DANH SÁCH CÁC HÌNH
CHƯƠNG 4. KET QUA VÀ THẢO LUẬN
4.1. Mô tả cầy mai dương
Hình 4.1. Các bộ phận as mai tượng (a) Cây mai dương, (b) Thân cây
mai dương; (c) La mai dương; (d) Hoa mai dương; (e) Qua mai dương
Với 10 mẫu cây mai dương được thu thập các bộ phận thân, lá, hoa, quả cho thấy đặc điểm cây mai dương được trình bày ở Hình 4.1. Thân mai dương hình trụ tròn, cây non có vỏ màu xanh trên thân có lớp lông mịn bao phủ. Cây trưởng thành có nhiều gai mỗi gai dai 5 mm, chiều dai mỗi long 8 — 10 em, đường kính thân cây khoảng 1 — 3 cm (Hình 4.1b). Lá cây mai dương có màu xanh là loại lá kép lông chim hai lần mọc đối xứng. Có 8 — 10 cặp lá chét trên một lá kép, 35 — 39 cặp lá chét cấp hai trên một lá chét.
Lá thường gập vào ban đêm hoặc khi bị lực tác động. Chiều dài lá tính từ cuốn lá đến chop khoảng 18 - 25 cm (Hình 4.1c). Hoa màu hồng, dang tia chum lại thành hình cầu.
Kích thước 2 — 2,5 cm, dai nhỏ, xẻ không đều, mỗi cụm hoa có 3 — 7 quả (Hình 4. 1d).
Quả non có màu xanh va qua chín chuyên dan sang màu nâu, đài 10 — 15 cm. Quả có hình det, nhiều lông mịn. Mỗi quả được chia thành 10 — 20 khoang (Hình 4.1e). Mỗi khoang qua chứa một hat. Hat det, màu nau, rất cứng. Khoang quả có lớp vỏ cứng, không thấm nước và có nhiều lông cứng nên có thé bám dính vào cơ thể động vật, quan áo của
con người hoặc nôi trên mặt nước và trôi theo dòng nước phat tan di rat xa.
20
Kết quả định danh mai dương bằng phương pháp quan sát hình thái có độ tương đồng với các nghiên cứu trước đây. Năm 1993, Lonsdale đã báo cáo lá cây mai dương có 15 - 25 cặp lá chét. Cành lá đài 3 - 12 cm, có gai mảnh khánh, thắng đứng. Ở gốc của các cặp lá chét đôi khi có gai mọc lệch hoặc mọc chính giữa hai cặp lá. Mỗi lá chét có rất nhiều cặp lá chét cấp hai, chiều rộng 0,5 - 1,25 mm, mép lá chét con có lông tơ.
Mai dương là một loài cây thân gỗ, rất nhiều gai nhọn. Cây cao 2 - 3 m, nhiều cành. Lá nhạy cam, là loại lá kép lông chim hai lần, có 10 - 25 cặp lá chét, hình thuôn thắng, thường khép lại khi bị va chạm. Hoa hình cầu, màu hồng nhạt, mọc từ nách thân và cành lá. Quả có nhiều ngăn, mỗi ngăn chứa một hạt, khi chín hạt tách ra rơi xuống (Koo và ctv, 2000; Đỗ Thị Huỳnh Mai và ctv, 2020).
Tại Vườn quốc gia Tràm Chim, cây mai dương có thể cao hơn 3 m, cây cao nhất tới 5,8 m. Thân, cành của nó có gai cứng, hơi cong, dài 2 mm. Lá kép lông chim hai lần có 8 - 10 cặp lá chét mọc đối, cũng xếp lại khi sờ vào nhưng chậm hơn Mimosa pudica.
Mỗi lá chét có trung bình 40 cặp lá chét cấp hai mọc đối xứng. Lá chét dai 3,5 - 7 cm.
Thân cây và sống lá có nhiều lông tơ. Cụm hoa màu hồng, dài 8 - 8,5 cm và rộng 0,9 cm có lông dày màu vàng hoe. Quả có màu xanh khi còn non, khi chín chuyển sang màu nâu đen. Mỗi đốt có một hạt. Hạt mau nâu bóng, thuôn dài, rộng 1 - 1,5 mm. Mỗi chùm có 4 quả, mỗi quả có 18 hạt.
Từ kết quả định danh bằng quan sát hình thái trên có thể xác định cây mai dương
sử dụng trong nghiên cứu là Mimosa Pigra L.
