KHOA HỌC CÔNG NGHỆ N«ng nghiÖp vµ ph¸t triÓn n«ng th«n KỲ 2 TH¸NG 10/2022 81 BƯỚC ĐẦU ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG BIOCHAR BIẾN TÍNH CHITOSAN TRONG XỬ LÝ NƯỚC THẢI CHỨA SAFRANIN O Đỗ Thị Mỹ Phượng1, Ngu[.]
KHOA HỌC CÔNG NGHỆ BƯỚC ĐẦU ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG BIOCHAR BIẾN TÍNH CHITOSAN TRONG XỬ LÝ NƯỚC THẢI CHỨA SAFRANIN-O Đỗ Thị Mỹ Phượng1, Nguyễn Thị Thanh Thảo1, Nguyễn Xuân Lộc1, * TÓM TẮT Chitosan (CS) chiết xuất từ vỏ tôm biochar (BC) nhiệt phân từ trấu sử dụng để tổng hợp vật liệu hấp phụ chitosan-biochar (CS@BC) Khả hấp phụ Safranin-O (SO) nước thải hai loại vật liệu biochar chitosan-biochar thực thí nghiệm theo mẻ Các yếu tố ảnh hưởng đến khả hấp phụ pH, khối lượng vật liệu, thời gian nồng độ ban đầu SO khảo sát Kết nghiên cứu cho thấy, khả hấp phụ ion SO nước biochar biến tính chitosan tăng lên rõ rệt so với biochar ban đầu, điều kiện thí nghiệm Ở nồng độ ban đầu ion SO 50 mg/L, hiệu suất hấp phụ sau biến tính biochar (90,94%) cao biochar (83,41%) Hiệu hấp phụ SO cao giá trị pH 6-7 Thời gian đạt cân hấp phụ sau 240 phút Kết nghiên cứu cho thấy, triển vọng ứng dụng biochar biến tính chitosan xử lý nước thải chứa thuốc nhuộm Safranin-O Từ khóa: Biochar, chitosan-biochar, Safranin-O, chitosan, hấp phụ, trấu, vỏ tôm ĐẶT VẤN ĐỀ Safranin-O, loại thuốc nhuộm cation hữu phổ biến, có màu sắc cao dễ tan nước Sự diện Safranin-O môi trường nước trở thành mối đe dọa sức khỏe người, gây quái thai, ung thư đột biến gen [1] Hiện nay, có nhiều phương pháp ứng dụng để loại bỏ Safranin-O khỏi nước thải trao đổi ion, keo tụ, ozon hóa, oxy hóa hóa học lọc màng Tuy nhiên, hầu hết phương pháp có hiệu xử lý thấp, có cấu trúc thơm phức tạp giúp SO bền với ánh sáng, trình phân hủy sinh học q trình oxy hóa Thay vào đó, loại bỏ hấp phụ coi phương pháp sử dụng phổ biến, nhờ vào tính đơn giản kỹ thuật, không tạo sản phẩm phụ có hại hiệu việc loại bỏ Safranin-O dung dịch [2, 3] Gần đây, phương pháp hấp phụ sử dụng biochar làm chất hấp phụ SO thu hút nhiều ý nhà nghiên cứu, tính đơn giản, hiệu cao dễ sử dụng [4] Hơn nữa, vật liệu tiết kiệm chi phí, khơng độc hại thân thiện với môi trường, tổng hợp từ nhiều nguồn nguyên liệu sinh khối chất thải, chủ yếu phế phẩm nông nghiệp lâm nghiệp, cọ dầu, rơm lúa mì, vỏ đậu phộng vỏ trấu [5, 6] Việc sử dụng sinh khối Khoa Môi trường Tài nguyên Thiên nhiên, Trường Đại học Cần Thơ * Email: nxloc@ctu.edu.vn chi phí thấp để sản xuất biochar ứng dụng xử lý nước thải, không làm giảm phụ thuộc vào chất hấp phụ đắt tiền nhựa thơng hydrogel, mà cịn giúp thúc đẩy mơi trường bền vững chất thải [7] Tuy nhiên, khả hấp phụ chất ô nhiễm biochar phụ thuộc vào loại nguyên liệu điều kiện nhiệt phân Biochar chưa biến tính, nhiệt phân trực tiếp từ nguyên liệu sinh khối, có khả hấp phụ chất ô nhiễm chất hữu kim loại nặng tương đối thấp [8] Các phương pháp biến tính biochar khác