CHƢƠNG I : TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
1.2. Than sinh học và ứng dụng trong quá trình thu hồ iN và P
1.2.4. Nghiên cứu ứng dụng của than sinh học trong hấp phụ N và P từ
thải
Usman và cs (2015) sử dụng than sinh học chế tạo từ phế phẩm cây Conocarpus (họ Trâm bầu) được biến tính hóa học bằng MgCl2 hoặc FeCl2 bằng cách ngâm nguyên liệu trong dung dịch 1M MgCl2 hoặc FeCl2 1M trong 2 giờ, sau đó nâng pH lên 10 bằng NaOH rồi rửa sạch bằng nước cất sấy khô ở 80oC rồi nâng nhiệt lên 600oC trong 4 giờ. Sau khi thí nghiệm hấp phụ NO3- đối với 2 loại than sinh học -MgO và -FeO, kết quả cho thấy diện tích bề mặt của than sinh học -MgO là 391,8 m2/g lớn hơn than sinh học -FeO là 260,5 m2/g, hiệu quả xử lý NO3- của than sinh học-MgO > -FeO > than sinh học khơng biến tính. Hiệu quả loại bỏ NO3- phụ thuộc vào nồng độ ban đầu và pH của dung dịch. Ở pH=2 nồng độ NO3- ban đầu là 50 mg-N/L, hiệu suất loại bỏ lên tới 96,6% đối với than sinh học-MgO; 93,8% -FeO và 89,1% với than sinh học khơng biến tính. Tuy nhiên, hiệu quả loại bỏ NO3- có xu hướng giảm dần khi pH tăng đ ến 8 chỉ còn 46,5%; 24,6% và 20,2% đối với than sinh học -MgO, -FeO và khơng biến tính; hiệu quả loại bỏ cũng giảm dần chỉ còn 9,3% - 22,7% khi tăng nồng độ ban đầu lên 100 mg-N/L.
Theo một nghiên cứu của Hakan và cs (2010) sử dụng than hoạt tính biến tính được chế tạo từ bã củ cải đường để hấp phụ NO3-. Vật liệu được nghiền nhỏvới kích thước 0,6 - 0,8 mm, được biến tính bằng cách khuấy trong dung dịch ZnCl2 1M ở nhiệt độ 80oC trong 6 giờ. Sau đó, nguyên liệu được cacbon hóa ở nhiệt độ từ 500-700oC trong 90 phút tính từ lúc nhiệt ổn định với điều kiện có thổi khí Nitơ, tốc độ dịng 100 ml/phút. Sản phẩm sau khi cacbon hóa được ngâm trong HCl 0,5N; sau đó rửa bằng nước cất nóng cho tới khi pH = 6. Bài báo nghiên cứu sự ảnh hưởng của các yếu tố khác nhau đến quá trình hấp phụ NO3- như pH, thời gian hấp phụ, nhiệt độ môi trường và nồng độ nitrat đầu vào. Kết quả cho thấy với độ pH của dung dịch khác nhau từ 3-10, khả năng hấp phụ nitrat của than thay đổi giữa 41,2% và 34,68%, mức tối đa (41,2%) đạt được tại pH=3. Từ đây nghiên cứu này kết luận rằng giá trị pH ban đầu không ảnh hưởng quá nhiều đến việc loại bỏ nitrat. Mơ hình hấp phụ của than chế tạo từ vật liệu bã củ cải đư ờng tuân theo thuyết Langmuir. Dung lượng hấp phụ cực đ ại tăng từ 9,14 đến 27,55 mg/g khi nhiệt độ tăng lên 25 - 45oC (Demiral, 2010).
