Điều chế nano carbon hoạt tính từ bã mía Ứng dụng làm chất hấp phụ xử lý nước thải (preparation of activated carbon nano from sugarcane bagasse as adsorption for wastewater treatment application)

1 SỞ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TỈNH KON TUM CUỘC THI KHOA HỌC KỸ THUẬT CẤP TỈNH DÀNH CHO HỌC SINH TRUNG HỌC, NĂM HỌC 2022-2023 Lĩnh vực: HÓA HỌC Tên dự án: ĐIỀU CHẾ NANO CARBON HOẠT TÍNH

1

SỞ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TỈNH KON TUM

CUỘC THI KHOA HỌC KỸ THUẬT CẤP TỈNH DÀNH CHO HỌC SINH TRUNG HỌC, NĂM HỌC 2022-2023

Lĩnh vực: HÓA HỌC

Tên dự án:

ĐIỀU CHẾ NANO CARBON HOẠT TÍNH TỪ BÃ MÍA

ỨNG DỤNG LÀM CHẤT HẤP PHỤ XỬ LÝ NƯỚC THẢI

(Preparation of activated carbon nano from sugarcane bagasse as adsorption for

wastewater treatment application)

Kon Tum, năm 2022

Mã số

………

MỤC LỤC

I LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI 1

II CÂU HỎI NGHIÊN CỨU; VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU; GIẢ THUYẾT KHOA HỌC 2

II.1 Câu hỏi nghiên cứu 2

II.2 Vấn đề nghiên cứu 2

II.3 Giả thuyết khoa học 2

III THIẾT KẾ VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2

III.1 Tổng hợp - thu thập các tài liệu trong và ngoài nước liên quan đến dự án 2 III.2 Phương pháp tổng hợp nano carbon hoạt tính 2

III.3 Phương pháp đặc trưng vật liệu 3

III.4 Phương pháp đánh giá khả năng hấp phụ chất ô nhiễm của ACB 3

IV TIẾN HÀNH NGHIÊN CỨU 3

IV.1 Lộ trình nghiên cứu 3

IV.2 Giới thiệu dự án 4

IV.2.1 Mục tiêu của dự án 4

IV.2.2 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn 4

IV.2.3 Tiến trình thực hiện 4

V KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 7

V.1 Kết quả đặc trưng SEM 7

V.2 Khảo sát khả năng hấp phụ RhB của ACB và CB 9

V.3 Khảo sát ảnh hưởng thời gian ngâm tẩm dung dịch Na2CO3 10% đến khả năng hấp phụ RhB của vật liệu ACB 10

V.4 Mở rộng ứng dụng hấp phụ của ACB đối với một số chất ô nhiễm khác như: Methylene blue (MB) và muối Fe2(SO4)3 11

V.5 Kết quả xét nghiệm mẫu nước thải sinh hoạt khi xử lý bằng vật liệu ACB 11 VI KẾT LUẬN 11

VI.1 Những đóng góp của đề tài 11

VI.2 Định hướng phát triển 11

VII TÀI LIỆU THAM KHẢO 12

1

I LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI

Carbon hoạt tính (Activated carbon) là vật liệu nổi tiếng được sử dụng ngày càng nhiều trong các ứng dụng môi trường như xử lý nước cấp, nước thải

và lọc khí Trong những năm gần đây, chiến lược sản xuất carbon hoạt tính từ phế phụ nông nghiệp thu hút sự chú ý sâu rộng của các nhà nghiên cứu Trong

đó, bã mía – phế phụ phẩm dạng sợi thu được từ quá trình xay xát mía là ứng viên tiềm năng để tổng hợp carbon hoạt tính nhờ trữ lượng lớn sẵn có và đặc tính bề mặt độc đáo

Hình 1 Cây mía là cây đa dụng, phù hợp với nhiều vùng đất

trên địa bàn tỉnh Kon Tum [1]

Tại Kon Tum, mía là cây công nghiệp quan trọng, cung cấp nguyên liệu chính sản xuất đường - nhu yếu phẩm cần thiết trong đời sống hằng ngày, đồng thời là cây “xóa đói giảm nghèo” đối với người dân các xã, phường vùng ven thành phố Theo thống kê niên vụ 2019 - 2020, toàn tỉnh trồng khoảng 1.172 ha mía, tập trung tại thành phố Kon Tum (chiếm khoảng 85,1%); còn lại khoảng 14,9% diện tích mía phân bổ rải rác ở huyện Sa Thầy, Kon Rẫy, Đăk Hà và Đăk