áp dụng, đó, việc kết hợp biochar chitosan phương pháp sử dụng phổ biến nhằm bổ sung nhóm chức bề mặt, tăng cường khả hấp phụ chất ô nhiễm biochar [9] Tuy nhiên, chưa có nghiên cứu thực việc sử dụng chitosan điều chế từ vỏ tôm sú để biến đổi bề mặt biochar từ vỏ trấu ứng dụng vật liệu tổ hợp chitosan-biochar hấp phụ Safranin-O mơi trường nước Do đó, nghiên cứu tập trung vào việc sử dụng vỏ tôm để tạo chitosan, sử dụng vỏ trấu để tạo biochar kết hợp biochar với chitosan để tạo vật liệu hấp phụ tổ hợp chitosanbiochar Để đánh giá so sánh khả ứng dụng vật liệu biochar biến tính với chitosan so với biochar nguyên sinh (chưa biến tính), hai loại vật liệu hấp phụ biochar chitosan-biochar tiến hành thí nghiệm song song thí nghiệm hấp phụ Safranin-O theo mẻ, ảnh hưởng yếu tố pH dung dịch, khối lượng vật liệu, thời gian hấp phụ nồng độ Safranin-O ban u Nông nghiệp phát triển nông thôn - KỲ - TH¸NG 10/2022 81 KHOA HỌC CƠNG NGHỆ VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 Vật liệu thí nghiệm Điều chế biochar: trấu (giống lúa 5451 vụ đông xuân, thu mua từ tỉnh Vĩnh Long) sau thu rửa nước máy nước cất nhiều lần để loại bỏ bụi bẩn tạp chất, đem phơi khơ ngồi ánh sáng mặt trời đến độ ẩm lại khoảng 17%, theo quy trình mơ tả trước [6] giữ huyền phù thu 12 Sau đó, chất rắn lọc qua giấy lọc Whatman No.1, rửa mẫu thu nước cất để loại bỏ lượng NaOH dư (pH≈7) Mẫu sau lọc sấy khô 24 70°C, mẫu thu gọi vật liệu tổ hợp chitosanbiochar Trấu sau phơi khô nghiền thành bột, tiếp đến ép bột trấu thành viên Các viên trấu sau đem nhiệt phân lò nung (Model VMF 165, Yamada Denki, Adachi, Tokyo, Nhật Bản) nhiệt độ 500°C với tốc độ gia nhiệt 10°C/phút trong môi trường khí trơ nitơ Sau làm nguội nhiệt độ phòng, sản phẩm sau nhiệt phân nghiền nhỏ, sàng đến kích thước hạt yêu cầu ( pHpzc, bề mặt chất hấp phụ tích điện âm, điều có lợi cho kết hợp chất hấp phụ với thuốc nhuộm cation Khi pH < pHpzc, bề mặt chất hấp phụ mang điện tích dương, lực đẩy bề mặt chất hấp phụ phân tử SO tăng, khả hấp phụ giảm [13] 3.3 Ảnh hưởng khối lượng vật liệu đến khả hấp phụ Các thí nghiệm liều lượng chất hấp phụ khác (0,1 g; 0,2 g; 0,3 g; 0,4 g; 0,5 g) tiến hành Các yếu tố pH ≈ (đã xác định mục 3.2), thời gian hấp phụ (120 phút) nồng độ SO ban đầu (50 mg/L) giữ cố định tất nghiệm thức Kết thí nghiệm trình bày hình Hình Ảnh hưởng pH đến khả hấp phụ Hiệu suất hấp phụ SO chitosan-biochar biochar có xu hướng tăng tỷ lệ thuận với thay đổi giá trị pH dung dịch Có thể nhận thấy rằng, hiệu suất hấp phụ SO tăng nhanh pH dung dịch tăng từ đến Khi pH dung dịch thay đổi từ đến 10 hiệu suất hấp phụ SO tăng thay đổi không đáng kể Cụ thể, hiệu suất hấp phụ SO chitosanbiochar tăng từ 59,30% pH = lên 89,42% pH = 5, với lượng SO bị hấp phụ tăng tương ứng từ 5,41 mg/g lên 9,15 mg/g Khi tiếp tục tăng pH dung dịch lên giá trị lớn hiệu suất hấp phụ tiếp tục tăng tăng không đáng kể mức 93%, với lượng SO