4.2. Phân tích cấu trúc, thành phần của than sinh học mai dương
21
nage HV HFW
Ảnh SEM của mẫu than mai đương được thể hiện trong Hình 4.3 cho thấy, bề mặt vật liệu thô xuất hiện nhiều lỗ trống và kích thước các lỗ trống khá đồng đều nhau.
Những lỗ này có chức năng như kênh vận chuyền, hấp phụ các chất. Kích thước bề mặt lỗ xốp trung bình của mẫu là 20 - 25 wm. Kích thước bề mặt lỗ xốp có ảnh hưởng rất lớn đến khả năng tiếp cận của bề mặt than sinh học và chất được hấp phụ. Mặt khác, số lượng lỗ có sự tương quan thuận với diện tích bề mặt của than. Vì vậy, khi bề mặt than chứa càng nhiều lỗ micro thì điện tích bề mặt càng lớn và khả năng tiếp cận các phân tử càng dé dang, quá trình hấp phụ diễn ra nhanh hơn.
Nghiên cứu của Tran Thi Cuc Phuong và cộng sự năm 2021, cũng cho kết quả tương tự chụp ảnh cấu trúc bề mặt của than sinh học mai đương BC có diện tích bề mặt và kích thước lỗ tương đối lớn. Khi đun nóng đến 500°C, hemicellulose và cellulose trong nguyên liệu bị đốt cháy hoàn toàn, do đó bề mặt xốp của BC nhẫn và khá đồng đều với nhiều lỗ rỗng nhỏ nhưng xuất hiện nhiều muội than. Trong nghiên cứu tương
tự, Nguyễn Xuân Cường (2021) than sinh học mai dương có kích thước lỗ 2,16 nm có
tiềm năng cáo trong hấp phụ thông qua có chế lỗ hồng. Kích thước này được xem là lớn hơn rất nhiều so với kích thước phân từ MB. Năm 2015, Đoàn Thị Như Quỳnh đã so sánh than sinh học mai đương của phần gỗ già và gỗ non cho thay gỗ già xuất hiện nhiều lỗ rỗng hơn ít muội than, hình dạng hạt than đồng đều hơn chứng mình hiệu quả của việc sử dụng than sinh học làm vật liệu hấp phụ bề mặt.
22
Ảnh hiển vi SEM của than sinh học Gossypium herbaceum và than sinh học Solanum tuberosum thu được trong nghiên cứu trước đây của chúng tôi có cấu trúc giống như tô ong có thé phân biệt được do sự hiện diện của các cấu trúc hình ống ban đầu phát ra từ tế bào thực vật. Cau trúc lỗ xốp lớn (các lỗ có đường kính khoảng 1 pm) của BC được sản xuất từ nguyên liệu thực vật cellulose phụ thuộc vào cau trúc nội tại của nguyên liệu vả nó có khả năng quan trọng đối với khả năng giữ nước và hấp phụ của chất ô nhiễm trong đất và các hệ thông dung dịch (Nartey và Zhao, 2014).
=" ——THS MD
0.80 4
£
® 0.75 4
ơ
Š
E 070-
&
8
j=
0.65 +
0.60 4
* T * T r T x T r T * T
4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000
Wavenumber (cm)
Hinh 4.4. Anh FTIR cua than sinh hoc mai duong.
Ảnh phổ FTIR của than sinh học mai đương được trình bày như Hình 4.4. Dinh tại
3690 cm' là đặc trưng của nhóm chức “OH của anco. Dinh tại 2375 cm là do sự hiện diện của nhóm O = C = O. Dao động 1600 — 1650 cm chi thi sự hiện diện của nhóm
C=N, C =C,NH.. Dinh dao động trong khoảng 600 — 650 em'! cho thấy sự hiện diện của nhóm C - Br. Các nhóm chức bề mặt của than sinh học mai dương là điều kiện cần thiết dé hap phụ MB thông qua các quá trình hóa học. Liên kết -OH trên than sinh học mai dương và các nguyên tử oxy trên MB liên kết hydro với nhau dé hoan thành qua trình hấp phụ MB. Còn các nhóm chức chứa oxi thuộc nhóm chức axit có tính âm.