Trong nghiên cứu của Zhang và cs (2011), năm loại sinh khối phổ biến đã được sử dụng để chế tạo than sinh học MgO-nanocompositelà chất thải củ cải đường, bã mía, vỏ lạc và thân cây bơng bằng cách ngâm nguyên liệu trong dung dịch MgCl2.6H2O trong 2 giờ sau đó sấy khơ 80OC để loại nước, sau đó là quá trình nung vật liệu ở 600OC có thổi khí N2 trong 1 giờ. Quá trình khảo sát khả năng hấp phụ PO43- nồng độ ban đầu trong dung dịch là 20 mg/L, gần như tất cả các loại than sinh học MgO-nanocomposite đều thể hiện hiệu quả loại bỏ ion PO43- khỏi nước. Than sinh học chế tạo từ củ cải đường có hiệu quả loại bỏ cao nhất (66,7%), dung lượng hấp phụ tối đa (Langmuir) là 835 mg/g, cao hơn rất nhiều so với các ngun liệu cịn lại bã mía 40%, vỏ lạc 20%, thân cây bơng45%. Như vậy, có thể rút ra kết luận sử dụng các nguyên liệu khác nhau để chế tạo than sinh học có thể mang lại hiệu quả xử lý khác nhau.
Các loại gỗ từ lâu đã được nghiên cứu chế tạo than sinh học để hấp phụ các chất trong dung dịch. Wang và cs (2015), mùn cưa gỗ sồi thu thập tại địa
phương, nghiền thành bột với kích thước nhỏ hơn 0,2 mm, sấy khơ ở 1050C trước khi nhiệt phân. Thành phần chính của gỗ sồi gồm cenllulose, hemicellulose, lignin, tro và các chất khác với tỷ lệ lần lượt là 52,2%; 16%; 21,5%; 0,66%; 4,36%. Mùn cưa đem nung ở 3000C, 4000C, 5000C, 6000C. Ngồi ra, than cịn được biến tính bằng cách ngâm 40 g mùn cưa trong 1 lít dung dịch LaCl3 0,1M. Kết quả các thí nghiệm hấp phụ NO3- thể hiện các loại than tạo ra ở nhiệt độ cao (6000C) có dung lượng hấp phụ được nhiều NO3- hơn các loại than khác ở mức 8,7 mg/g (than biến tính) và 2,81 mg/g (than khơng biến tính) tương đương v ới 45,3 µmol/g và 140,3 µmol/g. Nhìn chung, các loại than biến tính có độ hấp phụ cao hơn 3 – 3,7 lần so với các loại than tương ứng khơng biến tính. Theo báo cáo trong các nghiên cứu đưa ra trước đây, than sinh học sản xuất từ bã mía, măng và vỏ dừa ở nhiệt độ cao (700 - 9000C) hấp phụ được nhiều NO3- hơn ở mức 7,14 µmol/g và 31,5 – 89,3 µmol/g(Ohe và cs, 2003; Mizuta và cs, 2004; Kameyama và cs, 2012).
Thêm một minh chứng cho hiệu quả của phương pháp biến tính than sinh học, Takaya và cs (2016) đã chế tạo thành công than sinh học từ gỗ sồi và ớt cựa gà bằng các quá trình nhiệt phân tại các nhiệt độ 400, 450, 650°C. Các nguyên liệu được biến tính trước nung bằng hai cách: biến tính bằng FeCl3 và MgCl2.6H2O, KOH và H2O2 dùng trong cơng đoạn hoạt hóa vật liệu. Dung dịch PO43- dùng để nghiên cứu có nồng độ ban đầu 125 mg/L, sau các phản ứng kết quả chỉ ra rằng biến tính than bằng MgCl2 tăng cường khả năng hấp phụ cao hơn khi biến tính bằng Fe (III). Cụ thể, kết quả cho thấy rằng trong khi than sinh học chưa qua xử lý hấp phụ 0-4,4% phốt phát thì than đã biến tính làm từ gỗ sồi và ớt cựa gà đã cải thiện khả năng hấp thụ phốt phát lần lượt từ 3,6% đến 70,3% và từ 2,1% đến 66,4%.