bị hấp phụ khoảng mg/g Tương tự với chitosan-biochar, phần trăm hấp phụ SO biochar tăng dần từ 39,53% (ở pH = 2) lên đến 60,03% (ở pH = 5) Tiếp tục tăng pH từ đến 10 hiệu suất hấp phụ tiếp tục tăng từ 68,00% lên đến 79,24% Do 84 Hình Ảnh hưởng khối lượng vật liệu đến khả hấp phụ Khi tăng khối lượng biochar chitosanbiochar làm giảm lượng SO bị hấp phụ, đó, hiệu suất hấp phụ SO có xu hướng tăng tỷ lệ thuận với thay đổi khối lượng chất hp ph Khi Nông nghiệp phát triển nông thôn - KỲ - TH¸NG 10/2022 KHOA HỌC CƠNG NGHỆ tăng khối lượng biochar từ 0,1 g đến 0,5 g lượng SO bị hấp phụ giảm từ 12,63 mg/g xuống 4,69 mg/g, hiệu suất tăng từ 52,49% đến 93,20% Tương tự, tăng khối lượng chitosan-biochar từ 0,1 g đến 0,5 g lượng SO bị hấp phụ giảm từ 13,56 mg/g xuống 4,63 mg/g hiệu suất tăng từ 53,93% đến 93,77% Hiệu suất hấp phụ thuốc nhuộm SO tăng liều lượng chất hấp phụ số lượng vị trí hoạt động, diện tích bề mặt chất hấp phụ tăng nên cung cấp nhiều vị trí liên kết để hấp phụ [15] gian từ 60 phút – 720 phút, lượng SO bị hấp phụ tăng chậm từ 9,96 mg/g đến 11,58 mg/g, với hiệu suất dao động từ 81,36% đến 94,56% Có thể giải thích xu hướng sau: tốc độ hấp phụ SO xảy giai đoạn đầu tăng nhanh số lượng vị trí hấp phụ có sẵn chất hấp phụ nhiều, đó, nồng độ gradient chất hấp phụ dung dịch chất hấp phụ bề mặt chất hấp phụ tăng Sau đó, vị trí hoạt động dần bị lấp đầy, hấp phụ trở nên chậm lại kết tụ phân tử SO bề mặt chất hấp phụ [6] Hiệu suất loại bỏ SO chitosan-biochar biochar tăng nhanh liều lượng từ 0,1 g đến 0,2 g Đối với chitosan-biochar, phần trăm loại bỏ 53,93%; 80,73% biochar 52,49%; 73,36% Tuy nhiên, trình loại bỏ SO có xu hướng ổn định liều lượng chất hấp phụ lớn 0,3 g Để đảm bảo lượng SO bị hấp phụ mức độ hợp lý đảm bảo hiệu suất hấp phụ biochar chitosanbiochar, khối lượng 0,2 g chọn khối lượng phù hợp cho thí nghiệm 3.4 Ảnh hưởng thời gian đến khả hấp phụ Các thí nghiệm thời gian hấp phụ khác (1; 5; 10; 20; 30; 60; 90; 120; 180; 240; 480; 720 phút) tiến hành với lần lặp lại Các yếu tố pH m = 0,2 g (đã xác định mục 3.2, 3.3) nồng độ SO ban đầu (50 mg/L) giữ cố định tất nghiệm thức Kết thí nghiệm trình bày hình Hiệu suất hấp phụ lượng SO bị hấp phụ biochar chitosan-biochar tăng tỷ lệ thuận với thay đổi thời gian (1 – 720 phút) Đối với chitosan-biochar, phút đến 10 phút đầu tiên, lượng SO bị hấp phụ tăng nhanh từ 6,31 mg/g đến 10,37 mg/g hiệu suất hấp phụ tăng từ 49,45% đến 81,31% Tốc độ hấp phụ sau tăng chậm khoảng thời gian từ 20 phút đến 720 phút, với lượng SO bị hấp phụ tăng từ 11,37 mg/g đến 12,75 mg/g, hiệu suất hấp phụ đạt lớn 89% Đối với biochar, lượng SO bị hấp phụ tăng nhanh 30 phút đầu, tăng từ 2,52 mg/g đến 9,14 mg/g, với hiệu suất hấp phụ tăng từ 19,98% đến 74,68% Khi tăng thời Hình Ảnh hưởng thời gian đến khả hấp phụ Trong thí nghiệm này, thời gian thích hợp cho hấp phụ SO chitosan-biochar biochar đạt trạng thái cân 240 phút Ở