Nghiên cứu tổng hợp, tính chất đặc trưng và khả năng hấp phụ kim loại nặng (Cu2+, Ni2+, Pb2+) trong môi trường nước của vật liệu carbon hoạt tính từ các nguồn sinh khối

Nghiên cứu - Trao đổi

Nghiên cứu tổng hợp, tính chất đặc trưng và
khả năng hấp phụ kim loại nặng (Cu2+, Ni2+,
Pb2+) trong môi trường nước của vật liệu
carbon hoạt tính từ các nguồn sinh khối
m BẠCH LONG GIANG, NGUYỄN DUY TRINH, TRẦN VĂN THUẬN

Viện Kỹ thuật Công nghệ cao NTT, Trường Đại học Nguyễn Tất Thành

V

ật liệu cacbon hoạt tính được tổng hợp từ các
nguồn sinh khối tự nhiên như bã trà, rơm rạ,
vỏ chuối và vỏ sầu riêng sử dụng tác nhân
hoạt hóa KOH. Các đặc tính cấu trúc của vật liệu
cacbon hoạt tính được thực hiện bằng các phương
pháp như kính hiển vi điện tử quét (SEM), phổ nhiễu
xạ tia X (XRD), phổ hồng ngoại (FT-IR), giản đồ phân
ố kích thước lỗ xốp và diện tích bề mặt riêng theo
phương pháp BET. Kết quả chỉ ra rằng, carbon hoạt
tính tổng hợp được có độ xốp cao, nhiều nhóm chức
và diện tích bề mặt lớn (63.5 m2/g - 253.7 m2/g). Khảo
sát khả năng hấp phụ các ion kim loại năng như
Cu2+, Ni2+ và Pb2+ của vật liệu cacbon hoạt tính
đã tổng hợp cũng được tiến hành và cho hiệu suất
hấp phụ cao, đạt từ 85.7% đến 99.7%.
1. Tổng quan
Trong những năm gần đây, công nghệ xử lý các
chất ô nhiễm bằng carbon hoạt tính từ các nguồn
sinh khối nhận được nhiều sự quan tâm nghiên cứu

và xem như là một giải pháp “xanh” trong công nghệ
xử lý môi trường. Một số nghiên cứu đã chứng minh
tiềm năng trong việc chuyển đổi các nguồn sinh khối
này như bã trà, rơm rạ, vỏ chuối và vỏ sầu riêng
thành các nguồn carbon hoạt tính chi phí thấp và
hiệu suất cao. Carbon hoạt tính có nguồn gốc từ
nguồn phụ phẩm nông nghiệp có các tính chất hóa
lý nổi bật như diện tích bề mặt riêng lớn, nhóm chức
đa dạng và độ xốp cao. Do đó, chúng đã được sử
dụng như là vật liệu hấp phụ hiệu quả đối với cả các
chất hữu cơ và vô cơ. Để đạt được tính chất như vậy,
nguồn sinh khối này cần được xử lý với các tác nhân
hóa học, trong đó KOH được xem là chất hoạt hóa
hiệu quả, ít ảnh hưởng đối với môi trường so với các
tác nhaõn khaực nhử ZnCl2, K2CO3.

26

Tài nguyên và Môi trờng

Kỳ 2 - Th¸ng 9/2017

Sự ô nhiễm nước bởi kim loại nặng trong thời
gian dài có thể đe dọa nghiêm trọng đến sức khỏe
con người. Việc xả thải kim loại nặng ra môi trường
thường bắt nguồn từ sự rò rỉ các hóa chất trong công
đoạn của quá trình luyện kim, chế tạo acqui, công
nghệ dệt nhuộm và xử lý quặng. Các kim loại như
đồng, nicken, manganese ở nồng độ cao hơn có thể
gây ra các ảnh hưởng nghiêm trọng đến sức khỏe

như suy tim, đau đầu kinh niên, thậm chí gây chết
người. Có nhiều phương pháp xử lý các vấn đề ô
nhiễm này như: Ôxy hóa khử, kết tủa hóa học, lọc
màng, trao đổi ion, kỹ thuật điện hóa. Tuy nhiên,
nhược điểm chính của các phương pháp này thường
là chi phí cao hoặc hiệu quả thấp . Phương pháp hấp
phụ sử dụng carbon hoạt tính được xem là phương
pháp đạt hiệu quả tốt, tính ứng dụng cao, chi phí hợp
lý và dễ vận hành quy trình xử lý.
Trong nghiên cứu này, chúng tôi 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. Đặc tính cấu trúc của mẫu vật liệu tổng
hợp được đánh giá thông qua các phương pháp hóa
lý hiện đại như XRD, SEM và FT-IR. Bên cạnh đó,
chúng tôi tiến hành đánh giá khả năng hấp của các
mẫu vật liệu than hoạt tính đã tổng hợp dựa trên quá
trình hấp phụ các ion kim loại nặng Cu2+, Ni2+, và Pb2+.
2. Thực nghiệm

