Đề tài nghiên cứu khoa học của sinh viên chế tạo vật liệu biochar từ bã Ép hạt dưa lưới và khảo sát khả năng Ứng dụng hấp phụ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠOTRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN CHẾ TẠO VẬT LIỆU BIOCHAR TỪ BÃ ÉP HẠT DƯA LƯỚI VÀ KHẢO SÁT KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG HẤP P

TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ CẦN NGHIÊN CỨU

Tổng quan về hiện trạng ô nhiễm nước

Sự phát triển kinh tế nhanh chóng ở các ngành nông nghiệp và công nghiệp tại Việt Nam đang dẫn đến tình trạng ô nhiễm môi trường nước ngày càng nghiêm trọng Ô nhiễm này chủ yếu xuất phát từ chất thải công nghiệp, nông nghiệp và rác thải sinh hoạt.

Môi trường nước mặt ở các đô thị hiện nay đang bị ô nhiễm nghiêm trọng do tiếp nhận nguồn nước chưa được xử lý, với nhiều nơi bị ô nhiễm nặng Bên cạnh ô nhiễm hữu cơ, một số khu vực còn chịu ảnh hưởng từ kim loại nặng và hóa chất độc hại như thủy ngân, asen, clo, phenol, gây suy giảm sức khỏe của người dân Số lượng bệnh nhân tại các khoa chống độc ở bệnh viện ngày càng gia tăng, buộc nhà nước phải đầu tư nhiều kinh phí cho việc điều trị và đối phó với các hệ lụy khác.

Mỗi năm, Việt Nam ghi nhận gần 9.000 trường hợp tử vong và khoảng 20.000 người được chẩn đoán mắc bệnh ung thư, chủ yếu do ô nhiễm nguồn nước Đặc biệt, 21% dân số Việt Nam đang sử dụng nguồn nước nhiễm Asen, một chất có khả năng gây ung thư, tạo nên một thực trạng đáng báo động.

Nguyên nhân gây ra ô nhiễm nước:

Rác thải khó phân hủy như nhựa và nilon, cùng với nước thải từ sinh hoạt hàng ngày của hộ gia đình, khu dân cư và khách sạn, nếu không được xử lý đúng cách sẽ gây ô nhiễm nguồn nước nghiêm trọng.

Rác thải y tế đang gặp nhiều thách thức trong việc xử lý tại các bệnh viện và cơ sở y tế, dẫn đến hiệu quả chưa cao Chất thải y tế được coi là nguồn chứa đựng nhiều vi khuẩn và mầm bệnh, đòi hỏi cần có biện pháp quản lý và xử lý hiệu quả hơn để bảo vệ sức khỏe cộng đồng.

Sự đô thị hóa nhanh chóng đang diễn ra, với sự xuất hiện của các tòa nhà cao tầng, chung cư và xí nghiệp, thay thế cho môi trường tự nhiên Điều này dẫn đến mất cân bằng tự nhiên nghiêm trọng Do đó, con người cần nâng cao ý thức trong việc sử dụng và xử lý rác thải khó phân hủy, cũng như tránh xả thải bừa bãi.

Hoạt động sản xuất nông nghiệp hiện nay đang gây ra ô nhiễm nguồn nước nghiêm trọng do xả thải trực tiếp thức ăn thừa và chất thải động vật ra môi trường Việc sử dụng quá liều thuốc trừ sâu và các chất bảo vệ thực vật cũng dẫn đến việc hóa chất dư thừa ngấm vào đất và nước ngầm, làm suy giảm chất lượng nguồn nước.

Trong ngành sản xuất công nghiệp hiện nay, nhiều doanh nghiệp và xí nghiệp vẫn chưa nhận thức đầy đủ về tầm quan trọng của việc bảo vệ môi trường Hầu hết các hoạt động công nghiệp vẫn tiếp tục xả thải trực tiếp ra các sông, hồ, gây ra ô nhiễm nghiêm trọng.

Giới thiệu về Cu

2.2.1 Sơ lược về Cu Đồng (Copper) là nguyên tố hóa học trong bảng tuần hoàn có ký hiệu là Cu, có số hiệu nguyên tử bằng 29 Đồng có 2 đồng vị bền là 63 Cu và 65 Cu, với 63 Cu chiếm khoảng 69% đồng có mặt trong tự nhiên Đồng là kim loại dẻo, có độ dẫn điện và dẫn nhiệt cao Đồng nguyên chất mềm và dễ uốn; bề mặt đồng tươi có màu cam đỏ Nó được sử dụng là chất dẫn nhiệt và điện, vật liệu xây dựng, và là thành phần của các hợp kim của nhiều kim loại khác nhau Đồng là một trong số ít các kim loại xuất hiện trong tự nhiên ở dạng kim loại có thể sử dụng trực tiếp thay vì khai thác quặng Các ion đồng (II) tan trong nước với nồng độ thấp có thể dùng làm chất diệt khuẩn, diệt nấm và làm chất bảo quản gỗ Với số lượng đủ lớn, các ion này là chất độc đối với các sinh vật bậc cao hơn, với nồng độ thấp hơn, nó là một vi chất dinh dưỡng đối với hầu hết các thực vật và động vật bậc cao hơn [18].

Hình 1-1 Một khối đồng trong tự nhiên [18]

Đồng, thuộc nhóm IB trong bảng tuần hoàn, có một electron trong phân lớp s1 trước nhóm d10, nổi bật với tính dẻo và dẫn điện cao Các electron trong phân lớp s chủ yếu ảnh hưởng đến các liên kết kim loại, khiến cho các liên kết này tương đối yếu và thiếu đặc điểm của liên kết cộng hóa trị Điều này giải thích độ dẻo cao và độ cứng thấp của tinh thể đồng Độ cứng thấp của đồng cũng góp phần vào tính dẫn điện cao (59.6×10^6 S/m) và tính dẫn nhiệt tốt, đứng thứ hai trong số các kim loại nguyên chất ở nhiệt độ phòng, chỉ sau bạc Điện trở suất trong đồng chủ yếu do sự tán xạ electron với dao động nhiệt của mạng tinh thể, với điện trở xuất tương đối yếu ở kim loại mềm.

Đồng, cùng với lưu huỳnh và vàng, là một trong ba nguyên tố có màu tự nhiên khác với màu xám hoặc bạc Đồng tinh khiết có màu đỏ cam và chuyển sang màu lam ngọc khi tiếp xúc với không khí Màu sắc đặc trưng này của đồng xuất phát từ sự chuyển tiếp electron giữa phân lớp 3d và 4s, với năng lượng chênh lệch tương ứng với ánh sáng cam.

Hóa học Đồng có hai trạng thái oxy hóa chính là +1 (cuprous) và +2 (cupric), tồn tại trong nhiều hợp chất khác nhau Đồng không phản ứng với nước nhưng phản ứng chậm với oxy trong không khí, tạo thành lớp oxide đồng màu nâu đen Là kim loại kém hoạt động, đồng có tính khử yếu và có khả năng tác dụng với phi kim, axit và muối trong những điều kiện nhất định.

