Nghiên cứu than hóa phụ phẩm nông nghiệp vỏ hạt cà phê, lõi bắp bằng phương pháp carbon hóa thủy nhiệt, ứng dụng làm vật liệu hấp phụ và xúc tác

Bảng 3.7. So sánh độ hấp phụ đơn lớp tối đa thuốc nhuộm MB của một số than hoạt tính khác nhau có nguồn gốc từ sinh khối.

Nguyên vật

liệu

Phương pháp

Tác nhân

hoạt hóa

Hàm lượng

(g/L)

Co (mg/L)

BET

(m2/g)

qL (mg/g)

Mô hình

đẳng nhiệt

Tham khảo

Vỏ hạt cà phê(CHactiv)

Kết hợp hoạt hóa và Carbon hóa bằng

phương pháp HTC

KOH

50 – 500

950,4

500,00

Langmuir

Nghiên cứu này

Lõi bắp (CCactiv)

Kết hợp hoạt hóa và Carbon hóa bằng

phương pháp HTC

KOH

50 – 500

965,9

500,00

Langmuir

Nghiên cứu này

Vỏ hạt cà phê

(CHhydro)

HTC

KOH

50 – 500

703,9

357,14

Langmuir

Nghiên cứu

này

Lõi bắp

(CChydro)

HTC

KOH

50 – 500

741,1

400,00

Langmuir

Nghiên cứu

này

Vỏ hạt cà phê (CHimpreg)

HTC

KOH

50 – 500

743,8

316,46

Langmuir

Nghiên cứu này

Lõi bắp

(CCimpreg)

HTC

KOH

50 – 500

861,7

370,37

Langmuir

Nghiên cứu

này

Có thể bạn quan tâm!

Xem toàn bộ 180 trang tài liệu này.

Nguyên vật

liệu

Phương pháp

Tác nhân

hoạt hóa

Hàm lượng

(g/L)

Co (mg/L)

BET

(m2/g)

qL (mg/g)

Mô hình

đẳng nhiệt

Tham khảo

Vỏ hạt cà phê

(CHbiochar)

Nhiệt phân

KOH

50 – 500

1344,8

312,50

Langmuir

Nghiên cứu

này

Lõi bắp

(CCbiochar)

Nhiệt phân

KOH

50 – 500

1707,3

322,58

Langmuir

Nghiên cứu

này

Chùm trái cây trống

rỗng

Vi sóng

KOH

50 – 500

1372.0

395.3

Langmuir

[83]

Vỏ trấu

Vi sóng

KOH

0,5

50 – 500

752,0

362,6

Langmuir

[146]

Cây cọ

Vi sóng

KOH

1,3

50 – 500

807,5

344,8

Langmuir

[147]

Vỏ cọ

Vi sóng

KOH

50 – 500

895,0

343,9

Langmuir

[84]

Lõi bắp

Vi sóng

KOH

0.8

100 – 500

492.0

333.0

Langmuir

[23]

Nguyên vật

liệu

Phương pháp	Tác nhân hoạt hóa	pH	Hàm lượng (g/L)	Co (mg/L)	BET (m2/g)	qL (mg/g)	Mô hình đẳng nhiệt	Tham khảo
Date stones	Vi sóng	KOH	7	1	50 – 500	856,0	316,1	Langmuir	[145]
Vỏ quả hồ trăn	Vi sóng	KOH	7	1	50 – 500	700,5	296,6	Langmuir	[85]
Mùn cưa cây mây	Nhiệt phân	KOH	7	1	100 – 500	1083,0	294,1	Langmuir	[119]
Vỏ sầu riêng	Nhiệt phân	KOH	7	1	200 – 300	991,8	289,2	Langmuir	[79]
Vỏ cọ dầu	Nhiệt phân	KOH	6,5	1	50 – 500	596,2	243,9	Langmuir	[80]
Hạt sồi	Nhiệt phân	KOH	7	0.5	25 – 500	2896.0	235.0	Freundlich	[157]

3.4.6. Phương trình động học hấp phụ

Động học hấp phụ được nghiên cứu nhằm mục đích kiểm soát quá trình hấp phụ theo cơ chế hấp phụ vật lý hay hóa học [162]. Trong nghiên cứu này hàng loạt các thí nghiệm động học hấp phụ MB lên trên các mẫu than sinh học hoạt hóa ở các nồng độ MB ban đầu khác nhau (50 – 500 mg/L) được mô tả bởi mô hình động học hấp phụ bậc 1 và mô hình động học hấp phụ bậc 2. Mức độ phù hợp của mô hình động học bậc 1 và mô hình động học bậc 2 được đánh giá dựa trên hệ số tương quan R2 của mỗi mô hình và giá trị của dung lượng hấp phụ (qe ) giữa tính toán lý thuyết và thực nghiệm.

