Luận văn Thạc sĩ Khoa học môi trường: Nghiên cứu vật liệu than hoạt tính từ vỏ hạt Mắc-ca (Macadamia Integrifolia) được biến tính bằng tác nhân oxi hóa HNO3 để xử lý chì (Pb) trong nước

Chia sẻ: Matroinho | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:133

Thêm vào BST

Báo xấu

36
lượt xem 10
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục đích nghiên cứu của luận văn "Nghiên cứu vật liệu than hoạt tính từ vỏ hạt Mắc-ca (Macadamia Integrifolia) được biến tính bằng tác nhân oxi hóa HNO3 để xử lý chì (Pb) trong nước" nhằm khảo sát các điều kiện tối ưu (nhiệt độ, thời gian) để hoạt hóa than Mắcca bằng NaOH; Khảo sát điều kiện tối ưu (kích thước, nồng độ, thời gian) để biến tính than hoạt hóa Mắc-ca bằng dung dịch HNO3; Khảo sát điều kiện tối ưu cho quá trình xử lý Chì (Pb) trong nước (pH, liều lượng, thời gian).

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Khoa học môi trường: Nghiên cứu vật liệu than hoạt tính từ vỏ hạt Mắc-ca (Macadamia Integrifolia) được biến tính bằng tác nhân oxi hóa HNO3 để xử lý chì (Pb) trong nước

UBND TỈNH BÌNH DƢƠNG ƢỜNG I HỌC HỦ DẦ M PH M HỊ NGỌC ÂM NGHIÊN CỨ VẬ LIỆ HAN HO ÍNH Ừ VỎ H MẮC-CA (MACADAMIA INTERGRIFORLIA) ƢỢC BIẾN ÍNH BẰNG ÁC NHÂN OXI HÓA HNO3 Ể XỬ LÝ CHÌ (Pb) ONG NƢỚC CH YÊN NGÀNH: KHOA HỌC MÔI ƢỜNG MÃ SỐ: 8440301 L ẬN VĂN H C SĨ BÌNH DƢƠNG – 2021
UBND TỈNH BÌNH DƢƠNG ƢỜNG I HỌC HỦ DẦ M PH M HỊ NGỌC ÂM NGHIÊN CỨ VẬ LIỆ HAN HO ÍNH Ừ VỎ H MẮC-CA (MACADAMIA INTERGRIFORLIA) ƢỢC BIẾN ÍNH BẰNG ÁC NHÂN OXI HÓA HNO3 Ể XỬ LÝ CHÌ (Pb) ONG NƢỚC CH YÊN NGÀNH: KHOA HỌC MÔI ƢỜNG MÃ SỐ: 8440301 L ẬN VĂN H C SĨ GVHD: TS. NG YỄN X ÂN DŨ BÌNH DƢƠNG - 2021
CAM OAN HỰC HIỆN Tôi xin cam đoan đây là nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, dữ liệu trong bài đều đƣợc trích dẫn rõ ràng, trung thực. Kết quả của nghiên cứu cũng chƣa từng công bố trong bất cứ nghiên cứu cùng cấp nào khác. Học viên thực hiện Phạm Thị Ngọc Trâm
LỜI CẢM ƠN Trong suốt qu tr nh học t p và hoàn thành lu n văn tốt nghiệp cao học, tôi đ nh n đƣợc sự hƣ ng dẫn, gi p đ qu b u từ rất nhiều ngƣời. V i lòng biết ơn sâu sắc, lời đầu tiên, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến các toàn thể các giảng viên của Khoa Khoa học quản lý, trƣờng Đại học Thủ Dầu Một. Cảm ơn Thầy TS. Đào Minh Trung đ nhiệt tình chuyển giao kỹ thu t, phƣơng pháp thực hiện và công nghệ để thực hiện lu n văn. Đặc biệt là TS. Nguyễn Xuân Dũ - cán bộ trực tiếp hƣ ng dẫn tôi hoàn thành đề tài lu n văn tốt nghiệp cao học này. Ngƣời đ luôn hết l ng gi p đ , dạy bảo, thƣờng xuyên quan tâm, động viên và kịp thời chia sẻ những khó khăn, vƣ ng mắc cho tôi trong suốt qu tr nh học t p, làm th nghiệm và hoàn thành lu n văn. Tôi xin cảm ơn Ban l nh đạo Khoa Khoa học quản lý, ngành Khoa học môi trƣờng và các thầy cô quản lý phòng thí nghiệm đ luôn hỗ trợ, tạo môi trƣờng làm việc v i đầy đủ các trang thiết bị, dụng cụ cần thiết cũng nhƣ mọi điều kiện thu n lợi để tôi có thể hoàn thành tốt báo cáo tốt nghiệp của mình. Một lần nữa, tôi xin chân thành cảm ơn! Ngƣời thực hiện Phạm Thị Ngọc Trâm
TÓM TẮT LUẬN VĂN H C SĨ Nghiên cứu v t liệu than hoạt tính từ vỏ hạt mắc - ca (macadamia intergriforlia) đƣợc biến tính bằng tác nhân oxi hóa HNO3 để xử lý chì (Pb) trong nƣ c, ứng dụng v t liệu thân thiện v i môi trƣờng. Kết quả khảo sát khả năng xử lý Pb(II) trong nƣ c thải từ than cốc Mắc-ca, than biến t nh điều chế từ than cốc Mắc-ca bằng tác nhân hóa học HNO3, than hoạt t nh đƣợc điều chế từ than Mắc- ca bằng tác nhân hoạt hóa NaOH và than biến t nh điều chế từ than hoạt tính NaOH v i tác nhân HNO3 cho hiệu suất xử lý tốt nhất lần lƣợt là 16.04%, 99.43%, 97.75% và 98.04% tại c c điều kiện tối ƣu (pH, liều lƣợng than và thời gian xử lý). Đây có thể đƣợc xem là tính m i của v t liệu keo tụ trong xử l nƣ c thải. Để áp dụng cần có những nghiên cứu mở rộng cho c c đối tƣợng nƣ c thải thực tế kh c nhau nhƣ nƣ c thải xi mạ, dệt nhuộm, rỉ rác,…. Từ khóa: Than biến tính HNO3, xử lý Pb(II), kim loại nặng.