2.2.3 Tính độc hại của Cu Đồng là nguyên tố vi lượng thiết yếu cần thiết cho cơ thể con người, là nguồn vi chất dinh dưỡng cho động vật và thực vật Tuy nhiên sự gia tăng nồng độ đồng trong cơ thể gây ra các vấn đề nghiêm trọng về độc tính như buồn nôn, nôn mửa, đau bụng, khó tiêu, chuột rút, co giật, tiêu chảy, vàng da, Đồng được tìm thấy nhiều nhất ở gan, cơ và xương Ở nồng độ thấp, chúng có thể hoạt động như một chất kháng khuẩn hoặc chất diệt nấm và trong việc bảo quản gỗ

Thiếu đồng có thể gây ra nhiều vấn đề sức khỏe nghiêm trọng, bao gồm triệu chứng thiếu máu, giảm bạch cầu trung tính, bất thường về xương, giảm sắc tố, rối loạn tăng trưởng, suy giảm miễn dịch và loãng xương Ngoài ra, tình trạng này còn ảnh hưởng đến quá trình chuyển hóa glucose và cholesterol Lượng muối đồng tính toán gây độc cho động vật là 30 mg/kg.

Ngộ độc đồng mãn tính là tình trạng hiếm gặp do cơ thể có khả năng điều chỉnh hấp phụ và bài tiết đồng Tuy nhiên, đột biến tự thân của protein vận chuyển đồng có thể gây ra sự tích tụ đồng, dẫn đến xơ gan, hay còn gọi là bệnh Wilson Đồng đóng vai trò quan trọng trong các protein liên quan đến hóa học cơ thể và hệ thống vận chuyển oxy Cơ thể con người chứa từ 1,4 đến 2,1 mg đồng trên mỗi kilôgam trọng lượng, với lượng đồng tối thiểu hàng ngày cần thiết cho hoạt động bình thường là 0,97 mg.

Đồng, với các dạng kim loại Cu, ion Cu (I) và ion Cu (II), trong đó ion Cu (II) là loại độc hại phổ biến nhất trong môi trường Kim loại này được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như mạ điện, sơn, thuốc nhuộm, lọc dầu, phân bón, khai thác mỏ, luyện kim, thuốc nổ, thuốc trừ sâu và ngành công nghiệp thép Đồng được xem là một trong những kim loại nặng nguy hiểm hàng đầu trong các dòng nước thải công nghiệp.

Giới thiệu về Pb

Chì là một nguyên tố hoá học trong bảng tuần hoàn hoá học có số nguyên tử là

Chì, ký hiệu là Pb, là một kim loại mềm, nặng và độc hại, có hoá trị phổ biến là II, đôi khi là IV Tồn tại trong khoảng 84 khoáng chất, điển hình là galen (PbS), chì đã được sử dụng từ hàng ngàn năm trước nhờ vào sự phân bố rộng rãi và dễ chiết tách Tuy nhiên, lượng chì tiêu thụ toàn cầu ngày càng tăng, dẫn đến việc thải ra môi trường ngày càng lớn từ các nguồn như khai thác mỏ, luyện kim, sản xuất, tái chế, cũng như việc sử dụng xăng và sơn pha chì ở một số quốc gia Hơn 75% chì tiêu thụ được sử dụng để sản xuất ắc quy chì – axit cho xe có động cơ, bên cạnh đó, chì còn có mặt trong nhiều sản phẩm khác như bột màu, sơn, hàn, kính màu, đạn dược, men gốm, đồ trang sức, đồ chơi, mỹ phẩm và thuốc truyền thống Việc sản xuất các sản phẩm từ chì tại các nhà máy thiếu hệ thống thoát nước và xử lý nước thải đã dẫn đến ô nhiễm môi trường đất và nước, gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến sức khoẻ con người.

 Tính chất vật lý của Pb

Chì là một kim loại nặng màu trắng bạc, có bề mặt cắt tươi sáng nhưng nhanh chóng xỉn màu khi tiếp xúc với không khí Kim loại này rất mềm, dễ uốn và có tính dẫn điện kém so với các kim loại khác Chì có khối lượng riêng đạt 11,34 g/cm³, với nhiệt độ nóng chảy là 327,4 °C và nhiệt độ sôi là 1745 °C.

 Tính chất hoá học của Pb

Chì là một kim loại có tính khử yếu, vì vậy nó không bị oxi hóa ở nhiệt độ thường Tuy nhiên, khi ở nhiệt độ cao, chì sẽ bị oxi hóa và hình thành lớp chì oxit mỏng Lớp oxit này giúp bảo vệ chì khỏi quá trình oxi hóa tiếp theo.

Chì không phản ứng với dung dịch HCl và H2SO4 loãng vì các muối chì không tan tạo lớp bảo vệ bên ngoài kim loại Ngược lại, chì hòa tan nhanh chóng trong dung dịch H2SO4 đặc nóng, dễ dàng tan trong HNO3 và tan chậm trong HNO3 đặc cũng như dung dịch kiềm nóng.

2.3.3 Tính độc hại của Pb

Chì và các hợp chất của nó được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như công nghiệp, y học, và quân sự, đóng vai trò quan trọng trong nền kinh tế và đời sống con người Tuy nhiên, chì cũng là một mối đe dọa nghiêm trọng đối với sức khỏe con người, đặc biệt là trẻ em và thai nhi, do khả năng hấp thụ qua hô hấp, tiêu hóa, và da Nghiên cứu cho thấy chỉ cần hấp thụ 1 mg chì mỗi ngày có thể dẫn đến các triệu chứng nghiêm trọng như hôi miệng, vàng da, và đau bụng, trong khi phơi nhiễm cao có thể gây tổn thương não và hệ thần kinh, dẫn đến hôn mê hoặc tử vong Theo WHO, năm 2016, chì đã gây ra 540.000 ca tử vong toàn cầu, với gánh nặng cao nhất ở các nước thu nhập thấp và trung bình.

63,8% gánh nặng khuyết tật phát triển trí tuệ vô căn, trong khi 3% gánh nặng bệnh tim thiếu máu cục bộ và 3,1% gánh nặng toàn cầu do đột quỵ.

Hình 1-3 Nhiễm độc chì gây ra một số căn bệnh [24].

Nước thải công nghiệp – tiêu chuẩn thải

Trong nước thải, các ion phổ biến bao gồm kim loại nặng và hợp chất vô cơ Nghiên cứu cho thấy các nguồn chính gây ô nhiễm kim loại nặng trong nước thải chủ yếu đến từ hoạt động công nghiệp và nông nghiệp.

 Chì (Pb) và đồng (Cu): thường xuất hiện từ ống kim loại và quá trình ăn mòn mạ kẽm.

 Kẽm (Zn): từ sự ăn mòn các hợp chất kim loại hoặc từ các sản phẩm tẩy rửa.

 Cadmium (Cd) và thủy ngân (Hg): có thể xuất hiện trong các sản phẩm nhuộm và các nguyên liệu công nghiệp khác.

