Các phương pháp loại bỏ thuốc nhuộm chính hiện nay đang được áp dụng như oxi hóa, oxi hóa nâng cao, trao đổi ion, quang xúc tác, màng lọc, hấp phụ. Trong số các phương pháp này, hấp phụ là phương pháp được sử dụng rộng rãi vì dễ vận hành, hiệu quả xử lý tốt và chi phí thấp. Các chất hấp phụ thường được sử dụng như: than hoạt tính, than sinh học, bentonite và chất thải trong ngành nông nghiệp như cà phê, rơm rạ, v.v. đã được nghiên cứu, chế tạo làm vật liệu để hấp phụ MB trong nước do ưu điểm sẵn có, giá thành thấp. Lúa là cây trồng quan trọng và phổ biến ở Việt Nam, với diện tích trồng lớn, do đó lượng rơm rạ sản sinh sau mỗi vụ thu hoạch hàng năm rất lớn. Thường thì người dân tận dụng nguồn rơm rạ này để làm phân bón, thức ăn cho gia súc, v.v. tỷ lệ này còn thấp và chủ yếu rơm bị đem đốt bỏ. Việc tận dụng nguồn rơm rạ phế phẩm sau thu hoạch để chế tạo vật liệu hấp phụ giá rẻ là việc làm cần thiết để hạn chế lãng phí đồng thời giảm ô nhiễm môi trường đang được quan tâm nghiên cứu để loại bỏ các chất ô nhiễm khác nhau trong nước. Do đó, mục đích của nghiên cứu này là trình bày một cách thức đơn giản chế tạo vật liệu hấp phụ từ rơm (RS) sử dụng phương pháp sốc nhiệt; ứng dụng vật liệu RS hấp phụ loại bỏ thuốc nhuộm MB trong nước đồng thời đánh giá các yếu tố ảnh hưởng đến việc loại bỏ MB trong nước; phân tích các đặc điểm và cơ chế của quá trình hấp phụ MB lên vật liệu RS. Các kết quả này cung cấp một kỹ thuật mới để tận dụng hiệu quả nguồn phế thải nông nghiệp là rơm để tạo ra vật liệu hấp phụ loại bỏ MB nói riêng và các chất ô nhiễm trong nước nói chung.

1. Vật liệu và phương pháp nghiên cứu

1.1. Chế tạo mẫu

Quá trình chế tạo được thực hiện với lò graphite (220V, 1400W, nhiệt độ tối đa 11500C). Đầu tiên, rơm được thu gom và làm sạch, cắt khúc, rửa với nước cất, sấy khô và bảo quản. Tiếp đến, cho 60g rơm được cho vào lò graphite đậy nắp để hạn chế khí trao đổi trong quá trình đốt, nhiệt độ lò được nâng tới 7000C và giữ ổn định trong 30 phút. Vật liệu sau đốt được đổ trực tiếp vào 500 ml nước cất hai lần để nhiệt độ giảm đột ngột gây ra sự sốc nhiệt. Sau đó, hỗn hợp vật liệu được đem rung siêu âm trong 2h. Dung dịch chứa vật liệu được để nguội đến nhiệt độ phòng, lọc rửa (01 lần) với nước cất, sấy khô, nghiền mịn, cho vào lọ và bảo quản bằng tủ hút ẩm, ký hiệu mẫu là RS, mỗi mẻ chế tạo trung bình thu được khoảng 17g vật liệu RS. RS được nghiên cứu các đặc trưng hình thái học, cấu trúc và ứng dụng để xử lý MB trong nước.

1.2. Khảo sát hình thái học và cấu trúc của vật liệu

Hình thái và cấu trúc của vật liệu trong nghiên cứu này được khảo sát thông qua các phép đo: Kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) tại Viện vệ sinh dịch tễ Trung ương, Hà Nội. Micro ‐ Raman (Raman Horiba Jobin Yvon Lab RAM HR 800) và nhiễu xạ tia X được đo trên máy D2 Phaser Bruker tại trường Đại học Khoa học - Đại học Thái Nguyên. Diện tích bề mặt riêng của mẫu được xác định bằng cách đo đường đẳng nhiệt hấp phụ N2 trên thiết bị tristar 3000 ở 77 K; Phổ FTIR được đo tại khoa Hóa học, trường Đại học Sư phạm Hà Nội.