ABSTRACT Research on activated carbon materials from macadamia nut shells (macadamia intergriforlia) modified by oxidizing agent HNO3 to treat lead (Pb) in water, applying environmentally friendly materials. Survey results on the ability to treat Pb(II) in wastewater from Macca coke, modified coal prepared from Macca coke by chemical agent HNO3, activated carbon prepared from Macca coal. ca by NaOH activator and modified carbon prepared from NaOH activated carbon with HNO3 agent gave the best treatment efficiency of 16.04%, 99.43%, 97.75% and 98.04%, respectively, at optimal conditions ( pH, coal dosage and treatment time). This can be considered as a novelty of flocculation materials in wastewater treatment. To apply, it is necessary to have extensive studies for different actual wastewater objects such as plating wastewater, textile dyeing, leachate,.... Keywords: HNO3 modified coal, Pb(II) treatment, heavy metals.
MỤC LỤC CHƢƠNG 1. ỔNG QUAN TÀI LIỆU ............................................................. 4 1.1. Tổng quan về Mắc-ca .................................................................................. 4 1.1.1. Nhân Mắc-ca ......................................................................................... 4 1.1.2. Vỏ Mắc-ca ............................................................................................. 5 1.2. Tổng quan về than hoạt tính ........................................................................ 6 1.2.1. Khái niệm .............................................................................................. 6 1.2.2. Cấu trúc của than hoạt tính................................................................... 7 1.2.2.1. Cấu trúc tinh thể .............................................................................. 7 1.2.2.2. Cấu trúc hóa học ............................................................................. 9 1.2.2.3. Hợp chất bề mặt ............................................................................ 10 1.2.3. Quy luật hấp phụ trên than hoạt tính .................................................. 10 1.2.3.1. Thuyết Polany – Dubinin .............................................................. 10 1.2.3.2. Hấp phụ ở áp suất cao – Phƣơng tr nh Kelvin .............................. 12 1.2.4. Phương pháp điều chế than hoạt tính ................................................. 14 1.2.4.1. Nguyên liệu dùng đề điều chế than hoạt tính................................ 14 1.2.4.2. Công nghệ điều chế ....................................................................... 14 1.2.5. Một số ứng dụng của than hoạt tính ................................................... 18 1.3. Tổng quan về than biến tính ...................................................................... 19 1.3.1. Biến tính than hoạt tính bằng Nitơ (N2) .............................................. 19 1.3.2. Biến tính bề mặt than bằng Halogen ................................................... 20 1.3.3. Biến tính bề mặt than bằng sự lưu huỳnh hóa..................................... 21 1.3.4. Biến tính than hoạt tính bằng cách tẩm .............................................. 22 1.4. Tổng quan về Chì (Pb) ............................................................................... 23 1.4.1. Khái niệm và đặc tính của Chì (Pb) .................................................... 23 1.4.2. Độc tính của Chì (Pb) ......................................................................... 24 1.4.3. Hiện trạng nước bị ô nhiễm Chì .......................................................... 26 1.5. Tổng quan phƣơng ph p xử lý chì (Pb) ..................................................... 27 i