Các ion khác thường thấy trong nước thải còn bao gồm:

 Sulfat (SO₄² ): từ nước thải công nghiệp hoặc nước thải sinh hoạt có tính axit.⁻

 Clorua (Cl ): phổ biến trong nước thải công nghiệp, đặc biệt ở các vùng ven biển⁻ nơi nước mặn có thể xâm nhập vào hệ thống cống rãnh.

Nitrat (NO₃) và phosphate (PO₄³) thường xuất hiện từ phân bón và chất thải sinh hoạt Trong quy trình xử lý nước thải, các tiêu chuẩn xả thải chủ yếu tập trung vào các thông số như pH, nhu cầu oxy hóa học (COD), nhu cầu oxy sinh hóa (BOD) và tổng chất rắn lơ lửng (TSS) Những tiêu chuẩn này đặt ra giới hạn cụ thể cho chất lượng nước thải nhằm bảo vệ môi trường và sức khỏe cộng đồng.

Giá trị pH của nước thải sau xử lý cần nằm trong khoảng từ 6 đến 9 để không gây hại cho môi trường tiếp nhận BOD và COD là hai chỉ số quan trọng đánh giá ô nhiễm hữu cơ, với tiêu chuẩn yêu cầu nồng độ BOD trong nước thải sau xử lý phải dưới 20-30 mg/L và COD dưới 100 mg/L.

Mức TSS được kiểm soát với giới hạn khoảng 30 mg/L để đảm bảo rằng các hạt rắn không gây ảnh hưởng tiêu cực đến nguồn nước, trong khi mức 250 mg/L cũng được chú trọng.

Bảng 1-1 Tóm tắt thông số tiêu chuẩn của nước thải (TCVN 5495:2005) [27]

STT Thông số Đơn vị Giá trị giới hạn

6 Chất rắn lơ lửng mg/L 50 100 200

21 Dầu mỡ khoáng mg/L KPHĐ 1 5

22 Dầu động thực vật mg/L 5 10 30

Cột A: có thể đổ vào các vực nước được dùng làm nguồn nước cho mục đích sinh hoạt.

Cột B: chỉ được đổ vào các vực nước được dùng cho các mục đích giao thông thuỷ, tưới tiêu, bơi lội, nuôi thuỷ sản, trồng trọt,

Cột C chỉ được phép thải nước thải vào các khu vực được quy định, bao gồm hồ chứa nước thải xây dựng riêng và cống dẫn đến nhà máy xử lý nước thải tập trung.

Nước thải công nghiệp có nồng độ và các thông số ô nhiễm vượt quá giá trị quy định trong cột C thì không được phép xả ra môi trường.

Các phương pháp loại bỏ kim loại nặng

2.5.1 Phương pháp trao đổi ion

Phương pháp trao đổi ion là quá trình hóa học giữa ion trong pha lỏng và pha rắn, cho phép các ion trong nước thay thế ion trên nhựa trao đổi Sự ưu tiên hấp thu của nhựa phụ thuộc vào loại nhựa và ion khác nhau Có hai phương pháp trao đổi ion: lớp nhựa chuyển động và lớp nhựa đứng yên Ứng dụng phổ biến nhất của phương pháp này là xử lý nước uống, nước cấp và nước thải, giúp làm mềm nước, khử ion và khử muối Quá trình này có nhiều ưu điểm như đơn giản, hiệu quả cao, tái sinh nhiều lần với chi phí thấp và thân thiện với môi trường Tuy nhiên, nó cũng có hạn chế khi gặp hợp chất hữu cơ hoặc ion Fe 3+, làm giảm khả năng trao đổi ion của nhựa.

Phương pháp kết tủa là một kỹ thuật hiệu quả trong xử lý kim loại nặng như Cu, Ni, Mg và các tạp chất khác Phương pháp này chủ yếu dựa vào hai quá trình kết tủa cơ bản: kết tủa OH- và kết tủa CaCO3 Cơ chế hoạt động của nó bao gồm việc thêm các hóa chất vào nước thải, khiến chúng phản ứng với các ion kim loại, tạo thành kết tủa không tan Những kết tủa này sẽ kết hợp lại thành các hạt lớn hơn và lắng xuống dưới nhờ trọng lực Sau khi xử lý, nước sẽ chảy qua bể tiếp theo, trong khi cặn lắng được chuyển đến bể chứa bùn để xử lý tiếp Nồng độ pH của nước thải là yếu tố quan trọng cần điều chỉnh trước khi thực hiện quá trình kết tủa, nhằm đảm bảo hiệu quả tối ưu Các hóa chất thường được sử dụng trong quá trình này bao gồm phèn nhôm, sulfate và vôi, ferric chloride, và sự kết hợp giữa ferric chloride với vôi.

Phương pháp keo tụ điện hoá sử dụng quá trình hoà tan anod để tạo ra hydroxyl kim loại có hoạt tính cao, giúp keo tụ hiệu quả các hợp chất ô nhiễm trong nước thải, đặc biệt là các chất màu hữu cơ.

Quá trình điện hoá nước thải dựa trên nguyên lý điện phân để loại bỏ các chất ô nhiễm hữu cơ và vô cơ thông qua các phản ứng hoá học diễn ra trên bề mặt điện cực anod và cathod Quá trình này được chia thành ba giai đoạn chính.

Giai đoạn keo tụ điện hoá là bước đầu tiên trong quy trình xử lý nước thải, sử dụng keo chứa hạt kim loại nano như Ag và Cu làm chất xúc tác Khi áp điện trường xoay chiều, electron di chuyển trên bề mặt hạt kim loại, kích hoạt phản ứng oxy hoá và khử Qua các phản ứng hoá học, các chất ô nhiễm trong nước thải như chất hữu cơ, dầu mỡ và phenol được phân huỷ thành các sản phẩm đơn giản như CO2, ion kim loại và muối vô cơ.

Trong giai đoạn oxy hóa, nước thải từ bước trước được đưa vào bể xử lý, nơi điện thế được áp giữa cực dương và cực âm Tại cực dương, nước bị phân ly, tạo ra các gốc hydroxyl và clo mạnh mẽ Những gốc này sẽ oxy hóa các chất ô nhiễm hữu cơ còn lại trong nước thải thành các sản phẩm đơn giản như CO2, H2O và ion nitrat.

Giai đoạn cuối cùng của quá trình xử lý nước thải là giai đoạn tuyến nổi, nơi nước đã qua hai bước xử lý trước đó được dẫn vào bể có lắp đặt điện cực dương và âm Khi áp dụng điện thế, các hạt cặn lơ lửng trong nước sẽ bị ion hoá, với các ion dương di chuyển về phía cực âm và các ion âm di chuyển về phía cực dương Quá trình này giúp tách các hạt bụi và cặn lơ lửng ra khỏi nước, đảm bảo nước thải sau xử lý đạt độ tinh khiết cao, đáp ứng yêu cầu xả ra môi trường.

