Tµi nguyªn vµ M«i tr
ư
êng Kú 2 - Th¸ng 9/2017
26
Vaät lieäu cacbon hoaït tính ñöôïc toång hôïp töø caùc
nguoàn sinh khoái töï nhieân nhö baõ traø, rôm raï,
voû chuoái vaø voû saàu rieâng söû duïng taùc nhaân
hoaït hoùa KOH. Caùc ñaëc tính caáu truùc cuûa vaät lieäu
cacbon hoaït tính ñöôïc thöïc hieän baèng caùc phöông
phaùp nhö kính hieån vi ñieän töû queùt (SEM), phoå nhieãu
xaï tia X (XRD), phoå hoàng ngoaïi (FT-IR), giaûn ñoà phaân
oá kích thöôùc loã xoáp vaø dieän tích beà maët rieâng theo
phöông phaùp BET. Keát quaû chæ ra raèng, carbon hoaït
tính toång hôïp ñöôïc coù ñoä xoáp cao, nhieàu nhoùm chöùc
vaø dieän tích beà maët lôùn (63.5 m2/g - 253.7 m2/g). Khaûo
saùt khaû naêng haáp phuï caùc ion kim loaïi naêng nhö
Cu2+, Ni2+ vaø Pb2+ cuûa vaät lieäu cacbon hoaït tính
ñaõ toång hôïp cuõng ñöôïc tieán haønh vaø cho hieäu suaát
haáp phuï cao, ñaït töø 85.7% ñeán 99.7%.
1. Toång quan
Trong nhöõng naêm gaàn ñaây, coâng ngheä xöû lyù caùc
chaát oâ nhieãm baèng carbon hoaït tính töø caùc nguoàn
sinh khoái nhaän ñöôïc nhieàu söï quan taâm nghieân cöùu
vaø xem nhö laø moät giaûi phaùp “xanh” trong coâng ngheä
xöû lyù moâi tröôøng. Moät soá nghieân cöùu ñaõ chöùng minh
tieàm naêng trong vieäc chuyeån ñoåi caùc nguoàn sinh khoái
naøy nhö baõ traø, rôm raï, voû chuoái vaø voû saàu rieâng
thaønh caùc nguoàn carbon hoaït tính chi phí thaáp vaø
hieäu suaát cao. Carbon hoaït tính coù nguoàn goác töø
nguoàn phuï phaåm noâng nghieäp coù caùc tính chaát hoùa
lyù noåi baät nhö dieän tích beà maët rieâng lôùn, nhoùm chöùc
ña daïng vaø ñoä xoáp cao. Do ñoù, chuùng ñaõ ñöôïc söû
duïng nhö laø vaät lieäu haáp phuï hieäu quaû ñoái vôùi caû caùc
chaát höõu cô vaø voâ cô. Ñeå ñaït ñöôïc tính chaát nhö vaäy,
nguoàn sinh khoái naøy caàn ñöôïc xöû lyù vôùi caùc taùc nhaân
hoùa hoïc, trong ñoù KOH ñöôïc xem laø chaát hoaït hoùa
hieäu quaû, ít aûnh höôûng ñoái vôùi moâi tröôøng so vôùi caùc
taùc nhaân khaùc nhö ZnCl2, K2CO3.