Methylene blue là một loại thuốc nhuộm cation, ion hóa các cation trong dung dịch nước có thé bị hút điện tử vào các nhóm chức tích điện 4m (Ji va ctv, 2019). Vì vậy, các nhóm chức chứa oxy đóng vai trò quan trọng trong quá trình hấp phụ. Cấu trúc xốp và sự hiện diện của các nhóm chức oxy trên bề mặt than sinh học đóng vai trò quan trọng trong việc giữ lại các chất gây ô nhiễm kim loại. Những tinh chất này tạo cơ hội tuyệt vời dé hap thụ các ion kim loại nặng từ dung dich nước (Fattah và ctv, 2015).
23
Các dai hap thụ hồng ngoại FTIR trong than sinh học cũng được quan sát trên các sinh khối khác như: than sinh học từ sinh khối nông nghiệp (Qian và ctv, 2013), than
sinh học mai dương loại bỏ phosphate của Tran Thi Cuc Phuong và ctv (2021), than sinh
học từ rác thải đô thị hỗn hợp của Hoslett và ctv (2020).
4.3. Khảo sát ảnh hưởng xử lý màu của than sinh học khi thay d6i các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ
4.3.1. Đường chuẩn methylene blue
Phương trình đường chuẩn: y = 0,1185x — 0,0125. Theo Hình 4.5, kết quả R? của đường chuẩn là 0.9979 cho thay mức độ tin cậy của nó.
Trong đó:
x là nồng độ của methylene blue y là độ hấp phụ quang abs
3
egNn L y = 0,1185x - 0,0125 R? = 0,9979
Độ hap phụ (Abs) Nos
=on
oO 0 5 ‹ 10 15 20 85
Nông độ methylene blue (mg/l)
Hình 4.5. Đường chuẩn methylene bue.
4.3.2. Anh hưởng của nồng độ ban đầu
Kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của nồng độ dung dịch đến khả năng hấp phụ methylene blue của vật liệu hấp phụ được minh họa ở Hình 4.6.
Nồng độ ban đầu được biết là có ảnh hưởng đến hiệu quả loại bỏ methylene blue.
Từ hiệu quả loại bỏ MB trong Hình 4.6 có thé quan sát thấy, lượng MB hap phụ tỉ lệ thuận với nồng độ dung dịch, khi nồng độ methylene blue tăng từ 5 mg/1 đến 80 mg/l, lượng MB hap phụ tăng từ 0,19 mg/g đến 2,78 mg/g. Nồng độ trong khoảng 5 - 20 mg/l có hiệu suất hap phụ tăng mạnh từ 93,93% đến 98,6 % và lượng methylene blue hấp phụ trên bề mặt than sinh học mai dương có xu hướng tăng mạnh từ 0,19 - 0,79 mg/g.
24
Trong khoảng nồng độ 30 - 80 mg/l, hiệu suất hấp phụ giảm dan và chỉ còn 86,9% ở nồng độ 80 mg/l. Khi tăng nồng độ methylene blue thì lượng hấp phụ tăng, nhưng về sau nồng độ methylene blue càng tăng thì hiệu suất hấp phụ giảm do bề mặt than sinh học mai dương đã dat trạng thai bão hòa. Ở điều kiện cô định khối lượng than thì diện tích bề mặt cô định. Nếu nồng độ dung dịch thấp, dung lượng cần hấp phụ ít thì khả năng hấp phụ là hoàn toàn, hiệu suất hấp phụ cao. Nếu tăng nồng độ dung dịch lên cao, vượt quá khả năng hấp phụ của lượng than đó thì trong dung dịch sẽ còn nhiều chất hấp phụ chưa được hấp phụ, làm cho hiệu suất giảm. Vì vậy hiệu suất hấp phụ sẽ giảm nếu nồng độ methylene blue quá lớn.
100 3
80 + ae a =
Ss 2 2
<= 60 4 R
& 40 4 =ụ
5 —= Hiệu suất hap ph ":| iệu suất hap phụ 5
20 —— Dung lượng hap phụ 05 8
(=) o 0 5 10 15 20 30 40 50 60 70 80
Nong độ dung dich (mg/l)
Hình 4.6. Ảnh hưởng của nồng độ nồng độ dung dich đến khả năng hap phụ.
Năm 2006, Bulut và Aydin đã nghiên cứu nhiệt động học và động học của quá
trình hấp thụ methylene blue trên vỏ lúa mì. Nghiên cứu cho thấy rằng có sự tăng cường hap phụ methylene blue (76,06 — 113,31 mg/g) khi nồng độ methylene blue ban dau tăng từ 100 - 400 mg/l. Điều này được cho là do động lực cao ở nồng độ thuốc nhuộm methylene blue cao. Các tác giả đã quan sát thấy rằng việc tăng nồng độ thuốc nhuộm methylene blue ban đầu từ 10 đến 90 mg/l, làm giảm tỷ lệ loại bỏ thuốc nhuộm từ 96,5%
xuống 40,9% sau 4 giờ hấp phụ.
