Công nghệ chế tạo vật liệu hấp phụ carbon hoạt tính...11 CHƯƠNG II NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CÚƯ...14 2.1.. Nghiên cứu khảo sát các yếu tổ ảnh hưởng đen khá năng hấp phụ của vật liệ
TỐNG QUAN VÀ QUY TRÌNH TÒNG HỢP CARBON HOẠT TÍNH TỪ BÃ MÍA
Các mô hình công nghệ và hiện trạng xử lý màu nước thải dệt nhuộm đang áp dụng tại Việt Nam
Tại Việt Nam, nhiều nhà máy dệt nhuộm đã xây dựng các hệ thống và trạm xử lý nước thải với quy mô và mức độ xử lý khác nhau nhằm giảm thiểu tác động tiêu cực đến môi trường Các phương pháp xử lý nước thải dệt nhuộm phổ biến bao gồm phương pháp hoá học, sử dụng axit trung hòa, kiềm và các chất tạo phản ứng oxy hóa khử Tuy nhiên, hiệu quả của những phương pháp này còn hạn chế, thường gây ra ô nhiễm thứ cấp, ảnh hưởng nghiêm trọng đến môi trường và sức khỏe cộng đồng.
Hiện nay, xử lý nước thải dệt nhuộm phổ biến bằng cách kết hợp giữa quá trình xử lý sinh học và keo tụ - tạo bông nhằm nâng cao hiệu quả xử lý Quá trình sinh học giúp loại bỏ các hợp chất hữu cơ dễ phân hủy sinh học và phần nào các hợp chất khó phân hủy, giảm tải cho quá trình xử lý hóa lý sau đó Việc bố trí hệ thống xử lý sinh học trước quá trình keo tụ-tạo bông giúp tiết kiệm chi phí hóa chất và giảm chi phí xử lý bùn hóa lý, mang lại hiệu quả kinh tế và môi trường Công nghệ này đã được Công ty TNHH Dệt nhuộm Xuân Hương áp dụng thành công từ năm 2008, góp phần nâng cao chất lượng nước thải và bảo vệ môi trường.
Hình 1.2 Sơ đồ công nghệ xử lý của hệ thống xử lý nước thải dệt nhuộm
Kết quả phân tích chất lượng nước của các mẫu nước lấy tại hệ thống xử lý nước thải dệt nhuộm của Công ty TNHH Xuân Hương cho thấy các chỉ tiêu nước đạt tiêu chuẩn trước và sau quá trình xử lý Các mẫu nước sau xử lý có chất lượng nâng cao, đáp ứng các quy định về môi trường, góp phần giảm thiểu tác động tiêu cực đến hệ sinh thái Thông qua phân tích này, có thể đánh giá hiệu quả của hệ thống xử lý nước thải và đảm bảo hoạt động sản xuất của công ty không gây ô nhiễm môi trường xung quanh.
Năm 2012, Viện Công nghệ môi trường phối hợp với Viện Công nghệ hoá học và các đối tác Nhật Bản tiến hành nghiên cứu công nghệ xử lý nước thải dệt nhuộm sử dụng than carbon hóa làm giá thể sinh học, mang lại hiệu quả cao [1] Mô hình thực nghiệm đã được mô tả rõ ràng trong hình 3 để minh họa quy trình và kết quả đạt được.
Bảng 1.1 Ket quả phân tích nước thái từ mô hình hệ thống xử lý nước thải ỊXuóc thai vảo pH COD, mg/1
Tổng chất rắn hòa tan, mg/ỉ Đâu vào 9-12 800-1600 450-890 250 Đâu ra sau xừ lý sinh học 8.26 199 65 3 Đâu ra sau xử lý hóa lý 7.47 114 52 20
Hình 1.3 Mô hình thực nghiệm xử lý nước thải dệt nhuộm bằng than carbon hóa
Trong hệ thống xử lý nước thải, một phần sử dụng than tre carbon hóa làm vật liệu vi sinh để nâng cao hiệu quả phân huỷ chất hữu cơ Nước thải từ thùng chứa được bơm định lượng đều vào hai hệ xử lý có lưu lượng như nhau (Ọ = 5 l/h), mỗi hệ có thể tích khác nhau và trang bị thiết bị sục khí Nước thải sau quá trình xử lý được qua bể lắng có thể tích V(lít), trong đó bùn hoạt tính lắng ở đáy bể được tuần hoàn về bể sinh học, còn bùn dư được xả bằng van xả dưới đáy bể lắng Phương pháp xử lý bùn hoạt tính dựa trên sự ổn định của các thông số như nồng độ oxy hòa tan (DO), nồng độ bùn MLSS và pH Trong hai mô hình thí nghiệm, điều kiện được tiến hành đồng bộ, chỉ khác biệt ở chỗ một mô hình có bổ sung đệm sinh học bằng than carbon hoá, còn mô hình kia không có Các hệ được khởi động trong một tháng để ổn định nồng độ MLSS khoảng 2000-3000 mg/l, sau đó lấy mẫu phân tích nước đầu vào và sau xử lý để đánh giá các chỉ tiêu COD, BOD và TOC Năm 2015, phương pháp xử lý hóa lý ứng dụng phương pháp keo tụ phèn PAC kết hợp polymer trợ keo tụ để loại bỏ ô nhiễm hữu cơ và vô cơ trong nước thải, trong đó đã đánh giá hiệu quả xử lý nước thải dệt nhuộm với các chỉ số ban đầu như pH= 9, COD= 800 mg/l, độ màu = 750 Pt.
