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
1.2.3. Phương pháp chế tạo và biến tính than sinh học
1.2.3.1. Các biện pháp chế tạo
Than sinh học được chế tạo chủ yếu theo phương pháp nhiệt phân. Nhiệt phân là sự phân hủy nhiệt của vật liệu trong điều kiện thiếu oxy hoặc sự hiện diện của oxy ít hơn cần thiết để đốt cháy hoàn toàn vật liệu. Các loại nhiệt phân để tạo than sinh học (Zhang và cs, 2012; Winsley, 2007).
Nhiệt phân là sự phân hủy nhiệt của vật liệu trong điều kiện thiếu ôxy hoặc sự hiện diện của oxy ít hơn cần thiết để đốt cháy hoàn toàn vật liệu (Mohan và cs, 2014).
Nhiệt phân chậm
Nhiệt phân chậm đã được sử dụng hàng ngàn năm để sản xuất than. Sinh khối được làm nóng từ từ đến khoảng 500°C khơng có mặt của khơng khí. Thời gian lưu hơi từ 5-30 phút. Hơi trong nhiệt phân chậm khơng thốt nhanh như trong quá trình nhiệt phân nhanh.
Khí hóa
Khí hóa là q trình đốt cháy một phần của chất rắn, than sinh học chỉ là một sản phẩm phụ của q trình khí hóa, các sản phẩm kết hợp (khí, lỏng và rắn) được điều khiển bởi nhiệt độ, kích thước hạt, thời gian lưu hơi, áp suất, thành phần khí mà ở đó sinh khối được xử lý và chất xúc tác nếu được sử dụng.
1.2.3.2. Một số biện pháp biến tính
Khả năng hấp phụ chất ô nhiễm của than sinh học đã được biết đến qua những báo cáo nghiên cứu và được chứng minh là vật liệu đầy tiềm năng. Đáng chú ý là trong một số nghiên cứu gần đây, người ta đã chỉ ra rằng than sinh học sau khi được biến tính có sự cải thiện đáng kể về khả năng hấp phụ. Có rất nhiều cách để biến tính vật liệu than sinh học sao cho phù hợp với mục đích xử lý các đối tượng khác nhau. Wang và Ya (2014), họ đã nghiên cứu biến tính than sinh học làm từ thân tre bằng H3PO4, HNO3, KOH và ZnCl2 và nhận thấy rằng H3PO4 là phương pháp biến tính tốt nhất nâng cao hiệu quả loại bỏ thuốc nhuộm DY – 161 của than.
Biến tính bằng axit hoặc kiềm
Biến tính vật liệu bằng axit thường được sử dụng để oxy hóa các bề mặt cacbon xốp vì nó làm tăng tính axit, loại bỏ các yếu tố khống chất và cải thiện tính ưa nước của bề mặt. Các axit nitric và axit sulfuric là những axit được sử dụng rộng rãi cho mục đích biến tính, nhóm chức axit trên bề mặt cacbon được kiểm tra và có kết quả xử lý loại bỏ kim loại nặng trong nước như Mn, Cd, hay amoni.
Các nghiên cứu chỉ ra rằng việc xử lý than thương phẩm với HNO3 đã có hiệu quả gia tăng nồng độ các nhóm axit bề mặt, đặc biệt là nhóm carboxyl
(Sylmara, 2015). Một nghiên cứu than sinh học biến tính bằng các ngâm trong hỗn hợp dung dịch H2SO4 và HNO3 đã gắn được các nhóm amino than hoạt tính, kết quả là hiệu quả xử lý Cu(II) đã tăng lên từ 5 đến 8 lần so với không biến tính (Guang và cs, 2013).
Nghiên cứu biến tính than sinh học làm từ thân tre bằng H3PO4, HNO3, KOH và ZnCl2 và nhận thấy rằng H3PO4 là phương pháp biến tính tốt nhất nâng cao hiệu quả loại bỏ thuốc nhuộm DY – 161 của than (Li và cs, 2014).
Xử lý than sinh học bằng NaOH làm tăng độ kiềm cho than. Những thí nghiệm khảo sát khả năng hấp phụ chloramphenicol (CAP) trong nước thải bởi than sinh học khơng biến tính và than sinh học biến tính (bằng H2SO4 và NaOH). Họ quan sát thấy CAP bị hấp phụ lên than khơng biến tính và biến tính bằng H2SO4 rất thấp cịn CAP hấp phụ lên than biến tính bởi NaOH lại có hiệu quả rõ rệt.
Biến tính bằng muối
Nhiều loại muối được đưa vào để tăng hiệu quả xử lý của than hoạt tính. Thơng thường than sinh học có điện tích âm và ít có khả năng hấp phụ các anion như là NO3- và PO43-. Các muối thường được sử dụng là MgCl2, FeCl2, CaCl2 tạo các điện tích dương trên bề mặt than nhằm hấp phụ các anion.
Một ví dụ biến tính than sinh học khác khá hiệu quả là biến tính than tre bằng KMnO4 thơng qua chiếu xạ vi sóng giúp cải thiện khả năng hấp phụ Pb (II) đáng kể từ 25,03 mg/g lên đến 55,56 mg/g (Li và cs, 2014).
Biến tính bằng các oxit kim loại
Một nghiên cứu về khả năng hấp phụ của thanh sinh học sau khi biến tính bằng MnO2 và TiO2 cho thấy khả năng hấp phụ Asen va amoni trong nước là cao hơn nhiều vật liệu khơng biến tính, ngồi ra cịn đưa ra kết quả khả năng hấp phụ các chất độc hại dưới dạng anion tốt hơn so với hấp phụ cation (Vũ Thị Thu Trang, 2015).
Halogen được được cố định trên bề mặt than tạo liên kết C-Cl hoặc C-Br có thể trao đổi với các nhóm chức khác tạo ra các loại hợp chất bề mặt mới.
Đã có nghiên cứu chế tạo thành cơng vật liệu có khả năng hấp phụ cao đối với thủy ngân trong môi trường nước và khơng khí trên cơ sở biến tính than hoạt tính Trà Bắc (Việt Nam) bằng các dung dịch Br2 và hỗn hợp dung dịch KI, I2 (Nguyễn Thị Thanh Hải, 2016).
Các phƣơng pháp biến tính khác
Cịn rất nhiều các phương pháp biến tính than hoạt tính khác như biến tính bằng H2O2 để hấp phụ kim loại, biến tính bằng lưu huỳnh hóa để loại bỏ HgCl2, hay cố định N2 vào bề mặt than để thay đổi tính ưa nước của than…
Trên thực tế, người ta thường áp dụng đồng thời nhiều biện pháp xử lý than để đem lại hiệu quả xử lý tối ưu.