Hiện nay, than sinh học đã được phát triển thông qua quá trình carbon hóa sinh khối và sau đó được sử dụng làm điện cực để lưu trữ năng lượng và làm vật liệu hấp phụ chất kháng sinh. Tuy nhiên, khả năng hấp phụ của than sinh học chưa biến tính thường khá thấp và những nhược điểm của chúng như kích thước hạt nhỏ và mật độ thấp khiến chúng khó tách khỏi dung dịch chất xử lý. Vật liệu từ tính Fe2O3/biochar không chỉ nâng cao khả năng hấp phụ chất ô nhiễm mà còn có khả năng thu hồi sau khi hấp phụ bằng cách sử dụng từ trường ngoài đã điều chế than sinh học từ tính bằng phương pháp nghiền bi cho hiệu suất loại bỏ carbamazepine cao. Tuy nhiên, liên kết giữa Fe3O4 và than sinh học rất yếu, gây khó khăn cho việc đảm bảo khả năng tái sử dụng của than sinh học từ tính và đã tổng hợp Fe2O3/biochar có sự hỗ trợ của vi sóng để loại bỏ các dược phẩm chống viêm không steroid. Than sinh học biến tính bằng Fe2O3 để loại bỏ Pyridin và Quinolin, hỗn hợp Fe2O3/than sinh học từ tính được điều chế trong môi trường muối nóng chảy để loại bỏ kháng sinh trong nước. Do đó, việc kết hợp môi trường từ tính (Fe2O3) với sinh khối (vỏ củ ấu) không chỉ nâng cao hiệu suất hấp phụ mà còn tận dụng được nguồn nguyên liệu củ ấu dồi dào, giá thành thấp, có thể mở rộng khả năng ứng dụng của vật liệu trong lĩnh vực hấp phụ để xử lý môi trường.

Trong nghiên cứu này, vật liệu từ tính Fe2O3/ biochar có nguồn gốc từ vỏ củ ấu đã được điều chế bằng phương pháp thủy nhiệt và sau đó được sử dụng làm chất hấp phụ để loại bỏ Cu2+ khỏi nước. Các tính chất hóa lý của vật liệu được khảo sát bằng các phổ XRD, FT-IR, EDX, SEM và BET. Khả năng hấp phụ ion Cu2+ trong môi trường nước của vật liệu từ tính Fe2O3/biochar trong các điều kiện khác nhau như pH của dung dịch, thời gian hấp phụ cũng đã được nghiên cứu, đồng thời đường đẳng nhiệt hấp phụ và động học hấp phụ cũng được áp dụng để nghiên cứu các đặc tính hấp phụ.

1. Nguyên liệu

Trong nghiên cứu này, nguồn vỏ củ ấu được lấy ở huyện Lấp Vò - Đồng Tháp, sau khi đã loại bỏ phần xơ, rửa sạch bằng nước nhiều lần, phơi khô vỏ củ ấu ở ngoài trời trong 2 ngày dưới ánh nắng mặt trời và nghiền nhuyễn thành bột, sau đó sấy khô bột này ở 105oC đến khối lượng không đổi, cho vào bình bảo quản dùng làm nguồn nguyên liệu ban đầu gọi là bột vỏ củ ấu (VA).

2. Hóa chất

Các hóa chất sử dụng trong nghiên cứu đều là hóa chất phân tích được sử dụng mà không cần tinh chế như: hydrochloric acid (Merck), sodium hydroxide (Merck)), iron (III) chloride hexahydrate (Merck), Dung dịch chuẩn Cu2+ (Merck).

3. Phương pháp điều chế

Hòa tan 16g FeCl3.6H2O trong 50mL nước cất, thêm 5,0g bột vỏ củ ấu (VA) và khuấy từ trong 60 phút. Hỗn hợp được cho vào bình bình teflon có thể tích 100mL đặt trong tủ sấy. Quá trình thủy nhiệt được thực hiện ở nhiệt độ 1800C trong 12 giờ. Sau đó để nguội mẫu đến nhiệt độ phòng, đem lọc qua giấy lọc có kích thước 110 μm để lấy chất rắn, rửa lại với nước cất nhiều lần đến môi trường trung tính, thu được chất rắn. Sấy khô chất rắn ở 600C trong 12 giờ được vật liệu hấp phụ Fe2O3/Biochar vỏ củ ấu (ký hiệu là BC-Fe2O3).

4. Các phương pháp đặc trưng vật liệu

Nhiễu xạ tia X (XRD) được ghi trên thiết bị EMPYREAN của PANalytical với tia phát xạ Cu-Kα công suất 5 KVA, góc quét từ 10o-70o nhằm xác định cấu trúc tinh thể của vật liệu. Phổ EDX được đo trên thiết bị H7593. Ảnh SEM được chụp trên thiết bị S-4800. Phổ FT-IR được ghi trên máy IRAffinity-1S, Shimadzu, Japan. Diện tích bề mặt riêng được xác định qua chụp BET trên máy Micromeritics Tristar 3000 Instrument (USA) ở nhiệt độ T = 37,35 K.

