26/07/2021 : 00:07

Là nhiệm vụ nghiên cứu khoa học và công nghệ cấp Thành phố, do Trung tâm Phát triển Khoa học và Công nghệ Trẻ chủ trì thực hiện, ThS. Đỗ Thị Hoàng Tuyến làm chủ nhiệm, thuộc chương trình Vườn ươm Sáng tạo KH&CN Trẻ, được nghiệm thu năm 2020.

Việc giới thiệu các kết quả nghiên cứu thuộc chương trình KH&CN cấp Thành phố là một trong những hoạt động của Trung tâm Thông tin và Thống kê Khoa học và Công nghệ (CESTI) được triển khai thường xuyên, đặc biệt là trong Tháng cao điểm thực hiện chủ đề năm 2021 “Năm xây dựng chính quyền đô thị và cải thiện môi trường đầu tư”, tiến đến Chào mừng 45 năm ngày thành lập Sở KH&CN TP.HCM.

Sự phát triển công nghiệp nhanh chóng và sự gia tăng dân số trong thời gian gần đây đã dẫn đến các vấn đề ô nhiễm môi trường, đặc biệt là ô nhiễm nguồn nước. Trong đó, ô nhiễm kim loại nặng trong nước xuất phát từ các hoạt động khai thác khoáng sản, luyện kim, sản xuất nhiên liệu, phân bón, thuốc trừ sâu, công nghiệp thuộc da, sản xuất các thiết bị điện tử là mối quan tâm hàng đầu. Các ion kim loại nặng tồn tại trong nước đe dọa trực tiếp đến hệ sinh thái và sức khỏe con người, vì vậy cần được loại bỏ trước khi thải ra môi trường.

Các công nghệ xử lý kim loại nặng trong nước phổ biến như kết tủa hóa học, keo tụ tủa bông có nhược điểm chính là phát sinh bùn thải độc hại và hiệu quả xử lý kém với nồng độ kim loại thấp (<100mg/L). Các phương pháp như lọc màng, trao đổi ion lại gặp trở ngại về chi phí dẫn đến hiệu quả kinh tế không cao. Trong khi đó, phương pháp hấp phụ được xem là một kỹ thuật đơn giản, rẻ tiền và dễ thực hiện để loại bỏ các kim loại nặng trong nước thải.

Một trong những vật liệu hấp phụ được sử dụng rộng rãi là than hoạt tính do có diện tích bề mặt riêng lớn và cấu trúc vi lỗ đồng nhất. Mặc dù có những tính chất ưu việt cho hiệu quả hấp phụ cao, than hoạt tính vẫn thuộc loại vật liệu có giá thành tương đối cao. Vì vậy, việc tận dụng phế, phụ phẩm nông nghiệp làm vật liệu hấp phụ là một trong những hướng nghiên cứu đang được quan tâm bởi tính kinh tế và kết hợp chuyển hóa chất thải rắn thành sản phẩm có giá trị gia tăng. Các nghiên cứu trên thế giới cũng như tại Việt Nam về hiệu quả hấp phụ của một số vật liệu tự nhiên như vỏ cam, vỏ lạc, vỏ trấu, xơ dừa, than sinh học,… trong việc xử lý kim loại nặng trong nước bước đầu đã có những kết quả khả quan.

Mặt khác, thời gian gần đây, rác thực phẩm được xem là có tiềm năng chuyển hóa thành các dạng năng lượng khi được đưa vào quá trình carbon hóa thủy nhiệt. Carbon hóa thủy nhiệt là quá trình nhiệt phân các loại chất thải ở nhiệt độ từ 180 - 350oC và thích hợp với các loại chất thải có hàm ẩm cao (80 - 90%). Nhiều tác giả đã công bố các nghiên cứu về carbon hóa thủy nhiệt với các nguyên liệu đa dạng như rác thải rắn đô thị, rác thải thực phẩm, sinh khối giàu lignocellulose,... So với các phương pháp xử lý khác, carbon hóa thủy nhiệt được cho là có nhiều ưu điểm như thiết bị nhỏ gọn, không phát sinh mùi, thời gian xử lý ngắn trong vài giờ, đồng thời các mầm bệnh và vi sinh vật bị bất hoạt do vận hành ở nhiệt độ cao. Sau quá trình xử lý, rác thải được chuyển hóa thành các sản phẩm sạch, giàu năng lượng và dễ vận chuyển như than hydro, dầu sinh học và khí sinh học.

Với đề tài nêu trên, nhóm tác giả tập trung khảo sát khả năng hấp phụ kim loại nặng trong nước của than hydro (hydrochar) thu nhận từ quá trình carbon hóa thủy nhiệt rác thực phẩm. Nghiên cứu này nhằm chứng minh khả năng ứng dụng của than hydro trong việc xử lý các kim loại nặng trong nước thải.