Hình 3.45 (a – f) mô tả các phương trình hồi qui tuyến tính của ln(qe − qt) với t theo mô hình động học bậc 1 trên tất cả các loại than theo các nồng độ MB ban đầu khác nhau, từ đó xác định các hằng số cân bằng k1 của từng loại vật liệu trình bày trong Bảng PL 6.

Hình 3.46 (a – f) mô tả các phương trình hồi qui tuyến tính của t/qt với t theo mô hình động học bậc 2 trên tất cả các loại than theo các nồng độ MB ban đầu khác nhau, từ đó xác định các hằng số cân bằng k2 và các thông số khác của từng vật liệu trình bày trong Bảng PL 6.

Kết quả trong Bảng PL 6 cho thấy mô hình động học bậc 1 không phù hợp đối với quá trình hấp phụ MB của tất cả các mẫu than sử dụng nghiên cứu này. Do giá trị qe,cal lý thuyết theo mô hình động học bậc 1 chênh lệch rất lớn với qe,exp thực

nghiệm, mặc dù trong tất cả các trường hợp nhận được hệ số tương quan R2 của

phương trình tuyến tính theo mô hình động học hấp phụ bậc 1 lớn (R2 > 0,8). Các giá trị hệ số tương quan R2 của mô hình động học bậc 2 quan sát được gần như thống nhất (R2 > 0,99) cho thấy sự phù hợp của mô hình. Hơn nữa, các giá trị qe,cal tính toán phù hợp tốt với qe,exp thực nghiệm. Từ các kết quả trên có thể kết luận mô hình động học bậc 2 cung cấp mối tương quan tốt cho sự hấp phụ MB trên tất cả các mẫu than so với mô hình động học bậc 1. Kết quả này phù hợp với các nghiên cứu khác đã công bố [164, 165].

Hơn nữa, hằng số tốc độ hấp phụ ban đầu h (mg/g.phút) đã được sử dụng để xác minh lại mô hình động học bậc 2 và được tính toán dựa theo k2 và qe theo công thức:

௘

ℎ = 𝐾ଶ × 𝑞ଶ (3.1)

Kết quả trên Bảng PL 6 cho thấy giá trị h của quá trình hấp phụ MB trên các loại than cao chỉ ra rằng sự động học hấp thụ xanh methylen của các loại vật liệu được kiểm soát bằng phương pháp hóa học, có thể được thực hiện thông qua các phản ứng giữa xanh methylen với các nhóm chức bề mặt. Kết quả này hoàn toàn phù hợp với các nghiên cứu khác đã công bố [166].

Mặt khác, các mô hình động học bậc 1 và bậc 2 tiếp tục được đánh giá mức độ phù hợp thông qua mô hình tổng bình phương sai số thực nghiệm (Sum of Squares Error - SSE,%). Giá trị của mỗi mô hình được xác định bằng tổng các SSE tính theo công thức[167]:

𝑆𝑆𝐸 (%)=ට∑(௤೐,೐ೣ೛ି௤೐,೎ೌ೗)మ

ே

Trong đó: N là số điểm dữ liệu.

(3.2)

Mô hình động học động bậc 1 và bậc 2 được đánh giá có mức độ phù hợp tốt hơn nữa khi hệ số tương quan R2 có giá trị cao hơn và giá trị SSE thấp hơn [167]. Các kết quả tính toán (R2 và SSE) trình bày trong Bảng PL 6 cho thấy rằng sự hấp phụ của methylen xanh trên tất cả các loại than có thể được mô tả tốt nhất bởi mô hình động học bậc 2. Kết quả này hoàn toàn phù hợp với các nghiên cứu khác đã công bố [165, 168].

(a): MB 50 mg/L

CHhydro CHmagnet CHimpreg CHactiv

CHbiochar

CChydro CCmagnet CCimpreg CCactiv

CCbiochar

ln (qe-qt)

-2

-4

-6

-8

0 100 200 300 400 500

t (phút)

(d): MB 300 (mg/L)

CHhydro CHmagnet CHimpreg CHactiv

CHbiochar

CChydro CCmagnet CCimpreg CCactiv

CCbiochar

ln (q -q )

e t

-2

-4

-6

-8

0 100 200 300 400 500

(b): MB 100 (mg/L)

CHhydro CHmagnet CHimpreg CHactiv

CHbiochar

CChydro CCmagnet CCimpreg CCactiv

CCbiochar

ln(qe-qt)

-2

-4

-6

-8

0 100 200 300 400 500

t (phút)

(e): MB 400 (mg/L)

CHhydro CHmagnet CHimpreg CHactiv CHbiochar

CChydro CCmagnet CCimpreg CCactiv CCbiochar

ln (q -q )

e t

-2

-4

-6

-8

0 100 200 300 400 500

(c): MB 200 (mg/L)