5. Đánh giá sự hấp phụ của vật liệu điều chế

Cho 0,1g BC-Fe2O3 vào 50mL dung dịch Cu2+ ở các nồng độ và pH khác nhau. Khuấy trộn hỗn hợp trên máy lắc tốc độ 150 vòng/phút ở nhiệt độ phòng trong các khoảng thời gian khác nhau. Sau quá trình hấp phụ, vật liệu hấp phụ được lọc tách và đo nồng độ Cu2+ còn lại trong dung dịch lọc bằng phổ AAS-600 (Mỹ).

Hiệu suất hấp phụ H% và dung lượng hấp phụ qt (mg/g) tại thời điểm t được tính theo công thức (1) và (2). Dung lượng hấp phụ tại cân bằng, qe (mg/g), được tính bởi phương trình 3.

(1) H (%) = ((Co-Ct)/Co) x 100

(2) qt = ((Co-Ct).V)/m) x 100

(3) qe = ((Co-Ce).V)/m) x 100

Trong đó Co (mg/L) là nồng độ của Cu2+ ban đầu; Ct, Ce (mg/L) lần lượt là nồng độ của Cu2+ tại thời điểm t (phút), và tại cân bằng; V (L) là thể tích dung dịch Cu2+; m (g) là khối lượng chất hấp phụ.

6. Đẳng nhiệt hấp phụ

Phương trình đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir dạng tuyến tính:

(4) Ce/qe = Ce/qm + 1/(KL.qm)

Trong đó: qm là dung lượng hấp phụ cực đại (mg/g); KL là hằng số hấp phụ Langmuir (L/mg) đặc trưng cho ái lực của tâm hấp phụ.

Từ giá trị KL, xác định được tham số cân bằng RL qua biểu thức:

(5) RL = 1/(1+KL.Co)

Trong đó: RL là tham số cân bằng, KL là hằng số hấp phụ Langmuir (L/mg) và Co là nồng độ ban đầu của chất hấp phụ (mg/L). Tham số RL cho biết dạng và bản chất của quá trình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir, cụ thể: không phù hợp (RL > 1), tuyến tính (RL = 1), phù hợp (0 < RL < 1) và không thuận nghịch (RL = 0). Do đó, tham số RL chính là cơ sở để lựa chọn chất hấp phụ thích hợp cho hệ hấp phụ.

Phương trình đẳng nhiệt Freundlich có dạng tuyến tính

(7) lg(qe) = lg(KF)+ (1/n)lg(Ce)

Trong đó: KF và 1/n là các hằng số kinh nghiệm Freundlich. Khi giá trị n < 1 thì có thể dự đoán mô hình không thích hợp để mô tả quá trình hấp phụ. Nếu giá trị n > 1 có thể dự đoán rằng mô hình thích hợp để mô tả quá trình hấp phụ ở khoảng nồng độ nghiên cứu. Khi n = 1, quá trình hấp phụ là không thuận nghịch.

7. Động học hấp phụ

Phương trình biểu kiến bậc 1:

(8) ln(qe-qt) = ln(qe)-kl.t

Trong đó: qe và qt (mg/g) lần lượt là dung lượng hấp phụ tại thời điểm cân bằng và tại thời điểm t; k1 là hằng số tốc độ biểu kiến bậc 1 (giây–1 hoặc phút–1).

Phương trình biểu kiến bậc 2 loại 2:

(9) t/qt = (t/qe) + (1/k2.2.q2e)

Trong đó: k2.2 là hằng số tốc độ biểu kiến bậc 2 (g.mg–1.giây–1)

8. Kết luận

Bánh quy là một sản phẩm quen thuộc được nhiều người tiêu dùng biết đến và được ưa thích với mọi lứa tuổi. Bánh quy cung cấp năng lượng bởi giá trị dinh dưỡng cao trong bánh, ngoài ra còn bánh còn được dùng làm quà biếu đặc biệt vào các dịp lễ, tết. Khoai môn là củ dễ trồng, ưu khí hậu nhiệt đới nên có có quanh năm ở các tỉnh Đồng bằng sông Cửu Long và luôn có ở các siêu thị.

Khoai môn là một loại nguyên liệu thực phẩm dạng rất quen thuộc, trong khoai chứa ít năng lượng, chứa nhiều chất khoáng như kali, canxi, glo, mangan và các vitamin như vitamin E, vitamin nhóm B và chất béo chưa bão hòa, tinh bột, chất xơ giúp giảm huyết áp, hỗ trợ tiêu hóa, kiểm soát lượng đường trong máu tốt hơn. Tương tự khoai môn, yến mạch là một loại ngũ cốc nguyên hạt, chứa hàm lượng chất xơ cao, chất béo chưa no nên có thể giúp làm giảm cholesterol và ổn định lượng đường trong máu. Xuất phát từ những thực tế trên, khảo sát ảnh hưởng của thành phần nguyên liệu đến tính chất vật lý và giá trị cảm quan của bánh quy khoai môn được thực hiện nhằm tận dụng nguồn nguyên liệu tự nhiên để tạo ra sản phẩm đạt giá trị cảm quan cao.