Bài báo trình bày kết quả nghiên cứu chế tạo vật liệu hấp phụ dạng lõi lọc từ hỗn hợp sét kaolin và vỏ trấu. Lõi lọc có kịch thước (7x8x6x1cm), phù hợp với bộ lọc nước thương mại đang được lưu hành trên thị trường.
Vật liệu biocomposite với thành phần là sét kaolin và vỏ trấu phối trộn theo tỷ lệ khối lượng (70:30%) và được nung ở nhiệt độ 1.000oC. Các tính chất đặc trưng của vật liệu bao gồm diện tích bề mặt, lỗ rỗng và cấu trúc hóa học vật liệu đã được xác định. Kết quả phân tích diện tích bề mặt (BET) cho kết quả diện tích bề mặt của lõi lọc đạt 19.405 m2/g. Về thành phần hóa học, sự vắng mặt của dải kép O-H trong khoảng bước sóng từ 3550 đến 3700 cm-1 khẳng định cho sự hình thành của metakaolin do sự mất nước của lõi lọc trong quá trình nung.
Từ khóa: sét kaolin, vỏ trấu, vật liệu hấp phụ, biocomposite, lõi lọc.
Đặt vấn đề
Ở Việt Nam, vẫn còn nhiều hộ dân vẫn tiếp tục sử dụng nước dưới đất do chi phí sử dụng thấp. Do đó, việc đưa ra các biện pháp xử lý kim loại trong nước dưới đất sao cho hiệu quả, đồng thời thân thiện với môi trường vẫn là một nhu cầu cần thiết.
Những năm gần đây đã có nhiều nghiên cứu ứng dụng các vật liệu hấp phụ tự nhiên trong vào việc xử lý nguồn nước ô nhiễm. Trong đó, sét kaolin là khoáng sét với thành phần chủ yếu là khoáng vật kaolinite có cấu trúc hai lớp tứ diện và bát diện là một chất hấp phụ triển vọng có thể loại bỏ các chất hữu cơ, kim loại trong nước. Tuy nhiên, khi sử dụng sét kaolin ở dạng bột sẽ xuất hiện huyền phù. Thêm vào đó, tuy có trữ lượng lớn ở khu vực Đông Nam Bộ nhưng do thành phần chính là khoáng vật kaolinit có khả năng trao đổi cation tương thấp nên hiệu quả xử lý không cao. Do đó, nhiều nghiên cứu đã triển khai và đề xuất giải pháp biến tính nhằm cải thiện hạn chế nói trên của sét kaolin ví dụ như biến tính nhiệt, hoạt hóa axit/kiềm kết hợp nhiệt, biến tính bằng vật liệu nano, sét kaolin kết hợp với phế phẩm nông nghiệp [1].
Ví dụ nếu kết hợp sét kaolin và vỏ trấu với điều kiện nung ở 1.0000C trong 3 giờ và tỉ lệ sét kaolin: Vỏ trấu (75:25%) với hàm lượng đầu vào là 5,0 ÷ 0,5 mg/L có thể đạt hiệu quả xử lý Mn2+ lên đến 84,5% [2]. Tương tự khi kết hợp với lõi ngô cho thấy hiệu suất hấp phụ Pb và Cd cao hơn so với sét kaolin thô khoảng 30-40% (Chukwuemeka-Okorie và cs. 2018).
Trong các nghiên cứu trước đây của Loan [2];[3] đã xác định điều kiện tối ưu chế tạo được chậu lọc biocomposite từ hỗn hợp sét kaolin và vỏ trấu với tỷ lệ 75:25%. Chậu có trọng lượng 1.000g với kích thước chiều cao 12 cm, đường kính miệng 15 cm, đường kính đáy 10 cm và bề dày thành chậu 1 cm [3]. Sau khi tạo hình, chậu lọc được nung ở nhiệt độ 1.0000C trong 3 giờ. Hiệu quả xử lý chậu lọc với hàm lượng Mn2+ đầu vào là 5,0 ± 0,5 mg/L khá cao. Nước sau lọc có hàm lượng Mn2+ là 0,32 mg/L đạt chất lượng nước ngầm QCVN 09-MT:2015/BTNMT (< 0,5 mg/L). Tuy nhiên, mô hình lọc dạng chậu không phù hợp với các bộ lọc lưu hành trên trên thị trường hiện nay. Do đó, nghiên cứu này đã thay đổi hình dạng và kích thước (7x8x6x1cm) phù hợp với lõi lọc thị trường. Hai tính chất đặc trưng của lõi lọc là diện tích bề mặt, lỗ rỗng và cấu trúc hóa học vật liệu được xác định bằng phương pháp đo diện tích bề mặt (BET) và quang phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FTIR).
