 g/L) qua các thông số biến tính thu được kết quả:
    • Lượng muối Mohr: Ba mẫu M1 (0,5 g muối / 10 g than trấu), M2 (1,0 g muối / 10 g than trấu) và M3 (1,5 g muối / 10 g than trấu) cho hiệu suất xử lý sau 120 phút lần lượt là 81,10%, 94,78% và 94,03%. Mẫu M2 được chọn để tối ưu hiệu quả và tránh thôi nhiễm sắt gây ô nhiễm thứ cấp.
    • Nhiệt độ nung: Khảo sát tại 300°C, 400°C và 500°C (nung trong 3 giờ với mẫu M2) cho hiệu suất tại 120 phút lần lượt là 75,86%, 69,12% và 94,78%. Nhiệt độ nung tối ưu được xác định là 500°C.
    • Thời gian nung: Khảo sát thời gian 1 giờ, 2 giờ và 3 giờ ở 500°C cho hiệu suất sau 120 phút lần lượt là 90,51%, 54,34% và 94,78%. Mẫu nung 3 giờ đạt hiệu suất vượt trội ở mốc 60 phút (79,19% so với 50,90% của mẫu 1 giờ và 38,23% của mẫu 2 giờ), do đó 3 giờ là thời gian nung tối ưu.
Yếu tố khảo sát Mức thông số thực nghiệm Hiệu suất sau 60 phút (%) Hiệu suất sau 120 phút (%) Kết luận lựa chọn
Lượng muối Mohr 0,5 g (Mẫu M1) 49,37 81,10
(trên 10 g than trấu) 1,0 g (Mẫu M2) 79,19 94,78 1,0 g muối Mohr
1,5 g (Mẫu M3) 78,96 94,03
Nhiệt độ nung 300°C 38,64 75,86
(thời gian nung 3 giờ) 400°C 43,53 69,12
500°C 79,19 94,78 500°C
Thời gian nung 1 giờ 50,90 90,51
(ở nhiệt độ 500°C) 2 giờ 38,23 54,34
3 giờ 79,19 94,78 3 giờ
  • Tối ưu hóa điều kiện thực hiện phản ứng Fenton dị thể:
    • Hàm lượng chất xúc tác Ric-Fe(III): Khảo sát ở các mức 0,25 g/L; 0,5 g/L và 1,0 g/L cho thấy hiệu suất tăng dần theo lượng xúc tác. Tại mốc 120 phút, hiệu suất tương ứng đạt 42,54%, 55,55% và 94,78%. Mức 1,0 g/L được chọn làm thông số tối ưu.
    • Nồng độ chất oxy hóa $H_2O_2$: Khảo sát ở các mức 2,45 mM; 4,89 mM và 9,79 mM cho thấy hiệu suất sau 120 phút tăng từ 32,41% (ở 2,45 mM), 63,67% (ở 4,89 mM) lên 94,78% (ở 9,79 mM). Nồng độ 9,79 mM cho kết quả tốt nhất.
    • Ảnh hưởng của thời gian phản ứng: Hiệu suất tăng đều theo thời gian phản ứng: 10 phút đạt 17%, 20 phút đạt 24%, 30 phút đạt 28%, 40 phút đạt 50%, 60 phút đạt 67%, 90 phút đạt 92% và đạt 95% sau 120 phút.
    • Đánh giá khả năng tái sử dụng: Vật liệu xúc tác sau phản ứng được thu hồi qua giấy lọc, sấy khô ở 50°C qua đêm và thử nghiệm ở chu kỳ 2 (với nồng độ chất phản ứng tăng cường: 2 g/L vật liệu, 19,6 mM $H_2O_2$, 0,1 g/L RY 160, pH 2), kết quả hiệu suất xử lý đạt 57% sau 120 phút.
    • Khả năng xử lý đối với các phẩm màu khác: Áp dụng điều kiện tối ưu cho 4 phẩm màu thương mại khác thu được hiệu suất sau 120 phút lần lượt là Direct Red 224 đạt 74%, Direct Red 239 đạt 71%, Acid Red 23 đạt 64% (kết luận ghi nhận 63%) và Direct Blue 199 đạt 34%.
Điều kiện phản ứng Fenton dị thể Mức khảo sát Hiệu suất sau 60 phút (%) Hiệu suất sau 120 phút (%)
Hàm lượng xúc tác Ric-Fe(III) 0,25 g/L 25,78 42,54
0,5 g/L 39,20 55,55
1,0 g/L 79,19 94,78
Nồng độ $H_2O_2$ 2,45 mM 23,99 32,41
4,89 mM 41,28 63,67
9,79 mM 79,19 94,78

Kết quả và đóng góp

Nghiên cứu đã đạt được các kết quả thực nghiệm cụ thể sau:

  • Xác lập quy trình điều chế xúc tác dị thể Ric-Fe(III) từ than trấu với điều kiện tối ưu: phối trộn 1,0 g muối Mohr với 10 g than trấu, gia nhiệt bay hơi ở 100°C trong 8 giờ và nung ở nhiệt độ 500°C trong thời gian 3 giờ.
  • Xác định cấu trúc vi mô của vật liệu: Than trấu sau biến tính có bề mặt gồ ghề, nhiều lỗ xốp, chứa hàm lượng Si chiếm 57,60% và O chiếm 38,23% (tồn tại chủ yếu dưới dạng $SiO_2$), đồng thời hàm lượng sắt gắn kết thành công đạt 0,65% khối lượng dưới dạng oxit sắt $Fe_2O_3$, đóng vai trò trung tâm xúc tác phản ứng.
  • Xác lập chế độ phản ứng Fenton dị thể tối ưu để phân hủy phẩm màu Reactive Yellow 160 (0,05 g/L): nồng độ xúc tác Ric-Fe(III) là 1 g/L, nồng độ $H_2O_2$ là 9,79 mM (tương đương 0,2 mL dung dịch $H_2O_2$ 30% trong 200 mL), pH 2, nhiệt độ phòng, thời gian phản ứng 120 phút cho hiệu suất xử lý đạt từ 94,78% đến 95%.
  • Đánh giá khả năng mở rộng xử lý: Hệ xúc tác Ric-Fe(III)/$H_2O_2$ thể hiện hoạt tính phân hủy tốt trên các phẩm màu azo đỏ thông dụng gồm Direct Red 224 (74%), Direct Red 239 (71%), Acid Red 23 (63% - 64%), trong khi phẩm màu Direct Blue 199 đạt 34%.
  • Kiểm chứng khả năng thu hồi và tái sử dụng: Vật liệu Ric-Fe(III) sau khi thu hồi bằng phương pháp lọc đơn giản và sấy khô ở 50°C có thể tái sử dụng ở chu kỳ thứ hai với hiệu suất xử lý đạt 57%.

Về mặt đóng góp và giải pháp kỹ thuật, nghiên cứu đã đề xuất giải pháp tận dụng phụ phẩm nông nghiệp phổ biến là than trấu để chế tạo vật liệu xúc tác dị thể chi phí thấp, thân thiện với môi trường. Phương pháp này giải quyết được hạn chế căn bản của kỹ thuật Fenton đồng thể truyền thống là không phát sinh bùn thải hydroxit sắt với khối lượng lớn sau quá trình trung hòa, đồng thời cho phép thu hồi và tái sử dụng xúc tác bằng thao tác lọc cơ học đơn giản. Đối với các loại phẩm màu khó phân hủy như Direct Blue 199, tác giả đề xuất kéo dài thời gian phản ứng và tăng cường hàm lượng chất xúc tác để nâng cao hiệu suất làm sạch màu.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Khóa luận tự nhìn nhận các điểm hạn chế do giới hạn về mặt thời gian thực hiện:

  • Chưa làm rõ cơ chế phản ứng cụ thể ở cấp độ phân tử của quá trình Fenton dị thể xảy ra trên bề mặt xúc tác than trấu biến tính.
  • Chưa khảo sát và đối chứng đầy đủ các đặc trưng hình thái bề mặt và thành phần nguyên tố của mẫu than trấu nguyên bản trước khi thực hiện biến tính.

Các hướng nghiên cứu tiếp theo được tác giả đề xuất:

  • Tiếp tục nghiên cứu chuyên sâu về cấu trúc vi mô và cơ chế xúc tác của vật liệu than trấu nhằm nâng cao hoạt tính oxy hóa và độ bền tái sử dụng qua nhiều chu kỳ.
  • Mở rộng phạm vi thử nghiệm kỹ thuật Fenton dị thể sử dụng than trấu biến tính để đánh giá khả năng suy giảm tải lượng nhu cầu oxy hóa học (COD) trên các dung dịch phẩm màu và các mẫu nước thải dệt nhuộm thực tế ngoài hiện trường.

Giá trị tham khảo

Khóa luận là tài liệu tham khảo chuyên khảo hữu ích cho sinh viên, học viên cao học và nghiên cứu viên thuộc các chuyên ngành Khoa học Môi trường, Kỹ thuật Hóa học, Kỹ thuật Môi trường và Quản lý Tài nguyên. Các nội dung có giá trị ứng dụng cao bao gồm:

  • Quy trình thực nghiệm chi tiết về biến tính phụ phẩm than trấu bằng phương pháp ngâm tẩm muối sắt và gia nhiệt phân hủy nhiệt.
  • Bộ thông số bước sóng hấp thụ cực đại ($\lambda_{max}$) và hệ thống phương trình đường chuẩn hồi quy tuyến tính của 5 loại phẩm màu dệt nhuộm công nghiệp phổ biến (RY 160, DR 239, DB 199, DR 224, AR 23).
  • Phương pháp luận thiết kế thí nghiệm theo mẻ nhằm tối ưu hóa các thông số vận hành của hệ xúc tác oxy hóa nâng cao (hàm lượng xúc tác, nồng độ tác nhân oxy hóa, pH, thời gian).

