Hấp phụ Niken từ Bã Mía

Đoạn văn này nhấn mạnh tầm quan trọng của vấn đề ô nhiễm môi trường nước, được xem là mối quan tâm toàn xã hội. Tại Việt Nam, tình trạng nước thải từ hầu hết các cơ sở sản xuất chỉ được xử lý sơ bộ, thậm chí thải trực tiếp ra môi trường, dẫn đến ô nhiễm nghiêm trọng cả nguồn nước mặt và nước ngầm. Việc nâng cao ý thức cộng đồng và siết chặt công tác quản lý môi trường là cần thiết, song song với việc tìm ra các phương pháp hiệu quả để loại bỏ ion kim loại nặng và các hợp chất hữu cơ độc hại. Tài liệu đề cập đến tình trạng ô nhiễm nghiêm trọng tại các thành phố lớn như Hà Nội và Thành phố Hồ Chí Minh, với các con sông như Tô Lịch, Nhuệ (Hà Nội), Sài Gòn và các kênh Nhiêu Lộc, Sài Gòn (TP. Hồ Chí Minh) có nồng độ kim loại nặng vượt quá tiêu chuẩn cho phép từ 3 đến 4 lần. Sự gia tăng khai thác tài nguyên cũng góp phần làm tăng lượng kim loại nặng độc hại trong môi trường. Tài liệu nhắc đến các thảm họa môi trường lịch sử do ô nhiễm kim loại nặng gây ra, như ở Minamata (Nhật Bản) do thủy ngân và bệnh Itai-Itai do cadmium. Các hoạt động khai thác mỏ, đặc biệt là vàng (sử dụng Hg, CN-), than (hàm lượng kim loại nặng cao hơn TCVN từ 1-3 lần), và công nghiệp mạ điện (chứa hàm lượng cao muối vô cơ và kim loại nặng như đồng, kẽm, crom, niken, xianua, sunphat…) cũng là những nguồn gây ô nhiễm đáng kể. Các nghiên cứu của Viện Y học Lao động và Vệ sinh Môi trường năm 2009 cho thấy hàm lượng kim loại nặng vượt quá giới hạn cho phép đáng kể ở nhiều mỏ phía Bắc Việt Nam.

Mặc dù ở hàm lượng nhỏ, một số kim loại nặng là nguyên tố vi lượng cần thiết cho cơ thể người và sinh vật, tham gia cấu tạo enzyme, vitamin và quá trình trao đổi chất. Tuy nhiên, ở hàm lượng lớn, chúng lại có độc tính cao. Khi thải ra môi trường, một số hợp chất kim loại nặng tích tụ trong đất, nhưng một số khác có thể hòa tan và phát tán vào nguồn nước ngầm và nước mặt, gây ô nhiễm. Tài liệu phân tích tác động của một số kim loại nặng cụ thể: Chì (Pb) rất độc, xâm nhập cơ thể qua đường tiêu hóa và hô hấp, gây nhiều bệnh như giảm trí thông minh, bệnh về máu, thận, tiêu hóa và ung thư; Crom (Cr), đặc biệt là Cr(VI) rất độc hại, gây nguy hiểm cho gan, thận, đường hô hấp và các bệnh về răng miệng; Cadmium (Cd) tích tụ trong thận, gây triệu chứng độc mãn tính, mất chức năng thận và mất cân bằng khoáng chất trong xương; Kẽm (Zn) tuy cần thiết nhưng ở hàm lượng cao gây bệnh mất diệp lục ở thực vật; Đồng (Cu) cần thiết nhưng ở hàm lượng lớn gây nhiễm độc thần kinh, gan, thận; Niken (Ni) có mặt trong nước thải công nghiệp, gây khó chịu, buồn nôn, đau đầu và ảnh hưởng đến phổi, hệ thần kinh trung ương, gan, thận nếu tiếp xúc nhiều. Tổng kết lại, ô nhiễm kim loại nặng là một vấn đề nghiêm trọng đe dọa sức khỏe con người và môi trường.

