Xử lý Fe3+ bằng vật liệu từ vỏ sầu riêng

Phần này trình bày quá trình chế tạo vật liệu hấp phụ từ vỏ sầu riêng, một nguồn nguyên liệu phụ phẩm nông nghiệp. Quá trình này tận dụng tính sẵn có và giá thành thấp của vỏ sầu riêng, góp phần bảo vệ môi trường. Vật liệu được xử lý hóa học bằng H₂SO₄, đây là một bước quan trọng nhằm loại bỏ lignin và tối ưu hóa cấu trúc bề mặt để tăng khả năng hấp phụ. Các thí nghiệm được thực hiện để xác định nồng độ H₂SO₄ tối ưu, thời gian xử lý phù hợp nhằm đạt hiệu quả chiết tách cellulose cao nhất và loại bỏ lignin hiệu quả. Cụ thể, ảnh hưởng của nồng độ H₂SO₄ (2-8ml) và thời gian đun (30-105 phút) đến quá trình chiết xenlulo từ vỏ sầu riêng được khảo sát kỹ lưỡng. Kết quả cho thấy nồng độ H₂SO₄ tối ưu là 6ml và thời gian đun là 60 phút, đạt hiệu suất loại bỏ lignin từ 40.5% đến 62% tùy thuộc vào nồng độ H2SO4. Sau quá trình xử lý, vật liệu được làm sạch, sấy khô và sẵn sàng cho các bước thử nghiệm hấp phụ tiếp theo. Việc sử dụng vỏ sầu riêng làm nguyên liệu thân thiện với môi trường, giảm thiểu rác thải nông nghiệp và chi phí sản xuất.

Phần này tập trung vào việc đánh giá khả năng hấp phụ sắt (Fe³⁺) của vật liệu hấp phụ đã chế tạo từ vỏ sầu riêng. Khả năng hấp phụ được đánh giá dựa trên việc đo nồng độ Fe³⁺ còn lại trong dung dịch sau khi tiếp xúc với vật liệu. Các thí nghiệm được thiết kế để xác định ảnh hưởng của các yếu tố như pH, thời gian tiếp xúc và khối lượng vật liệu đến hiệu suất hấp phụ. Cụ thể, đã tiến hành khảo sát ảnh hưởng của pH (3-8) đến hiệu suất hấp phụ, cho thấy hiệu suất tăng từ 63.82% đến 83.24% khi pH tăng từ 3 đến 8, đạt tối ưu tại pH=5 (77.39%). Thời gian hấp phụ tối ưu được xác định là 90 phút, tại thời điểm này hiệu suất hấp phụ đạt cân bằng. Khối lượng vật liệu tối ưu cũng được xác định là 2g, cho hiệu suất hấp phụ đạt cực đại là 92.51%. So sánh khả năng hấp phụ của vật liệu đã qua xử lý và nguyên liệu ban đầu (vỏ sầu riêng chưa xử lý) được thực hiện để đánh giá hiệu quả của quá trình chế tạo vật liệu hấp phụ. Mô hình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir được áp dụng để mô tả quá trình hấp phụ, từ đó tính toán được tải trọng hấp phụ cực đại q_max là 10.42 mg/g.

Khả năng tái sinh vật liệu hấp phụ là một yếu tố quan trọng để đánh giá tính kinh tế và khả năng ứng dụng thực tiễn của vật liệu. Phần này mô tả quá trình khảo sát khả năng tái sử dụng vật liệu sau khi hấp phụ sắt. Dung dịch HNO₃ 1M được sử dụng để rửa giải sắt khỏi bề mặt vật liệu. Hiệu suất rửa giải được tính toán dựa trên lượng sắt được giải phóng so với lượng sắt đã hấp phụ ban đầu. Kết quả cho thấy hiệu suất rửa giải bằng HNO₃ 1M đạt 89.83%, chứng tỏ khả năng tái sinh vật liệu hấp phụ khá tốt. Điều này cho thấy vật liệu có tiềm năng được sử dụng nhiều lần trong quá trình xử lý nước thải, làm giảm chi phí xử lý và tăng tính bền vững của quá trình. Việc tái sinh vật liệu này cũng có ý nghĩa kinh tế và môi trường đáng kể.

Thí nghiệm khảo sát ảnh hưởng của pH đến hiệu suất hấp phụ sắt của vật liệu chế tạo từ vỏ sầu riêng. Dung dịch Fe³⁺ với nồng độ 50 mg/l được sử dụng, cùng với 1g vật liệu hấp phụ. pH được điều chỉnh trong khoảng từ 3 đến 8. Kết quả cho thấy hiệu suất hấp phụ tăng dần theo pH, đạt hiệu suất 77.39% tại pH = 5. Mặc dù hiệu suất tiếp tục tăng khi pH > 5, nhưng sự gia tăng không đáng kể. Do đó, pH = 5 được chọn làm điều kiện tối ưu cho các thí nghiệm tiếp theo. Điều này cho thấy pH dung dịch là một yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến khả năng liên kết giữa các ion sắt và bề mặt vật liệu hấp phụ. Sự thay đổi pH có thể làm thay đổi tính chất bề mặt của vật liệu, từ đó ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ. Nghiên cứu này đã xác định được khoảng pH tối ưu giúp vật liệu hấp phụ đạt hiệu quả cao nhất trong việc loại bỏ sắt khỏi dung dịch.