Tô Kết quả nghiên cứu của ngành nông nghiệp Kon Tum cho thấy toàn tỉnh có hơn 17.647 ha đất “rất thích nghi” và hơn 24.527 ha “thích nghi trung bình” với cây mía Điều đó chỉ ra tiềm năng về đất đai, thổ nhưỡng để cây mía phát triển ở địa phương là rất lớn [1] Mặc dù lượng bã mía đã được xử lý tiêu thụ làm nhiên liệu cho các lò hơi nhà máy, thức ăn gia súc và làm nguyên liệu sản xuất giấy bìa; tuy nhiên rác thải bã mía ở các cơ sở nước giải khát, hộ gia đình làm mía vẫn tồn tại đáng kể, gây ra nhiều vấn đề môi trường đáng quan ngại [2] Bên cạnh đó, ở một số vùng dân cư, bã mía sau thu hoạch bị đốt cháy hoặc phân hủy, giải phóng carbon dioxide và methane vào khí quyển làm ô nhiễm khói bụi và hiệu ứng khí nhà kính Do đó, việc xử lý lượng rác thải bã mía hợp lý và an toàn

là vấn đề mang tính thời sự cấp thiết tại Kon Tum

Một số báo cáo đã chỉ ra rằng các nguyên tử carbon hoạt hóa sở hữu diện tích bề mặt lớn với số lượng tâm hấp phụ phong phú và khả năng hấp phụ vượt trội [3] Quá trình chuyển hóa bã mía thành carbon hoạt tính có thể cung cấp

2

thành phẩm chất lượng cao để xử lý nước nước thải, đem lại lợi ích kinh tế lớn đồng thời giải quyết được vấn nạn ô nhiễm môi trường Tuy nhiên, phương pháp sản xuất carbon hoạt tính hiện nay thường phức tạp, liên quan đến quy trình nhiều bước, thời gian nhiệt phân và hoạt hóa kéo dài, nhiệt độ nung tăng cao, gây nguy hiểm và tốn kém

Trên cơ sở lý luận và thực tiễn được phân tích ở trên, chúng em chọn đề

tài: “Điều chế nano carbon hoạt tính từ bã mía ứng dụng làm chất hấp phụ

xử lý nước thải” Trong nghiên cứu này, carbon hoạt tính cấu trúc nano được

điều chế bằng phương pháp kết hợp carbon hóa và hoạt hóa hóa học một giai đoạn trong môi trường nung yếm khí

II CÂU HỎI NGHIÊN CỨU; VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU; GIẢ THUYẾT KHOA HỌC

II.1 Câu hỏi nghiên cứu

- Cho biết thành phần của bã mía? Trình bày tác hại của rác thải từ bã mía nếu không được xử lý đúng cách?

- Nêu đặc điểm về thành phần cấu tạo và tính chất của nano carbon hoạt tính

- Trình bày các ứng dụng của nano carbon hoạt tính

- Hiện tượng hấp phụ là gì? Vai trò của nano carbon hoạt tính trong hấp phụ xử

lý chất ô nhiễm?

- Quy trình sản xuất nano carbon hoạt tính gồm những giai đoạn nào? Trình bày đặc điểm của mỗi giai đoạn?

II.2 Vấn đề nghiên cứu

- Nghiên cứu chế tạo nano carbon hoạt tính từ bã mía (activated carbon nano from sugarcane bagasse, kí hiệu ACB) có khả năng hấp phụ các chất ô nhiễm (đại diện Rhodamine B (RhB)) nhằm ứng dụng làm chất hấp phụ trong công

nghệ xử lý nước thải

II.3 Giả thuyết khoa học

- Carbon hoạt tính có cấu trúc nano thu được với khả năng xử lý chất ô nhiễm trong nước thải tốt

III THIẾT KẾ VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

III.1 Tổng hợp - thu thập các tài liệu trong và ngoài nước liên quan đến dự

án

- Tổng quan về bã mía: thành phần cấu tạo, tính chất hóa lý;

- Tình hình ô nhiễm phế phụ phẩm bã mía tại tỉnh Kon Tum;

- Tổng quan về nano carbon hoạt tính, đặc điểm cấu trúc và tính chất hấp phụ của nano carbon hoạt tính;

- Các phương pháp điều chế nano carbon hoạt tính

III.2 Phương pháp tổng hợp nano carbon hoạt tính

- Thực nghiệm chế tạo vật liệu nano carbon hoạt tính từ bã mía bằng phương pháp kết hợp carbon hóa và hoạt hóa: carbon hóa và hoạt hóa hóa học đồng thời bằng cách nung yếm khí, được mô tả như Hình 2