Câu hỏi thường gặp

1. Thành phần nguyên tố của vật liệu than trấu sau biến tính bằng muối Mohr được xác định như thế nào?
Theo kết quả phân tích phổ tán xạ năng lượng tia X (EDX), than trấu sau biến tính gồm các nguyên tố: Silic (Si) chiếm 57,60% khối lượng (43,45% nguyên tử); Oxy (O) chiếm 38,23% khối lượng (50,63% nguyên tử); Carbon (C) chiếm 3,08% khối lượng (5,43% nguyên tử); Sắt (Fe) chiếm 0,65% khối lượng (0,25% nguyên tử); Kali (K) chiếm 0,35% khối lượng (0,19% nguyên tử); và Canxi (Ca) chiếm 0,09% khối lượng (0,05% nguyên tử). Sự xuất hiện của 0,65% sắt chứng minh muối sắt đã gắn kết thành công vào cấu trúc chất mang.

2. Điều kiện tối ưu để tổng hợp vật liệu xúc tác Ric-Fe(III) từ than trấu là gì?
Điều kiện tối ưu được tác giả xác định qua thực nghiệm gồm: tỷ lệ 1,0 g muối Mohr trên 10 g than trấu (mẫu M2), khuấy trong 200 mL nước cất 1 giờ, gia nhiệt làm bay hơi nước ở 100°C trong 8 giờ, sau đó nung ở nhiệt độ 500°C trong thời gian 3 giờ.

3. Điều kiện thích hợp nhất để xử lý phẩm màu Reactive Yellow 160 bằng kỹ thuật Fenton dị thể trong nghiên cứu này là gì?
Phản ứng đạt hiệu quả cao nhất ở các điều kiện: nồng độ phẩm màu RY 160 ban đầu là 0,05 g/L; hàm lượng xúc tác Ric-Fe(III) là 1 g/L; nồng độ $H_2O_2$ là 9,79 mM (tương đương 0,2 mL dung dịch $H_2O_2$ 30% trong 200 mL); môi trường phản ứng ổn định ở pH 2; phản ứng diễn ra ở nhiệt độ phòng trong thời gian 120 phút, cho hiệu suất xử lý đạt từ 94,78% đến 95%.

4. Khả năng tái sử dụng của vật liệu Ric-Fe(III) được đánh giá như thế nào và đạt hiệu suất bao nhiêu?
Vật liệu sau phản ứng được thu hồi bằng phương pháp lọc qua giấy lọc, sấy khô ở 50°C qua đêm và đưa vào chu kỳ phản ứng thứ hai với các thông số: hàm lượng vật liệu 2 g/L, nồng độ $H_2O_2$ 19,6 mM, nồng độ RY 160 là 0,1 g/L ở pH 2. Sau 120 phút, hiệu suất xử lý ở lần tái sử dụng này đạt 57%.

5. Hiệu suất xử lý của hệ xúc tác Ric-Fe(III)/$H_2O_2$ đối với các phẩm màu dệt nhuộm khác sau 120 phút đạt kết quả ra sao?
Khi áp dụng ở điều kiện tối ưu ($[H_2O_2] = 9,79$ mM, pH 2, [Ric-Fe(III)] = 1 g/L), hiệu suất phân hủy sau 120 phút đối với các phẩm màu lần lượt là: Direct Red 224 (đỏ sen) đạt 74%; Direct Red 239 (đỏ cờ) đạt 71%; Acid Red 23 (đỏ vang) đạt 63% - 64%; và Direct Blue 199 (xanh) đạt 34%.

Kết luận

Khóa luận tốt nghiệp của tác giả Nguyễn Thị Phương Lan đã chế tạo thành công vật liệu xúc tác dị thể Ric-Fe(III) từ nguồn than trấu biến tính bằng muối sắt(II) nung ở 500°C trong 3 giờ. Vật liệu sở hữu cấu trúc bề mặt xốp giàu $SiO_2$ với hàm lượng sắt gắn kết đạt 0,65%, cho phép triển khai hiệu quả phản ứng Fenton dị thể ở pH 2 nhằm phân hủy phẩm màu Reactive Yellow 160 đạt hiệu suất 95% sau 120 phút. Nghiên cứu đồng thời chứng minh tiềm năng xử lý mở rộng trên nhiều dòng phẩm màu dệt nhuộm công nghiệp và khả năng tái sử dụng xúc tác, đóng góp cơ sở dữ liệu thực nghiệm có giá trị cho việc định hướng tái chế phụ phẩm nông nghiệp trong xử lý nước thải.