Nghiên cứu cho thấy hiệu quả xử lý của chất keo tụ hóa học và sinh học đều rất khả quan Cụ thể, chất trợ keo tụ hóa học Polymer anion đạt hiệu suất xử lý COD 60,3%, độ màu 87,3% và tỉ lệ SS 93,2% Trong khi đó, chất trợ keo tụ sinh học gum muông hoàng yến cho hiệu quả xử lý COD 59,7%, độ màu 87,1% và tỉ lệ SS 92,8% Kết quả này cho thấy sự tương đương về hiệu suất giữa hai loại chất trợ keo tụ trong quá trình xử lý.
Nghiên cứu mô hình xử lý màu nước thải dệt nhuộm bằng phương pháp hấp phụ trên thế giới và trong nước
Ngoài các phương pháp xử lý hoá học, còn có các công nghệ như xử lý bằng ozone, kết hợp ozone sinh học, và công nghệ màng điện hoá, giúp nước thải sau xử lý có thể tái sử dụng trong sản xuất, nhưng vẫn gặp nhiều khó khăn về ứng dụng và chi phí cao Trong bối cảnh ngành dệt nhuộm phát triển mạnh và yêu cầu xử lý nước thải ngày càng khắt khe để bảo vệ môi trường, việc tìm kiếm công nghệ xử lý nước thải dệt nhuộm hiệu quả, kinh tế, ít sử dụng hoá chất, thân thiện với môi trường trở nên cấp thiết Các nhà khoa học từ Viện Công nghệ Môi trường phối hợp với Viện Công nghệ Hoá học và đối tác Nhật Bản đã tiến hành nghiên cứu công nghệ xử lý nước thải dệt nhuộm sử dụng than carbon hoá làm giá thể sinh học, đạt được nhiều kết quả khả quan Nghiên cứu được thử nghiệm tại một số nhà máy dệt nhuộm trong nước như khu công nghiệp Phố Nối B (Hưng Yên) và công ty Cổ phần Bitexco Nam Long (Thái Bình).
Hình 1.4 Hình ánh SEM chụp cẩu trúc than carbon hoả từ tre Việt Nam
Than carbon được sản xuất qua công nghệ carbon hoá bằng cách nhiệt phân các nguyên liệu như tre, gồ, trấu, gáo dừa, lõi ngô trong điều kiện thiếu hoặc không oxy, nguyên liệu này chủ yếu lấy từ rác thải sinh hoạt, nông nghiệp và công nghiệp Nghiên cứu cho thấy, than tre phù hợp làm giá thể vi sinh trong xử lý nước thải nhờ có nhiều lỗ xốp nhỏ, kích thước từ 20-50nm và diện tích bề mặt 400m²/g Trong quá trình nhiệt phân ở nhiệt độ 600-650°C, thời gian phản ứng 60 phút, than carbon hình thành có khả năng tối ưu hóa hiệu suất xử lý các chỉ tiêu như TOC, COD và BOD, cao hơn 1,5 đến 2,7 lần so với mô hình không dùng than carbon hoá Kết quả thực nghiệm cho thấy, việc sử dụng than carbon làm giá thể giúp giảm hàm lượng ô nhiễm tại đầu ra của hệ thống xử lý, đồng thời duy trì mức độ ổn định của nước thải sau xử lý.
TOC change of d\einsj CTW ư eat me nt
Hình 1.5 Hiệu quả xử lý BOD (A), COD (B), TOC (C)
Kết quả nghiên cứu là một phần quan trọng trong Dự án hợp tác "Nghiên cứu xây dựng công nghệ sinh thải xử lý nước thải nhuộm" giữa Viện Công nghệ môi trường Nghiên cứu này tập trung phát triển công nghệ sinh thải hiệu quả để xử lý nước thải nhuộm, góp phần bảo vệ môi trường Dự án nhằm nâng cao hiệu suất xử lý nước thải đảm bảo yếu tố thân thiện với môi trường và hướng tới sựbền vững trong công nghiệp nhuộm Các kết quả thu thập được sẽ giúp tối ưu hóa quy trình xử lý nước thải, giảm thiểu tác động tiêu cực đến môi trường và nâng cao chất lượng cuộc sống cộng đồng.
