Bài viết tiến hành tổng hợp carbon hoạt tính từ nguồn sinh khối gồm bã trà, rơm rạ, vỏ chuối và vỏ sầu riêng sử dụng KOH làm chất hoạt hóa. Mời các bạn cùng tham khảo bài viết để nắm chi tiết hơn nội dung nghiên cứu.
Nghieân cöùu - Trao ñoåi
m BAÏCH LONG GIANG, NGUYEÃN DUY TRINH, TRAÀN VAÊN THUAÄN Vieän Kyõ thuaät Coâng ngheä cao NTT, Tröôøng Ñaïi hoïc Nguyeãn Taát Thaønh
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 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.
Tµi nguyªn vµ M«i tr ưêng
Kú 2 - Th¸ng 9/2017
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 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.
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:
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. Quaù trình naøy xaûy ra nhanh laøm boác hôi caùc khí nhö CO2 vaø do ñoù giuùp hình thaønh nhieàu loã xoáp môùi treân beà maët. 2.2. Ñaùnh giaù khaû naêng haáp phuï
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
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:
1),
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 N2 ño 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
Tµi nguyªn vµ M«i tr ưêng
Kú 2 - Th¸ng 9/2017
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 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
o
o
o
o
Baûng 2. Ñieàu kieän cheá taïo vaø keát quaû cheá taïo thöû nghieäm vaät lieäu haáp phuï
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)
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
Baûng 1. Dieän tích beà maët BET, kích thöôùc loã xoáp, vaø theå tích DA caùc maãu carbon hoaït tính
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.
3.2. Keát quaû ñaùnh giaù khaû naêng haáp phuï caùc ion kim loaïi naëng Cu2+, Ni2+, Pb2+cuûa vaät lieäu Carbon hoaït tính
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. 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
Tµi nguyªn vµ M«i tr ưêng
Kú 2 - Th¸ng 9/2017
Vaät lieäu carbon hoaït tính ñaõ ñöôïc toång hôïp thaønh coâng töø caùc loaïi pheá phaåm noâng nghieäp khaùc 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