1.5.1. Phương pháp hấp phụ ......................................................................... 27 1.5.1.1. Hiện tƣợng hấp phụ ....................................................................... 27 1.5.1.2. Một số chất hấp phụ ...................................................................... 33 1.5.2. Phương pháp keo tụ............................................................................. 33 1.5.3. Phương pháp keo tụ điện hoá.............................................................. 33 1.5.4. Phương pháp trao đổi ion ................................................................... 34 1.6. Tổng quan nghiên cứu trong và ngoài nƣ c .............................................. 34 1.6.1. Nghiên cứu trong nước ........................................................................ 35 1.6.2. Nghiên cứu ngoài nước ....................................................................... 36 CHƢƠNG 2. VẬT LIỆU, N I D NG VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU42 2.1. Hóa chất và thiết bị .................................................................................... 42 2.1.1. Hóa chất .............................................................................................. 42 2.1.2. Dụng cụ và thiết bị .............................................................................. 42 2.2. Nội dung nghiên cứu.................................................................................. 43 2.3. Phƣơng ph p nghiên cứu ........................................................................... 43 2.3.1. Phương pháp nghiên cứu cơ sở lý thuyết ............................................ 43 2.3.2. Phương pháp thu thập thông tin, kế thừa tài liệu ............................... 43 2.3.3. Phương pháp phân tích ....................................................................... 43 2.3.4. Phương pháp xử lý số liệu ................................................................... 44 2.4. Bố trí thí nghiệm ........................................................................................ 44 2.4.1. Sơ đồ phương pháp luận ..................................................................... 44 2.4.2. Điều chế các vật liệu sinh học từ vỏ Mắc-ca ...................................... 45 2.4.3. Khảo sát các điều kiện tối ưu để xử lý Chì (Pb) ................................. 46 CHƢƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN .................................................... 48 3.1. Kết quả điều chế v t liệu ........................................................................... 48 3.1.1. Kết quả điều chế than biến tính HNO3 từ than cốc Mắc-ca ................ 48 3.1.1.1. Kết quả x c định k ch thƣ c thích hợp ảnh hƣởng đến quá trình biến tính...................................................................................................... 48 ii
3.1.1.2. Kết quả x c định nồng độ thích hợp ảnh hƣởng đến quá trình biến tính ............................................................................................................. 49 3.1.1.3. Kết quả x c định thời gian lắc thích hợp ảnh hƣởng đến quá trình biến tính...................................................................................................... 50 3.1.2. Kết quả điều chế than hoạt tính NaOH được làm từ vỏ hạt Mắc-ca .. 51 3.1.2.1. Kết quả x c định nhiệt độ nung thích hợp ảnh hƣởng đến quá trình hoạt tính...................................................................................................... 51 3.1.2.2. Kết quả x c định thời gian nung thích hợp ảnh hƣởng đến quá trình hoạt tính ............................................................................................. 