Viện Công nghệ Hóa học và Viện Nghiên cứu Quản lý Môi trường của Nhật Bản đã ứng dụng thành công than carbon làm vật liệu hấp phụ xử lý ô nhiễm môi trường, góp phần bảo vệ sự trong lành của hệ sinh thái Ngoài ra, than carbon còn được sử dụng rộng rãi trong đời sống và sản xuất, đặc biệt là làm nhiên liệu trong công nghiệp nhờ vào nhiệt trị cao Quá trình sản xuất than carbon diễn ra qua công nghệ nhiệt phân chất thải rắn, góp phần thúc đẩy các ứng dụng bền vững trong tương lai Xu hướng phát triển này hứa hẹn mang lại lợi ích lớn cho môi trường và nền kinh tế bền vững.
Phương pháp hóa lý được ứng dụng rộng rãi để xử lý nước thải ô nhiễm hữu cơ và vô cơ, trong đó sử dụng chất keo tụ PAC (Poly Alumino Clorua) kết hợp với chất trợ keo tụ Polymer và các chất trợ keo sinh học như gum muồng hoàng yên Nhiều nghiên cứu, bao gồm báo cáo của tác giả Đào Minh Trung, đã đánh giá hiệu quả xử lý nước thải dệt nhuộm có các thông số ban đầu như pH=9, COD=800 mg O2/l, độ màu=750 Pt-Co Kết quả cho thấy, hiệu suất xử lý hóa lý bằng chất trợ keo tụ hóa học và sinh học tương đương nhau, với hiệu quả xử lý COD đạt hơn 60%, độ màu hơn 87%, và trong đó, chất trợ keo tụ hóa học Polymer anion đạt tỷ lệ xử lý COD 60,3%, độ màu 87,3%, và ss 93,2%, còn chất trợ keo tụ sinh học cho kết quả tương tự, lần lượt là 59,7%, 87,1% và 92,8%.
Nghiên cứu của tác giả Lê Xuân Vinh và cộng sự đã áp dụng quá trình UV/Fenton để xử lý nước thải, tối ưu hóa các thông số như nồng độ H2O2 (660 mg/L), nồng độ Fe2+ (20 mg/L), pH (3), thời gian phản ứng (90 phút) và tốc độ khuấy (100 vòng/phút) Trước phản ứng, nước thải được sục khí trong 24 giờ và lọc qua giấy lọc kích thước lỗ 20 μm để loại bỏ tạp chất Kết quả cho thấy, nhờ các điều chỉnh này, hiệu quả loại bỏ màu và COD đạt lần lượt 94,5% và 75,5%, cho thấy quy trình UV/Fenton tối ưu trong xử lý nước thải.
Tỷ lệ BOD5/COD được nâng từ 0,1 lên 0,45 để cải thiện hiệu quả xử lý nước thải Đồng thời, ảnh hưởng của các anion Cl' và SO42' đến quá trình xử lý cũng đã được kiểm tra, trong đó cả hai anion này đều làm giảm khả năng khoáng hóa do khả năng bắt giữ gốc tự do hydroxyl và tạo phức bền với ion sắt Điều này cho thấy việc kiểm soát các hợp chất này là cần thiết để tối ưu hóa quá trình xử lý nước thải.
Nghiên cứu của Nguyễn Thị Hà cho thấy bông đã được dùng làm vật liệu hấp phụ hiệu quả trong xử lý màu nước thải nhuộm, đạt hiệu quả cao với phương pháp xử lý hoạt hóa bằng axit H2SO4 đậm đặc, đạt khoảng 70% hiệu quả (theo khối lượng vật liệu thô) Kích thước hạt tối ưu là 0,25 mm, giúp nâng cao khả năng hấp phụ Hiệu quả xử lý màu đạt 75% theo mật độ quang và COD đạt 97% ở pH 7-8, với tỷ lệ hữu cơ/vật liệu 15 mg/g, thời gian hấp phụ 15 phút và tốc độ dòng 0,6 l/h trong hệ động Trong điều kiện thực tế, quá trình xử lý COD đạt 68%, giảm từ 800 xuống còn 256 mg/l khi sử dụng tỷ lệ vật liệu hấp phụ/COD là 1/4, với hiệu quả có thể được nâng cao bằng cách gia tăng thời gian hấp phụ hoặc giảm tỷ lệ vật liệu hấp phụ/COD.
Công nghệ chế tạo vật liệu hấp phụ carbon hoạt tính
Carbon là nguyên tố then chốt trong cuộc cách mạng khoa học vật liệu, mang lại nhiều ứng dụng quan trọng trong các lĩnh vực công nghiệp Từ carbon, chúng ta có thể sản xuất than hoạt tính, một chất hấp phụ xốp có khả năng hấp thụ vượt trội, đã được sử dụng rộng rãi nhờ các đặc tính nổi bật như độ xốp cao và khả năng xử lý hiệu quả Than hoạt tính đóng vai trò quan trọng trong các ứng dụng công nghiệp như lọc nước, xử lý khí thải, và các quy trình purification, góp phần nâng cao hiệu quả và bảo vệ môi trường.