Söï oâ nhieãm nöôùc bôûi kim loaïi naëng trong thôøi
gian daøi coù theå ñe doïa nghieâm troïng ñeán söùc khoûe
con ngöôøi. Vieäc xaû thaûi kim loaïi naëng ra moâi tröôøng
thöôøng baét nguoàn töø söï roø ræ caùc hoùa chaát trong coâng
ñoaïn cuûa quaù trình luyeän kim, cheá taïo acqui, coâng
ngheä deät nhuoäm vaø xöû lyù quaëng. Caùc kim loaïi nhö
ñoàng, nicken, manganese ôû noàng ñoä cao hôn coù theå
gaây ra caùc aûnh höôûng nghieâm troïng ñeán söùc khoûe
nhö suy tim, ñau ñaàu kinh nieân, thaäm chí gaây cheát
ngöôøi. Coù nhieàu phöông phaùp xöû lyù caùc vaán ñeà oâ
nhieãm naøy nhö: OÂxy hoùa khöû, keát tuûa hoùa hoïc, loïc
maøng, trao ñoåi ion, kyõ thuaät ñieän hoùa. Tuy nhieân,
nhöôïc ñieåm chính cuûa caùc phöông phaùp naøy thöôøng
laø chi phí cao hoaëc hieäu quaû thaáp . Phöông phaùp haáp
phuï söû duïng carbon hoaït tính ñöôïc xem laø phöông
phaùp ñaït hieäu quaû toát, tính öùng duïng cao, chi phí hôïp
lyù vaø deã vaän haønh quy trình xöû lyù.
Trong nghieân cöùu naøy, chuùng toâi tieán haønh toång
hôïp carbon hoaït tính töø nguoàn sinh khoái goàm baõ traø,
rôm raï, voû chuoái vaø voû saàu rieâng söû duïng KOH laøm
chaát hoaït hoùa. Ñaëc tính caáu truùc cuûa maãu vaät lieäu toång
hôïp ñöôïc ñaùnh giaù thoâng qua caùc phöông phaùp hoùa
lyù hieän ñaïi nhö XRD, SEM vaø FT-IR. Beân caïnh ñoù,
chuùng toâi tieán haønh ñaùnh giaù khaû naêng haáp cuûa caùc
maãu vaät lieäu than hoaït tính ñaõ toång hôïp döïa treân quaù
trình haáp phuï caùc ion kim loaïi naëng Cu2+, Ni2+, vaø Pb2+.
2. Thöïc nghieäm
2.1. Toång hôïp carbon hoaït tính.
Carbon hoaït tính ñöôïc toång hôïp theo quy trình
goàm hai giai ñoaïn: (1) giai ñoaïn carbon hoùa caùc
nguoàn sinh khoái töï nhieân nhö baõ traø, rôm raï, voû chuoái
vaø voû saàu rieâng; (2) gia ñoaïn hoaït hoùa söû duïng KOH
laøm taùc nhaân [2]. ÔÛ giai ñoaïn (1), maãu carbon hoùa
thu ñöôïc sau khi nung 30 g nguyeân lieäu ñöôïc sô cheá
Nghieân cöùu toång hôïp, tính chaát ñaëc tröng vaø
khaû naêng haáp phuï kim loaïi naëng (Cu2+, Ni2+,
Pb2+) trong moâi tröôøng nöôùc cuûa vaät lieäu
carbon hoaït tính töø caùc nguoàn sinh khoái
m BAÏCH LONG GIANG, NGUYEÃN DUY TRINH, TRAÀN VAÊN THUAÄN
Vieän Kyõ thuaät Coâng ngheä cao NTT, Tröôøng Ñaïi hoïc Nguyeãn Taát Thaønh
Nghieân cöùu - Trao ñoåi
27
Tµi nguyªn vµ M«i tr
ư
êng Kú 2 - Th¸ng 9/2017
sô boä trong thieát bò nung daïng oáng vôùi doøng khí N2
(99,99%; toác ñoä doøng 150 cm3/phuùt) ôû 400oC (toác
ñoä gia nhieät 10 oC/phuùt) trong 1 h. Giai ñoaïn (2), 10
g carbon hoùa ñieàu cheá ôû treân ñöôïc ngaâm trong dung
dòch KOH (tyû leä khoái löôïng cuûa maãu carbon hoùa vaø
KOH laø 1:1) trong 24h. Sau ñoù, hoãn hôïp ñöôïc saáy
khoâ trong khoâng khí ôû 105oC trong 12 h vaø nung
trong thieát bò nung oáng ôû treân nhöng nhieät ñoä gia
nhieät laø 500 oC caùc ñieàu kieän khaùc giöõ nguyeân. Chaát
raén thu ñöôïc sau khi röûa nhieàu laàn vôùi nöôùc ñeán khi
dòch loïc trôû neân trung hoøa vaø saáy khoâ ôû 105 oC trong
12 h. Caùc maãu than hoaït tính ñöôïc cheá taïo töø baõ traø,
rôm raï, voû chuoái vaø saàu rieâng laàn löôït ñöôïc kyù hieäu
laø TWAC, RHAC, BSAC vaø DSAC töông öùng.