CHhydro

CHmagnet CHimpreg CHactiv CHbiochar

CChydro

CCmagnet CCimpreg CCactiv CCbiochar

ln (qe-qt)

-2

-4

-6

-8

0 100 200 300 400 500

t (phút)

(f): MB 500 (mg/L)

CHhydro CHmagnet CHimpreg CHactiv

CHbiochar

CChydro CCmagnet CCimpreg CCactiv

CCbiochar

ln (qe-qt)

-2

-4

-6

-8

0 100 200 300 400 500

20 (a): MB 50 mg/L

(b): MB 100 (mg / L)

(c): MB 200 (mg/L)

CHhydroCChydro

16 CHmagnet CCmagnet

16 CHhydroCChydro

hydroCC

hydro

CHmagnet CCmagnet

CH CC

CHmagnet CCmagnet

impreg impreg

CHimpreg CCimpreg

12 CHactivCCactiv

12 CHactiv CCactiv

12 CH CC

CHbiochar CCbiochar

activ activ

t/qt

CHbiochar CCbiochar

8 8

CHbiochar CCbiochar

t/qt

4 4 4

0 150 300 450 600 750 900

t (phút)

(d): MB 300 (mg/L)

5 CHhydro CChydro

CHmagnet CCmagnet

4 CHimpreg CCimpreg CHactiv CCactiv

t/q

3 CHbiochar CCbiochar

0 150 300 450 600 750 900

t (phút)

(e): MB 400 (mg/L)

5 CHhydro CChydro

CHmagnet CCmagnet

4 CHimpreg CCimpreg CHactiv CCactiv

t/q

3 CHbiochar CCbiochar

0 150 300 450 600 750 900

t (phút)

(f): MB 500 mg / L

5 CHhydro CChydro

CHmagnet CCmagnet

4 CHimpreg CCimpreg CHactiv CCactiv

t/q

3 CHbiochar CCbiochar

0 150 300 450 600 750 900

3.4.7. Khả năng tái sử dụng của các loại vật liệu

CHactiv

CCactiv

c c

Độ acid tổng CHactiv Độ acid tổng CCactiv

Tái sử dụng là một trong những lợi thế lớn nhất của chất hấp phụ, nó giúp cung cấp những thông tin hữu ích về độ ổn định hấp phụ trong các chu kỳ hấp phụ. Chọn vật liệu Hydrochar hoạt hóa (CHactiv và CCactiv), hai mẫu có dung lượng hấp phụ MB tốt nhất làm đại diện để đánh giá khả năng tái chế của than sinh học hoạt hóa. Trong thí nghiệm này, để tiến hành quá trình giải hấp, nghiên cứu đã sử dụng ethanol làm dung môi rửa giải MB. Kết quả trên Hình 3.47 cho thấy sau mỗi lần thí nghiệm, chất hấp phụ có mức giảm đáng kể. Cụ thể, đối với mẫu CHactiv trong chu kỳ đầu tiên hiệu suất hấp phụ MB của đạt 99,93%, sau đó giảm nhanh và chỉ thu được 80,43%, 67,95% 52,74%, 50,32% và 48,04% tương ứng trong lần thí nghiệm thứ 6. Đối với mẫu CCactiv trong chu kỳ đầu tiên hiệu suất hấp phụ MB của đạt 99,98%, sau đó giảm nhanh và chỉ thu được 82,05%, 68,40%, 52,06%, 51,86% và 47,85% tương ứng trong lần thí nghiệm thứ 6. Qua kết quả phân tích thống kê phương sai, kiểm định Tukey HSD cho thấy vật liệu có khả năng tái sử dụng ít nhất 5 lần. Kết quả hoàn toàn phù hợp với các nghiên cứu khác đã công bố khả năng hấp phụ MB của than hoạt tính có nguồn gốc từ quả vả [151].

120

Hiệu suất hấp phụ MB (%)

100

0 1 2 3 4 5 6 7

Số lần tái sử dụng (lần)

2.0

Độ acid tổng (mmol/g)

1.5

1.0

0.5

0.0

-0.5

-1.0

-1.5

-2.0

-2.5

Hình 3.47. Khả năng tái sử dụng của Hydrochar hoạt hóa CHactiv và CCactiv; các thông số a,b,c,d,e chỉ sự khác biệt có ý nghĩa thống kê với độ tin cậy 95% kiểm định Tukey HSD.

3.5. Nghiên cứu hoạt tính xúc tác của loại than sinh học hoạt hóa

3.5.1. Chuẩn bị nguyên liệu giàu cellulose từ rơm rạ

Quá trình nổ hơi nước được tính toán dựa trên hệ số SF (yếu tố làm việc) theo công thức (2.14). Hệ SF đóng vai trò như một công cụ dự đoán chuyển đổi các