Công nghệ lọc màng đang ngày càng phổ biến trong ngành xử lý nước, với nhiều loại màng khác nhau được áp dụng Phương pháp này hoạt động dựa trên nguyên lý sử dụng áp lực để đẩy dòng nước thải qua lớp màng có cấu trúc lỗ xốp, giúp giữ lại các hạt cặn bẩn không cho đi qua Công nghệ màng có thể được phân loại theo các lực đẩy khác nhau như áp lực, nồng độ hoặc điện tích Các loại màng này đặc biệt hiệu quả trong việc loại bỏ kim loại nặng khỏi nước thải.

Màng lọc Ultra Filtration là loại màng siêu lọc với cấu trúc sợi rỗng và kích thước lỗ từ 0,1 – 0,001 micron, có khả năng ngăn chặn hiệu quả virus, vi khuẩn, bụi, hydroxit kim loại, chất keo, nhũ tương và các chất rắn lơ lửng.

Lọc Nanofiltration (NF) là công nghệ tiên tiến giúp loại bỏ các hạt có kích thước từ 0,001 đến 0,01 micromet trong nước Công nghệ NF không chỉ lọc mà còn có khả năng phản ứng với các chất trên bề mặt, đồng thời hấp phụ và hấp thụ các hóa chất, mang lại hiệu quả cao trong xử lý nước.

Lọc thẩm thấu ngược (RO) là công nghệ tiên tiến giúp loại bỏ các hạt có kích thước từ 0,0005 micromet trở lên trong dung dịch Công nghệ này hoạt động hiệu quả với áp suất làm việc từ 2 đến 70 bar, mang lại khả năng lọc sạch và tinh khiết cho nước.

Công nghệ RO có khả năng loại bỏ hơn 99% muối hòa tan và ion kim loại, với chỉ các phân tử nước có kích thước khoảng 0,0002 mới có thể vượt qua màng RO.

Phương pháp hấp phụ là một trong những phương pháp hiệu quả nhất trong việc xử lý nước thải ô nhiễm chứa nhiều chất hữu cơ từ nước thải sinh hoạt và sản xuất, vượt trội hơn so với các phương pháp khác Phương pháp này đã được nghiên cứu và áp dụng rộng rãi trên toàn thế giới nhờ vào hiệu suất hấp phụ cao và chi phí đầu tư thấp Quá trình hấp phụ được chia thành hai loại: hấp phụ do tương tác lực tĩnh điện và hấp phụ nội tại Các vật liệu hấp phụ phổ biến bao gồm than hoạt tính, nhôm hoạt tính, silica gel và alumin silicat, trong đó than hoạt tính được ưa chuộng nhất do giá thành rẻ và hiệu quả xử lý nước thải cao.

Tổng quan về phương pháp hấp phụ

Hình 1-4 Quá trình hấp phụ [33]

Hấp phụ là quá trình mà các chất được hút vào bề mặt của vật liệu xốp nhờ các lực bề mặt Các vật liệu xốp có khả năng hấp phụ được gọi là chất hấp phụ, trong khi chất tích lũy trên bề mặt của chúng được gọi là chất bị hấp phụ Tùy thuộc vào bản chất của lực bề mặt, hấp phụ được chia thành hai loại chính: hấp phụ vật lý và hấp phụ hóa học.

Hấp phụ vật lý diễn ra nhờ lực hút phân tử Vander Waals trong không gian gần bề mặt Lực này là sự kết hợp của nhiều loại lực như tĩnh điện, tán xạ, cảm ứng và lực định hướng Trong quá trình hấp phụ vật lý, chất hấp phụ và chất bị hấp phụ không tạo thành liên kết hóa học; thay vào đó, chất bị hấp phụ chỉ ngưng tụ trên bề mặt phân chia pha và được giữ lại trên bề mặt chất hấp phụ.

5) Nhiệt độ hấp phụ dao động trong khoảng 20 – 40 kJ.mol -1 [35, 36].

Hấp phụ hoá học diễn ra khi các phân tử chất hấp phụ tạo ra hợp chất hoá học với các phân tử chất bị hấp phụ, với lực hấp phụ chủ yếu là các liên kết hoá học như liên kết ion, liên kết cộng hoá trị và liên kết phối trí Nhiệt hấp phụ hoá học có thể đạt tới 800 kJ.mol -1, cho thấy sức mạnh của quá trình này Tuy nhiên, sự phân biệt giữa hấp phụ vật lý và hấp phụ hoá học là tương đối, vì ranh giới giữa chúng không rõ ràng Trong nhiều trường hợp, cả hai loại hấp phụ này có thể xảy ra đồng thời.

Hình 1-5 Các dạng hấp phụ [37]

Trong môi trường nước, quá trình hấp phụ giữa chất hấp phụ và chất bị hấp phụ phức tạp do sự tương tác của ba thành phần: nước, chất hấp phụ và chất bị hấp phụ Sự hiện diện của dung môi dẫn đến hấp phụ cạnh tranh giữa chất hấp phụ và dung môi trên bề mặt chất hấp phụ Quá trình hấp phụ bị ảnh hưởng bởi pH, làm thay đổi bản chất của chất bị hấp phụ và các nhóm chức trên bề mặt chất hấp phụ Đặc biệt, khả năng hấp phụ của vật liệu đối với các chất hữu cơ có độ tan cao thường yếu hơn so với các chất có độ tan thấp Hầu hết các chất hữu cơ trong nước tồn tại dưới dạng phân tử trung hoà, ít phân cực, do đó, hấp phụ chủ yếu diễn ra theo cơ chế vật lý Khả năng hấp phụ còn phụ thuộc vào pH của dung dịch, lượng chất hấp phụ và nồng độ chất bị hấp phụ.

2.6.2 Cân bằng hấp phụ - các phương trình đẳng nhiệt hấp phụ

Quá trình hấp phụ là một quá trình thuận nghịch, trong đó các phần tử chất có thể di chuyển ngược lại pha mang sau khi đã được hấp phụ trên bề mặt hấp phụ Khi hệ hấp phụ đạt trạng thái cân bằng, lượng chất bị hấp phụ phụ thuộc vào nhiệt độ, áp suất hoặc nồng độ, được biểu diễn bằng công thức q = f(T, P hoặc C) Ở nhiệt độ không đổi (T = const), sự phụ thuộc của q vào P hoặc C sẽ được thể hiện qua các đường biểu diễn thích hợp.

C gọi là đường đẳng nhiệt hấp phụ q= fT ( P hoặc C ) (2.6)

Để xác định dung lượng hấp phụ (mg.g -1), ta sử dụng công thức q = (C o - C e) V / m, trong đó Co (mg.L -1) là nồng độ ban đầu, Ce (mg.L -1) là nồng độ ở trạng thái cân bằng, V (L) là thể tích dung dịch và m (g) là khối lượng chất hấp phụ.

Hiệu suất quá trình hấp phụ:

Năm 1915, Langmuir đưa ra thuyết hấp phụ đơn phân tử xuất phát trên các giả thuyết

 Tất cả các tâm hoạt hoá đều có tính chất như nhau.