52 3.1.3. Kết quả điều chế than biến tính HNO3 từ than hoạt tính NaOH được làm từ vỏ hạt Mắc-ca..................................................................................... 53 3.1.3.1. Kết quả x c định k ch thƣ c thích hợp ảnh hƣởng đến quá trình biến tính...................................................................................................... 53 3.1.3.2. Kết quả x c định nồng độ thích hợp ảnh hƣởng đến quá trình biến tính ............................................................................................................. 54 3.1.3.3. Kết quả x c định thời gian lắc thích hợp ảnh hƣởng đến quá trình biến tính...................................................................................................... 55 3.2. Kết quả ảnh SEM ....................................................................................... 56 3.3. Kết quả khảo sát khả năng xử lý Chì (Pb) bằng các v t liệu đƣợc điều chế .......................................................................................................................... 58 3.3.1. Kết quả khảo sát pH thích hợp cho quá trình xử lý ............................ 58 3.3.2. Kết quả khảo sát liều lượng than thích hợp cho quá trình xử lý ......... 60 3.3.3. Kết quả khảo sát thời gian thích hợp cho quá trình xử lý ................... 62 3.3.4. Đánh giá khả năng hấp phụ Chì (Pb) của các vật liệu ....................... 64 KẾT LUẬN VÀ Ề XUẤT ............................................................................... 65 Kết lu n ............................................................................................................. 65 Đề xuất .............................................................................................................. 66 TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................. 67 PHỤ LỤC ............................................................................................................ 74 iii
DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT AC Than hoạt tính NaOH từ than cốc ALAD Enzym delta-aminolaevulinate dehydratase BC Than cốc Mắc-ca EAP Cục bảo vệ môi trƣờng Mỹ IR Hồng ngoại IUPAC Hội hóa học ứng dụng quốc tế KLN Kim loại nặng MAC Than biến tính HNO3 từ than hoạt tính NaOH MB Methylene Blue MC Than biến tính HNO3 từ than cốc VLHP V t liệu hấp phụ WHO Tổ chức y tế thế gi i iv
DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1. Thành phần dinh dƣ ng trong nhân hạt Maccadamia ........................... 5 Bảng 1.2. C c hƣ ng nghiên cứu trong và ngoài nƣ c xử lý MB ....................... 37 Bảng 2.1. Những hóa chất sử dụng trong đề tài ................................................... 42 Bảng 2.2. Những thiết bị sử dụng trong đề tài ..................................................... 42 Bảng 2.3. C c phƣơng ph p phân t ch đƣợc sử dụng trong đề tài ....................... 43 Bảng 3.1. Kết quả phân tích SEM ........................................................................ 56 v
DANH MỤC HÌNH H nh 2.1. Sơ đồ phƣơng ph p lu n ...................................................................... 44 Hình 3.1. Kết quả x c định k ch thƣ c tối ƣu theo độ hấp phụ Methylene Blue. 48 Hình 3.2. Kết quả x c định nồng độ tối ƣu theo độ hấp phụ Methylene Blue..... 49 Hình 3.3. Kết quả x c định thời gian tối ƣu theo độ hấp phụ Methylene Blue ... 50 Hình 3.4. Kết quả x c định nhiệt độ tối ƣu theo độ hấp phụ Methylene Blue..... 51 Hình 3.5. Kết quả x c định thời gian tối ƣu theo độ hấp phụ Methylene Blue ... 52 Hình 3.6. Kết quả x c định k ch thƣ c tối ƣu theo độ hấp phụ Methylene Blue. 53 Hình 3.7. Kết quả x c định nồng độ tối ƣu theo độ hấp phụ Methylene Blue..... 54 Hình 3.8. Kết quả x c định thời gian tối ƣu theo độ hấp phụ Methylene Blue ... 