Theo đó, rác thực phẩm được thủy phân với tác nhân hóa học là H2SO4 1,5%, NaOH 2% (Gundupalli và Bhattacharyya, 2017) và tác nhân sinh học là hỗn hợp cellulase : protease 12% tỉ lệ 1:2 trong 6 giờ ở 150rpm và 46oC. Sau khi thủy phân rác thực phẩm được than hóa bằng phương pháp carbon hóa thủy nhiệt (HTC) ở nhiệt độ 180oC trong 6 giờ. Kết thúc quá trình HTC, hỗn hợp được lọc qua giấy lọc, than hydro thu nhận được sấy khô ở 60oC và sử dụng làm vật liệu hấp phụ Cu2+ trong các thí nghiệm tiếp theo.

Than hydro thu nhận từ rác thực phẩm chưa qua tiền xử lý, rác thực phẩm thủy phân với H2SO4, NaOH và enzyme được ký hiệu lần lượt là FW, AFW, BFW và EFW. Biochar thương mại (ký hiệu BC) được sử dụng để so sánh hiệu quả hấp phụ của sản phẩm than hydro trong nghiên cứu này và than sinh học từ vỏ trấu và mùn cưa đã được thương mại hóa.

Nhóm tác giả cũng tiến hành các thí nghiệm khảo sát khả năng hấp phụ ion kim loại Cu2+ của các vật liệu FW (mẫu than hydro từ rác thực phẩm chưa qua xử lý), AFW (than hydro từ rác thực phẩm được thủy phân với H2SO4), BFW (than hydro từ rác thực phẩm được thủy phân với NaOH), EFW (than hydro từ rác thực phẩm được thủy phân với hỗn hợp enzyme), BC (than thương mại); khảo sát khả năng hấp phụ Pb2+ của các mẫu than hydro thu nhận từ quá trình carbon hóa thủy nhiệt rác thực phẩm ở các khoảng thời gian khác nhau. 

Kết quả khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hấp phụ Cu2+ cho thấy, thời gian đạt cân bằng hấp phụ của mẫu FW (mẫu than hydro từ rác thực phẩm chưa qua xử lý) là 24 giờ; mẫu BFW (than hydro từ rác thực phẩm được thủy phân với NaOH) là 3 giờ; mẫu EFW (than hydro từ rác thực phẩm được thủy phân với hỗn hợp enzyme) là 4 giờ; mẫu AFW (than hydro từ rác thực phẩm được thủy phân với H2SO4) và BC (than thương mại) là 2 giờ. Điều kiện pH tối ưu cho hiệu suất cao nhất là 5 đối với mẫu EFW và BC, pH = 6 phù hợp với cả 3 mẫu than FW, mẫu than AFW và BFW. Nồng độ dung dịch ban đầu là 100mg/l tối ưu cho cả 4 mẫu than FW, AFW, BFW, EFW và nồng độ 50mg/l phù hợp với BC. Đối với Pb2+ trên mẫu than FW, thời gian đạt cân bằng hấp phụ là 2 giờ, pH = 7 và dung lượng hấp phụ tối đa theo mô hình Langmuir đạt 263,16mg g-1.

Nghiên cứu đã chế tạo được vật liệu than hydro được thủy phân bởi acid sulfuric, sodium hydroxide và hỗn hợp cellulase:protease. Khảo sát hiệu suất hấp phụ của vật liệu trước và sau xử lý cho kết quả các vật liệu sau xử lý bằng các tác nhân đều có khả năng hấp phụ kim loại Cu2+ cao hơn so với vật liệu gốc, trong đó mẫu than BFW và than EFW có hiệu quả cao nhất. Từ đó, có thể kết luận Hydrochar (than BFW và than EFW) có hiệu quả hơn trong việc loại bỏ Cu2+ ra khỏi môi trường nước ô nhiễm so với Biochar (than BC).

Kết quả của đề tài cho thấy ý nghĩa của việc carbon hóa thủy nhiệt rác thực phẩm ở Việt Nam. Sản phẩm than hydro thu nhận có tiềm năng ứng dụng để loại bỏ kim loại nặng trong nước thải. Than hydro có thể cạnh tranh về giá thành so với các loại vật liệu hấp phụ truyền thống khác.

Có thể tìm đọc toàn văn Báo cáo kết quả nghiên cứu đề tài tại Trung tâm Thông tin và Thống kê Khoa học và Công nghệ (CESTI).

Lam Vân (CESTI)

Tin liên quan

• Cà Mau: Ứng dụng công nghệ bảo quản và chế biến để nâng cao giá trị tôm càng xanh
• ROSE - Kẹp robot mềm cải tiến
• Xây dựng mô hình trồng rau ăn lá thủy canh trong nhà màng
• Nhân giống thành công sâm cau bằng công nghệ nuôi cấy mô
• Tạo than sinh học từ rác thải nông nghiệp bằng thiết bị khí hóa
• Chọn tạo giống đậu xanh kháng bệnh khảm vàng và cho năng suất cao
• Sản xuất naringin, tinh dầu và phân bón từ vỏ bưởi
• Làm chủ công nghệ sản xuất phân bón lá Nano - REM
• Dự án “Nuôi cá nâu thương phẩm gắn với liên kết tiêu thụ sản phẩm” tại Quảng Trị và Thừa Thiên Huế
• Vật liệu sinh học mới phục hồi sụn bị tổn thương ở khớp