2.2. Ñaùnh giaù khaû naêng haáp phuï
50 mg maãu carbon hoaït tính ñöôïc cho vaøo trong
bình tam giaùc chöùa 100 mL dung dòch Cu2+. Hoãn hôïp
ñöôïc khaáy troän lieân tuïc trong boùng toái. Sau 3 giôø ñaït
ñeán caân baèng haáp phuï, 10 mL dd ñöôïc laáy ra vaø ly
taâm ôû 6000 voøng/phuùt ñeå loaïi boû caùc chaát raén coù
trong dung dòch. Noàng ñoä ion Cu2+ coøn laïi ñöôïc xaùc
ñònh baèng phöông phaùp AAS theo coâng thöùc sau:
trong ñoù, Co vaø Ce laø noàng ñoä ban ñaàu vaø noàng
ñoä caân baèng cuûa ion kim loaïi trong dung dòch. Quaù trình
thí nghieäm tieán haønh töông töï vôùi caùc ion Ni2+ vaø Pb2+.
2.3. Caùc phöông phaùp ñaëc tröng caáu truùc vaät lieäu
AÛnh hieån vi ñieän töû queùt (SEM) cuûa caùc maãu vaät
lieäu ñöôïc thöïc hieän treân maùy S4800 (Nhaät baûn) vôùi
ñieän theá nguoàn 10 kV, ñoä phoùng ñaïi 7000. Phoå XRD
ñöôïc ño treân maùy nhieãu xaï Ronghen D8 Advance
Bruker vôùi oáng phaùt tia baèng Cu–Kaù, toác ñoä queùt
0.02 o/s töø caùc goùc 2= 10o- 90o. Phoå FT-IR ñöôïc
thöïc hieän treân maùy Nicolet 6700 spectrophotometer
trong vuøng 1300 cm-1 - 400 cm-1. Dieän tích beà maët
rieâng ñöôïc xaùc ñònh töø phaàn tuyeán tính trong phöông
trình BET trong khoaûng P/Po<0,03 töø ñöôøng ñaûng
nhieät haáp phuï-nhaû haáp phuï N2ño treân maùy Mi-
cromeritics 2020.
3. Keát quaû vaø baøn luaän
3.1. Tính chaát ñaëc tröng caáu truùc cuûa vaät lieäu
carbon hoaït tính
Hình thaùi caáu truùc beà maët cuûa caùc vaät lieäu ñöôïc
phaân tích baèng phöông phaùp hieån vi ñieän töû queùt
SEM. Hình 1 cho thaáy hình aûnh SEM beà maët cuûa
caùc maãu carbon hoaït tính trong caáu truùc coù nhieàu loã
roãng, beà maët xoáp, do ñoù dieän tích hieäu duïng beà maët
lôùn. Hieän töôïng taêng cöôøng loã xoáp sau khi hoaït hoùa
baèng phöông phaùp hoùa hoïc coù theå ñöôïc giaûi thích
do ôû nhieät ñoä hoaït hoaù cao, taùc nhaân hoaït hoaù KOH
phaûn öùng vôùi caùc nguyeân töû carbon trong caáu truùc
cellulose theo caùc phaûn öùng döôùi ñaây vaø ñeå laïi caùc
loã xoáp trong caáu truùc cuûa cacbon hoaït tính:
Quaù trình naøy xaûy ra nhanh laøm boác hôi caùc khí
nhö CO2vaø do ñoù giuùp hình thaønh nhieàu loã xoáp môùi
treân beà maët.