Bã mía, một sản phẩm phụ của ngành công nghiệp mía đường, được xem là nguồn nguyên liệu tiềm năng để chế tạo vật liệu hấp phụ xử lý ô nhiễm môi trường. Khả năng hấp phụ của bã mía xuất phát từ cấu trúc nhiều lỗ xốp và thành phần gồm các polymer như xenluloza, hemixenluloza, pectin, lignin và protein. Các polymer này, đặc biệt là các hợp chất polyphenol như tanin và lignin, có khả năng hấp thụ nhiều chất tan, trong đó có các ion kim loại hóa trị hai. So với một số vật liệu tự nhiên khác như vỏ trấu, bã mía thể hiện tiềm năng hấp phụ cao, đặc biệt là đối với các ion kim loại nặng. Việc tận dụng bã mía làm vật liệu hấp phụ không chỉ giảm thiểu ô nhiễm môi trường do phế thải nông nghiệp mà còn cung cấp giải pháp xử lý nước thải tiết kiệm chi phí và thân thiện môi trường. Theo tính toán, việc chế biến 10 triệu tấn mía tạo ra 2,5 triệu tấn bã mía, trước đây phần lớn được dùng để đốt lò hơi, gây ô nhiễm môi trường. Việc chuyển đổi bã mía thành vật liệu hấp phụ là một hướng đi bền vững, góp phần giải quyết vấn đề ô nhiễm nguồn nước.

Quá trình chế tạo vật liệu hấp phụ từ bã mía gồm các bước: Bã mía được cắt nhỏ, rửa sạch bằng nước cất nóng để loại bỏ đường, sau đó sấy khô ở 100°C. Tiếp theo, bã mía được xử lý bằng dung dịch NaOH 0,1M để loại bỏ tạp chất và kiềm, sau đó rửa sạch và cho vào dung dịch axit citric 0,4M. Quá trình phản ứng giữa axit citric và bã mía diễn ra ở 80°C trong 8 giờ, tạo ra các nhóm chức axit có khả năng trao đổi ion. Sau khi phản ứng, vật liệu được lọc, rửa sạch axit dư và sấy khô ở 80°C trong 3 giờ. Axit citric ban đầu chuyển thành anhydrit, tiếp đó phản ứng ester hóa xảy ra giữa anhydrit axit và các nhóm hydroxyl của xenluloza, tạo ra vật liệu hấp phụ có độ xốp cao hơn, diện tích bề mặt lớn hơn, và khả năng hấp phụ tốt hơn so với bã mía ban đầu. Quá trình này biến đổi cấu trúc của bã mía, tăng cường khả năng hấp phụ kim loại nặng.

Khả năng hấp phụ của vật liệu chế tạo từ bã mía được khảo sát bằng thí nghiệm hấp phụ Niken (Ni2+). Kết quả cho thấy cả bã mía chưa xử lý và vật liệu hấp phụ sau khi được biến tính đều có khả năng hấp phụ Ni2+, nhưng hiệu suất hấp phụ của vật liệu đã qua xử lý cao gấp 2,1 lần so với nguyên liệu ban đầu. Các thí nghiệm được thực hiện với dung dịch Ni2+ nồng độ 58,5 mg/l và 0,7g vật liệu hấp phụ, lắc trong 80 phút ở pH=6. Nồng độ Ni2+ sau xử lý được đo bằng phương pháp trắc quang để tính toán hàm lượng Ni2+ đã được hấp phụ. Khả năng giải hấp Ni2+ khỏi vật liệu cũng được nghiên cứu bằng dung dịch HNO3 1M, cho thấy hiệu quả tái sinh vật liệu. Ngoài ra, nghiên cứu còn khảo sát ảnh hưởng của pH và khối lượng vật liệu đến hiệu suất hấp phụ, xác định được khối lượng vật liệu tối ưu (0,7g) và pH tối ưu cho quá trình hấp phụ Ni2+.

Thí nghiệm khảo sát ảnh hưởng của khối lượng vật liệu hấp phụ đến hiệu quả hấp phụ Niken cho thấy mối quan hệ không tuyến tính. Khi tăng khối lượng vật liệu, hiệu suất hấp phụ Niken ban đầu tăng lên và đạt cực đại tại khối lượng 0,7g. Tuy nhiên, khi tiếp tục tăng khối lượng vật liệu lên trên 0,7g, hiệu suất hấp phụ Niken lại giảm. Điều này cho thấy sự tồn tại một khối lượng vật liệu tối ưu, trong trường hợp này là 0,7g, để đạt hiệu quả hấp phụ Niken cao nhất. Kết quả này rất quan trọng trong việc tối ưu hóa quá trình xử lý nước thải, giúp tiết kiệm nguyên liệu và chi phí mà vẫn đảm bảo hiệu quả xử lý. Việc xác định khối lượng vật liệu tối ưu là bước quan trọng trong việc thiết kế quy trình xử lý nước thải thực tế.