2.1. Tổng hợp carbon hoạt tính.
Carbon hoạt tính được tổng hợp theo quy trình
gồm hai giai đoạn: (1) giai đoạn carbon hóa các
nguồn sinh khối tự nhiên như bã trà, rơm rạ, vỏ chuối
và vỏ sầu riêng; (2) gia đoạn hoạt hóa sử dụng KOH
làm tác nhân [2]. Ở giai đoạn (1), mẫu carbon hóa
thu được sau khi nung 30 g nguyên liệu được sơ chế


sơ bộ trong thiết bị nung dạng ống với dòng khí N2

(99,99%; tốc độ dòng 150 cm3/phút) ở 400oC (tốc
độ gia nhiệt 10 oC/phút) trong 1 h. Giai đoạn (2), 10
g carbon hóa điều chế ở trên được ngâm trong dung
dịch KOH (tỷ lệ khối lượng của mẫu carbon hóa và
KOH là 1:1) trong 24h. Sau đó, hỗn hợp được sấy
khô trong không khí ở 105oC trong 12 h và nung
trong thiết bị nung ống ở trên nhưng nhiệt độ gia
nhiệt là 500 oC các điều kiện khác giữ nguyên. Chất
rắn thu được sau khi rửa nhiều lần với nước đến khi
dịch lọc trở nên trung hòa và sấy khô ở 105 oC trong
12 h. Các mẫu than hoạt tính được chế tạo từ bã trà,
rơm rạ, vỏ chuối và sầu riêng lần lượt được ký hiệu
là TWAC, RHAC, BSAC và DSAC tương ứng.
2.2. Đánh giá khả năng hấp phụ
50 mg mẫu carbon hoạt tính được cho vào trong
bình tam giác chứa 100 mL dung dịch Cu2+. Hỗn hợp
được khấy trộn liên tục trong bóng tối. Sau 3 giờ đạt
đến cân bằng hấp phụ, 10 mL dd được lấy ra và ly
tâm ở 6000 vòng/phút để loại bỏ các chất rắn có
trong dung dịch. Nồng độ ion Cu2+ còn lại được xác
định bằng phương pháp AAS theo công thức sau:

lớn. Hiện tượng tăng cường lỗ xốp sau khi hoạt hóa
bằng phương pháp hóa học có thể được giải thích
do ở nhiệt độ hoạt hoá cao, tác nhân hoạt hoá KOH
phản ứng với các nguyên tử carbon trong cấu trúc
cellulose theo các phản ứng dưới đây và để lại các
lỗ xốp trong cấu trúc của cacbon hoạt tính:

Quá trình này xảy ra nhanh làm bốc hơi các khí

như CO2 và do đó giúp hình thành nhiều lỗ xốp mới
trên bề mặt.
Hình 1. Kết quả phân tích ảnh SEM của than hoạt
tính chế tào từ (A) bã trà, (B) rơm rạ, (C) vỏ chuối  
và (D) vỏ sầu riêng

1),
trong đó, Co và Ce là nồng độ ban đầu và nồng
độ cân bằng của ion kim loại trong dung dịch. Quá trình
thí nghiệm tiến hành tương tự với các ion Ni2+ và Pb2+.
2.3.  Các phương pháp đặc trưng cấu trúc vật liệu

Ảnh hiển vi điện tử quét (SEM) của các mẫu vật
liệu được thực hiện trên máy S4800 (Nhật bản) với
điện thế nguồn 10 kV, độ phóng đại 7000. Phổ XRD
được đo trên máy nhiễu xạ Ronghen D8 Advance
Bruker với ống phát tia bằng Cu–Ká, tốc độ quét
0.02 o/s từ các góc 2= 10o - 90o. Phổ FT-IR được
thực hiện trên máy Nicolet 6700 spectrophotometer
trong vùng 1300 cm-1 - 400 cm-1. Diện tích bề mặt
riêng được xác định từ phần tuyến tính trong phương
trình BET trong khoảng P/Po<0,03 từ đường đảng
nhiệt hấp phụ-nhả hấp phụ N2 đo trên máy Micromeritics 2020.
3. Kết quả và bàn luận
3.1. Tính chất đặc trưng cấu trúc của vật liệu
carbon hoạt tính
Hình thái cấu trúc bề mặt của các vật liệu được
phân tích bằng phương pháp hiển vi điện tử quét
SEM. Hình 1 cho thấy hình ảnh SEM bề mặt của
các mẫu carbon hoạt tính trong cấu trúc có nhiều lỗ

