Chương 1: TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU
1.4. Tổng quan về vật liệu trấu biến tính ZnO
Trấu (rice hulls) hay còn gọi là vỏ trấu, là phần vỏ cứng bao bên ngoài của hạt gạo, có tác dụng bảo vệ hạt gạo trong mùa sinh trưởng. Vỏ trấu cũng có thể dùng làm vật liệu xây dựng, phân bón, vật liệu cách nhiệt trong xây dựng hay nhiên liệu. Thành phần của vỏ trấu chủ yếu chứa các nguyên tố C, H, O, Si (chiếm tới 98,85%) còn lại các nguyên tố khác là không đáng kể (bảng 1.2).
Bảng 1.1 Kết quả xác định thành phần nguyên tố của vỏ trấu
Nguyên tố Phần trăm khối
lượng (%) Nguyên tố Phần trăm khối lượng (%)
C 30,68 Si 9,81
O 55,01 P 0,02
H 3,35 S 0,05
Mg 0,09 K 0,28
Al 0,58 Ca 0,15
1.4.2. Than hoạt tính từ vỏ trấu
Than sinh khối được chế từ các nguyên liệu giàu cacbon như than đá, than bùn, các thực vật (gỗ, bã mía, mùn cưa…), xương động vật. Quá trình sản xuất than hoạt tính bao gồm 02 giai đoạn chính: than hoá và hoạt hoá.
Giai đoạn 1: Than hoá nhờ quá trình nhiệt phân giúp giải phóng cacbon khỏi các liên kết với các nguyên tử khác và các liên kết bền trước đây của chúng, loại bỏ các nguyên tố khác đồng thời nâng cao hàm lượng cacbon. Quá trình nhiệt phân các vật liệu từ thực vật kết thúc ở 400÷450oC, trong điều kiện không có các chất oxy hoá. Đối với một số loại than thì nguyên liệu thô còn được tẩm hoá chất trước khi than hoá.
Ở giai đoạn 2: Hoạt hoá, than được oxy hoá chọn lọc ở 800÷1000oC, trong môi trường chứa hơi nước hoặc khí CO2. Trong quá trình đó, xảy ra các phản ứng:
+ Khi dùng CO2: C + CO2 CO (1.6)
+ Khi dùng hơi nước: C + H2O CO + H2 (1.7)
Khi đốt cháy một phần than đá, các phản ứng trên đã tạo nên độ xốp với bề mặt chứa các nhóm chức hoạt động và rất lớn, từ 600÷1700m2/g. Cấu trúc xốp và độ hoạt động phụ thuộc vào loại nguyên liệu và chế độ hoạt hoá. Do vậy, than có nhiều loại với phạm vi sử dụng rất khác nhau. Tuy nhiên, loại giàu pore nhỏ (phần bề mặt ứng với pore nhỏ nhiều) dùng tốt cho hấp thụ khí nhưng
kém hiệu quả khi dùng hấp phụ các chất hữu cơ. Loại than hoạt tính dùng hấp phụ trong dung dịch cần giàu medopore.
Than hoạt tính được dùng ở hai dạng là dạng bột và dạng viên. Dạng bột thường dùng khi năng suất nhỏ, trộn cùng với dung dịch cần hấp phụ sau đó lọc. Còn dạng viên thuận lợi cho việc hoàn nguyên than và tái sử dụng nên hay sử dụng cho các hệ thống có công suất lớn. Than hoạt tính có khối lượng riêng thực 1,75÷2,2 g/cm3; khối lượng riêng xốp khoảng 0,1÷1 g/cm3, còn khối lượng riêng đống khoảng 0,2÷0,6 g/cm3.
Do sẵn có và giá thành thấp nên trấu được sử dụng nhiều để tạo than sinh học hoặc than hoạt tính cho các ứng dụng môi trường, ví dụ, tác giả Lê Hà Giang và cs., (2013) tại Viện Hóa học, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam đã sử dụng nhiều cách thức khác nhau để xử lý phế thải rơm rạ và trấu tạo ra vật liệu hấp phụ. Rơm rạ và vỏ trấu ban đầu được nhiệt phân ở nhiệt độ 550oC, tốc độ gia nhiệt 15oC/phút, tốc độ dòng khí mang N2 là 10 ml/s trong vòng 20 phút để tạo ra vật liệu thô. Vật liệu thô tiếp tục được hoạt hóa bằng dung dịch NaOH hoặc KOH 2M, sau đó sấy khô ở 100oC trong 12 giờ; hoạt hóa than ở 700÷800oC trong 1 giờ, tốc độ khí N2 từ 5÷7 ml/s, tốc độ gia nhiệt 10oC/phút. Sản phẩm thu được sau quá trình hoạt hóa được trung hòa bằng dung dịch HCl 0,1N rồi rửa sạch đến trung tính, cuối cùng sấy ở 100oC đến khi tạo than hoạt tính.