 Số tâm hoạt hoá không thay đổi theo thời gian.

 Mỗi tâm hoạt hoá chỉ có một phân tử bị hấp phụ.

 Giữa các phân tử bị hấp phụ không có tác động qua lại.

Phương trình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir cho hệ hấp phụ rắn – lỏng:

C e q e = 1 q max ×C e + 1 k L × q max (2.9) Trong đó: q e : Dung lượng hấp phụ tại thời điểm cân bằng (mg.g -1 ). q max : Dung lượng hấp phụ cực đại (mg.g -1 ).

C e : Nồng độ chất bị hấp phụ lúc cân bằng (mg.L -1 ). k L : Hằng số đặc trưng tương tác của chất hấp phụ và chất bị hấp phụ.

Xây dựng đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của C e q e vào Ce với trục x là Ce và trục y là C e q e sẽ xác định được các hằng số q max và KL.

Freundlich đã phát triển phương trình để mô tả mối quan hệ giữa q và C từ thực nghiệm, được thể hiện qua công thức log q e = 1 n logC e + logk F Trong đó, q e đại diện cho dung lượng hấp phụ cân bằng (mg.g -1), còn k F và n là các hằng số đặc trưng cho quá trình hấp phụ theo mô hình Freundlich.

Ce: nồng độ chất bị hấp phụ thời điểm cân bằng (mg.L -1 ).

Xây dựng đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của qe với Ce với trục x là logCe và trục y là log q e sẽ xác định được các hằng số Kf,n.

Phương trình Freundlich là công cụ hiệu quả trong việc mô tả quá trình hấp phụ các chất trong nước Bề mặt của chất hấp phụ có tính không đồng nhất, nhiệt hấp phụ vi phân không thay đổi theo độ che phủ, và có sự tương tác giữa các phân tử được hấp phụ.

 Đường đẳng nhiệt Dubinin – Radushkevich

Mô hình đẳng nhiệt Dubinin – Radushkevich (D – R) là mô hình thực nghiệm được dùng để xác định bản chất của quá trình hấp phụ (vật lý hoặc hoá học).

Mô hình D – R có dạng tuyến tính như sau: lnq e = lnq n − β ε 2, trong đó q e là lượng ion kim loại hấp phụ trên một đơn vị khối lượng vật liệu, q n là khả năng hấp phụ tối đa, β là hằng số năng lượng hấp phụ (mol2.J-2) Thế Polanyi ε được tính bằng công thức ε = RTln (1 + C 1 e).

Với T là nhiệt độ dung dịch (K) và R là hằng số khí (R=8.314.10 −3 )kJ mol −1 K −1

Giá trị của năng lượng hấp phụ trung bình, E ( kJ mol −1 ), có thể được tính toán từ mô hình D – R theo tham số β như sau:

Giá trị năng lượng hấp phụ trung bình phản ánh bản chất của quá trình hấp phụ Cụ thể, khi giá trị E nhỏ hơn 8 kJ/mol, quá trình này thuộc loại hấp phụ vật lý, trong khi giá trị từ 8 đến 16 kJ/mol cho thấy quá trình hấp phụ có tính chất khác.

2.6.2.2 Động học hấp phụ Động học hấp phụ là một bộ thông số quan trọng trong việc áp dụng các quá trình hấp phụ vào xử lý nước, nó dùng để dự đoán tốc độ tách chất ô nhiễm ra khỏi dung dịch nước Tuy nhiên các tham số động học thực rất khó xác định vì quá trình hấp phụ rất phức tạp, vì vậy các phương trình động học hình thức thường được dùng để xác định các hằng số tốc độ biểu kiến Sử dụng 2 mô hình động học là phương trình động học giả định bậc 1 (pseudo-first order) và phương trình động học giả định bậc 2 (pseudo-second order).

Phương trình động học giả định bậc 1 dạng tuyến tính có thể được biểu diễn bằng công thức ln( q e −q t ) = ln ( q e ) −k 1 t Trong khi đó, phương trình động học giả định bậc 2 cũng ở dạng tuyến tính, được thể hiện qua công thức t q t = 1 k 2 q e 2 + t q e.

Trong nghiên cứu hấp phụ, q_e đại diện cho động lực hấp phụ tại thời điểm cân bằng (mg.g -1), trong khi q_t thể hiện động lực hấp phụ tại thời điểm t (mg.g -1) Hằng số tốc độ hấp phụ giả định bậc 1 được ký hiệu là k_1 (phút -1), còn hằng số tốc độ hấp phụ giả định bậc 2 là k_2 (phút -1) Những thông số này đóng vai trò quan trọng trong việc đánh giá hiệu suất và cơ chế của quá trình hấp phụ.

Hồi quy tuyến tính các giá trị ln(qe - qt) theo t theo phương trình (2.12) cho mô hình giả định bậc 1 và các giá trị qt theo t cho mô hình giả định bậc 2 giúp tính toán các hằng số động k1 và k2 Mức độ tuyến tính của các giá trị thực nghiệm được đánh giá thông qua hệ số xác định R².

2.6.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hấp phụ

Ảnh hưởng của nhiệt độ

Hấp phụ thường là một quá trình tỏa nhiệt, do đó nhiệt độ cao có thể làm giảm khả năng hấp phụ, vì các phân tử chất hấp phụ có động năng cao hơn và có xu hướng thoát ra khỏi bề mặt Tuy nhiên, nhiệt độ cao cũng làm tăng tốc độ di chuyển của các phân tử, giúp chúng tiếp cận bề mặt chất hấp phụ nhanh hơn, từ đó làm tăng tốc độ ban đầu của quá trình hấp phụ Nghiên cứu của Vũ Thị Hậu và cộng sự chỉ ra rằng khi nhiệt độ tăng, dung lượng và hiệu phụ Cr(IV) của than đều tăng.

Ảnh hưởng của khối lượng than

Giới thiệu về biochar

Biochar, hay còn gọi là than củi, là một vật liệu rắn màu đen được sản xuất thông qua quá trình đốt nóng sinh khối thực vật trong điều kiện thiếu oxy hoặc hạn chế oxy Vật liệu này có khả năng tồn tại bền vững trong đất, cải thiện chức năng của đất, tăng cường khả năng lưu giữ carbon và giảm phát thải khí nhà kính.

BC là hợp chất carbon hữu cơ ổn định và khó phân hủy, hình thành khi sinh khối được nung nóng từ 300 đến 1000°C trong điều kiện oxy thấp, lý tưởng nhất là không có oxy Nó có thể được sản xuất từ nhiều nguồn nguyên liệu sinh khối, bao gồm phế thải nông nghiệp, phân bón và chất thải rắn đô thị, thông qua các phương pháp xử lý nhiệt khác nhau.