Hình 1. Keát quaû phaân tích aûnh SEM cuûa than hoaït
tính cheá taøo töø (A) baõ traø, (B) rôm raï, (C) voû chuoái
vaø (D) voû saàu rieâng
Hình 2A cho thaáy giaûn ñoà XRD cuûa carbon hoaït
tính ñöôïc cheá taïo töø caùc loaïi pheá phaåm noâng nghieäp
khaùc nhau coù vuøng phoå roäng, gaàn nhö khoâng coù
ñænh ñaëc tröng roõ reät cuûa caùc beà maët tinh theå. Nhö
vaäy, caùc maãu carbon hoaït tính ôû daïng voâ ñònh hình.
Phaân tích caùc nhoùm chöùc hoùa hoïc coù theå thöïc hieän
ñöôïc baèng kó thuaät phoå hoàng ngoaïi FT–IR. Töø keát
quaû phaân tích Hình 2B cho thaáy caùc maãu coù vuøng
haáp thuï ôû laân caän vò trí 3421 cm-1 ñaëc tröng cho dao
ñoäng O-H trong nhoùm chöùc hydroxyl. Vuøng phoå roäng
töø 1000–1100 ñaëc tröng cho lieân keát C-O, ngoaøi ra
vuøng phoå roäng töø 1550–1620 cm-1 ñaëc tröng cho lieân
keát C=O trong nhoùm chöùc ketones, aldehydes hoaëc
carboxyls vaø lieân keát C-C trong voøng cacbon thôm .
Töø giaûn ñoà dieän tích beà maët BET hình 2D vaø
Baûng 1 cho thaáy carbon hoaït tính cheá taïo töø nguoàn
sinh khoái thay ñoåi theo thöù töï sau: Rôm raï (253.7
m2/g) > baõ traø (215.4 m2/g) > Voû chuoái (63.5 m2/g) >
Voû saàu rieâng (22.3 m2/g). Ngoaøi ra, phaân boá kích
thöôùc haït ôû hình 5 cho thaáy caùc maãu coù kích thöôùc
1),
Tµi nguyªn vµ M«i tr
ư
êng Kú 2 - Th¸ng 9/2017
28
loã xoáp khoâng ñoàng ñeàu, phaân boá traûi roäng khoaûng
töø 7 A – 12 A, coù baùn kính chuû yeáu khoaûng töø 7.5 A
– 12.1 A.
Hình 2. (A) Giaûn ñoà nhieãu xaï XRD, (B) Phoå haáp thuï
hoàng ngoaïi FT-IR, (C) caùc ñöôøng ñaúng haáp phuï nitro-
gen, (D) Giaûn ñoà phaân boá kích thöôùc haït cuûa vaät lieäu
carbon hoaït tính cheá taïo töø Baõ traø (TW), Rôm raï (RH),
Voû chuoái (BS), Voû saàu rieâng (DS)
Baûng 1. Dieän tích beà maët BET, kích thöôùc loã xoáp,
vaø theå tích DA caùc maãu carbon hoaït tính
3.2. Keát quaû ñaùnh giaù khaû naêng haáp phuï caùc ion kim
loaïi naëng Cu2+, Ni2+, Pb2+cuûa vaät lieäu Carbon hoaït tính
Caùc keát quaû haáp phuï caùc ion kim loaïi naëng
Cu2+, Ni2+ vaø Pb2+ cuûa vaät lieäu carbon hoaït tính cheá
taïo töø töø Baõ traø (TW), Rôm raï (RH), Voû chuoái (BS),
Voû saàu rieâng (DS) ñöôïc trình baøy ôû Baûng 2, trong
ñoù, Co: noàng ñoä ban ñaàu (mg/L) cuûa caùc ion kim
loaïi, H laø hieäu quaû xöû lyù loaïi boû ion kim loaïi (%).