Than hoạt tính là một loại vật liệu có khả năng hấp phụ cao nhờ vào cấu trúc mao quản đặc biệt, giúp tăng diện tích bề mặt lên tới 800 - 1500 m²/g Nhờ vào diện tích lớn này, than hoạt tính hoạt động hiệu quả trong việc loại bỏ các chất độc hại và tạp chất trong nhiều ứng dụng khác nhau Các lỗ nhỏ có bán kính dưới 2mm cùng với thể tích mao quản từ 0,2 đến 0,6 cm³/g đóng vai trò quan trọng trong khả năng hấp phụ của than hoạt tính Với đặc điểm nổi bật về cấu trúc và diện tích bề mặt, than hoạt tính thường được sử dụng trong các lĩnh vực như xử lý nước, lọc không khí và công nghiệp xử lý hóa chất.
Nhiều nguyên liệu khác nhau như gỗ, nhựa, đá hoặc vật liệu tổng hợp có thể được sử dụng để sản xuất than hoạt tính mà không cần qua quá trình chuyển đổi thành carbon, vẫn đảm bảo hiệu quả tương tự Than hoạt tính được làm từ nguyên liệu tự nhiên qua quá trình than hóa và xử lý tiếp theo, trong đó các thành phần chuyển hóa thành khí và bay hơi, tạo ra các lỗ trống xốp (mao quản) Hiện nay, trên thị trường, than hoạt tính được bán dưới ba dạng chính: dạng bột, dạng hạt và dạng viên cải tiến (dưới áp suất cao).
Cấu trúc mao quản của than hoạt tính
Các mao quản trong than hoạt tính được chia thành ba loại theo kích thước của chúng
- Mao quản micro (mao quản nhỏ); nhừng mao quản có bán kính nhỏ hơn Inm.
- Mao quản meso (mao quản trung): nhùng mao quản có bán kính từ 1 - 25 nm.
- Mao quản macro (mao quản lớn): những mao quản có bán kính trên 25 nm.
Hình 1.6 Cấu trúc mao quản của than hoạt tỉnh
Than hoạt tính có mao quản lớn thường được sử dụng để vận chuyển chất lỏng, trong khi đó, than hoạt tính có mao quản vừa và nhỏ thường phù hợp cho quá trình hấp phụ Các mao quản này được hình thành trong quá trình sản xuất khi nguyên liệu được hoạt hóa, không phải do phản ứng hóa học tạo ra.
Than hoạt tính được chế tạo từ than bùn có chứa mao quản meso và micro, giúp điều chỉnh quá trình hình thành mao quản để phù hợp với từng ứng dụng Quá trình sản xuất than hoạt tính có thể kiểm soát nhằm tạo ra nhiều mao quản meso, nâng cao hiệu quả hấp thụ và lọc bụi bẩn Than hoạt tính dạng bột chứa nhiều mao quản meso với kích thước từ 1 đến 4 nm, cùng các mao quản lớn hơn, mang lại khả năng hấp thụ rộng rãi Sử dụng than hoạt tính có mao quản meso đa dạng kích thước là lựa chọn lý tưởng cho các ứng dụng lọc, xử lý môi trường và công nghiệp.
Than hoạt tính chế tạo từ than đá chứa các khe mao quản micro và meso, mang lại khả năng lọc và hấp thụ đa chức năng hiệu quả Một trong những loại than phổ biến nhất hiện nay có cỡ hạt từ 0,4 đến 1,4 mm, phù hợp cho nhiều ứng dụng khác nhau Gần đây, loại than mới với cỡ hạt nhỏ hơn, khoảng 0,4 đến 0,85 mm, ngày càng được sử dụng rộng rãi nhờ khả năng lọc tốt hơn và hiệu quả cao hơn trong các lĩnh vực cần công suất tối ưu.
Than hoạt tính từ vỏ dừa có cấu trúc mao quản micro với kích thước dưới 1nm, giúp hiệu quả trong quá trình lọc và hấp phụ Tuy nhiên, khi sử dụng để tinh chế con, do chứa nhiều tạp chất với kích thước khoảng 2-10nm có thể gây tắc nghẽn mao quản và giảm năng suất hoạt động của than hoạt tính Dù gặp phải vấn đề này, nhưng nhờ khả năng hấp phụ vượt trội, than hoạt tính từ dừa vẫn có thể phát huy hiệu quả gấp 2-3 lần so với các loại than hoạt tính khác.
Than hoạt tính chế tạo bằng phương pháp hoạt hóa hóa học có độ xốp cao hơn nhiều so với hoạt hóa bằng hơi nước, giúp tạo ra nhiều mao quản micro và meso, tăng khả năng hấp thụ và ứng dụng trong các lĩnh vực lọc và xử lý môi trường.