55 Hình 3.9. Kết quả x c định sự ảnh hƣởng của pH lên hiệu suất xử lý Pb của BC, MC và MAC ......................................................................................................... 58 Hình 3.10. Kết quả x c định sự ảnh hƣởng của pH lên hiệu suất xử lý Pb của v t liệu AC ................................................................................................................. 59 Hình 3.11. Kết quả x c định sự ảnh hƣởng của liều lƣợng lên hiệu suất xử lý Pb của các v t liệu ..................................................................................................... 60 Hình 3.12. Kết quả x c định sự ảnh hƣởng của thời gian lên hiệu suất xử lý Pb của các v t liệu ..................................................................................................... 62 vi
MỞ ẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Ở Việt Nam, nƣ c ngầm đƣợc sử dụng và trở thành nguồn nƣ c sinh hoạt chính của nhiều cộng đồng dân cƣ. Tuy nhiên cùng v i sự phát triển của khoa học công nghệ, qu tr nh đô thị hóa diễn ra mạnh mẽ, nhu cầu của con ngƣời ngày càng đƣợc nâng cao, cuộc sống ngày càng cải thiện. Kéo theo đó là c c vấn đề ô nhiễm môi trƣờng, ô nhiễm Chì (Pb) gây ảnh hƣởng đến sự tổng hợp máu, phá v hồng cầu, gây hại đến hệ thần kinh, nhất là hệ thần kinh của trẻ sơ sinh, chì kìm hãm việc sử dụng oxi và glucoza để sản xuất năng lƣợng cho quá trình sống (Nguyễn M u Thanh, 2017). Ch đƣợc xem là một trong những nguyên tố độc hại v i môi trƣờng, bởi vì cùng v i cadimi, thủy ngân, đồng, kẽm, crôm, chì gây nguy hiểm cao và ảnh hƣởng đến cân bằng sinh thái (Đặng Kim Tại, 2017). Ngày nay việc ứng dụng các v t liệu tự nhiên hoặc t n dụng phụ phẩm nông nghiệp để xử l KLN trong nƣ c là một trong những hƣ ng nghiên cứu đang đƣợc quan tâm bởi tính kinh tế cũng nhƣ hiệu quả mà nó mang lại. Các nghiên cứu trên thế gi i cũng nhƣ tại Việt Nam về khả năng hấp phụ của một số v t liệu tự nhiên nhƣ vỏ cam (Feng et al., 2011), rong (Lee and Chang, 2011), than sinh học (Inyang et al., 2012; Kilic et al., 2013; Pellera et al., 2012), vỏ lạc (Krowiak et al., 2011), thủy sinh (Deng et al., 2013), xơ dừa (Phạm Thành Quân và cs, 2008; Shukla et al., 2006) và vỏ trấu (Phạm Thành Quân và cs, 2008),... trong việc xử l KLN và bƣ c đầu cũng đ có những kết quả khả quan (Phạm Hoàng Giang và Đỗ Quang Huy, 2016). Phƣơng ph p hấp phụ sử dụng than hoạt tính không những đ p ứng việc bảo vệ môi trƣờng, không ảnh hƣởng đến sức khỏe ngƣời sử dụng, mà còn giúp tiết kiệm chi ph đ ng kể. Các phế phẩm nông nghiệp có thể đƣợc sử dụng nhƣ các tiền chất có chi phí thấp cho sản xuất than hoạt tính (Rashidi and Yusup, 2017). Chính vì v y, xuất phát từ nhu cầu thực tế mà đề tài “Nghiên cứu v t liệu than hoạt tính từ vỏ hạt Mắc-ca (Macadamia Integrifolia) đƣợc biến tính bằng tác nhân oxi hóa HNO3 để xử l ch (Pb) trong nƣ c” đƣợc thực hiện. 1
2. Mục tiêu nghiên cứu 2.1. Mục tiêu tổng quát Ứng dụng than hoạt tính Mắc-ca đƣợc hoạt hóa bằng NaOH và biến tính bằng dung dịch HNO3 để xử l Ch (Pb) trong nƣ c. 2.2. Mục tiêu cụ thể  Khảo s t c c điều kiện tối ƣu (nhiệt độ, thời gian) để điều chế than từ vỏ Mắc-ca.  Khảo s t c c điều kiện tối ƣu (nhiệt độ, thời gian) để hoạt hóa than Mắc- ca bằng NaOH.  Khảo s t điều kiện tối ƣu (k ch thƣ c, nồng độ, thời gian) để biến tính than hoạt hóa Mắc-ca bằng dung dịch HNO3.  Khảo s t điều kiện tối ƣu cho qu tr nh xử l Ch (Pb) trong nƣ c (pH, liều lƣợng, thời gian). 3. ối tƣợng nghiên cứu  Than điều chế từ vỏ hạt Mắc-ca.  Than Mắc-ca đƣợc hoạt hóa bằng NaOH.  Than Mắc-ca đƣợc biến tính bằng dung dịch HNO3.  Ch (Pb) trong nƣ c. 4. Phạm vi nghiên cứu  Nghiên cứu đƣợc thực hiện tại phòng thí nghiệm của khoa Khoa học tự nhiên trƣờng Đại học Thủ Dầu Một.  Vỏ hạt Mắc-ca lấy từ Lâm Đồng.  Than hoạt tính từ vỏ hạt Mắc-ca.  Than hoạt hóa bằng NaOH.  Than biến tính bằng HNO3.  Đề tài chỉ xử l Ch (Pb) trong nƣ c. 5. Nội dung nghiên cứu Các nội dung nghiên cứu trong lu n văn 2
