Do thanh long thuộc họ xương rồng nên dựa vào các  nghiên  cứu xử  lý  cây  xương  rồng  thế giới cho thấy cành thanh long có nhiều tiềm năng ứng dụng trong việc sản xuất than sinh học (TSH) nhằm xử lý các chất ô nhiễm trong nước thải. Vì vậy, mục tiêu của nghiên cứu này là tạo ra TSH từ phụ phẩm cành thanh long bằng phương pháp nhiệt phânvà chất thải dệt nhuộm xanh methylene (MB) được chọn làm yếu tố đánh giá hiệu quả hấp phụ của TSH tạo thành.

1. Nguyên liệu và hóa chất

Cành thanh long thu được tại xã Thạnh Hòa, huyện Bến Lức, tỉnh Long An được tận dụng để chế tạo TSH. Dung dịch MB gốc được mua từ nhà sản xuất hóa chất Xilong Scientific, Quảng Đông, Trung Quốc.

2. Thí nghiệm

2.1. Quá trình nhiệt phân cành thanh long

Trước khi tiến hành nhiệt phân, mẫu cành thanh long tươi được sấy khô ở nhiệt độ 60⁰C để giảm độ ẩm của mẫu xuống 10%. Hình 1 trình bày sơ đồ than hóa cành thanh long trong thiết bị phản ứng tầng cố định nằm ngang, thiết bị bao gồm ống phản ứng chế tạo từ vật liệu ceramic có chiều dài 750 mm và đường kính ø50x5 mm đặt trong lò gia nhiệt có điều khiển nhiệt  độ. Mẫu cành thanh  long có tiết diện ngang thích hợp (theo đường kính ống sau khi sấy khô phản ứng) được cắt ngắn thành đoạn dài 200 mm đặt vào giữa ống phản ứng để tiến hành than hóa. Quá trình được thực hiện theo từng mẻ ở nhiệt độ 450 – 650⁰C trong môi trường khí N2, thời gian nhiệt phân hoàn toàn cho mỗi mẻ là 40 phút.

Sản phẩm TSH được nghiền và rây đến kích thước nhỏ hơn 0,9 mm sau đó tiến hành phân tích tính chất hóa học và đánh giá hiệu quả trong việc xử lý MB trong nước. Cụ thể quy trình thí nghiệm nhiệt phân cành thanh long dựa trên các nghiên cứu nhiệt phân xương rồng thu than hoạt tính.

2.2. Thực nghiệm khảo sát khả năng hấp phụ MB của than sinh học

Các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ MB của các TSH được sản xuất từ cành thanh long: pH, thời gian, khối lượng TSH và nồng độ dung dịch ban đầu được khảo sát. Các thí nghiệm hấp phụ thực hiện trên máy lắc với tốc độ lắc là 150 vòng/phút ở nhiệt độ phòng.

Phân tích định lượng MB sau hấp phụ được thực hiện như sau: ly tâm loại bỏ chất hấp phụ, dung dịch MB sau hấp phụ được tiến hành pha loãng đến nồng độ phù hợp, rồi đo cường độ hấp phụ bằng phương pháp so màu tại bước sóng 665 nm sử dụng máy UV-Vis (Thermo Scientific, model Evolution 350, USA) và dựa vào đường chuẩn để suy ra nồng độ MB. Mỗi thí nghiệm khảo sát khả năng hấp phụ của TSH lặp lại 3 lần, lấy kết quả trung bình để đánh giá.

Hiệu quả hấp phụ MB được đánh giá thông qua dung lượng hấp phụ cân bằng qe (mg/g) được tính toán bằng cân bằng chuyển khối:

𝑞_𝑒=(𝐶_𝑜−𝐶_𝑒)×𝑉𝑉/𝑊 (1)

Trong đó, C_o và C_e (mg/L) là nồng độ MB đầu vào và đầu ra, V (L) là thể tích dung dịch hấp phụ và W (mg) là khối lượng than hấp phụ.

Động học của quá trình hấp phụ được nghiên cứu theo hai mô hình động học biểu kiến: mô hình biểu kiến bậc 1 (phương trình 2) và mô hình biểu kiến bậc 2 (phương trình 3).

Mô hình động học bậc 1:

ln(q_e – q_t) = lnq_e – k₁t (2)

Mô hình động học bậc 2:

1/𝑞_𝑡 = 1/𝑘₂𝑞²𝑒+𝑡/𝑞_𝑒 (3)

Trong đó, q_e là dung lượng hấp phụ tại thời điểm cân bằng (mg/g); qt là dung lượng hấp phụ tại thời điểm t (mg/g); k₁ là hằng số tốc độ hấp phụ biểu kiến bậc nhất (ph^–1); k₂ là hằng số tốc độ hấp phụ biểu kiến bậc hai (g/mg.ph).

2.3. Xác định tính chất của nguyên liệu và biochar

Đặc tính hóa lý của TSH thu được từ nhiệt phân cành thanh long được đánh giá thông qua xác định diện  tích  bề mặt  riêng  BET  (Brunauer–Emmett–Teller) trên thiết bị ASAP-200 và chụp ảnh bề mặt SEM (Scanning Electron Microscope) trên thiết bị Thermo Scientific, model Prisma E SEM, USA. Phổ hồng  ngoại FTIR (Fourier-transform infrared spectroscopy) trên thiết bị Thermo Scientific (model Nicolet iS5, USA) được dùng để xác nhận các nhóm liên kết trên TSH trong vùng bước sóng 400 cm^-1 đến 4000 cm^-1.

3. Kết luận

Nghiên cứu tổng hợp thành công vật liệu TSH có khả năng hấp phụ cao với xanh methylene trong nước bằng phương pháp nhiệt phân phụ phẩm nông nghiệp cành thanh long với các điều kiện tối ưu cho quá trình hấp phụ MB trong dung dịch nước thải.

Kết quả nghiên cứu cũng chỉ ra rằng, TSH tạo thành phù hợp với mô hình hấp phụ đơn lớp Langmuir, quá trình hấp phụ diễn ra tốt khi pH dung dịch trong khoảng  8-11 với nồng  độ MB khảo sát 40 mg/L, khối lượng 0,3 g và thời gian hấp phụ 90 phút. Hiệu suất và dung lượng hấp phụ MB đạt được là > 95% và > 3,8 mg/g. Nghiên cứu sản xuất TSH từ cành thanh long ứng dụng xử lý MB trong nước thải góp phần cung cấp phương pháp mới và hiệu quả trong xử lý phụ phẩm cành thanh long, thay thế những phương pháp xử lý rác thải truyền thống theo thói quen như phương pháp đốt truyền thống,…  Đồng thời, những hướng xử lý hiệu quả MB trong nước thải dệt nhuộm bằng vật liệu rẻ tiền, phổ biến tại Việt Nam cũng được gợi ý trong nghiên cứu.