IẠPCHÍ CÚNG THƯONG NGHIÊN CỨU ĐIỀU CHÊ THAN SINH HỌC BIÊN TÍNH BANG MUỐI MAGNESIUM SULFATE TỪ VỎ TRÂU VÀ KHẢO SÁT KHẢ NĂNG HÂP PHỤ VỚI XANH METHYLENE

Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (890.99 KB, 6 trang )

Trang 1<div class="page_container" data-page="1">

IẠPCHÍ CÚNG THƯONG

NGHIÍN CỨU ĐIỀU CHÍ

THAN SINH HỌC BIÍN TÍNH BANG

MUỐI MAGNESIUM SULFATE TỪ vỏ TRĐU VĂ KHẢO SÂT KHẢ NĂNG HĐP PHỤ

VỚI XANH METHYLENE

• LÍ THỊ CẨM NHUNG - TRƯƠNG CÕNG ĐỨC - PHANTHỊDIỆU

TĨM TẮT:

Băi viếtnghiín cứu câch điều chế than sinh họcbiến tínhtừ vỏ trấu với muối magnesium sulfatevă khảo sâtvề khả năng hấp phụ vớixanhmethylene, sử dụngphương phâp bề mặt đâp ứng đêxâc địnhđượcđiềukiện biến tính tối ưu lă:ngđmtẩm than trấu với dung dịch muối MgSO4 0,38M trong thờigian 233phút. Than biến tính có khảnăng hấp phụ tốt xanhmethylene, q trình hấp phụtuđn theo mơhình đẳng nhiệt Langmuir, với dunglượng hđ'pphụ cực đại lă66,23 mg/g. Quy trìnhbiếntính thanđơn giản,vật liệuthuđược có khả năng hấp phụ tốt.Do vậy, thantrấubiếntính với mi magnesium sulfate lă vật liệu tiềm năng, có thể loại bỏ hiệu quả xanh methylene trong nước thải.

Từ khóa: than sinh học, muối magnesium sulfate,vỏ trấu, xanh methylene.

1. Đặt vấn đề

Hăngnăm,trong q trìnhsảnxuđ't nơng nghiệp vă chế biến nơng sản ở Việt Nam, bín cạnhviệc đưa ra thịtrường hăng trăm triệu tđn nơngsản đâp ứng tốt cho nhu cầu tiíu dùng trongnước vă xuất khẩu, đồng thời cũng phât sinh một lượng rất lớn phụ phẩm nông nghiệp. Hầuhết nguồn phụ phẩmnăy được sử dụng lăm chất dot, chât độn chuồng,thứcăn gia súc, giâ thể trồngnđm hoặc hoa, phđn bón,chế tạo dầusinhhọclăm nhiín liệu, sản xuấtđiện sinh khơi,chế tạothan sinh học,...

Với nguồn phụ phẩmnơng nghiệp phong phú văkhâđa dạng đó, cần có câc giảiphâp hợplý để sửdụng hiệu quả cũng như giảm thiểu câc tâc động tiíu cựccủa nó đối vớimơi trường. Thím nữa, vấn đề ơ nhiễm mơi trường,đặc biệt lẵ nhiễmnước đêđặtra chocâc nhă nghiín cứu phải tìm kiếm văchế tạo câc vậtliệu có nhiềuưu điểmhơn trong xử lý

câcchất ơ nhiễm. Vì vậy, chếtạothan sinh học từphụ phẩm vă ứng dụng trong xử lý môi trường lă lựa chọn được nhiều nhă nghiín cứu quan tđm.