Hieäu quaû loaïi boû caùc ion naøy ñaït treân 85% trong moâi
tröôøng pH = 4.0-4.9. Trong ñoù, vaät lieäu carbon hoaït
tính ñöôïc ñieàu cheá töø voû saàu rieâng (DSAC) cho keát
quaû loaïi boû caùc ion Cu2+ vaø Ni2+ toát nhaát, trong khi
TWAC cho keát quaû khaû quan ñoái vôùi tröôøng hôïp haáp
phuï Pb2+.
4. Keát luaän
Vaät lieäu carbon hoaït tính ñaõ ñöôïc toång hôïp
thaønh coâng töø caùc loaïi pheá phaåm noâng nghieäp khaùc
nhau söû duïng taùc nhaân hoaït hoùa KOH. Caùc keát quaû
TGA, XRD, SEM, FT-IR vaø phaân boá kích thöôùc chæ
ra vaät lieäu toàng hôïp ñöôïc coù ñoä xoáp cao, dieän tích
beà maët rieâng lôùn vaø coù nhieàu nhoùm chöùc caàn thieát
cho söï haáp phuï. Keát quaû khaûo saùt ñaùnh giaù khaû
naêng haáp phuï caùc ion kim loaïi naëng Cu2+, Ni2+,
Pb2+cuûa vaät lieäu carbon hoaït tính cheá taïo töø caùc
nguoàn sinh khoái cho thaáy hieäu quaû xöû lyù loaïi boû ion
kim loaïi Cu2+ ñaït treân 99,0%; Ni2+ ñaït treân 85,0%;
Pb2+ ñaït treân 92,2%. Töø keát quaû nghieân cöùu cho
thaáy tieàm naêng söû duïng caùc nguoàn sinh khoái töø pheá
phuï phaåm noâng laâm nghieäp ñeå toång hôïp carbon
hoaït tính cho caùc vaán ñeà xöû lyù ONMT töø caùc ion kim
loaïi naëng.
Taøi lieäu tham khaûo
1. L.G.B. Thuan Van Tran, Quynh Thi Phuong
Bui, Trinh Duy Nguyen, Nhan Thi Hong Le, A com-
parative study on the removal efficiency of metal
using sugarcane bagasse- derived ZnCl 2 -activated
carbon by the response surface methodology, Ad-
sorpt. Sci. Technol. 35 (2017) 72–85.
2. T. Van Thuan, B.T.P. Quynh, T.D. Nguyen,
V.T.T. Ho, L.G. Bach, Response surface methodol-
ogy approach for optimization of Cu2+, Ni2+ and
Pb2+ adsorption using KOH-activated carbon from
banana peel, Surfaces and Interfaces. 6 (2017)
209–217.
3. P. Sugumaran, V.P. Susan, P. Ravichan-
dran, S. Seshadri, Production and Characterization
of Activated Carbon from Banana Empty Fruit Bunch
and Delonix regia Fruit Pod, J. Sustain. Energy
Environ. 3 (2012) 125–132.
4. M.S. Shafeeyan, W.M.A.W. Daud, A. Housh-
mand, A. Shamiri, A review on surface modification
of activated carbon for carbon dioxide adsorption, J.
Anal. Appl. Pyrolysis. 89 (2010) 143–151.
5.J. Xu, L. Chen, H. Qu, Y. Jiao, J. Xie, G. Xing,
Preparation and characterization of activated carbon
from reedy grass leaves by chemical activation with
H3PO4, Appl. Surf. Sci. 320 (2014) 674–680.n
Baûng 2.Ñieàu kieän cheá taïo vaø keát quaû cheá taïo thöû
nghieäm vaät lieäu haáp phuï
oo
o
o