Phương pháp nghiên cứu
Phương pháp mô hình thí nghiệm
Các vật liệu nghiên cứu i) sét kaolin được lấy từ mỏ Đất Cuốc của Công ty KT&CBKS Tân Uyên Fico (Bình Dương) đã qua chế biến và ii) vỏ trấu được lấy từ công ty TNHH Hòa Kiến Nhân (Đồng Tháp). Cả hai nguyên liệu trước khi rây qua rây có kích thước lỗ 0,25 mm sẽ được nghiền bằng cối và chày sứ [3].
Dựa trên cơ sở nghiên cứu của Duyên (2020) , tỷ lệ phối trộn tối ưu là (70:30%). Và 300 gram hỗn hợp sét và vỏ trấu được trộn đều và nặn thành lõi lọc tương tự như lõi lọc ceramic của bộ lọc nước quy mô hộ gia đình. Kích thước của lõi lọc là (7x8x6x1 cm) (Hình 1).
Hình 1: Bộ lọc nước và lõi lọc sứ hộ gia đình
.jpg)
Lõi lọc sau khi nặn được lấy ra khỏi khuôn sau 3,5 giờ và sấy ở 700C, nước trong lõi lọc được loại hoàn toàn ở 1000C trong 15 giờ bằng tủ sấy ED 115 Binder, Đức.
Điều kiện nung lõi lọc được thực hiện theo kết quả nghiên cứu của Từ Thị Cẩm Loan (2019) là nung ở 1.0000C trong 3 giờ bằng lò nung FH-12, Hàn Quốc.
Hình 2. a) Kích thước lõi lọc; b) Lõi lọc biocomposite sau khi nung
.jpg)
Đánh giá các tính chất đặc trưng của vật liệu bao gồm diện tích bề mặt, lỗ rỗng và cấu trúc hóa học vật liệu của lõi bằng phương pháp đo diện tích bề mặt (BET) và quang phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FTIR).
Các kết quả đo BET và FTIR được đo lần lượt bằng máy Đo diện tích bề mặt riêng và máy quang phổ hồng ngoại FTIR tại Viện Khoa học Vật liệu Ứng dụng.
Kết quả và thảo luận
Kết quả đo diện tích bề mặt (BET)
Dựa trên phân tích BET, cho thấy, lõi lọc biocomposite có diện tích bề mặt (19.405 m2/g) thấp hơn sét Kaolin thô (23.018 m2/g). Theo nghiên cứu của Malima NM (2021) và Otunola B.O (2020), thấy khi sét kaolin được khi gia nhiệt lên tới 10000C sẽ chuyển sang giai đoạn khử hydroxyl vàcấu trúc thay đổi hoàn toàn. Do đó, diện tích bề mặt sẽ giảm đáng kể. Tuy nhiên, trong nghiên cứu này, diện tích bề mặt giảm không quá lớn (19.405 m2/g), điều này chứng minh được vỏ trấu có thể cải thiện diện tích bề mặt của kaolin khi nung ở nhiệt độ cao. Bên cạnh đó, tổng thể tích lỗ rỗng của lõi lọc (0.118 cm3/g) cao hơn sét kaolin thô (0.108 cm3/g), độ xốp của vật liệu đã được cải thiện.
Và theo nghiên cứu của Avelino Corma (1997) nhận định được rằng nếu đường kính lỗ rỗng nằm trong khoảng 2 - 50 nanomet thì kết luận được đây là vật liệu xốp trung bình (mesoporous), nên dựa theo Bảng 3.1 thấy được cả hai mẫu sét kaolin thô và lõi lọc đều có đường kính lỗ rỗng lần lượt là 34.347 A và 35.092 A tương đương 3.4 và 3.5 nanomet là vật liệu xốp trung bình (mesoporous).