Chất thải từ q trình dệt nhuộm lă những châtmăuhữucơ bền,hịa tan tốt trong nước, có cđutrúcmạch với nhiều vịng thơm phứctạp vă khó phđnhủy. Sự tồn tại của chúng trongnướclăm giảm sựtiếpnhận ânh sâng, hạn chế sựhòatanoxygen, gđy ảnh hưởng chohoạt động sốngcủa visinhvật vă cóthểgđy độc hoặc câc bệnh ung thư chocon người.Nướcthải chứa chấtmău hữu cơ thường đượcxử lý bằng măng lọc, câc chất xúc tâc quang, câc châthấp phụ, câc qtrìnhoxihóa,... Trong câcphươngphâp xửlýnăy, dùng câcchất hấp phụ,câcchất xúc tâc đểxử lý câcchấtmăuđược quan tđm nhiều hơn nhờ hiệu quả xử lý cao, chi phíthâp vă thiết bị dễ vận hănh. Thím nữa, vậtliệu hđ'p phụ - xúc tâcphải có câc đặc tính như: diện tích bề mặt lớn, độ

364 SÔ'21 - Thâng 9/2022

</div>Trang 2<div class="page_container" data-page="2">

khảosát ảnh hưởng của hai nhân tơ'đến q trình biến tínhthanlà: thời giantừ 3đến5 giờ vànồng độ từ 0,4 đến0,6 M.

Kết quả tại Hình 3 giúp xác định được ảnh hưởng đồng thời của thời gian và nồng độ muốimagnesium sulfate đến q trình biến tính than theo phương trình sau:

qe = 23,1962- 1,4154X) - 1,3955X2- 1,6521X21+ O,O552X22-O,8713X1X2Trong đó: qe là dung lượng hấp phụ cân bằngcủa vật liệu biếntính;Xị và x2 lần lượt là thờigian và nồngđộ của muối MgSO4 ngâm tẩm trong qtrình biến tínhvật liệu.

Dung lượng hấpphụ cực đại của than biếntínhtheolý thuyếtlà qe(Ít) = 24,9708 mg/g vàtheo thực tế là qe (tt) - 24,6845 mg/g. Trên cơ sởđó, chúngtơi chọn điều kiệnbiến tính than tốt nhấtlà ngâmtẩm than trong dung dịch muối MgSO4 0,38 M ở 233 phút.

3.4. Đánh giá khảnăng hấp phụ của than biến tính

3.4.1.Khảo sát thời gian đạt cân bằng hấp phụ

của than biến tính

Khảo sát về thời gian đạt cân bằnghấpphụ củavật liệu biếntính (Bảng 2), chúng tơi thây sau 150phút (2,5 giờ) quá trìnhhấp phụ đạt cânbằng. Do

SurfacePlot ofqe (mg/g) vs Nơng độ, Thởi gian

Hình 3: Bề mặt đáp ứng về khả năng hấp phụ của than biến tính theo mơ hình

Central composite

vậy,chúng tơi chọn thời gian đạtcân bằng hâp phụ củathan biến tính là 150 phút chocác thực nghiệm tiếp theo.

3.4.2. Đẳng nhiệt hấp phụ củathan biến tính

Đểđánhgiá về khả năng hấpphụ củathanbiếntính với xanh methylene, chúngtơi sửdụng hai mơhìnhđẳng nhiệt hấp phụ làLangmuirvà Freundlichvới phương trình sau:

</div>Trang 3<div class="page_container" data-page="3">

TẠP CHÍ CƠNG THƯƠNG

Bảng 3. So sánh khả năng hấp phụ với xanh methylene của than trấu biến tính với các bào cào tham khảo

Vật liệu hấp phụDung lượng hấp phụ cực đại (mg/g)Tâi liệu tham khảo

Than sinh học được bọc các hạt nano oxide aluminium26,8-35,0[13]

lgqe = IgKp +-i-lgCe (2)

Trong đó: Ce (mg/L) và qe (mg/g) lần lượt lànồng độ và dung lượng hấp phụ ở trạng thái cânbằng; qmax (mg/g) là dung lượng hấp phụ cực đại; Kl là hằng số hấp phụ cân bằng Langmuir; KF và 1/nlần lượt cho biết khả năng hấp phụ vàlực hấp phụtheoFreundlich.

Kết quả vềkhảnăng hâp phụ của than biếntínhvới xanh methylene được trình bày ở Hình 4.