thời gian đạt trạng thái cân 240 phút, chitosan-biochar cho hiệu hấp phụ SO tốt biochar Cụ thể, lượng SO bị hấp phụ chitosan-biochar thời gian 240 phút 12,73 mg/g, với hiệu suất 99,80%, cao so với BC 11,44 mg/g, với hiệu suất 93,43% 3.5 Ảnh hưởng nồng độ Safranin-O đến khả hấp phụ Các thí nghiệm nồng độ SO ban đầu khác (10; 30; 50; 80; 100; 120; 150; 180; 200 mg/L) tiến hành với lần lặp lại Các yếu tố khác pH 6; khối lượng vật liệu 0,2 g thời gian hấp phụ (240 phút) (đã xác định mục 3.2; 3.3 v Nông nghiệp phát triển nông thôn - KỲ - TH¸NG 10/2022 85 KHOA HỌC CƠNG NGHỆ 3.4) giữ cố định tất nghiệm thức Kết giảm từ 93,03% xuống 63,53% biochar, thí nghiệm trình bày hình nồng độ SO tăng từ 10 đến 200 mg/L Điều Trong thí nghiệm này, thay đổi nồng độ cho nồng độ SO thấp, tất phân tử SO SO ban đầu ảnh hưởng lớn đến trình tồn mơi trường hấp phụ có thể tương hấp phụ Lượng SO bị hấp phụ có xu hướng tăng tác hồn tồn với vị trí hoạt động, hiệu suất tỷ lệ thuận với thay đổi nồng độ SO ban đầu, hấp phụ ban đầu cao [14] hiệu suất hấp phụ SO có xu hướng ngược Nhìn chung, giá trị nồng độ SO ban đầu lại Khi nồng độ SO ban đầu tăng từ 10 mg/L đến 100 khác nhau, chitosan-biochar cho thấy khả mg/L, lượng SO bị hấp phụ tăng nhanh (tăng từ 2,87 mg/g đến 20,81 mg/g chitosanbiochar tăng từ 2,13 mg/g đến 18,07 mg/g biochar) Ở nồng độ thấp (10 – 100 mg/L), lượng SO bị hấp phụ tăng nhanh số lượng vị trí liên loại bỏ SO cao so với biochar Ở nồng độ SO ban đầu 50 mg/L, hiệu suất hấp phụ SO chitosanbiochar đạt 90,94%, cao hiệu suất đạt biochar với 83,41% kết có sẵn bề mặt chất hấp phụ nhiều số Tóm lại, điều kiện thí nghiệm pH, lượng phân tử SO, dẫn đến chiếm đóng khơng khối lượng vật liệu, thời gian hấp phụ nồng độ SO hồn tồn vị trí hoạt động Tuy nhiên, tăng cho thấy kết hợp biochar với chitosan dần nồng độ SO ban đầu từ 120 mg/L đến 200 mg/L làm tăng khả hấp phụ vật liệu biochar lượng hấp phụ SO tăng không đáng kể, nguyên sinh Có thể dự đốn tăng cường tăng từ 22,52 mg/g đến 30,64 mg/g chitosan- xảy gia tăng số lượng nhóm chức bề biochar tăng từ 20,54 mg/g đến 26,50 mg/g đối mặt biochar sau cho chitosan liên kết lên bề mặt với biochar biochar, cụ thể nhóm -NH2 -OH có cấu trúc chitosan Các nhóm chức có khả tạo liên kết với cation thuốc nhuộm, làm phân tử SO hấp phụ nhiều bề mặt chitosan-biochar [15] KẾT LUẬN Các yếu tố pH dung dịch, khối lượng vật liệu hấp phụ, thời gian hấp phụ nồng độ SO ban đầu ảnh hưởng đến khả hấp phụ SO biochar chitosan-biochar Điều kiện thích hợp cho q trình hấp phụ SO biochar chitosan biochar m = 0,2g; pH = 6; nồng độ SO ban đầu 50 mg/L Sự hấp phụ đạt trạng thái bão hòa 240 phút hai loại vật liệu biochar chitosan-biochar Trong điều kiện thí nghiệm, vật liệu hấp phụ tổng hợp biochar biến tính chitosan có khả hấp phụ Hình Ảnh hưởng nồng độ Safranin-O đến khả hấp phụ Ngược lại, hiệu suất hấp phụ lại giảm nồng độ SO ban đầu tăng Cụ thể, hiệu