Tái sinh than hoạt tính
Có 2 cách tái sinh than hoạt tính: tái sinh nhiệt và tái sinh hơi nước
+ Tái sinh bằng nhiệt trong công nghiệp được thực hiện theo các bước sau:
Than hoạt tính được sấy khô
Sau đó gia nhiệt để carbon hóa các tạp chất chứa trong các mao quản cùa than hoạt tính.
Than hoạt tính được hoạt hóa ở nhiệt độ từ 700 đến 1000 °C, trong đó các tạp chất chuyển thành hơi và thoát ra khỏi cấu trúc Quá trình hoạt hóa diễn ra trong môi trường yếm khí để ngăn chặn việc than bị đốt cháy Nhờ đó, các mao quản bên trong than hoạt tính được hình thành một lần nữa, giúp tái sinh và nâng cao hiệu quả của than hoạt tính trong các ứng dụng lọc và xử lý môi trường.
+ Tái sinh bằng hơi nước là phương pháp thường được sử dụng trong công nghiệp tinh chế con Nó được thực hiện theo các bước sau:
Lọc ngược dòng với nước nóng Được thực hiện từ trên xuống Trong các bộ lọc than hoạt tính luôn luôn thực hiện từ dưới lên.
Hơi nước ở nhiệt độ 120-130°C được đưa qua than hoạt tính đã được làm nóng đến mức tương tự để loại bỏ các tạp chất và rượu tạp trong quá trình xử lý Quá trình này diễn ra theo chiều từ trên xuống, giúp hơi nước mang theo các tạp chất bay hơi khỏi các mao quản của than hoạt tính, đảm bảo hiệu quả làm sạch cao.
Cuối cùng than hoạt tính được rửa ngược và sằn sàng sử dụng lại. ủng dụng
Môi trường không khí cần được xử lý hiệu quả để đảm bảo an toàn và sức khỏe cho con người Các sản phẩm như mặt nạ phòng độc giúp bảo vệ người dùng khỏi các khí độc hại trong không khí ô nhiễm Ngoài ra, các thiết bị làm sạch mùi, khử màu và xử lý dầu mỡ còn giúp loại bỏ mùi hôi và các tạp chất gây ô nhiễm, góp phần cải thiện chất lượng không khí trong khu vực Việc xử lý ô nhiễm không khí là yếu tố quan trọng trong việc duy trì môi trường trong lành và an toàn cho cộng đồng.
Môi trường nước đóng vai trò thiết yếu trong việc làm sạch nước để uống, xử lý nước sinh hoạt và xử lý nước thải của các công trình có độ nhiễm bẩn thấp Ngoài ra, các hệ thống xử lý nước thải công nghiệp và xử lý bậc ba nước thải công nghiệp và đô thị góp phần giảm thiểu ô nhiễm, bảo vệ môi trường nước Việc áp dụng công nghệ xử lý nước tiên tiến giúp nâng cao chất lượng nước sạch, đáp ứng tiêu chuẩn an toàn cho sức khỏe cộng đồng và phát triển bền vững.
NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CÚƯ
Nội dung nghiên cứu
2.1.1 Nghiên cứu lựa chọn bã mía làm vật liệu chế tạo carbon hoạt tính
Trong nền nông nghiệp lâu đời của Việt Nam, bã mía là một phụ phẩm nông nghiệp phong phú và có chi phí thấp Thành phần chính của bã mía bao gồm cellulose, hemicellulose và lignin, làm cho nó trở thành nguyên liệu lý tưởng để sản xuất carbon hoạt tính.
Cellulose là dạng tinh bột đại phân tử có công thức hóa học (C6H10O5)n, chia thành hai loại: cellulose không dung dịch và cellulose khả dung Đây là chất rắn dạng sợi, có màu trắng, không mùi, không vị, được đánh giá cao về tính bền vững cơ học và khả năng chịu nhiệt lên đến 200°C mà không bị phân hủy Tỷ trọng của cellulose khi khô là 1,45, và khi thẩm nước, nó mềm đi, giúp dễ dàng xử lý và ứng dụng trong nhiều ngành công nghiệp Cellulose không tan trong nước cũng như các dung môi hữu cơ, nhưng lại tan trong dung dịch Schweizer (dung dịch Cu(OH)2 trong ammoniac NH3), axit vô cơ mạnh như HCl, HNO3, và một số dung dịch muối như ZnCl2, PbCrO4, qua đó mở ra nhiều khả năng ứng dụng trong sản xuất và nghiên cứu.
Hình 2.1 Cẩu trúc hoả học của cellulose
Hemicellulose là polysaccarit giống cellulose nhưng có cấu trúc phức tạp hơn và thành phần hóa học đa dạng, gồm các đơn vị mắt xích như D-glucozơ, D-mannozơ, D-galactozo, D-xylozơ, và L-arabinozơ Khác với cellulose là homopolyme chỉ gồm đơn vị p-D-glucoza, hemicellulose là copolyme nhiều loại đơn vị mắt xích, phù hợp với loài cây khác nhau về thành phần và tỷ lệ Về hình dạng mạch, cellulose là polymer mạch thẳng, trong khi hemicellulose có cả mạch thẳng và mạch phân nhánh, trong đó một số polysaccarit có độ phân nhánh cao.