Nghiên cứu cũng xem xét ảnh hưởng của pH đến hiệu quả hấp phụ Niken. Thí nghiệm được thực hiện với 7 mức pH khác nhau (2, 3, 4, 5, 6, 7, 8), sử dụng 0,5g vật liệu hấp phụ và 50ml dung dịch Niken nồng độ 58,5 mg/l. pH của dung dịch được điều chỉnh bằng dung dịch NaOH và H2SO4 loãng. Kết quả cho thấy pH ảnh hưởng đáng kể đến hiệu quả hấp phụ, mặc dù chi tiết kết quả không được nêu rõ trong đoạn trích dẫn. Việc xác định pH tối ưu là cần thiết để tối đa hóa hiệu quả hấp phụ Niken và có thể liên quan đến tính chất bề mặt của vật liệu hấp phụ cũng như dạng tồn tại của ion Niken trong dung dịch. Tối ưu hóa pH đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo hiệu quả kinh tế và hiệu quả môi trường của quá trình xử lý.

Thí nghiệm được thực hiện để khảo sát mối quan hệ giữa tải trọng hấp phụ và nồng độ cân bằng của Niken. Dung dịch Niken được chuẩn bị ở các nồng độ khác nhau (39; 58,5; 87,75; 117; 146,25 mg/l), mỗi dung dịch được xử lý với 0,7g vật liệu hấp phụ (khối lượng tối ưu đã xác định trước đó) ở pH=6 trong 80 phút. Nồng độ Niken sau xử lý được đo bằng phương pháp trắc quang. Từ kết quả này, có thể xây dựng đường đẳng nhiệt hấp phụ, mô tả sự phụ thuộc giữa tải trọng hấp phụ và nồng độ cân bằng. Đường đẳng nhiệt hấp phụ giúp xác định các thông số quan trọng của quá trình hấp phụ, như tải trọng hấp phụ cực đại (q max). Trong trường hợp này, q max được tính toán là 12,35 (mg/g), cho thấy khả năng hấp phụ Niken của vật liệu chế tạo từ bã mía. Dữ liệu này hữu ích trong việc mô hình hóa và dự đoán hiệu quả xử lý ở các điều kiện khác nhau.

Khả năng giải hấp và tái sinh vật liệu hấp phụ là yếu tố quan trọng quyết định tính kinh tế và tính bền vững của quá trình xử lý. Thí nghiệm được tiến hành để khảo sát khả năng giải hấp Niken khỏi vật liệu hấp phụ bằng dung dịch HNO3 1M. Quá trình giải hấp được thực hiện 3 lần, mỗi lần với 50ml dung dịch HNO3. Nồng độ Niken sau giải hấp được xác định bằng phương pháp trắc quang. Kết quả cho thấy khả năng giải hấp Niken từ vật liệu, mở ra khả năng tái sử dụng vật liệu hấp phụ sau khi được rửa giải. Việc tái sinh vật liệu hấp phụ giúp giảm chi phí vận hành và bảo vệ môi trường, làm cho phương pháp này trở nên kinh tế hơn và bền vững hơn trong dài hạn.

Nghiên cứu đã thành công trong việc chế tạo vật liệu hấp phụ từ bã mía, một nguồn nguyên liệu phế thải, thông qua quá trình xử lý hóa học bằng natri hidroxit và axit citric. Quá trình này đã tạo ra một vật liệu có khả năng hấp phụ Niken (Ni2+) hiệu quả hơn so với bã mía chưa xử lý, cụ thể là gấp 2,1 lần. Các thí nghiệm đã được tiến hành để xác định các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả hấp phụ, bao gồm khối lượng vật liệu, pH của dung dịch và nồng độ ban đầu của Niken. Kết quả cho thấy tồn tại một khối lượng vật liệu tối ưu giúp đạt hiệu quả hấp phụ cao nhất. Khả năng giải hấp và tái sinh vật liệu cũng được đánh giá, mở ra tiềm năng tái sử dụng vật liệu sau khi hấp phụ. Phương pháp trắc quang được sử dụng để định lượng Niken trong các thí nghiệm.

Nghiên cứu này cung cấp một giải pháp xử lý nước thải hiệu quả và thân thiện với môi trường, tận dụng nguồn nguyên liệu phế thải là bã mía. Việc sử dụng bã mía làm vật liệu hấp phụ giúp giảm thiểu ô nhiễm môi trường do chất thải nông nghiệp và giảm chi phí xử lý nước thải. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa thực tiễn lớn trong việc xử lý nước thải nhiễm Niken, một kim loại nặng gây ô nhiễm phổ biến trong nhiều ngành công nghiệp. Dữ liệu thu được, bao gồm khối lượng vật liệu tối ưu, pH tối ưu, và tải trọng hấp phụ cực đại, có thể được ứng dụng trong thiết kế và vận hành các hệ thống xử lý nước thải thực tế. Khả năng tái sinh vật liệu hấp phụ làm tăng tính kinh tế và bền vững của quá trình xử lý, góp phần bảo vệ môi trường và sức khỏe con người.