suất hấp phụ SO giảm từ 94,95% xuống 65,21% chitosan-biochar 86 SO tốt biochar nguyên sinh LỜI CẢM ƠN Đề tài tài trợ Trường Đại học Cần Thơ, mã số: T2022-60 Nông nghiệp phát triển nông thôn - K - TH¸NG 10/2022 KHOA HỌC CƠNG NGHỆ TÀI LIỆU THAM KHẢO Zhou, Y., Gao, G., Zimmerman, A R., Fang, J., Hayat, K., Gondal, M A., Khaled, M M., Sun, Y and Cao, X (2013) Sorption of heavy metals Yamani, Z H and Ahmed, S (2011) Laser induced on chitosan-modified biochars and its biological photocatalytic dye effects Chemical Engineering Journal, 231: 512–518 (Safranin-O) using self synthesized nanocrystalline Sheth, Y., Dharaskar, S., Khalid, M and WO3 Journal of Hazardous Materials, 186 (2-3): Sonawane, S (2021) An environment friendly 1226–1233 approach for heavy metal removal from industrial degradation of hazardous Wang, Y., Wang, H., Peng, H., Wang, Z., Wu, wastewater using chitosan based biosorbent: A Sustainable Energy J and Liu, Z (2018) Dye Adsorption from Aqueous review Solution Assessments, 43: 100951 by Cellulose/chitosan Composite: Equilibrium, Kinetics, and Thermodynamics Fibers Polym, 19: 340–349 Technologies and 10 No, Hong K., Meyers, Samuel P and Lee, Keun S (1989) Isolation and characterization of Vidovix, T B., Quesada, H B., Bergamasco, R., Vieira, M F., and Vieira, A M S (2021) chitin from crawfish shell waste Journal of Agricultural and Food Chemistry, 37(3): 575–579 Adsorption of Safranin-O dye by copper oxide 11 Dewage, B N., Fowler, Ruth E., Pittman, nanoparticles synthesized from Punica granatum leaf Charles U., Mohan, D and Mlsna, T (2018) Lead extract Environmental Technology, 1–17 (Pb2+) sorptive removal using chitosan-modified Maurya, N S and Mittal, A K (2013) Removal mechanism of cationic dye (Safranin O) biochar: batch and fixed-bed studies RSC Advances, 8(45): 25368–25377 from the aqueous phase by dead macro fungus 12 Radwan, Mohamed A., Farrag, Samia A A., biosorbent Water Science & Technology, 68(5): Abu-Elamayem, Mahmoud M and Ahmed, Nabila S 1048 – 1054 (2012) Extraction, characterization, and nematicidal Chin, J F., Heng, Z W., Teoh, H C., Chan activity of chitin and chitosan derived from shrimp Chong, W and Pang, Y L (2021) A review on recent shell wastes Biology and Fertility of Soils, 48(4):463– development 468 of magnetic biochar crosslinked chitosan on heavy metal removal from wastewater Modification, application and mechanism Chemosphere, – 114 13 Ahmad, A., Khan, N., Giri, B S., Chowdhary, P and Chaturvedi, P (2020) Removal of methylene blue dye using rice husk, cow dung and sludge Phuong, D T M., Loc, N X and Miyanishi, T (2019) Efficiency of dye adsorption by biochars biochar: Characterization, application, and kinetic studies Bioresource Technology, 306: 123202 produced from residues of two rice varieties, 14 Shabani, H., Delavar, M A and Fardood, S Japanese Koshihikari and Vietnamese IR50404 