rỗng, bề mặt xốp, do đó diện tích hiệu dụng bề mặt

Hình 2A cho thấy giản đồ XRD của carbon hoạt
tính được chế tạo từ các loại phế phẩm nông nghiệp
khác nhau có vùng phổ rộng, gần như không có
đỉnh đặc trưng rõ rệt của các bề mặt tinh thể. Như
vậy, các mẫu carbon hoạt tính ở dạng vô định hình.
Phân tích các nhóm chức hóa học có thể thực hiện
được bằng kó thuật phổ hồng ngoại FT–IR. Từ kết
quả phân tích Hình 2B cho thấy các mẫu có vùng
hấp thụ ở lân cận vị trí 3421 cm-1 đặc trưng cho dao
động O-H trong nhóm chức hydroxyl. Vùng phổ rộng
từ 1000–1100 đặc trưng cho liên kết C-O, ngoài ra
vùng phổ rộng từ 1550–1620 cm-1 đặc trưng cho liên
kết C=O trong nhóm chức ketones, aldehydes hoặc
carboxyls và liên kết C-C trong vòng cacbon thơm .
Từ giản đồ diện tích bề mặt BET hình 2D và
Bảng 1 cho thấy carbon hoạt tính chế tạo từ nguồn
sinh khối thay đổi theo thứ tự sau: Rơm rạ (253.7
m2/g) > bã trà (215.4 m2/g) > Vỏ chuối (63.5 m2/g) >
Vỏ sầu riêng (22.3 m2/g). Ngoài ra, phân bố kích
thước hạt ở hình 5 cho thaỏy caực maóu coự kớch thửụực
Tài nguyên và Môi trờng

Kỳ 2 - Th¸ng 9/2017

27


lỗ xốp không đồng đều, phân bố trải rộng khoảng

từ 7 A – 12 A, có bán kính chủ yếu khoảng từ 7.5 A
– 12.1 A.
o

o

o

o

Bảng 2. Điều kiện chế tạo và kết quả chế tạo thử
nghiệm vật liệu hấp phụ

Hình 2. (A) Giản đồ nhiễu xạ XRD, (B) Phổ hấp thụ
hồng ngoại FT-IR,  (C) các đường đẳng hấp phụ nitrogen, (D) Giản đồ phân bố kích thước hạt của vật liệu
carbon hoạt tính chế tạo từ Bã trà (TW), Rơm rạ (RH),
Vỏ chuối (BS), Vỏ sầu riêng (DS)
nhau sử dụng tác nhân hoạt hóa KOH. Các kết quả
TGA, XRD, SEM, FT-IR và phân bố kích thước chỉ
ra vật liệu tồng hợp được có độ xốp cao, diện tích
bề mặt riêng lớn và có nhiều nhóm chức cần thiết
cho sự hấp phụ. Kết quả khảo sát đánh giá khả
năng hấp phụ các ion kim loại nặng Cu2+, Ni2+,
Pb2+của vật liệu carbon hoạt tính chế tạo từ các
nguồn sinh khối cho thấy hiệu quả xử lý loại bỏ ion
kim loại Cu2+ đạt trên 99,0%; Ni2+ đạt trên 85,0%;
Pb2+ đạt trên 92,2%. Từ kết quả nghiên cứu cho
thấy tiềm năng sử dụng các nguồn sinh khối từ phế
phụ phẩm nông lâm nghiệp để tổng hợp carbon
hoạt tính cho các vấn đề xử lý ONMT từ các ion kim

loại nặng.
Bảng 1. Diện tích bề mặt BET, kích thước lỗ xốp,
và thể tích DA các mẫu carbon hoạt tính

3.2. Kết quả đánh giá khả năng hấp phụ các ion kim
loại nặng Cu2+, Ni2+, Pb2+của vật liệu Carbon hoạt tính
Các kết quả hấp phụ các ion kim loại nặng
Cu , Ni2+ và Pb2+ của vật liệu carbon hoạt tính chế
tạo từ từ Bã trà (TW), Rơm rạ (RH), Vỏ chuối (BS),
Vỏ sầu riêng (DS) được trình bày ở Bảng 2, trong
đó, Co: nồng độ ban đầu (mg/L) của các ion kim
loại, H là hiệu quả xử lý loại bỏ ion kim loại (%).
Hiệu quả loại bỏ các ion này đạt trên 85% trong môi
trường pH = 4.0-4.9. Trong đó, vật liệu carbon hoạt
tính được điều chế từ vỏ sầu riêng (DSAC) cho kết
quả loại bỏ các ion Cu2+ và Ni2+ tốt nhất, trong khi
TWAC cho kết quả khả quan đối với trường hợp hấp
phụ Pb2+.
2+

4. Kết luận
Vật liệu carbon hoạt tính đã được tổng hợp
thành công từ các loại phế phaồm noõng nghieọp khaực

28

Tài nguyên và Môi trờng

Kỳ 2 - Th¸ng 9/2017

Tài liệu tham khảo
1. L.G.B. Thuan Van Tran, Quynh Thi Phuong
Bui, Trinh Duy Nguyen, Nhan Thi Hong Le, A comparative  study  on  the  removal  efficiency  of  metal
using sugarcane bagasse- derived ZnCl 2 -activated
carbon by the response surface methodology, Adsorpt. 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 methodology  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. Ravichandran, 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. Houshmand, 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