1.3. Xác định điểm đẳng điện của vật liệu

Dung dịch NaCl 0,1 M được chia làm 11 cốc và điều chỉnh pH đến các giá trị pHi từ 2 đến 12. Lấy 50 ml dung dịch NaCl 0,1 M đã điều chỉnh tới pHi lần lượt cho vào 12 bình tam giác chứa 0,02 g vật liệu. Cho các bình tam giác này lên máy lắc và lắc liên tục trong vòng 48h ở tốc độ 200 vòng trong một phút. Sau thời gian lắc đem lọc lấy dung dịch và xác định lại pH (pHf) của các dung dịch trên. Xác định ∆pH: Sự chênh lệch giữa pH ban đầu (pHi) và pH cân bằng (pHf) là ∆pH = pHi - pHf. Vẽ đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của ∆pH vào pHi, điểm giao nhau của đường cong với trục pHi là điểm đẳng điện tại đó giá trị ∆pH = 0.

1.4. Thực nghiệm hấp phụ

Các thí nghiệm nghiên cứu ảnh hưởng của các yếu tố như pH, thời gian phản ứng, nồng độ đầu của dung dịch MB, khối lượng đến khả năng hấp phụ của vật liệu đều được tiến hành với thể tích dung dịch 50 ml trong bình tam giác và một lượng vật liệu nhất định, thực hiện ở nhiệt độ phòng, lắc đều bằng máy lắc ở tốc độ 200 vòng/phút (v/p). Mẫu dung dịch được lấy theo thời gian đem ly tâm loại bỏ vật liệu và đo nồng độ MB còn lại trong dung dịch bằng máy quang phổ hấp thụ phân tử UV-Vis Hitachi UH5300 ở bước sóng 665 nm (tại phòng thí nghiệm thuộc Bộ môn Lý- Lý sinh y học, Trường Đại học Y- Dược, Đại học Thái Nguyên).

Dung lượng hấp phụ (q), hiệu suất hấp phụ (H) được tính theo công thức (1) và (2):

q = ((C0 – C) x V)/ m  (1)

H = ((C0 – C)/C0) x 100%  (2)

Trong đó: q: dung lượng hấp phụ (mg/g); V: thể tích dung dịch chất bị hấp phụ (L); m: khối lượng chất hấp phụ (g); C0: nồng độ dung dịch ban đầu (mg/L); C: nồng độ dung dịch khi đạt cân bằng hấp phụ (mg/L). Hai mô hình Langmuir và Freundlich được áp dụng để đánh giá quá trình đẳng nhiệt hấp phụ và chỉ ra dung lượng hấp phụ MB cực đại lên vật liệu:

C/q = 1/(qmax x KL) + C/Qmax  (3)

lnq = lnKF + 1/n x C  (4)

Trong đó, qmax là dung lượng hấp phụ cực đại, KL, KF, n là các hằng số trong phương trình đẳng nhiệt. Động học hấp phụ được nghiên cứu từ các kết quả thí nghiệm hấp phụ khảo sát ảnh hưởng của thời gian đến khả năng hấp phụ: Mô hình động học hấp phụ bậc 1:

ln(qe,exp-qt)=-k1t + lnqe,theo (5)

Trong đó, k1 (1/phút); qt là dung lượng hấp phụ tại thời điểm t (mg/g); qe là dung lượng hấp phụ tại thời điểm đạt cân bằng hấp phụ. Các giá trị k1 và qe được tính từ đồ thị của mối liên hệ giữa ln(qe,exp-qt) và t.

Mô hình giả động học bậc 2:

t/qt = t/qe + 1/k2q2e  (6)

Trong đó, k2 (g/mg.phút) là hằng số tốc độ hấp phụ tương đối. Từ đồ thị mối liên hệ giữa t/qt và t có thể tính được các giá trị qe và k2.

2. Kết luận

Nghiên cứu này đã chế tạo được vật liệu hấp phụ RS từ rơm bằng phương pháp sốc nhiệt. Kết quả nghiên cứu hình thái học và cấu trúc cho thấy RS có dạng hạt kích thước nano với diện tích bề mặt riêng khoảng 296,22 m2/g, trong thành phần chứa các nhóm chức oxi như OH-, C=O, C-O thuận lợi cho quá trình hấp phụ. Sự hấp phụ MB lên vật liệu được nghiên cứu, kết quả cho thấy sự hấp phụ diễn ra tốt nhất với pH từ 6 đến 8, thời gian cân bằng hấp phụ 90 phút, ở nhiệt độ phòng. Dung lượng hấp phụ cực đại từ kết quả tính toán trên mô hình đẳng nhiệt Langmuir đạt 57,14 mg/g gợi mở tiềm năng ứng dụng vật liệu RS trong xử lý chất màu MB trong nước và thuốc nhuộm trong nước thải công nghiệp. Để có đầy đủ cơ sở để đưa vật liệu RS vào các ứng dụng thực tế vẫn cần những nghiên cứu đánh giá chi tiết hơn về các thông số chế tạo ảnh hưởng tới đặc điểm cấu trúc cũng như độ xốp của vật liệu để cải thiện hiệu quả hấp phụ và đánh giá tái sử dụng vật liệu sau hấp phụ.