3

Hình 2 Sơ đồ điều chế nano carbon hoạt tính từ bã mía

III.3 Phương pháp đặc trưng vật liệu

- Phương pháp hiển vi điện tử quét (SEM): xác định hình thái bề mặt, kích thước nano và độ phân tán lỗ xốp

III.4 Phương pháp đánh giá khả năng hấp phụ chất ô nhiễm của ACB

- Đánh giá khả năng hấp phụ của vật liệu nano carbon hoạt tính theo phương pháp chuẩn Nồng độ hợp chất ô nhiễm được xác định theo phương pháp trắc quang;

- Mẫu nước thải sinh hoạt được kiểm tra các chỉ số quy chuẩn sau khi xử lý bằng vật liệu nano carbon hoạt tính

IV TIẾN HÀNH NGHIÊN CỨU

IV.1 Lộ trình nghiên cứu

- Dự án được tiến hành trong 3,5 tháng (từ 01/09/2022 đến 15/12/2022) với kế hoạch thực hiện chi tiết như sau:

Tháng 9/2022

- Đọc, nghiên cứu, tổng hợp các tài liệu trong và ngoài nước liên quan đến vấn đề của dự án

- Địa điểm: Tại nhà và tại thư viện Trường THCS-THPT Liên Việt

Tháng 10/2022

- Thực nghiệm tổng hợp nano carbon hoạt hóa và nano carbon không hoạt hóa từ bã mía

- Địa điểm: Phòng thí nghiệm hóa, trường THCS-THPT Liên Việt

- Gửi mẫu đi đo SEM

- Địa điểm: Phòng thí nghiệm vật lý chất rắn, trường Đại học Khoa học Tự nhiên – Đại học Quốc gia Hà Nội

Tháng 11/2022

- Khảo sát khả năng hấp phụ RhB của nano carbon hoạt tính

- Khảo sát ảnh hưởng của thời gian ngâm tẩm Na2CO3 đến khả năng hấp phụ RhB của nano carbon hoạt tính

- Mở rộng ứng dụng hấp phụ của nano carbon hoạt tính trong xử lý một số chất ô nhiễm khác như: Methylene blue (MB) và muối Fe2(SO4)3

- Địa điểm: Phòng thí nghiệm hóa, trường THCS-THPT Liên Việt

Tháng 12/2022 - Xử lý mẫu nước thải sinh hoạt bằng nano carbon hoạt

tính và gửi mẫu nước sau xử lý để đặc trưng các quy chuẩn

4

- Địa điểm: Công ty TNHH Phân tích kiểm định Việt Tín – TP Hồ Chí Minh

- Hoàn thành các báo cáo, poster và hồ sơ dự thi

IV.2 Giới thiệu dự án

IV.2.1 Mục tiêu của dự án

- Chế tạo thành công vật liệu nano carbon hoạt tính từ phế phụ phẩm bã mía ở

địa phương;

- Khảo sát khả năng hấp phụ chất ô nhiễm trong nước thải;

- Ứng dụng vật liệu nano carbon hoạt tính điều chế được sử dụng trong đời sống hằng ngày

IV.2.2 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

- Nghiên cứu chế tạo nano carbon hoạt tính từ bã mía bằng phương pháp khả thi, thân thiện môi trường Carbon hoạt tính từ bã mía có nhiều tính năng tốt cho mục đích xử lý nước theo quy mô nhỏ, sản phẩm đang có nhu cầu cao và sẽ tăng

trong tương lai

- Góp phần giải quyết vấn nạn ô nhiễm môi trường từ phế phụ phẩm bã mía, đặc biệt ở tồn đọng tại các nhà máy đường nhờ sử dụng nguồn nguyên liệu sẵn có ở địa phương

- Từ quy mô phòng thí nghiệm có thể mở rộng ứng dụng thực tiễn trong đời sống hằng ngày: khử mùi lọc không khí, làm đẹp, khẩu trang y tế, … Từ nghiên cứu này, có thể tiến hành tổng hợp trên quy mô lớn, mang lại lợi ích kinh tế lớn

cho địa phương

IV.2.3 Tiến trình thực hiện

a Hóa chất và thiết bị

- Nguyên liệu, hóa chất và thiết bị sử dụng trong dự án được mô tả cụ thể trong Hình 3