Bảng 3.1: Kết quả phân tích diện tích bề mặt (BET)
.jpg)
Kết quả đo quang phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FTIR)
Qua kết quả FTIR đối với mẫu sét kaolin thô (Hình 3.1a) có mặt của các dải đặc trưng của kaolinit là 3694, 3671, 3642, 3621 cm-1 tương ứng với dao động kéo dài của OH [6], các dải hấp thụ ở 1108, 1037, 1110, 470, 422 cm-1 do liên kết Si-O, 912 cm-1 là Al-OH và cuối cùng 786 cm-1 là Si-O-Al [8].
Còn đối với mẫu phân tích FTIR của lõi lọc biocomposite (Hình 3.1b), cho thấy sự vắng mặt của dải kép O-H trong khoảng từ 3550 đến 3700 cm-1 ở các bước sóng (cụ thể là 3694, 3671, 3642, 3621 cm-1) đặc trưng cho sự hiện diện của kaolinit. Kết quả này khẳng định cho sự hình thành của metakaolin do sự mất nước của khoáng vật kaolinite trong quá trình nung [9]. Ngoài ra, còn có một dải khác trong khoảng 2800-3600 cm-1 cũng được cho là do liên kết O-H với năng lượng thấp do vật liệu hấp phụ độ ẩm và nước trong không khí xuất hiện cả trước và sau khi nung. Và Al-OH ở bước sóng 912 cm-1 cũng biến mất, có thể thấy được sự biến đổi của các dải đặc trưng kaolinit Si-O ở 1108, 1037, 422 cm-1 ban đầu có mặt ở mẫu sét kaolin thô, tới mức hấp thụ ở 1.100, 470 cm-1 do liên kết Si-O như vậy xác định được đây là silic vô định hình [10] ngoài ra còn sự xuất hiện của Si-O-Al ở 800 cm-1. Dựa trên những kết quả trên có thể xác định đã có sự chuyển hóa từ kaolinit thành meta-kaolinit do tác dụng của nhiệt.
Kết luận
Quá trình thực hiện các thí nghiệm trên cho thấy, tỉ lệ vật liệu tạo lõi lọc từ hỗn hợp sét kaolin và vỏ trấu lần lượt là 70% và 30%, khối lượng 300 g. Kích thước của lõi lọc tương ứng như sau: Chiều cao 7 cm, đường kính miệng 8 cm, đường kính đáy 6 cm và bề dày lõi 1 cm.
Hình 3.1: Kết quả quang phổ FTIR của sét kaolin thô và lõi lọc
.jpg)
.jpg)
Kết quả phân tích BET cho kết quả diện tích bề mặt của sét kaolin thô (23.018 m2/g) cao hơn lõi lọc (19.405 m2/g), nhưng về tổng thể tích lỗ rỗng và đường kính lỗ rỗng của lõi lọc cao hơn sét kaolin thô, nên giúp cho lỗ rỗng của vật liệu được cải thiện. Dựa theo nhận định của Avelino Corma (1997) xác định được cả hai mẫu đều là vật liệu xốp trung bình (mesoporous).
Kết quả quang phổ hồng ngoại FTIR cho thấy đối với sét kaolin thô các dải hấp phụ đặc trưng của kaolinit đã được xác định và đối với lõi lọc xác định được có sự xuất hiện của dải 1100, 470 cm-1 do liên kết Si-O như vậy xác định được đây là silic vô định hình. Ngoài ra, sự vắng mặt của dải kép O-H trong khoảng từ 3550 đến 3700 cm-1 ở các bước sóng đặc trưng cho sự hiện diện của kaolinit, khẳng định cho sự hình thành của metakaolin do sự mất nước của lõi lọc trong quá trình nung.