Kết quả trên chothấy than biến tính hấp phụ MB phù hợp với mơ hình đẳng nhiệt Langmuừ (R2 =0,9556) hơn so với mơ hình Freundlich (R2= 0,8515). Như vậy, sự hấp phụ MB trên bềmặtthan biến tínhlà q trình hấp phụ đơn lớp với dung lượng hấp phụ cực đại lý thuyết là 66,23 mg/g. (Bảng 3)

Kết quả trên cho thây than trâu biến tính vớimuối MgSO4 trong nghiên cứu này là vật liệu hấp phụ tốt xanh methylene.

4.Kết luận

Trong nghiên cứunày, chúng tôi nhận thấy thansinh học được điều chế từvỏ ưấu và biến tính vớimuối MgSO4 (ngâm tẩm than bằng dung dịchMgSO4 0,38M trong 233 phút ở 50-60°C) có khảnăng hấp phụ tốt xanh methylene trongnước. Nhưvậy, thansinhhọcbiến tính điều chế từ trấu có thểđược sửdụng để loại bỏ mộtsố chất ônhiễm trong nước,chẳng hạn như xanh methylene.Tuy vậy,đểcó thể sử dụng hiệu quả vật liệu này trong xử lýnước thải, cần nghiên cứu thêm các yếu tố ảnh hưởng khác như pH vànhiệt độ của q trìnhxử lý, ảnhhưởng củacácchấtthảikháccó trong nước,... ■

Lờicảm ơn:

Nghiên cứu này điiỢc thực hiện trong khuôn khổ đềtài khoa học cấpcơsở của Triiờng Đạihọc Quy Nhơn với mã sốT2021.704.07.

TÀI LIỆU THAM KHẢO:

1. Fan s., Wang Y., Wang z., Tang J., Tang J., Li X. (2017). Removal of methylene blue from aqueous solution by sewage sludge-derived biochar: adsorption kinetics, equilibrium, thermodynamics and mechanism. J. Environ. Chem. Eng., 5,601-611.

2. QiangHuang, ShuangSong, ZheChen, BaoweiHu, JianrongChen, XiangkeWang, (2019). Biochar-based materials andtheứ applications inremoval oforganic contaminants fromwastewater: state of the art review. Biochar, 1,45-73.

3. Nautiyal p., Subramanian K.A., Dastidar M.G. (2016). Adsorptive removal of dye using biochar derived from residual algae after insitu transesterification: alternate use of waste of biodiesel industry. J. Environ. Manag., 182,

368 SỐ21 -Tháng 9/2022

</div>Trang 4<div class="page_container" data-page="4">

xốp cao vàcó chứa nhiều nhóm chức có oxygen,cókhảnăng dẫn truyềnelectron tốtvà được chếtạo từcác nguồn nguyên liệu rẻ, dễ kiếm. Vì vậy, thansinh học từphụ phẩmnông nghiệp đượcxemlà vậtliệu xúc tác- hấpphụ thỏamãn đượccác yêucầutrên nhờ có nhiều vị tríhoạt độnggiúp liên kết tốt với chất màu hữu cơ bằng liên kết hydrogen, tương tác n ->71, tương táctĩnhđiện, trao đổiion,... [2,7],

Năm 2017, Fan vàcộngsự đã sửdụng than sinh học từ bùn thải để loại bỏ xanh methylene khỏinước;kếtquả cho thấy, hiệu suất hấp phụ đạt gần

100% sau 10giờxử lý vàdung lượng hấp phụ cựcđại của than là 29,85 mg/g ởpH = 7 [1].

Tiếp đó, Dastidarvà cộng sự (2016, 2017) đã điều chếthan sinhhọc từ bã thảicủa sinh khốitảoSpirulina và thực hiện với hấp phụ vớithuốc đỏ Congo và xanhmethylene, họnhận thấy than này có thể loại bỏ đến 82,6% thuốc đỏ Congo và92,6% xanh methylene; so sánhvới than hoạt tính là 85,4% và 95,6% tương ứng trong cùng điều kiện[3-4].

Với nguồn phụ phẩm trấu khá nhiều trên khắpcả nước và vấn đề ô nhiễm môi trường nước nhưhiện nay, trong nghiêncứunày, chúng tôi thực hiện điều chếthan từtrấuvà biến tínhnó để khảo sát khả năng hấp phụ với chất màu hữu cơ trong nước thải (cụ thể là xanh methylene).