Hình 2.2 Công thức hoả học của hemicellulose
Lignin là nhựa nhiệt dẻo, mềm đi dưới tác dụng của nhiệt độ và dễ hòa tan trong một số hợp chất hóa học, có màu trắng tự nhiên Cấu trúc phức tạp của lignin là một polyphenol với mạng không gian mở, thành phần thay đổi theo loại gỗ, tuổi cây hoặc vị trí trong gỗ, với đơn vị cơ bản là phenyl propan Các dạng cấu trúc điển hình của lignin gồm Guaicyl propan (G), Syringyl propan (S) và Parahydroxylphenyl propan (P) Lignin chứa các nhóm chức quan trọng như -OH của phenol, -OH bậc 1 và bậc 2, nhóm -OCH3 (metoxy), nhóm carbonyl và khả năng enol hóa, tạo ra liên kết đôi và nhóm -OH Trong điều kiện trung bình, lignin dễ bị oxi hóa thành các sản phẩm axit thơm như axit benzoic và protocacheuic; còn trong điều kiện mạnh hơn, lignin chuyển thành các hợp chất axit như axetic và oxalic Các hợp chất phenol liên quan đến lignin gồm trans-Coniferyl alcohol (Guaicyl G), trans-Sinapyl alcohol (S), và p-Coumaryl alcohol (P).
Hình 2.3 Công thức hoá học của lignin
Theo thống kê toàn cầu, có khoảng 200 quốc gia và vùng lãnh thổ trồng mía, chủ yếu tập trung tại các khu vực nhiệt đới và cận nhiệt đới Tại Việt Nam, mía là cây trồng phổ biến, đóng vai trò quan trọng trong ngành công nghiệp sản xuất đường mía Hiện nay, diện tích trồng mía của Việt Nam không ngừng tăng trưởng, góp phần thúc đẩy phát triển kinh tế nông nghiệp và nâng cao chất lượng nguồn nguyên liệu cho ngành đường.
Trong vụ mùa mía 2012-2013, tổng sản lượng mía ép công nghiệp đạt 16,6 triệu tấn, còn năm 2014, sản lượng này là 2,5 triệu tấn mía Theo các nhà khoa học, ngoài phần chính là đường chiếm 62-70% trọng lượng mía, phụ phẩm như bã mía (25-30%), mật gỉ (3-5%) và bùn lọc (1,5-3%) cũng đóng vai trò quan trọng Việc chế biến 2,5 triệu tấn mía để sản xuất đường tạo ra khoảng 625.000 tấn bã mía thải ra, trong đó 80% được dùng làm nhiên liệu đốt lò hơi, sinh ra 50.000 tấn tro Tuy là phế thải, nhưng tro và bùn bã lại chứa nhiều chất hữu cơ gây ô nhiễm môi trường và nguồn nước nếu không được xử lý đúng cách.
Bã mía chiếm khoảng 25-30% trọng lượng của mía ép, với thành phần hóa học phụ thuộc vào loại mía và điều kiện trồng trọt Hàm lượng các thành phần chính trong bã mía gồm cellulose từ 40-50%, hemicellulose từ 20-25%, lignin từ 18-23%, cùng các chất hóa học khác như tro, sáp, protein chiếm khoảng 3-5%.
Hình 2.4 Bã mía tại thải nhà máy đường Hình 2.5 Bã mỉa thải tại các khu dãn cư
Bã mía chứa thành phần chính là cellulose và hemicellulose có khả năng biến tính để trở thành vật liệu hấp phụ hiệu quả, nhờ vào cấu trúc lỗ xốp và các polymer như cellulose, hemicellulose, pectin, lignin và protein Các polymer này có khả năng hấp thụ nhiều chất tan, đặc biệt là các ion kim loại hóa trị hai, nhờ vào các nhóm chức như tanin và lignin, được cho là thành phần hoạt động trong quá trình hấp phụ kim loại nặng Nhóm hydroxyl trên cellulose đóng vai trò quan trọng trong khả năng trao đổi ion của vật liệu, mặc dù liên kết O-H phân cực yếu nên khả năng trao đổi ion còn hạn chế Nhiều biện pháp biến tính đã được công bố, như oxy hóa nhóm hydroxyl thành các nhóm chức axit hoặc sunfo hóa bằng axit sulfuric để nâng cao khả năng hấp phụ của vật liệu.
Vì vậy, đề tài này lựa chọn bã mía là vật liệu phụ phẩm nông nghiệp cho quá trình chế tạo carbon hoạt tính.