 Nội dung 1: Khảo s t điều kiện tối ƣu cho qu tr nh biến tính HNO3 từ than cốc Mắc-ca.  Nội dung 2: Khảo s t điều kiện tối ƣu cho qu tr nh hoạt hóa than Mắc-ca bằng NaOH.  Nội dung 3: Khảo s t điều kiện tối ƣu cho qu tr nh biến tính HNO3 từ than hoạt tính NaOH.  Nội dung 4: Khảo s t điều kiện tối ƣu cho qu tr nh xử lý Chì trong nƣ c. 6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn 6.1. Ý nghĩa khoa học  Bƣ c đầu tìm ra các thông số tối ƣu (nhiệt độ, thời gian, khả năng hấp phụ,…) của v t liệu than hoạt tính làm từ vỏ Mắc-ca để có thể áp dụng vào thực tế xử l nƣ c thải của một số nhà máy.  T n dụng nguồn phế phẩm ngành công nghiệp chế biến thực phẩm hạt Mắc-ca để sử dụng làm v t liệu xử l môi trƣờng.  Tìm ra các thông số tối ƣu cho qu tr nh điều chế than. 6.2. Ý nghĩa thực tiễn  Đề xuất mô hình phù hợp v i đối tƣợng nƣ c có thành phần Chì (Pb) khác nhau.  Lu n văn tốt nghiệp cũng cung cấp những thông tin khoa học hiệu quả cải thiện chất lƣợng nƣ c thải của một số ngành công nghiệp nhƣ thành phần kim loại nặng (Pb) trong nƣ c thải, nƣ c cấp. Kết quả x c định đƣợc các thông số v n hành tối ƣu p dụng trong các giai đoạn xử lý hóa lý (keo tục tạo bông) trong các công nghệ xử l nƣ c thải và nƣ c cấp có thành phần ô nhiễm kim loại nói chung và Pb nói riêng.  Kết quả nghiên cứu của Lu n văn tốt nghiệp là cơ sở khuyến khích sử dụng v t liệu sinh học trong cải thiện chất lƣợng môi trƣờng nƣ c thải vừa thân thiện môi trƣờng vừa có khả năng t i sử dụng từ đó tạo ra một môi trƣờng sinh thái bền vững. 3
CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1.1. Tổng quan về Mắc-ca Mắc-ca (tên đầy đủ là macadamia và tên khoa học là Macadamia integrifolia) là loài cây gỗ l n, có nguồn gốc ở vùng rừng mƣa ven biển thuộc miền Nam Queensland và miền Bắc New South Wales ở Australia. Năm 1881, Mắc-ca đƣợc đƣa t i trồng ở Hawaii. Năm 1948, trạm nghiên cứu nông nghiệp Hawaii đ đầu tƣ nghiên cứu giống và đ tạo ra các dòng có nhiều triển vọng làm tiền đề cho công nghiệp Mắc-ca hiện đại. Ở California hai cây mắc ca đầu tiên đƣợc trồng vào đầu th p niên 1880 trong sân Berkeley thuộc đại học tổng hợp California. Năm 1950, California m i bắt đầu nh p khẩu một số giống đ đƣợc cải tiến từ Hawaii. Tại Trung Quốc, cây mắc ca đ có mặt ở vƣờn thực v t Đài Loan từ đầu thế kỷ 20, nhƣng việc trồng đại trà m i thực hiện trong khoảng 20 năm gần đây (Nguyễn Công Tạn, 2004). Năm 1994, cây Maccadamia đ đƣợc trồng thử nghiệm tại Ba Vì (Hà Nội). Đến nay ch ng đƣợc trồng rộng rãi ở nhiều nơi đặc biệt là vùng Tây Nguyên. Đây là loại cây có chứa hàm lƣợng chất dinh dƣ ng rất cao đặc biệt là ở trong nhân vì thế chúng là loài cây mang lại hiệu quả kinh tế rất l n. 1.1.1. Nhân Mắc-ca Sản phẩm ch nh của cây mắc ca là hạt (phụ lục F, h nh 1.1). Hạt mắc ca có nhân mầu sữa trắng ngả vàng, chiếm gần 1/3 trọng lƣợng hạt, hƣơng vị thơm ngon nhất trong c c loại hạt dùng để ăn và đƣợc mệnh danh là Hoàng h u quả khô (phụ lục F, h nh 1.2). Theo kết quả phân t ch của Wenkham và Miller năm 1965, thành phần dinh dƣ ng trong nhân hạt mắc ca nhƣ sau (Nguyễn Công Tạn, 2004): 4