2. Vật liệu và phươngpháp nghiên cứu

2.1.Vậtliệu nghiên cứu

Trấu (đườngkính hạt khoảng 2-3 mm, chiều dàitrungbình 5-8 mm),được thu gom từ các cơ sở sảnxuất gạo vànhiệtphân yếm khí N2 với tốc độ gianhiệt 10°/phút trong3 giờ ở 550°C. Thanđược làm nguội trong lò nung về nhiệt độ phịng và nghiền đến kích thước nhỏ hơn 0,5 mm.

Đểxácđịnh điều kiệnbiếntính tối ưu, than được ngâm tẩm trong các dung dịch muối magnesiumsulfate (MgSO4)(0,1; 0,3;0,5; 0,7; 0,9 M) theo cáckhoảng thời gian khác nhau(1,2, 4, 6, 8giờ) với tỷlệ thantrấu/dungdịch là 1/10, nhiệt độ ngâm tẩmlà50-60°C trên máy khuấy từ gia nhiệt. Cho từ từ dung dịch KOH 0,lM vào hỗn hợp trên để điều chỉnh giá trị pHđến 10. Sau khi quá trình ngâm tẩmkết thúc, để nguội hỗn hợp về nhiệt độ phòng và rửa than về pH = 7. Thansau khirửa, lọc,đểráo sẽđượcsấy qua đêmở105°Ctrong tủ sấy.

Hóa chất dùng trong nghiên cứu đạt mức tinh khiếtphân tích, nước cấtđược sử dụng trong phahóachất và rửa than.

2.2.Phương phápnghiên cứu

2.2.1. Thiết kế thí nghiệm

Dùng phương pháp bề mặt đáp ứng theo mơ hìnhbậc hai Central composite với 2 nhân tô' (thời gian và nồng độ ngâm tẩm) cho q trìnhbiếntínhthantrấubằngmi MgSO4. Theo mơ hình này, áp dụng cho 2 nhântố (mỗi nhân tơ' có 2 mức: thấpvàcao), sô' điểm ở tâm là4 và giátrịa = 1,2 sẽcó 12 thí nghiệm biến tính than trấu.

2.2.2. Khảo sát khả năng hấp phụ của vật liệu

Dựng đường chuẩn xanh methylene với cácnồng độ 2,4, 6, 8, 10, 12, 14, 16mg/L (664 nm).

Để xácđịnh thời gian đạt cân bằng hấpphụ của than và than biến tính, cho o,lg than vào 50 mL dung dịch xanh methylene (methylene blue - MB)50 mg/L và khuấy trên máy khuấy từở nhiệt độ phòng trong thời gian 30 - 300 phút. Sau từngkhoảng thời gian hấp phụ, tách lấydung dịch MB còn lại, ly tâmvới tốc độ 3.000 vòng/phút trong 10phút và đo độ hấp thụ ở bướcsóng 664 nm.

Tiếp đó, đểxácđịnh điều kiệnbiếntính tốt nhấtvới than trấu,cho o,lg than đã biến tính ở các điều kiệnkhác nhau vào50 mL dungdịch MB 50 mg/Lvà khuấy ở nhiệt độphòng trong 3 giờ. Lượng MBcònlại trong dungdịch sauhấpphụ cũngđược xácđịnhnhưtrên.

Đồng thời, đểđánhgiá đẳng nhiệt hấp phụ của vậtliệubiếntínhcho 0, Igthanbiếntính vào 50 mL dung dịch MB cónồng độ 50 - 200 mg/Lvà khuấy ở nhiệt độ phòng trong 2,5 giờ, lượng MB còn lạicũng được xácđịnhtươngtự.

2.2.3. Xử lý số liệu thực nghiệm

* Để đánh giá khả năng hấp phụ của than vàthanbiến tínhsử dụng theo công thức sau:

Hiệusuấthấpphụ:H = c° ~ Ce . 100%Dung lượng hấp phụ:qe = (C°mCe)‘V Ws)Trong đó:

Co, Ce lần lượtlà nồng độban đầu và cân bằng của dung dịch xanh methylene; Hlà hiệu suất hấp phụ của than (%); qe là dung lượng hấp phụ của than ở trạng tháicân bằng (mg/g);Vlàthể tích của dung dịchxanh methylene (L); m làkhối lượngthanđã dùng (g).