2.1.2 Nghiên cứu cơ chế xử lý màu dệt nhuộm từ vật liệu hấp phụ
Phương pháp kết tủa dựa trên nguyên tắc thêm tác nhân tạo kết tủa vào dung dịch nước để điều chỉnh pH, nhằm chuyển ion cần tách thành dạng hợp chất ít tan, từ đó tách ra dưới dạng kết tủa Quá trình này thường dựa trên phương trình phản ứng: Mn+ + nOH− → M(OH)n, trong đó n là hóa trị của kim loại, cho thấy kim loại nặng khi kết tủa hydroxyt có thể dễ dàng tách ra khỏi dung dịch Trong đó, pH của dung dịch nước đóng vai trò quan trọng ảnh hưởng mạnh mẽ đến hiệu quả của quá trình kết tủa kim loại nặng.
Phương pháp trao đổi ion là một kỹ thuật phổ biến sử dụng nhựa trao đổi ion để loại bỏ các cation kim loại nặng trong nước Quá trình này diễn ra khi nhựa trao đổi ion (ionit) phản ứng với các ion kim loại nặng, giúp giữ lại và tách các ion kim loại ra khỏi nước Công thức phản ứng trao đổi ion có thể được biểu diễn là: nRH + Mn+ -> RnM + nH+ Đây là một phương pháp hiệu quả trong xử lý nước công nghiệp nhằm giảm hàm lượng kim loại nặng và đảm bảo chất lượng nước sạch.
Phương pháp hấp phụ sử dụng vật liệu hấp phụ (VLHP) có diện tích bề mặt lớn và chứa các trung tâm hoạt động để lưu giữ các ion kim loại nặng Quá trình này diễn ra dựa trên lực tương tác giữa các phân tử, như lực Van der Waals (hấp phụ vật lý), hoặc qua sự tạo thành các liên kết hóa học và phức chất giữa các ion kim loại và nhóm chức trên bề mặt VLHP (hấp phụ hóa học) Cơ chế trao đổi ion đóng vai trò quan trọng trong quá trình này, giúp loại bỏ hiệu quả các kim loại nặng khỏi môi trường.
Phương pháp điện hóa là kỹ thuật tách kim loại bằng cách nhúng điện cực vào nước thải chứa kim loại nặng và truyền dòng điện một chiều qua đó Phương pháp này giúp loại bỏ các ion kim loại khỏi nước mà không cần sử dụng hóa chất bổ sung Ưu điểm của phương pháp điện hóa là phù hợp với nước thải có nồng độ kim loại cao (trên 1 g/l), nhưng nhược điểm là chi phí điện năng khá lớn.
Phương pháp oxy hóa khử là một giải pháp phổ biến để xử lý nước thải chứa kim loại nặng khi phương pháp vi sinh không thể hiệu quả Nguyên tắc của phương pháp dựa trên quá trình chuyển đổi các chất kim loại sang dạng khác thông qua sự bổ sung hoặc mất electron, trong đó khử là quá trình thêm electron và oxy hóa là quá trình mất electron Phương pháp này giúp giảm nồng độ kim loại nặng trong nước thải một cách hiệu quả, phù hợp cho các trường hợp xử lý ô nhiễm kim loại nặng khó phân hủy bằng phương pháp sinh học.
Phương pháp sinh học sử dụng các loài thực vật và vi sinh vật trong nước như bèo tây, bèo tổ ong, tảo để loại bỏ kim loại nặng từ nước thải, dựa trên khả năng hấp thụ và tích lũy các kim loại này trong quá trình sinh trưởng Để đạt hiệu quả tối ưu, nước thải cần có nồng độ kim loại nặng dưới 60 mg/L, đồng thời bổ sung đủ chất dinh dưỡng như nitơ, photpho và các nguyên tố vi lượng cần thiết cho sự phát triển của các loài thực vật như rong tảo Phương pháp này yêu cầu diện tích lớn để thực hiện và hiệu quả xử lý giảm sút nếu trong nước thải có chứa nhiều kim loại nặng.
Trong các phương pháp xử lý ô nhiễm, cơ chế hấp phụ được xem là một trong những phương pháp hiệu quả nhất và ít tốn kém nhất Chính vì vậy, nhóm nghiên cứu đã chọn phương pháp hấp phụ để xử lý chất màu nhằm tối ưu hóa hiệu quả làm sạch và giảm thiểu chi phí.
2.1.3 Nghiên cứu đề xuất quy trình công nghệ chế tạo vật liệu hấp phụ từ phụ phẩm nông nghiệp
Phương pháp nghiên cứu
2.2.1 Phương pháp bố trí thí nghiệm
Các hóa chất sử dụng trong đề tài này được liệt kê theo bảng 2.3 dưới đây.