Bảng 1.1. Thành phần dinh dƣỡng trong nhân hạt Maccadamia hành phần Phần trăm (%) Chất béo 78.2 C c hợp chất đƣờng 10 C c hợp chất đạm (protein) 9.2 Hàm lƣợng nƣ c 1.5 – 2.5 Kali 0.37 Photpho 0.17 Maggie 0.12 Nếu so s nh v i hàm lƣợng chất béo sau khi rang của lạc nhân là 44,8%, hạt điều 47%, hạnh nhân 51%, hạt hạch đào 63% th hàm lƣợng dầu béo 78% trong nhân mắc ca rõ ràng là cao hơn hẳn. Điều đặc biệt là hàm lƣợng acid béo không no trong dầu mắc ca lên t i 84% chỉ đứng sau dầu sở (97%). Đây là thứ chất béo mà thế gi i hiện đại rất coi trọng v t dẫn t i nguy cơ t ch tụ colesteron trong cơ thể ngƣời và rất phù hợp v i nhu cầu làm dung môi trong mỹ phẩm. Nhân mắc ca không những béo ng y, v i 9% protein 10% hợp chất đƣờng, nhân mắc ca c n có vị ngọt và rất bùi và thoang thoảng mùi thơm của bơ sữa b rất hấp dẫn. Nhân mắc ca gi n mà không cứng nhƣ hạt điều hay nhân lạc, dùng ăn sống, luộc rang hoặc xào nấu v i đồ mặn đều rất ngon, độn vào kem cốc, kẹo Sô cô-la, bánh ga-tô và nhiều loại đồ ngọt kh c đều làm cho c c đồ ăn này tăng hẳn gi trị. Có thể dùng nhân mắc ca để thổi xôi, nấu chè, làm nhân b nh dẻo, b nh nƣ ng và rất nhiều món ăn cổ truyền dân tộc kh c của Việt Nam, tạo thêm sức hấp dẫn cho c c món văn ho ẩm thực truyền thống của ta. Trên thế gi i, mắc ca đ đƣợc đƣa lên bàn ăn của c c gia đ nh giàu có hoặc yến tiệc sang trọng. 1.1.2. Vỏ Mắc-ca Vỏ hạt Mắc-ca (phụ lục F, hình 1.3) là phế phẩm thải bỏ của ngành chế biến thực phẩm, tuy vỏ không có giá trị kinh tế cao nhƣ nhân hạt, nhƣng gần đây đ có nhiều nghiên cứu t n dụng loại phế phẩm này để xử lý và tái chế vỏ hạt. Trong đó, đặc biệt là than hoạt t nh đƣợc tạo ra khi đốt ở nhiệt độ cao. Kết quả 5
phân t ch sơ bộ cho thấy trong vỏ Mắc-ca có c c thành phần kh c nhƣ cellulose, ligin, hemicellulose và c c hợp chất dễ bay hơi. Năm 1998, Toles đ phân t ch thành phần trong vỏ Mắc-ca lấy từ Hawaii và ph t hiện ra hàm lƣợng Ligin chiếm phần l n v i 46.7%, cellulose chiếm 25.8% và hemicellulose chiếm 11.7%, ngoài ra độ ẩm trong vỏ là 10% và lƣợng tro chiếm tỉ lệ rất t chỉ 0.2% (Sirichote et al., 2002). Theo Penoni et al. (2011) cho thấy mỗi tấn hạt Maccadamia thì thải ra t i 70 – 77% là vỏ. Hằng năm c c công ty chế biến hạt ở Việt Nam sản xuất ra hàng nghìn tấn hạt và thải ra hàng chục nghìn tấn vỏ. Vỏ có thể đƣợc một số công ty mỹ nghệ mua về làm đồ thủ công nhƣng chiếm tỉ lệ rất nhỏ. Phần l n ch ng đƣợc đem bỏ hoặc làm nhiên liệu đốt. Theo Xavier et al. ( 2016), vỏ Mắc-ca đƣợc lấy tại tỉnh S o Mateus-ES thuộc vùng Đông Nam Bazil. Kết quả thực nghiệm đƣợc tr nh bày trong Bảng 1.1 chỉ ra hàm lƣợng Carbon trong vỏ Mắc-ca kh cao từ 47 – 49% , lƣợng tro tƣơng đối thấp và nguồn nguyên liệu dồi dào cho thấy tiềm năng to l n để sản xuất than hoạt t nh từ vỏ Mắc-ca. Trong bài nghiên cứu của Rakesh Kumar et al. (2013) th hàm lƣợng cellulose trong vỏ là khá cao chiếm khoảng 41.2%, điều này cho thấy vỏ Maccadamia rất thích hợp để làm v t liệu sản xuất than hoạt t nh. Vào năm 2015 nhóm nghiên cứu của Martins, A.C et al., đ điều chế thành công than hoạt tính từ vỏ Maccadamia đạt đƣợc hiệu suất xử lí khá cao (Martins et al., 2015). 1.2. Tổng quan về than hoạt tính 1.2.1. Khái niệm Than hoạt tính có thành phần chủ yếu là cacbon chiếm 85% đến 95%, thành phần còn lại là các hợp chất vô cơ. Ch ng đƣợc điều chế khi đốt các nguyên liệu cho ta cacbon. Do v y nguồn nguyên liệu để sản xuất than hoạt tính khá phong phú. Than hoạt t nh đƣợc chế tạo từ những nguyên liệu giàu cacbon nhƣ c c loại quả, các loại thực v t (gỗ, mùn cƣa…), sọ dừa, gỗ, mạt cƣa, c c loại có nguồn gốc từ than mỏ nhƣ than antraxit, than bùn, than nâu, than bán cốc, hoặc từ các hợp chất hữu cơ nhƣ polime, lignin, dầu mỏ… Than hoạt tính có diện tích bề mặt 6
rất l n từ 500 – 2500 m2/g. Vì thế chúng là một chất l tƣởng dung để hấp phụ nhiều loại chất ô nhiễm (Lê Huy Du, 1984). Than hoạt tính, từ lâu đƣợc biết đến nhƣ một loại v t liệu hấp phụ rẻ tiền dùng trong xử l môi trƣờng (Mohan et al., 2008; Masoud et al., 2012; Santi et al., 2014; Lin, et al., 2013), ví dụ nhƣ dùng trong lọc nƣ c, lọc không khí, phòng độc, xử lý kim loại nặng, khử màu,… Than hoạt tính sản xuất chủ yếu từ các nguồn liệu rẻ tiền, thƣờng là các nguồn phế phẩm nông nghiệp nhƣ vỏ trấu (Han, et al., 2014), vỏ dầu cọ (Vitidsant et al., 1999), tre (Zhang et al., 2014), lõi ngô (Sych et al., 2012),... Ngoài ra, vỏ hạt điều cũng là một nguồn phế phẩm nông nghiệp giàu tiềm năng đang đƣợc quan tâm và nghiên cứu. Than hoạt t nh đ đƣợc phát hiện và nghiên cứu vào thời gian cuối thế kỷ 18. Trong thế kỷ 19 than hoạt t nh đƣợc ứng dụng để lọc sạch khí và tẩy màu. Trong Đại chiến Thế gi i Lần thứ Nhất, lần đầu tiên than hoạt t nh đ đƣợc sử dụng làm v t liệu lọc độc trong mặt nạ ph ng độc (Lê Huy Du và cs, 1981). 