* Từ giá trị thực nghiệm về khả năng hấp phụ của than biến tính ởcác điều kiện khác nhau, xây

SỐ 21 - Tháng 9/2022 3Ó5

</div>Trang 5<div class="page_container" data-page="5">

TẠP CHÍ CƠNG THƯƠNG

dựng bề mặt đáp ứng đểxácđịnh điều kiện biến tính vật liệu tốt nhất,sử dụng phần mềm Minitab 16.

3.Kết quảvà thảo luận

3.1.Hình dạng và màu sắccủathan điều chếtừ trấu

Hình 1 cho thấy than trấu nung yếm N2 vẫn cịngiữ được hình dạng của hạt trấu ban đầu, sau khi nghiềnvà biến tính vớimi MgSO4 thì thanbiến tính mịn hơn và đen đậm hơn.

3.2. Khảosát thời gian đạt cânbằnghấpphụ củathan

Kết quả tại Bảng 1 cho thấy sau 180 phút thì quá trình hấp phụ đạt cânbằng, vìvậy nhóm chúngtơi chọn 180phút (3giờ) làthời gianđạtcânbằng hấp phụ chocác khảo sát tiếp theo.

3.3.Xác địnhđiểmtốiưu trong qtrìnhbiến tính vật liệu theo phươngpháp bềmặtđáp ứng

Khảo sát ảnh hưởng của từng nhân tố đến qtrình biến tính vật liệu là rất cần thiết trước khi khảo sát ảnh hưởng đồng thời của chúng. Vì vậy,chúngtơikhảo sát ảnh hưởngcủa từng nhântố:

- Thời gian: tiến hành ngâm tẩm vật liệu với dung dịch muối MgSO4 0,5 M ở các khoảng thờigian khác nhau vàkhảosát khả nănghấp phụ củavậtliệu biếntính.

- Nồng độ: thựchiệnngâmtẩmvật liệu vớidungdịch muối MgSO4 ởcác nồng độ: 0,1; 0,3;0,5; 0,7 và 0,9 M trong4giờ, đồng thờikhảosátkhảnăng hấp phụ của vậtliệu biếntính.(Hình 2)

Từ kết quả ở Hình2, chọn 2mứccao vàtháp khi

</div>Trang 6<div class="page_container" data-page="6">

6. Ersan G., Apul O.G., Perreault F., Karanfil T. (2017). Adsorption of organic contaminants by graphene nanosheets: A review. Water. Res., 126,385-398.

7. Fan S.S., Tang J., Wang Y., Li H., Zhang H., Tang J., Wang z., Li X.D. (2016). Biochar prepared from copyrolysis of municipal sewage sludge and tea waste for the adsorption of methylene blue from aqueous solutions: kinetics, isotherm, thermodynamic and mechanism. J. Mol. Liq., 220,432-441.

8. Wang X., Bayan M.R., Yu M., Ludlow D.K., Liang X. (2017c). Atomic layer deposition surface functionalized biochar for adsorption of organic pollutants: improved hydrophilia and adsorption capacity. Int. J. Environ. Sci. Technol; 14,1825-1834.

9. Wang s., Zhou Y., Han s., Wang N., Yin w., Yin X., Gao B., Wang X., Wang J. (2018b). Carboxymethyl cellulose stabilized ZnO/biochar nanocomposites: enhanced adsorption and inhibited photocatalytic degradation of methylene blue. Chemosphere, 197,20-25.

10. Wu z., Yuan X., Zhang J., Wang H., Jiang L., Zeng G. (2017c). Photocatalytic decontamination of wastewater containing organic dyes by metal-organic frameworks and their derivatives. Chem. Cat. Chem., 9,41-64.

KhoaKhoa học Tự nhiên, Trường ĐạihọcQuy Nhơn