Kết quả cho thấy, than hoạt tính chủ yếu chứa thành phần cacbon (82÷87%), ngoài ra còn có các nguyên tố như oxy, silic và hàm lượng nhỏ các nguyên tố kim loại (Fe, Al, K, Ca,... ). Sự có mặt của oxy chủ yếu nằm dưới nhóm chức cacbonyl bề mặt. Hàm lượng silic của than từ rơm rạ rất thấp (0,58%), than từ trấu cao hơn (3,05%). Ảnh SEM của vật liệu cho thấy than hoạt tính có dạng tấm (rộng từ 2÷3 μm, dày 0,8÷1 μm) được hình thành từ hạt có độ đồng đều cao 20÷30 nm, sắp xếp theo thứ tự hình thành nên hệ mao quản trung bình thứ cấp từ 10÷15 nm với than từ rơm rạ và 20÷30 nm với than từ trấu. Than được khảo sát với dung môi hữu cơ axeton (phân cực) và m-xylen
(không phân cực). Kết quả thu được như sau: Than từ rơm rạ tốc độ và dung lượng hấp phụ đạt 91÷93%, than từ trấu đạt 70÷80%.
Nói chung, than hoạt tính được dùng rất sớm và rộng rãi nhờ có hoạt tính lớn và tính chọn lọc cao. Nhược điểm lớn nhất của nó chính là dễ cháy. Thông thường, than hoạt tính được sản xuất từ vỏ trấu đều phải hoạt hóa hóa học để nâng cao chất lượng than. Tuy nhiên, quy trình này cần phải bổ sung thêm các công đoạn rửa sạch KOH sau khi hoạt hóa để thu được than sạch, điều này dẫn tới giá thành sản phẩm than hoạt tính cao, tính cạnh tranh kinh tế thấp. Vì vậy, trong nghiên cứu này chúng tôi tập trung nghiên cứu cải tiến quá trình than hóa trong quy trình điều chế than hoạt tính từ vỏ trấu. Trong giai đoạn than hóa, chúng tôi tiến hành gia nhiệt rất nhanh sau đó làm nguội để rút ngắn quá trình than hóa. Sản phẩm thu được sau khi đốt được sử dụng trực tiếp luôn không cần hoạt hóa.
1.4.3. Vật liệu than trấu biến tính ZnO
Nghiên cứu về ứng dụng vỏ trấu để làm than sinh học cho xử lý kim loại nặng, các chất hữu cơ khó phân hủy trong nước và nước thải đã được nhiều nhóm nghiên cứ tiến hành. Hầu hết, các nghiên cứu đều tiến hành theo 3 bước:
Bước 1: Chế tạo than sinh học từ trấu theo con đường nhiệt phân.
Bước 2: Biến tính vật liệu than trấu bằng các chất hóa học như HNO3, H3PO4, NaOH, ZnCl2, H2SO4… nhằm tăng khả năng hấp phụ cho các vật liệu.
Bước 3: Biến tính với các oxit kẽm để nâng cao hiệu quả xử lý.
Tuy nhiên, nghiên cứu gắn kết các vật liệu nano ZnO với vật liệu hấp phụ từ than trấu vẫn chưa nhiều. Gần đây, một số than hoạt tính từ phế phụ phẩm nông nghiệp khác cũng được phát triển để tạo vật liệu hấp phụ các kim loại nặng trong nước và nước thải nhằm tận dụng chất thải để xử lý chất thải. Ví dụ, Hoàng Lê Phương và cộng sự đã nghiên cứu xử lý Cr(VI) trong nước thải bằng than hoạt tính sản xuất từ lõi ngô biến tính từ tính. Kết quả nghiên cứu cho thấy dung lượng hấp phụ cực đại đạt 25,94 mg/g ở pH=3 (Hoàng Lê Phương và cs., 2019).