Bảng 2.1 Danh mục hóa chất sử dụng
STT Tên hóa chất SỐ CAS Nhà sản xuất Độ tinh khiết (%)
7 Ethanol CH3CH2OH 64-17-5 Chemsol 99
Bảng 2.2 Danh mục dụng cụ thỉ nghiệm
STT Tên dụng cụ Loại Nhà sản xuất
1 Bình đựng dung dịch mầu 100 mL Wertlab (Đức)
2 Phễu lọc 47 mm Navigator (Trung Quốc)
3 Giấy lọc Olio cm, Pore 20 pm New Star (Trung Quốc)
4 Bình định mức Các loại Wertlab (Đức)
Bảng 2.3 Danh mục các thiết bị thỉ nghiệm
5 Ống nghiệm 10 và 20 mL Việt Nam
6 Buret và pipet Các loại Wertlab (Đức)
7 Bình tam giác 100 mL Isolab (Đức)
8 Bercher 50, 100 và 500 mL Wertlab, Bomex (Đức)
9 Bình hút ẩm Không vòi, dung tích
10 Ống đong thủy tinh 500 mL Duran (Đức)
11 Đìa Petri 50 mm Duran (Đức)
2.2.2 Phương pháp xử lý nguyên liệu
STT Tên thiết bị Hãng Nước
1 Thiết bị sấy Memmert Việt Nam
2 Máy nung mẫu Carbolite Nhập khâu
3 Hệ thống lọc chân không Nhập khâu
4 Máy trắc quang Thermo Scientific Nhập khâu
5 Hệ thống hoạt hóa Memmert Việt Nam
Máy quang phố hấp phụ nguyên tử Agilent Technologies
7 Cân phân tích Ohaus Nhập khâu
Công ty cổ phần công nghệ Vinastar
9 Máy khuấy VELP ® Scientifica Nhập khâu
Các nguyên liệu chính bao gồm rơm rạ từ cánh đồng lúa tỉnh Long An, vỏ sầu riêng và vỏ chuối từ các chợ trái cây nông sản, cùng bã mía và bã trà từ các cửa hàng nước giải khát và quán cà phê tại Quận 4 Để đảm bảo vệ sinh, các nguyên liệu được rửa sạch nhiều lần, loại bỏ tạp chất bẩn và phơi khô tự nhiên Sau đó, nguyên liệu khô được nghiền nhỏ và rây qua cỡ khoảng 1,0 mm, chuẩn bị cho các bước nghiên cứu và thử nghiệm tiếp theo.
2.2.3 Phương pháp xử lý thong kê và toi ưu
Phương pháp Đáp ứng Bề mặt (RSM) được phát triển từ những năm 1950 bởi nhà khoa học Box và đồng sự, nhằm mô phỏng và tối ưu hóa các quy trình phức tạp RSM sử dụng các kỹ thuật toán học và thống kê để xây dựng mô hình thực nghiệm phù hợp, giúp liên kết dữ liệu thực tế với thiết kế thí nghiệm một cách chính xác Các hàm đa thức bậc hai hoặc bậc nhất thường được sử dụng để mô tả hệ thống nghiên cứu và xác định các điều kiện thực nghiệm tối ưu Để ứng dụng kỹ thuật tối ưu RSM, cần thực hiện các bước cụ thể nhằm xác định các tham số tối ưu một cách chính xác.
Lựa chọn các biến độc lập ảnh hưởng quan trọng đến hệ nghiên cứu dựa trên phạm vi của nghiên cứu, phù hợp với mục tiêu đề ra và dựa trên kinh nghiệm của người nghiên cứu Việc xác định đúng các biến này giúp nâng cao độ chính xác và khả năng ứng dụng của kết quả nghiên cứu Chọn biến phù hợp là bước quan trọng để đảm bảo hệ thống nghiên cứu phản ánh thực tiễn một cách rõ ràng và toàn diện.
(2) Thiết ke thí nghiệm và tiến hành thực hiện các thí nghiệm đó theo một ma trận đã vạch ra trước đó.
(3) Xử lý về mặt thống kê toán học các dừ liệu thực nghiệm thu được thông qua sự tương thích của hàm đa thức.
(4) Đánh giá tính tương thích của mô hình.
(5) Xác minh tính khả thi và tính thiết yếu cùa để tiến hành chuyển hướng sang ranh giới tối ưu.
(6) Tiến hành thí nghiệm dựa trên kết quả tối ưu cho từng biến.
Mô hình đơn giản nhất sử dụng trong RSM là hàm tuyến tính được biểu diễn theo phương trình sau: y =
Trong mô hình thống kê, hệ số (3O thể hiện hằng số, trong khi k là số lượng các biến độc lập trong mô hình, và /7 đại diện cho các hệ số góc Các biến X phản ánh các yếu tố ảnh hưởng, còn £ là số dư liên quan đến các thí nghiệm, giúp đánh giá độ phù hợp của mô hình Mô hình thường gặp trong các phân tích thống kê đa biến, đặc biệt trong các nghiên cứu liên quan đến dự đoán và phân tích dữ liệu phức tạp.
RSM là hàm đa thức bậc hai: y = Ị3O + ^2 Pixi + ^2 Piị^i + ^2 Pijxixj+ £ i=l Í=1 \