Hấp phụ chất độc hại trong nước thải
Vỏ sắn phế phẩm được nhiệt hóa yếm khí tại nhiệt độ 600 độ C trong 1 giờ thu được than sinh học, ký hiệu mẫu BC-S để ứng dụng làm chất hấp phụ màu xanh methylene. Các đặc tính hình thái và cấu trúc bề mặt của BC-S được đo đạc bằng phương pháp phân tích hiện đại như là kính hiển vi điện tử quét (SEM), nhiễu xạ tia X (XRD), quang phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FT-IR), và Brunauer-Emmett-Teller (BET).
Kết quả, hình thái bề mặt của BC-S ở dạng các hạt phẳng xếp chồng lên nhau, chứa nhiều hóc, kích thước hạt trung bình10 μm. Cấu trúc BC-S tồn tại dạng tinh thể carbon graphite có diện tích bề mặt riêng là 2,66 m2/g.
Trong ứng dụng BC-S làm chất hấp phụ màu xanh methylene, khảo sát khả năng hấp phụ màu cho kết quả khả năng hấp phụ cực đại là 5,10mg MB/g BC-S. Các kết quả cho thấy có thể sử dụng BC-S làm chất hấp phụ xử lý nước thải mang màu rộng rãi ở quy mô công nghiệp.
Đây là nghiên cứu của nhóm tác giả Đỗ Quý Diễm, Bùi Duy Tuyên, Nguyễn Văn Sơn, Võ Thành Công, Khoa Công nghệ Hoá học, Trường Đại học Công nghiệp TPHCM.
TS Đỗ Quý Diễm cho biết, than sinh học (biochar) là một khoáng chất dạng rắn giàu carbon (C) thu được từ việc nhiệt phân yếm khí sinh khối (biomass) như là các phụ phẩm nông nghiệp. Tùy thuộc vào nhiệt độ nhiệt phân và loại sinh khối mà sản phẩm biochar thu được có thành phần và tính chất khác nhau.
Theo số liệu của Viện Năng lượng Việt Nam, phế phẩm cây trồng rất đa dạng như: Rơm rạ, vỏ trấu, vỏ sắn, vỏ dừa, vỏ cà phê, phế thải gỗ… Đây là một trong những nguồn sinh khối tiềm năng để phục vụ cho nhu cầu sản xuất biochar. Trong đó, vỏ sắn (vỏ mì) có hai dạng cấu trúc là vỏ gỗ và vỏ cùi. Vỏ gỗ chiếm 0,5 - 3% khối lượng củ, gồm các tế bào có cấu tạo từ cellulose và hemicellulose, hầu như không có tinh bột.
Vỏ cùi dày hơn vỏ gỗ, chiếm khoảng 8 - 20% khối lượng củ gồm các tế bào được cấu tạo bởi cellulose và tinh bột. Với loại này, tại các nhà máy sản xuất tinh bột sắn phải thải bỏ một lượng lớn, lượng vỏ sắn trực tiếp thải bỏ gây lãng phí, độc hại và ô nhiễm cho môi trường. Vì vậy, một phần mục tiêu quan trọng trong nghiên cứu là tìm giải pháp để xử lý chất thải rắn gây ô nhiễm như là vỏ sắn.
Xét về đặc tính và ứng dụng, cấu trúc bề mặt của biochar có cấu trúc xốp, chứa nhiều nhóm chức như OH, COOH, N-H… Mang ái lực làm tăng các đặc tính ưa nước, độ phân cực, hấp phụ khi ứng dụng cho cho loại vật liệu này. Trong ứng dụng, ngoài khả năng lưu trữ carbon, nước và cải tạo đất, việc sử dụng biochar cho các lĩnh vực khác như làm nền chất mang trong sản xuất xúc tác, chất hấp phụ, hoặc làm vật liệu cho các quá trình công nghiệp hóa chất, dược phẩm.
Xử lý nước thải trong 25 phút
TS Đỗ Quý Diễm cho biết, mẫu phế phẩm vỏ sắn được lấy từ chợ nông sản tại TPHCM. Mẫu thu gom được sơ chế bằng cách làm sạch, cắt nhỏ rồi sấy khô tại phòng thí nghiệm ở nhiệt độ 105 độ C trong 3 giờ. Tiếp theo, mẫu được cân và nung yếm khí ở nhiệt độ 600 độ C trong 1 giờ, thu được sản phẩm mẫu than sinh học BC-S.
Thành phẩm BC-S có màu đen, không mùi. Mẫu sau đó được hút ẩm, làm nguội và cân xác định khối lượng MT. Thí nghiệm được lặp lại ba lần để thu được giá trị trung bình cho mỗi mẫu.
Bề mặt của BC-S thể hiện cấu trúc là các hạt phẳng xếp chồng lên nhau, kích thước hạt trung bình là 10μm, xen giữa các hạt phẳng là các rảnh mao quản, hạt phẳng tương đối đều nhau, các lỗ trống xen kẽ nhiều và sâu làm tăng diện tích bề mặt riêng, vì vậy sẽ làm tăng khả năng hấp phụ. Ngoài ra, trong mao quản trên bề mặt BC-S chứa nhiều lỗ trống, hóc mang ái lực mà được biết như là các tâm hấp phụ.
Nhóm nghiên cứu đã thành công trong việc tạo ra than sinh học BC-S được tổng hợp từ phế phẩm vỏ sắn. Thực hiện các phân tích như là SEM trên BC-S xác định được hình dạng hạt mảnh phẳng kích thước10 µm, BET xác định diện tích bề mặt riêng là 2,66 m2 /g.
Các kết quả phân tích cho thấy trong cấu trúc của biochar là một dạng khoáng chứa nhiều nhóm chức hữu cơ và carbon làm cho biochar có khả năng hấp phụ hóa học tốt.
Nghiên cứu khả năng ứng dụng BC-S làm chất hấp phụ MB tại nồng độ 15ppm, thời gian hấp phụ là 25 phút cho kết quả khả năng hấp phụ cực đại là 5,10 mg MB/g BC-S. Kết quả này cho thấy rằng BC-S có thể làm chất hấp phụ để xử lý nước thải dệt nhuộm chứa MB được triển khai ở quy mô công nghiệp.
TS Diễm nhận định, kết quả này là bước đầu trong nghiên cứu và ứng dụng biochar làm chất hấp phụ. Nhiều nghiên cứu ứng dụng của BC-S tiếp theo như là làm chất xúc tác, chất cải tạo đất, hoặc làm điện cực trong lĩnh vực điện hóa sẽ được chúng tôi tiếp tục nghiên cứu trong thời gian tương lai.
Việc ứng dụng than sinh học tại Việt Nam sẽ giúp hướng đến mục tiêu “Phát triển nền nông nghiệp xanh, thân thiện với môi trường, thích ứng với biến đổi khí hậu, giảm ô nhiễm môi trường nông thôn, phấn đấu giảm phát thải nhà kính 10% so với năm 2020”, cùng với đó là thúc đẩy thương mại hóa công nghệ nhiệt phân tại Việt Nam, chuyển đổi chất thải nông nghiệp thành năng lượng sạch và than sinh học có giá trị cao.
Than sinh học có đặc tính là cải thiện dinh dưỡng dễ tiêu cho cây trồng; đẩy mạnh quá trình rửa trôi muối, ức chế sự xâm nhập của Na+ cải thiện và phục hồi đất nhiễm mặn, tăng sức chống chịu của cây trồng; tăng giữ nước, giữ dinh dưỡng trong đất….