BC có diện tích bề mặt lớn và khả năng trao đổi cation cao, giúp lưu giữ các chất dinh dưỡng thiết yếu cho thực vật như Na+, K+, và Ca2+ Tính xốp của BC cho phép chứa nước và không khí, cung cấp môi trường sống cho vi sinh vật trong đất, từ đó đóng vai trò quan trọng trong dinh dưỡng thực vật BC cũng rất ổn định, tồn tại lâu dài trong đất; nghiên cứu khảo cổ học ở Amazon cho thấy các trầm tích "đất đen" có tuổi trên 500 năm vẫn giữ được độ màu mỡ Vì vậy, BC được mệnh danh là "vàng đen" trong nông nghiệp, góp phần vào phát triển bền vững của nền kinh tế nông nghiệp.

2.7.2 Nguyên liệu sản xuất biochar

Theo ước tính của Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông thôn, tổng lượng phụ phẩm nông nghiệp ở Việt Nam đạt gần 160 triệu tấn, trong đó phần sinh khối từ các cây trồng chính như lúa, ngô, mía và rau củ hàng năm cung cấp khoảng 43,4 triệu tấn hữu cơ, 1,86 triệu tấn đạm urê, 1,68 triệu tấn supe lân đơn và 2,23 triệu tấn kali sulfat Tuy nhiên, các nguồn dinh dưỡng này thường bị lãng quên và không được tái sử dụng, dẫn đến ô nhiễm môi trường nghiêm trọng Do đó, việc tận dụng các phụ phẩm nông nghiệp này không chỉ giúp bảo vệ môi trường mà còn có thể sản xuất biogas, giảm thiểu khí thải CO2 và đảm bảo sự bền vững cho môi trường.

Hình 1-7 Các phụ phẩm trong nông nghiệp [46]

Nguyên liệu chính để sản xuất BC bao gồm các vật liệu sinh học như cành cây, rơm rạ, vỏ trấu, bã mía, và bã dưa lưới Nghiên cứu này sẽ tận dụng bã hạt dưa lưới đã được ép dầu, chứa các thành phần hữu cơ cao như protein, lignin, cellulose, hemicellulose và chất xơ, tất cả đều có hàm lượng carbon đáng kể.

BC giữ lại carbon trong sinh khối, ngăn chặn việc phát thải CO2 vào khí quyển, từ đó giảm lượng khí nhà kính Bên cạnh đó, bã ép hạt dưa lưới có thể được sử dụng trong nông nghiệp và ứng dụng xử lý nước thải thông qua quá trình hấp phụ.

2.7.3 Sản xuất biochar từ bã ép hạt dưa lưới

2.7.3.1 Sơ lược về dưa lưới

Dưa lưới (Cucumis melo L.) là loại trái cây có giá trị dinh dưỡng cao, thuộc họ bầu bí (Cucurbitaceae), với thời gian sinh trưởng ngắn và năng suất cao Chứa nhiều chất chống oxy hóa polyphenol, dưa lưới có khả năng phòng chống ung thư và tăng cường hệ miễn dịch, đồng thời cung cấp chất xơ giúp nhuận trường và ngăn ngừa táo bón Ngoài ra, trái cây này còn là nguồn phong phú beta-carotene, acid folic, kali, và vitamin C, A, giúp điều hòa huyết áp, ngừa sỏi thận và lão hóa xương Nguồn gốc của dưa lưới chưa rõ ràng, nhưng nhiều nghiên cứu cho rằng nó bắt nguồn từ miền tây Châu Phi, sau đó lan rộng sang Châu Á và Châu Âu, trước khi được Columbus đưa đến Châu Mỹ, nơi mà nó phát triển nhanh chóng và tạo ra nhiều giống mới Dưa lưới đã được trồng ở Anh từ thế kỷ 17 và phổ biến ở Châu Mỹ vào thế kỷ 18.

Dưa lưới đóng vai trò quan trọng về dinh dưỡng và hiệu quả kinh tế, thu hút sự quan tâm và phát triển của nhiều quốc gia Năm 2017, sản lượng dưa lưới toàn cầu đạt trên 31 triệu tấn, với Trung Quốc dẫn đầu về sản xuất, chiếm 51% tổng sản lượng (trên 16 triệu tấn), gấp chín lần Thổ Nhĩ Kỳ (1,9 triệu tấn) và Iran (1,6 triệu tấn) Thị trường tiêu thụ dưa lưới chủ yếu tập trung tại Mỹ, Hà Lan, Pháp, Canada, Anh, và Đức Trong số các quốc gia nhập khẩu, Mỹ đứng đầu với 694.110 tấn dưa lưới nhập khẩu vào năm 2016, trị giá 474,529 triệu USD, tiếp theo là Hà Lan với 198.311 tấn (71,145 triệu USD) và Pháp với 172.017 tấn (181,090 triệu USD).

Bảng 1-2 Mười quốc gia nhập khẩu dưa lưới lớn nhất trên thế giới năm 2016 [48]

STT Tên nước Sản lượng (tấn) Trị giá (triệu USD)

Trong những năm gần đây, dưa lưới đã trở thành một mặt hàng được người tiêu dùng Việt Nam ưa chuộng, với nguồn gốc từ cả trong nước và nước ngoài Sản phẩm này được trồng rộng rãi tại nhiều khu vực như Bắc Giang, Bắc Ninh, Hưng Yên, Hải Dương và Hồ Chí Minh Kể từ khi du nhập vào Việt Nam vào năm 2007, diện tích trồng dưa lưới đã tăng liên tục, ước tính hiện nay có khoảng 300 ha được trồng trong điều kiện nhà màng Năng suất dưa lưới dao động từ 20 đến 30 tấn/ha, mang lại sản lượng khoảng 20.000-25.000 tấn mỗi năm.

2.7.3.2 Thành phần hóa học của bã ép hạt dưa lưới

Dưa lưới là thực phẩm phổ biến toàn cầu nhờ vào nhiều lợi ích sức khỏe như phòng ngừa ung thư, bảo vệ tim mạch, hỗ trợ tiêu hóa và tốt cho phụ nữ mang thai Nó được chế biến thành nhiều sản phẩm tiêu dùng như nước trái cây, mứt, salad và đồ ăn nhẹ Tuy nhiên, quá trình chế biến cũng tạo ra một lượng lớn sản phẩm phụ, bao gồm vỏ và hạt dưa lưới.

984 nghìn tấn thải mỗi năm gây ra các vấn đề về ô nhiễm môi trường [51].

Trước đây, sản phẩm phụ chủ yếu được sử dụng làm thức ăn chăn nuôi và phân bón hữu cơ Hiện nay, việc nghiên cứu tái sử dụng những sản phẩm này nhằm giảm phát thải ra môi trường đang ngày càng được chú trọng Dầu từ hạt dưa lưới, với nhiều hoạt chất sinh học như tocopherols, sterol, và phospholipids, đã được ứng dụng trong việc sản xuất các sản phẩm chăm sóc da như kem chống nắng và kem dưỡng ẩm.

Dầu hạt dưa lưới được chiết xuất qua nhiều phương pháp như ép lạnh, ép nóng hoặc sử dụng dung môi Sau khi chiết xuất, bã ép hạt dưa lưới là phần còn lại, chứa nhiều chất xơ và các thành phần polime như lignin (28-30%), cellulose (28-35%) và hemicellulose (18%).