T (2019) Sorption of cd (II) ions by chitosan Desalination and Water Treatment, 165: 333–351 modified peanut shell biochar from aqueous solution Srivatsav, P., Bhargav, B S., Advances in Environmental Technology, 4: 203-211 Shanmugasundaram, V., Arun, J., Gopinath, K P 15 Nehaba, S S., Abdullah, R H., Oda A M., Omran, and Bhatnagar (2020) Biochar as an Eco-Friendly A R and Mottadleb, A S (2019) Evaluation of the and Economical Adsorbent for the Removal of Efficiency of Tea waste powder to Remove the Safranin O Colorants (Dyes) from Aqueous Environment: A dye Compared to the Activated Carbon as adsorbent Review Water, 12: 3561 Oriental journal of chemistry, 35(3): 1201-1207 Nông nghiệp phát triển nông thôn - K - THáNG 10/2022 87 KHOA HỌC CÔNG NGHỆ PRELIMINARY ASSESSMENT ON THE APPLICATION OF CHITOSAN-MODIFIED BIOCHAR FOR SAFRANIN-O REMOVAL FROM WATER Do Thi My Phuong, Nguyen Thi Thanh Thao, Nguyen Xuan Loc Summary Chitosan extracted from shrimp shell and biochar derived from rice husk were used to synthesize chitosanmodified biochar Adsorbent materials including biochar and chitosan-modified biochar were used to evaluate their adsorption capacity toward Safranin-O (SO) in aqueous solution, using batch adsorption experiment Several parameters such as pH solution, material dosage, adsorption time, and initial SO concentration were studied Results showed that, under the similar experimental conditions, the adsorption capacity of chitosan-modified biochar was higher than that of unmodified biochar At the initial SO concentration of 50 mg/L, the adsorption efficiency of chitosan-modified biochar (90.94%) was higher than that of biochar (83.41%) The adsorption efficiencies were better at neutral pH of 6÷7 The SO adsorption equilibrium was reached after 240 of contact time The results of the study indicated that, chitosanmodified biochar can have extensive application prospects in the treatment of highly colored wastewater containing variety of dyes, including Safranin-O Keywords: Biochar, chitosan-biochar, Safranin-O, chitosan, adsorption, rice husk, shrimp shell Người phản biện: PGS.TS Phạm Quang Hà Ngày nhận bài: 15/5/2022 Ngày thông qua phản biện: 5/9/2022 Ngày duyệt đăng: 12/9/2022 88 Nông nghiệp phát triển nông thôn - K - TH¸NG 10/2022 ... hợp cho q trình hấp phụ SO biochar chitosan biochar m = 0,2g; pH = 6; nồng độ SO ban đầu 50 mg/L Sự hấp phụ đạt trạng thái b? ?o hòa 240 phút hai loại vật liệu biochar chitosan -biochar Trong điều... KHOA HỌC CƠNG NGHỆ PRELIMINARY ASSESSMENT ON THE APPLICATION OF CHITOSAN- MODIFIED BIOCHAR FOR SAFRANIN- O REMOVAL FROM WATER Do Thi My Phuong, Nguyen Thi Thanh Thao, Nguyen Xuan Loc Summary Chitosan. .. Summary Chitosan extracted from shrimp shell and biochar derived from rice husk were used to synthesize chitosanmodified biochar Adsorbent materials including biochar and chitosan- modified biochar