1.2.2. Cấu trúc của than hoạt tính 1.2.2.1. Cấu trúc tinh thể Trên than hoạt tính xảy ra cả hiện tƣợng hấp phụ v t l và hấp phụ hóa học, sự hấp phụ v t l xảy ra do cấu tr c của than hoạt t nh đƣợc đặc trƣng bởi cấu trúc xốp đa phân t n tạo nên các kẽ hở (lỗ xốp) có k ch thƣ c và sự phân bố theo thể tích lỗ theo k ch thƣ c. Theo Dubinin và Zaveria, than hoạt t nh vi lỗ xốp đƣợc tạo ra khi mức độ đốt ch y (burn-off) nhỏ hơn 50% và than hoạt t nh lỗ macro khi mức độ đốt ch y là l n hơn 75%. Khi mức đốt ch y trong khoảng 50 - 75% sản phẩm có hỗn hợp cấu tr c lỗ xốp chứa tất cả c c loại lỗ. Than hoạt tính có lỗ xốp từ 1 nm đến vài ngh n nm. Để phân loại chúng ta dựa trên chiều rộng, thể hiện khoảng cách giữa các thành của lỗ xốp hình rãnh hay bán kính của lỗ. Ch ng đƣợc chia là 3 nhóm: lỗ nhỏ, lỗ trung, lỗ l n (Trịnh Xuân Đại, 2010). Phân bố k ch thƣ c của các mao quản hoặc phân bố lỗ xốp dựa trên những giả thuyết về hình dáng mao quản. Sự phân bố đó đƣợc x c định theo sự biến đổi của thể tích hoặc bề mặt lỗ xốp (mao quản) v i k ch thƣ c mao quản 7
đƣợc IUPAC (Hội hóa học ứng dụng quốc tế) phân chia theo độ l n của bán kính. Lỗ nhỏ (Micropores) có k ch thƣ c c phân tử, b n k nh hiệu dụng nhỏ hơn 2nm. Sự hấp thụ trong c c lỗ này xảy ra theo cơ chế lắp đầy thể t ch lỗ và không xảy ra sự ngƣng tụ mau quản. Năng lƣợng hấp thụ trong c c lỗ này l n hơn rất nhiều so v i lỗ trung hay bề mặt không xốp v sự nhân đôi của lực hấp phụ từ c c v ch đối diện nhau của vi lỗ. No chung ch ng có thể t ch lỗ 0.15 – 0.7 cm3/g. Diện t ch bề mặt riêng của lỗ nhỏ chiếm 95% tổng diện t ch bề mặt của than hoạt tính. Dubinin c n đề xuất thêm rằng cấu tr c vi lỗ có thể chia nhỏ thành 2 c u tr c vi lỗ đặc trƣng v i b n k nh hiệu dụng nhỏ hơn 0.1 – 0.7nm và siêu vi lỗ v i b n k nh hiệu dụng từ 0.7 đến 1.6nm. Cấu tr c vi lỗ của than hoạt t nh đƣợc x c định rõ hơn bằng hấp phụ và hơi v công nghệ tia X (Trịnh Xuân Đại, 2010). Lỗ trung (Mesopore) hay c n gọi là lỗ v n chuyển có b n k nh hiệu dụng từ 2 đến 50 nm, thể t ch ch ng thƣờng từ 0.1 đến 0.2 cm3/g. Diện t ch bề mặt của lỗ này không qu 5 % tổng diện t ch bề mặt của than. Tuy nhiên bằng phƣơng ph p đặc biệt ngƣời ta có thể tạo ra than hoạt t nh có lỗ trung l n hơn, thể t ch của lỗ trong có thể đạt từ 0.2 – 0.65 cm3/g và diện t ch bề mặt của ch ng đạt 200m2/g. C c lỗ này đƣợc đặt trƣng bằng sự ngƣng tụ mao quản của chất hấp phụ so v i sự tạo thành khum của chất lỏng bị hấp phụ (Trịnh Xuân Đại, 2010). Lỗ l n (Macropore) không có nhiều nghĩa trong qu tr nh hấp phụ của than hoạt t nh v ch ng có diện t ch bề mặt rất nhỏ và không vƣợt qu 0.5m2/g. Ch ng có b n k nh hiệu dụng l n hơn 500nm và thƣờng trong khoảng 500 - 2000nm v i thể t ch lỗ từ 0.2 – 0.4 cm3/g. Ch ng hoạt động nhƣ một kênh cho chất bị hấp phụ vào trong lỗ nhỏ và lỗ trung. C c lỗ l n không đƣợc lắp đầy bằng sự ngƣng tụ mao quản (Trịnh Xuân Đại, 2010). Do đó cấu tr c lỗ xốp của than có 3 loại bao gồm lỗ nhỏ, lỗ trung và lỗ l n. Mỗi nhóm này thể hiện một vai tr nhất định trong qu tr nh hấp phụ. Lỗ nhỏ chiếm 1 diện t ch bề mặt và thể t ch l n do đó đóng góp l n vào khả năng hấp phụ của than hoạt t nh, miễn là k ch thƣ c phân tử của chất bị hấp phụ không qu l n để đi vào lỗ nhỏ. Lỗ nhỏ đƣợc lấp đầy ở p suất hơi tƣơng đối thấp trƣ c khi 8