Các polymer có khả năng hấp phụ cao các chất tan, đặc biệt là kim loại hóa trị II Nghiên cứu của Martins và cộng sự chỉ ra rằng các hợp chất polyphenol như tannin và lignin là những thành phần hoạt động có khả năng hấp phụ kim loại nặng Bã ép hạt dưa lưới, với hàm lượng lignin cao, có khả năng tạo ra BC nhiều, do đó, chúng được coi là nguồn nguyên liệu tiềm năng cho sản xuất BC.

2.7.4 Phương pháp sản xuất biochar

Nhiệt phân là quá trình phân huỷ sinh khối thông qua nhiệt, diễn ra trong điều kiện kỵ khí hoặc với lượng oxy hạn chế, tạo ra khí, nước và than sinh học Quá trình này được phân loại thành nhiều chế độ như nhiệt phân nhanh và nhiệt phân chậm, tùy thuộc vào các yếu tố như nhiệt độ, tốc độ gia nhiệt và thời gian bảo quản.

Nhiệt phân nhanh là quá trình nhiệt phân diễn ra ở nhiệt độ cao, khoảng 500 o C, với thời gian bốc hơi nước ngắn Phương pháp này yêu cầu nguyên liệu đầu vào có kích thước nhỏ và được sắp xếp hợp lý để đảm bảo hơi nước thoát ra nhanh chóng.

NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Hoá chất, dụng cụ và thiết bị

Hóa chất Nồng độ (%) Nơi sản xuất

Copper (II) sulfate pentahydrate ≥ 99 Trung Quốc

Lead (II) nitrate ≥ 99,5 Trung Quốc

1.1.2 Dụng cụ và thiết bị

- Bình định mức 100 mL, 250 mL, 500 mL

Chế tạo vật liệu BC từ bã ép hạt dưa lưới

Hạt dưa lưới sau khi thu gom sẽ được rửa sạch nhiều lần để xử lý sơ bộ Sau đó, tiến hành ép dầu từ hạt và thu hồi bã Quy trình tổng hợp biochar từ bã hạt dưa lưới được minh họa trong Hình 2-9 Để bắt đầu, cân 5 gram bã hạt thô, nghiền nhỏ và rây qua lưới để chuẩn bị cho các bước tiếp theo.

1 mm Sau đó tiến hành nhiệt phân số bã đã được nghiền ở 3 mức nhiệt độ khác nhau:

Quá trình nung được thực hiện ở nhiệt độ 600 o C, 700 o C và 800 o C với tốc độ gia nhiệt 3 o C/phút và thời gian lưu 120 phút Sau khi nung, bã sẽ được nghiền nhỏ và rây qua lưới lọc 1 mm để đạt độ mịn cao hơn Hỗn hợp sau đó được rửa bằng máy ly tâm với nước cất trong 15 phút ở tốc độ 2500 vòng/phút nhằm tách phần tro ra khỏi than và điều chỉnh pH về trung tính Cuối cùng, mẫu sẽ được lọc bằng giấy lọc và sấy khô ở 105 o C trong 3 giờ.

Hình 2-9 Quy trình tổng hợp biochar từ bã ép hạt dưa lưới

Phương pháp nghiên cứu

1.3.1 Phương pháp nghiên cứu hình thái bề mặt

Kính hiển vi điện tử quét (SEM) là thiết bị cho phép tạo ảnh bề mặt mẫu vật với độ phân giải cao thông qua chùm tia điện tử quét trên bề mặt Quá trình tạo ảnh diễn ra bằng cách ghi nhận và phân tích bức xạ phát ra từ sự tương tác giữa chùm điện tử và bề mặt mẫu Nghiên cứu này sử dụng thiết bị JSM – 7000 của hãng Joel (Nhật Bản) để đo hình thái bề mặt tại Lab 2.18, PTN Nano – Điện hoá, Toà nhà Công nghệ cao, Trường Đại học Cần Thơ.

1.3.2 Phương pháp nghiên cứu tính chất hoá lý của vật liệu than sinh học từ bã ép hạt dưa lưới

 Phương pháp phổ tán sắc năng lượng tia X (EDX)

Phương pháp phổ tán sắc năng lượng tia X là kỹ thuật phân tích thành phần hóa học của vật rắn, dựa trên việc ghi lại phổ tia X phát ra từ vật liệu khi tương tác với bức xạ, chủ yếu là chùm điện tử năng lượng cao trong kính hiển vi điện tử Nghiên cứu này được thực hiện tại Viện Khoa học Vật liệu Ứng dụng, Thành phố Hồ Chí Minh.

 Phương pháp phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FT-IR)

Quang phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FT-IR) là dạng quang phổ hồng ngoại phổ biến nhất, hoạt động dựa trên nguyên tắc bức xạ hồng ngoại (IR) đi qua mẫu và một phần bị hấp thụ Bức xạ còn lại được ghi lại, cho phép xác định và phân biệt các phân tử khác nhau nhờ vào cấu trúc quang phổ độc đáo của chúng Nghiên cứu này được thực hiện tại Viện khoa học Vật liệu Thành phố Hồ Chí Minh bằng thiết bị MIR/NIR Frontier của PerkinElmer.

 Phương pháp đo diện tích bề mặt và kích thước lỗ xốp (BET)

Lý thuyết Brunauer – Emmett – Teller (BET) giải thích sự hấp phụ vật lý của phân tử khí trên bề mặt chất rắn và là nền tảng cho kỹ thuật phân tích đo điện tích bề mặt riêng của vật liệu Mô hình BET được ứng dụng rộng rãi trong nghiên cứu hấp phụ vật lý trong pha khí, dựa trên ba giả thuyết cơ bản: (i) Enthalpy hấp phụ của các phân tử không phụ thuộc vào lớp thứ nhất và bằng enthalpy hoá lỏng ∆ HL; (ii) Không có tương tác giữa các phân tử bị hấp phụ; (iii) Số lớp hấp phụ trở nên vô cùng ở áp suất hơi bão hoà Trong nghiên cứu này, hình thái bề mặt của mẫu vật liệu được đo tại Viện khoa học vật liệu ứng dụng Thành phố Hồ Chí Minh bằng thiết bị 201A của hãng Porous Materials Inc – Mỹ.

Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ Cu 2+ và Pb 2+ của BC từ bã ép hạt dưa lưới

BC từ bã ép hạt dưa lưới

1.4.1 Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ nung BC từ bã ép hạt dưa lưới đến khả năng hấp phụ Cu 2+ và Pb 2+

Thí nghiệm được thực hiện với ba bình tam giác được đánh số từ 1 đến 3, mỗi bình chứa 50 mL dung dịch ion kim loại Cu 2+ và Pb 2+ với nồng độ lần lượt là 30 ppm và 0,5 g biochar Các bình được xử lý ở ba nhiệt độ khác nhau: 600 o C (bình 1), 700 o C (bình 2) và 800 o C (bình 3) Quá trình lắc được tiến hành trong bể điều nhiệt với tốc độ 100 vòng/phút ở nhiệt độ phòng trong thời gian 60 phút.