Kết quả tương tự cũng được tìm thấy trong nghiên cứu sử dụng than sinh học từ bã mía loại bỏ nitrat của Hafshejania và ctv năm 2016. Khi tăng nồng độ dung dịch từ 1 — 80 mg/I thì hiệu suất hấp phụ tăng nhanh và đạt cao nhất với hiệu suất 98% ở nồng độ 80 mg/l. Nhưng khi tăng nồng độ dung dich lên đến 150 mg/l thì hiệu suất hap phụ
có xu hướng giảm chỉ còn 76%.
35
4.3.3. Ảnh hưởng của liều lượng chất hấp phụ, khối lượng than
Đề tiết kiệm tối đa lượng than sinh học sử dụng và nâng cao hiệu quả thí nghiệm khảo sát khối lượng đã được thực hiện. Kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của khối lượng than đến khả năng hấp phụ methylene blue của than sinh sinh học mai dương được minh
họa ở Hình 4.7.
100 3
S 80 4 ơ F22 3iC)
°> —— Hiệu suât hap phụ =
> H S) 5.
= 60 Dung lượng hap phụ =owe:
s L 1 5 ae= ằ so 6S
*s 40 ’ a
z _ an:
mM 204 fi a . boss
. 0 T T T T T T 0
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2
Khối lượng than (g)
Hình 4.7. Ảnh hưởng của khối lượng than sinh học mai dương đến khả năng hap phụ methylene blue.
Việc tăng lượng chat hap phụ sẽ làm tăng ty lệ loại bỏ thuốc nhuộm do tăng các vi trí hoạt động có sẵn trên chất hấp phụ và cung cấp điện tích bề mặt lớn. Khảo sát ảnh hưởng của lượng chất hấp phụ cho biết lượng chất hấp phụ tối thiểu sẽ mang lại khả năng hấp phụ cao nhất.
Kết quả khảo sát ảnh hưởng của khối lượng đến khả năng hấp phụ methylene blue của than sinh học mai dương được trình bày ở Hình 4.6. Từ biểu đồ có thé quan sát thay rằng hiệu quả loại bỏ tăng mạnh giữa liều lượng chất hấp phụ 0,2 và 0,4 g. Theo El Jamal và Ncibi (2012), xu hướng hấp phụ là do sự gia tăng diện tích bề mặt và do đó làm tăng số lượng hoạt chất. Trên 0,6 g hiệu quả vẫn 6n định và đây được coi là liều lượng tối ưu. Nghiệm thức 0,6 g than sinh học có hiệu suất hap phụ cao nhất (98,42 %), hiệu suất hấp phụ thấp nhất ở nghiệm thức 0,2 g (75,05 %). Điều này có thể giải thích là do khi tăng khối lượng than đã làm tăng số lượng lớn vị trí hấp phụ trên bề mặt than sinh học, dẫn đến hiệu suất hap phụ MB tăng, điều nay có thé kết luận rằng khối lượng vật liệu hấp phụ tỷ lệ thuận với hiệu suất hấp phụ.
26
Tuy nhiên, hiệu suất hấp phụ MB trên 1 g than lại có xu hướng giảm nhẹ khi tăng khối lượng than sinh học từ 0,2 g - 1,2 g. Bởi khi lượng than tăng lên quá nhiều sẽ thúc đây sự cạnh tranh hap phụ MB trên bề mặt than, đây là nguyên nhân dẫn đến lượng MB hấp phụ trên một đơn vị diện tích lại giảm (Peryu và ctv, 2016). Từ kết quả trên, mức khối lượng 0,6 g sẽ được chọn cho các thí nghiệm tiếp theo dé tiết kiệm nguyên liệu.
Kết quả này hoàn toàn phù hợp với nghiên cứu của Mathew và cộng sự năm 2016. Than sinh học từ lục bình xử lý methylene blue có hiệu suất tăng dần khi tăng khối lượng than từ 0,2 — 0,8 g. Hiệu suất hap phụ tại khối lượng than 0,8 g là 91,5%.
4.3.4. Ảnh hưởng của thời gian tiếp xúc
Kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của thời gian đến khả năng hấp phụ methylene blue
của than sinh sinh học mai dương được minh họa ở Hình 4.8.