5

Hình 3 Thiết bị, nguyên liệu, hóa chất và dụng cụ trong dự án

b Quy trình tổng hợp nano carbon hoạt tính

- Quy trình điều chế nano carbon hoạt tính từ bã được trình bày như Hình 4

* Cách tiến hành

Bước 1: Bã mía được cắt nhỏ, nghiền nát, rửa sạch với nước cất Sấy khô ở

nhiệt độ 100 oC trong 3 giờ

nhiệt độ 80 oC trong 2 giờ Mẫu sau đó được rửa sạch với nước cất Sấy khô ở

80 oC trong 24 giờ

Bước 3: Lấy 5 gam mẫu khô cho vào cốc sứ, bọc một lớp giấy nhôm và đất sét,

đem nung tại 500 oC trong 3 giờ ở lò nung Sau đó nghiền mịn, thu được ACB

* Vật liệu carbon không hoạt hóa (kí hiệu CB) cũng được điều chế tương tự như quy trình trên nhưng không sử dụng tác nhân hoạt hóa Na2CO3

+ Giai đoạn 1: Ngâm tẩm bã mía bằng dung dịch Na2CO3 10%

+ Giai đoạn 2: Carbon hóa và hoạt hóa hóa học

6

Hình 4 Quy trình điều chế vật liệu ACB

c Phương pháp đặc trưng SEM

- Mẫu được gửi đi đo SEM tại Phòng thí nghiệm vật lý chất rắn, trường Đại học Khoa học Tự nhiên – Đại học Quốc gia Hà Nội để khảo sát hình thái, kích thước, trạng thái sắp xếp và độ phân tán của lỗ xốp

d Đánh giá khả năng hấp phụ RhB của ACB

Hình 5 Quy trình chạy hấp phụ RhB của vật liệu ACB

- Tiến hành tương tự cho CB

7

- Cho 0,2 gam ACB vào 80 mL dung dịch RhB 30 mg/L đựng trong cốc 250

mL Khuấy đều trên máy khuấy từ, sau 20, 40, 60, 80, 100 và 120 phút Lấy 8

mL hỗn hợp trên ly tâm, nồng độ RhB được xác định bằng phương pháp trắc quang ở bước sóng 553 nm (máy quang UV-mini 1240, Shimadzu)

e Mở rộng ứng dụng hấp phụ của ACB trong xử lý một số chất ô nhiễm khác như: Methylene blue (MB) và muối Fe2(SO4)3

- Việc ô nhiễm ion sắt (III) gây mất thẫm mỹ cho nước, làm quần áo bị ố vàng, sàn nhà, dụng cụ ố màu nâu đỏ Hơn nữa, khi nước chảy qua đường ống, sắt sẽ lắng cặn gây gỉ sét, tắc nghẽn trong đường ống Ngoài ra, lượng sắt có nhiều trong nước sẽ làm cho thực phẩm biến chất, thay đổi màu sắc, mùi vị; làm giảm việc tiêu hóa và hấp thu các loại thực phẩm, gây khó tiêu, …

- Vật liệu ACB được tiến hành đánh giá khả năng hấp phụ một số chất ô nhiễm trong nước thải như MB và muối Fe2(SO4)3 trong khoảng thời gian 120 phút

f Khảo sát ảnh hưởng thời gian ngâm tẩm bã mía bằng dung dịch Na2CO3 10%

- Thí nghiệm điều chế ACB được tiến hành trong điều kiện thay đổi thời gian ngâm tẩm bã mía bằng dung dịch Na2CO3 10% lần lượt là: 2 giờ (2ACB); 3 giờ (3ACB) và 4 giờ (4ACB)

- Đánh giá khả năng hấp phụ RhB của các mẫu 2ACB, 3ACB và 4ACB, so sánh

g Thử nghiệm khả năng xử lý mẫu nước thải sinh hoạt bằng ACB

- Cân 5 gam ACB vào cốc Thêm 1000 mL mẫu nước thải sinh hoạt vào cốc, khuấy từ trong khoảng 100 phút, li tâm, lọc bỏ ACB, thu được mẫu nước sau xử

lý

- Gửi đi xét nghiệm các chỉ số quy chuẩn của mẫu nước đầu vào và sau xử lý

Từ đó đánh giá khả năng xử lý nước thải của ACB

V KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

Hình 6 Nguyên liệu bã mía:

(a) không hoạt hóa và (b) hoạt hóa

bằng dung dịch Na 2 CO 3 10%

Hình 7 Mẫu vật liệu (a) nano carbon

hoạt hóa bằng Na 2 CO 3 và (b) nano carbon không hoạt hóa

V.1 Kết quả đặc trưng SEM

8

9

Hình thái bề mặt của các vật liệu (ACB và CB) được đặc trưng bằng phương pháp hiển vi điện tử quét (SEM) Cả hai mẫu vật liệu đều có cấu trúc carbon vô định hình đặc trưng của các tấm than chì Như quan sát trong Hình 8a1, a2, a3, ảnh SEM của CB thể hiện hình thái dạng tấm không đồng đều, có xu hướng kết tụ thành từng mảng cụm lớn Bề mặt của các mảng này tương đối nhẵn và ít lỗ mao quản Sau khi hoạt hóa, hình thái vật liệu xuất hiện cấu trúc dạng tấm nano với bề mặt chứa lượng lớn lỗ trống và hang hốc Hình 8b2 của ACB cho thấy bó nano hình sợi khoảng 100 nm xếp chồng trật tự với cấu trúc xốp cao của một loạt các vết nứt và đường nứt đạt đến kích thước phân tử So sánh Hình 8a3 và 8b3, sự phân bố các lỗ mao quản trong ACB đồng đều hơn trong CB Như vậy, với đặc tính bề mặt cải thiện đáng kể, vật liệu ACB được dự đoán có khả năng hấp phụ tốt hơn CB

V.2 Khảo sát khả năng hấp phụ RhB của ACB và CB

Bảng 1 Khả năng hấp phụ RhB của vật liệu ACB và CB

Thời gian hấp phụ

(phút)

Vật liệu

Hình 9 Hiệu suất hấp phụ RhB của vật liệu ACB và AB

Kết quả khảo sát hoạt tính hấp phụ RhB của vật liệu nano carbon hoạt hóa bằng Na2CO3 (ACB) và nano carbon không hoạt hóa (CB) được thể hiện trong Bảng 1 và Hình 9 Kết quả cho thấy vật liệu ACB có hiệu quả hấp phụ chất màu RhB tốt hơn Cụ thể, vật liệu này đạt hiệu suất hấp phụ RhB là 96,84% sau 120 phút thí nghiệm, trong khi đó vật liệu CB chỉ đạt 43,09% Điều này cho thấy vai trò quan trọng của tác nhân hoạt hóa Na2CO3 trong việc cải thiện hoạt tính hấp

10

phụ của vật liệu carbon nano Trong quá trình hoạt hóa, Na2CO3 xâm nhập vào bên trong cấu trúc bã mía Dưới tác dụng của nhiệt độ nung, chất hoạt hóa này tương tác carbon tạo ra các phân tử khí thoát khỏi cấu trúc vật liệu, để lại nhiều lỗ trống (pores) [4] Ngoài ra, các pores này cũng phát triển thành hệ thống mao quản mở rộng nhờ hiện tượng đốt cháy các vách ngăn, làm tăng độ xốp cho vật liệu Vì vậy, khả năng hấp phụ nano carbon hoạt tính được cải thiện đáng kể

V.3 Khảo sát ảnh hưởng thời gian ngâm tẩm dung dịch Na 2 CO 3 10% đến khả năng hấp phụ RhB của vật liệu ACB

đến khả năng hấp phụ RhB của vật liệu ACB

Thời gian hấp phụ

(phút)

Vật liệu

C (mg/L) H (%) C (mg/L) H (%) C (mg/L) H (%)

đến khả năng hấp phụ RhB của vật liệu ACB

Trong nghiên cứu này, thời gian ngâm tẩm dung dịch hoạt hóa Na2CO3 10% của vật liệu ACB lần lượt là: 2 giờ (2ACB); 3 giờ (3ACB) và 4 giờ (4ACB) Kết quả ở Bảng 2 và Hình 10 cho thấy, hiệu suất hấp phụ giảm dần theo thời gian hoạt hóa Na2CO3 Cụ thể, hiệu suất hấp phụ của vật liệu 2ACB là 96,84%; vật liệu 3ACB đạt 75,30% và vật liệu 4ACB chỉ đạt 56,01% Điều này được lý giải

là do thời gian hoạt hóa càng lâu thì lượng nước bay hơi càng nhiều, dẫn đến nồng độ Na2CO3 có khuynh hướng tăng, làm khả năng di chuyển để xâm nhập vào cấu trúc sợi mía của các tiểu phân Na2CO3 khó khăn nên giảm tác dụng hoạt