Bảng 2-4 Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt động nung BC đến khả năng hấp phụ Cu 2+ và Pb 2+ của vật liệu BC từ bã ép hạt dưa lưới

Thể tích dung dịch (mL)

Nồng độ dung dịch (ppm)

1.4.2 Xác định điện tích bề mặt và điểm đẳng điện của vật liệu BC Điểm đẳng điện của bề mặt một chất là giá trị pH tại đó bề mặt vật liệu trung hoà về điện Phương pháp xác định dựa trên giả thuyết là các proton H + và các nhóm hydroxyl OH - là các ion quyết định điện tích, vật liệu BC trong dung dịch sẽ hấp phụ

Điện tích bề mặt của vật liệu BC bị ảnh hưởng bởi pH của dung dịch, với các nhóm chức trên bề mặt có khả năng liên kết hoặc phá liên kết với proton tùy thuộc vào đặc điểm của vật liệu và mức pH của dung dịch.

Thí nghiệm khảo sát được thực hiện bằng cách cho 50 mL dung dịch KCl 0,1M vào bình tam giác và điều chỉnh pH của dung dịch ở các mức 2,4,6,7,8,10 bằng dung dịch NaOH 0,1M hoặc 0,01M và HCl 0,1M và 0,01M Sau đó, 0,5g vật liệu BC được cân và cho vào các bình tam giác đã điều chỉnh pH Hỗn hợp được lắc với tốc độ 120 vòng/phút trong 24 giờ, sau đó lọc sạch huyền phù và đo pH của dung dịch Độ chênh lệch pH trước và sau thể hiện điện tích bề mặt tại các pH khác nhau và điểm đẳng điện của vật liệu BC.

Bảng 2-5 Điện tích bề mặt và điểm đẳng điện của vật liệu BC pH Khối lượng BC

Thể tích dung dịch (mL)

Nồng độ dung dịch KCl (M)

1.4.2 Khảo sát ảnh hưởng của pH đến khả năng hấp phụ Cu 2+ và Pb 2+

Thí nghiệm được thực hiện với 5 bình tam giác, mỗi bình chứa 50 mL dung dịch ion kim loại có nồng độ 30 ppm pH của dung dịch được điều chỉnh lần lượt ở các mức 2,0 (1); 3,0 (2); 4,0 (3); 5,0 (4); 6,0 (5) bằng HCl 0,1M và HCl 0,01M, 0,5 g Dung dịch được lắc với tốc độ 120 vòng/phút trong 60 phút ở nhiệt độ phòng Sau khi hấp phụ, nồng độ Cu 2+ và Pb 2+ còn lại trong mỗi dung dịch được xác định Cuối cùng, dung lượng hấp phụ và hiệu suất hấp phụ của vật liệu đối với Cu 2+ được tính toán.

Bảng 2-6 Khảo sát ảnh hưởng của pH đến khả năng hấp phụ Cu 2+ và Pb 2+ của vật liệu BC từ bã ép hạt dưa lưới pH Nhiệt độ nung ( o C)

Thể tích dung dịch (mL)

Nồng độ dung dịch (ppm)

1.4.3 Khảo sát ảnh hưởng của thời gian đến khả năng hấp phụ Cu 2+ và Pb 2+

Thí nghiệm được thực hiện với ba bình tam giác được đánh số từ 1 đến 3, mỗi bình chứa 50 mL dung dịch ion kim loại có nồng độ 30 ppm, pH = 4 và 0,5 g BC Quá trình lắc diễn ra với tốc độ 100 vòng/phút trong các khoảng thời gian khác nhau: 30 phút cho bình 1, 60 phút cho bình 2 và 90 phút cho bình 3.

Trong nghiên cứu, các mẫu dung dịch chứa ion Cu 2+ và Pb 2+ được hấp phụ ở nhiệt độ phòng trong khoảng thời gian 120 phút, 180 phút và 240 phút Sau khi thực hiện quá trình lắc, nồng độ của Cu 2+ và Pb 2+ còn lại trong từng dung dịch sẽ được xác định Dựa trên các dữ liệu này, chúng ta sẽ tính toán dung lượng hấp phụ cũng như hiệu suất hấp phụ của vật liệu đối với ion Cu 2+ và Pb 2+.

Bảng 2-7 trình bày khảo sát ảnh hưởng của thời gian hấp phụ đối với khả năng hấp phụ Cu 2+ và Pb 2+ của vật liệu BC được chế biến từ bã ép hạt dưa lưới Nghiên cứu này xem xét các yếu tố như pH và nhiệt độ nung (đo bằng độ C) để đánh giá hiệu quả hấp phụ của vật liệu.

Thể tích dung dịch (mL)

Nồng độ dung dịch (ppm)

1.4.4 Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ ban đầu đến khả năng hấp phụ Cu 2+ và

Thí nghiệm được thực hiện với ba bình tam giác được đánh số từ 1 đến 5, mỗi bình chứa 50 mL dung dịch ion kim loại với nồng độ 10 ppm.

Thí nghiệm được thực hiện với các nồng độ Cu 2+ và Pb 2+ lần lượt là 20 ppm, 30 ppm, 40 ppm và 50 ppm, với pH = 4 và 0,5 g BC Quá trình lắc diễn ra ở tốc độ 120 vòng/phút trong một phút tại nhiệt độ phòng Sau khi hấp phụ, nồng độ Cu 2+ và Pb 2+ còn lại trong mỗi dung dịch được xác định để tính toán dung lượng hấp phụ và hiệu suất hấp phụ của vật liệu đối với các ion này.

Bảng 2-8 Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ ban đầu đến khả năng hấp phụ Cu 2+ và Pb 2+ của vật liệu BC từ bã ép hạt dưa lưới

Nồng độ dung dịch (ppm)

Thể tích dung dịch (mL) pH Thời gian

1.4.5 Khảo sát ảnh hưởng của khối lượng đến khả năng hấp phụ Cu 2+ và Pb 2+

Thí nghiệm được thực hiện với 5 bình tam giác được đánh số từ 1 đến 5, mỗi bình chứa 0,1 g (1), 0,2 g (2), 0,3 g (3), 0,4 g (4) và 0,5 g (5) vật chất (BC) cùng với 50 mL dung dịch ion kim loại Cu 2+ và Pb 2+ có nồng độ 30 ppm Quá trình lắc được thực hiện trong máy lắc với tốc độ 120 vòng/phút, sử dụng loại vật liệu đã được lựa chọn theo điều kiện tối ưu từ khảo sát trước.

Bảng 2-9 Khảo sát ảnh hưởng của khối lượng than đến khả năng hấp phụ Cu 2+ và Pb 2+ của vật liệu BC từ bã ép hạt dưa lưới

Nhiệt độ nung ( o C) pH Thể tích dung dịch (mL)

Nồng độ dung dịch (ppm)