Thời gian cũng là một nhân tố quan trọng ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ của than sinh học, xác định được thời gian hap phụ tốt nhất có thé giúp nâng cao hiệu suất hấp phụ và tránh lãng phí. Các kết quả về ảnh hưởng của thời gian tiếp xúc đến khả năng hấp phụ được thê hiện trong Hình 4.8. Từ biểu đồ, quan sát thấy hiệu suất loại bỏ tăng mạnh trong 50 phút dau tiên lên tới mức tối đa là 98,48 %. Xu hướng này có thé là do số lượng lớn các vị trí chất hấp phụ có sẵn trong 50 phút đầu tiên.
100 LZ
S 80 - r1 củ
= s
2 =3
L 0,8 ứ
= 60 ơ =.
a —— Hiệu suõt hap phụ 106 ôes
ag —#-- Dung lượng hap phụ rr
B E04 5
= 20 02 | A 0 T T T T T T 0
0 10 20 30 40 50 60 75 90
Thoi gian (phut)
Hình 4.8. Ảnh hưởng của thời gian tiếp xúc đến kha năng hấp phụ MB
của than sinh học mai dương.
Hiệu suất hấp phụ methylene blue tăng khi thời gian hấp phụ tăng. Lượng MB hấp phụ trên bề mặt than sinh học mai dương tăng từ 0,9 - 0,98 mg/g trong 50 phút đầu tiên
pa |
tiếp xúc, tương ứng với hiệu suất hap phụ từ 89,65 - 98,43 %. Giai đoạn từ 50 - 90 phút, lượng MB hấp phụ và hiệu suất hấp phụ có sự dao động nhẹ. Như vay, quá trình hấp phụ đạt trạng thái cân bằng sau 50 phút. Điều này có thê được giải thích là do trong giai đoạn đầu trên bề mặt than sinh học có một lượng lớn các điểm hoạt động nên tốc độ hấp phụ MB tăng nhanh và sau khi đạt trạng thái cân bằng thì ở giai đoạn sau thời gian hấp phụ càng dài thì tốc độ hấp phụ giảm do số điểm hoạt động trên bề mặt than đã giảm đáng kể (Hafshejania và ctv, 2016). Bề mặt than sinh học mai đương có số lượng lớn lỗ xốp, phù hợp cho việc hap phụ các chất. Day cũng là nguyên nhân giúp than sinh học mai dương có kha năng tiếp cận một cách dé dàng, từ đó thúc day quá trình hap phụ diễn ra nhanh hơn, và đạt trạng thái cân bằng chỉ sau 30 phút.
So với một số nghiên cứu trước đây cho thấy sau 30 phút xử lí hiệu suất xử lí MB của than hoạt tính từ mùn cưa chỉ đạt 35,8% (Wang và ctv, 2008). Điều này chứng minh rằng than sinh học được nghiên cứu trong bài này có khả năng xử lí tốt hơn so với một số nghiên cứu trước đây. Nghiên cứu của Nguyễn Thị Thanh Huyền và cộng sự năm 2020, có thé nhận thay than sinh học mai dương có khả năng hap phụ màu rất nhanh ở khoảng 30 — 60 phút đầu tiếp xúc. Đặc biệt sau 5 phút phản ứng hiệu quả loại bỏ dat 70%. Diém đạt trang thái cân bằng hấp phụ tại thời điểm 360 phút, sau khoảng thời gian đó hiệu suất hấp phụ tăng không đáng ké và gần như ôn định.
Than sinh học vỏ trâu xử lý methylene blue của đã tối ưu cân bằng hấp phụ là 3 giờ ở nhiệt độ phòng, trong dung dịch có pH = 7, hiệu suất hấp phụ methylene blue đạt trên 98,82% (Tran Dinh Tung và ctv, 2020). Có thể thấy thời gian đạt trạng thái cân bằng hấp phu khá chênh lệch so với than sinh học mai dương hấp phụ MB.
4.3.5. Đẳng nhiệt hấp phụ
Dữ liệu thực nghiệm và các mô hình hấp phụ đẳng nhiệt gồm Langmuir và Freundlich trình bày ở Hình 4.9. Các thông số với hệ số tương quan R? được trình bay
trong Bảng 4.1.
Bảng 4.1. Tham số đằng nhiệt hấp phụ
Langmuir Freundlich
Ki Qmax n Kr n R?
0,504 3,047 0,925 1,103 1,987 0,775
28