Nghiên cứu này cũng xem xét ảnh hưởng của thời gian tiếp xúc giữa vật liệu hấp phụ và dung dịch Fe³⁺ đến hiệu suất hấp phụ. Các thí nghiệm được tiến hành với thời gian lắc khác nhau (30, 45, 60, 75, 90, 105 phút) trong điều kiện pH và khối lượng vật liệu cố định. Kết quả cho thấy hiệu suất hấp phụ tăng nhanh trong giai đoạn đầu, sau đó tăng chậm dần và đạt trạng thái cân bằng. Thời gian đạt cân bằng hấp phụ được xác định là 90 phút, tại thời điểm này hiệu suất hấp phụ đạt 85.87%. Việc tiếp tục tăng thời gian hấp phụ không làm tăng đáng kể hiệu suất. Điều này cho thấy sau 90 phút, hầu hết các vị trí hấp phụ trên bề mặt vật liệu đã được chiếm bởi các ion sắt, quá trình hấp phụ đã đạt đến trạng thái bão hòa. Việc xác định thời gian hấp phụ tối ưu giúp tối ưu hóa quá trình xử lý, tiết kiệm thời gian và năng lượng.

Khối lượng vật liệu hấp phụ cũng là một yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất quá trình. Thí nghiệm được thiết kế với các khối lượng vật liệu khác nhau (0.5, 1, 1.5, 2, 2.5, 3g) trong điều kiện pH và thời gian tiếp xúc cố định. Kết quả cho thấy hiệu suất hấp phụ tăng theo khối lượng vật liệu, đạt cực đại ở khối lượng 2g (92.51%). Khi khối lượng vật liệu tiếp tục tăng, hiệu suất hấp phụ lại giảm. Điều này có thể do khi khối lượng vật liệu quá lớn, sự tiếp xúc giữa các hạt vật liệu làm giảm diện tích bề mặt tiếp xúc với dung dịch, dẫn đến hiệu suất hấp phụ giảm. Ngược lại, nếu khối lượng vật liệu quá nhỏ thì lượng chất hấp phụ sẽ không đủ để hấp phụ hết lượng sắt trong dung dịch. Việc xác định được khối lượng vật liệu tối ưu là 2g giúp tối ưu hóa chi phí sử dụng vật liệu mà vẫn đảm bảo hiệu quả hấp phụ cao nhất.

Để đánh giá hiệu quả của quá trình chế tạo vật liệu hấp phụ, thí nghiệm so sánh khả năng hấp phụ sắt của vật liệu đã qua xử lý và nguyên liệu ban đầu (vỏ sầu riêng chưa xử lý) được thực hiện. Điều kiện thí nghiệm được giữ nguyên, bao gồm nồng độ Fe³⁺, pH, thời gian lắc và khối lượng vật liệu. Kết quả cho thấy vật liệu hấp phụ đã qua xử lý có hiệu suất hấp phụ sắt cao hơn đáng kể so với nguyên liệu ban đầu. Điều này chứng tỏ quá trình xử lý hóa học bằng H₂SO₄ đã làm tăng đáng kể khả năng hấp phụ của vỏ sầu riêng đối với sắt. Sự khác biệt này cho thấy việc biến tính vật liệu bằng phương pháp hóa học đã tạo ra sự thay đổi về cấu trúc và tính chất bề mặt, dẫn đến tăng khả năng hấp phụ các ion kim loại nặng.

Kết quả thí nghiệm được sử dụng để vẽ đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của C_f/q vào C_f, phù hợp với lý thuyết hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir. Từ đồ thị này, tải trọng hấp phụ cực đại (q_max) của vật liệu đối với Fe³⁺ được tính toán là 10.42 mg/g. Mô hình Langmuir cho phép mô tả quá trình hấp phụ một cách định lượng, cung cấp thông tin quan trọng về khả năng hấp phụ tối đa của vật liệu. Giá trị q_max cho thấy khả năng hấp phụ sắt của vật liệu chế tạo từ vỏ sầu riêng là tương đối cao, cho thấy tiềm năng ứng dụng trong xử lý nước thải ô nhiễm sắt.

Phần này tập trung vào việc xác định các điều kiện tối ưu cho quá trình hấp phụ sắt (Fe³⁺) sử dụng vật liệu hấp phụ chế tạo từ vỏ sầu riêng. Ba yếu tố chính được xem xét là pH của dung dịch, thời gian tiếp xúc giữa vật liệu và dung dịch, và khối lượng vật liệu sử dụng. Đối với pH, thí nghiệm được thực hiện với các giá trị từ 3 đến 8, cho thấy hiệu suất hấp phụ đạt tối đa ở pH 5 (77.39%). Thời gian tiếp xúc tối ưu được xác định là 90 phút, thời điểm mà hiệu suất hấp phụ đạt trạng thái cân bằng (85.87%). Cuối cùng, khối lượng vật liệu tối ưu là 2g, mang lại hiệu suất hấp phụ cao nhất (92.51%). Việc xác định các thông số tối ưu này rất quan trọng để đảm bảo hiệu quả xử lý nước thải, tiết kiệm thời gian, chi phí và nguyên vật liệu.

Khả năng tái sinh vật liệu hấp phụ là yếu tố then chốt để đánh giá tính kinh tế và khả năng ứng dụng thực tế. Sau khi hấp phụ sắt, vật liệu được rửa giải bằng dung dịch HNO₃ 1M để loại bỏ sắt đã hấp phụ và phục hồi khả năng hấp phụ. Hiệu suất rửa giải được tính toán và đạt mức 89.83%, cho thấy khả năng tái sinh vật liệu khá tốt. Điều này cho phép sử dụng lại vật liệu nhiều lần, giảm chi phí xử lý và góp phần bảo vệ môi trường. Khả năng tái sinh này là một điểm mạnh của vật liệu hấp phụ từ vỏ sầu riêng, làm tăng tính cạnh tranh và khả năng ứng dụng rộng rãi trong xử lý nước thải.