Tài liệu tham khảo
1. Từ Thị Cẩm Loan, Hoàng Thị Thanh Thủy, Phạm Khánh Huyền (2021). Tổng quan về giải pháp biến tính nhằm nâng cao khả năng xử lý kim loại của sét kaolin miền Đông Nam Bộ. Tạp chí Phát triển Khoa học và Công nghệ - Khoa học Trái đất và Môi trường, 5(SI2):SI176-SI199;
2. Từ Thị Cẩm Loan, Hoàng Thị Thanh Thủy, Hà Thị Thu Trang, Helen Fournet (2019). Nghiên cứu ứng dụng sét kaolin làm vật liệu hấp phụ magan trong nước. Kỷ yếu Hội nghị: Nghiên cứu cơ bản trong “Khoa học Trái đất và Môi trường”. DOI:10.15625/vap.2019.000101;
3. Từ Thị Cẩm Loan, Hoàng Thị Thanh Thủy, Hà Thị Thu Trang (2020). Nghiên cứu ứng dụng sét kaolin và vỏ trấu làm vật liệu lọc nước dưới đất nhiễm Mangan. Tạp chí Khí tượng thủy văn số tháng 04-2020. DOI: 10.36335/VNJHM.2020(712).17-22;
4. R Dewi, H Agusnar, Z Alfian, Tamrin (2018). Characterization of technical kaolin using XRF, SEM, XRD, FTIR and its potentials as industrial raw materials. SEMIRATA- International Conference on Science and Technology 2018. DOI:10.1088/ 1742-6596/1116/4/042010;
5. Avelino Corma (1997). From Microporous to Mesoporous Molecular Sieve Materials and Their Use in Catalysis. Chem. Rev. 1997, 97, 2373-2419;
6. Madejová, J., (2003). FTIR techniques in clay mineral studies: review, Vibrational Spectroscopy 31, p. 1;
7. Georges-Ivo E. Ekosse (2005). Fourier Transform Infrared Spectrophotometry and X-ray powder Diffractometry as Complementary Techniques in characterizing Clay size fraction of Kaolin. Journal of Applied Sciences and Environmental Management 23(3). DOI:10.4314/jasem.v9i2.17289;
8. Ahlem Chakchouk a, Lotfi Trifi b, Basma Samet a,*, Samir Bouaziz (2009). Formulation of blended cement: Effect of process variables on clay pozzolanic activity. Construction and Building Materials 23 (2009) 1365-1373;
9. Bich C (2005). Contribution à l'étude de l'activation thermique du kaolin: đánh giá cấu trúc cristallogaphique et activité pouzzolanique, Luận án tiến sĩ, Institut National des Sciences Appliquées de Lyon;
10. Malima NM, Owonubi SJ, Lugwisha EH, Mwakaboko A S (2021). Development of cost-effective and eco-friendly adsorbent by direct physical activation of Tanzanian Malangali kaolinite for efficient removal of heavy metals. Materials Today: Proceedings. 38(2), 1126-1132. https://doi.org/10.1016/j.matpr.2020.06.469;
11. Otunola, B.O., & Ololade, O (2020). A review on the application of clay minerals as heavy metal adsorbents for remediation purposes. Environmental Technology & Innovation, 18 https://doi.org/10.1016/ j.eti.2020.100692.
EXPERIMENTAL INVESTIGATION ON MANUFACTURING BIOCOMPOSITE MATERIALS FROM KAOLIN CLAY
Le Thi Thao Duyen1, Hoang Thi Thanh Thuy2, Tu Thi Cam Loan2, Phạm Hiển Quang1
1Institute of Geology and Mineral Resources
Email: lttduyen0312@gmail.com
2 Hochiminh City University for Natural Resources and Environment, Hochiminh City.
This article presents the results of research on manufacturing filter core adsorbent materials from a mixture of kaolin clay and rice husks. The filter core has dimensions (7x8x6x1cm), suitable for commercial water filters currently circulating on the market. Biocomposite materials include kaolin clay and rice husk mixed in weight ratio (70:30%) and heated at 1,000oC. Characteristic properties of the material including surface area, pores and chemical structure of the material were determined. Surface area analysis results (BET) show that the filter core surface area reaches 19,405 m2/g. Regarding the chemical composition, the absence of the O-H double band in the wavelength range from 3550 to 3700 cm-1 confirms the formation of metakaolin due to dehydration of the filter core during the calcination process.
LÊ THỊ THẢO DUYÊN1, HOÀNG THỊ THANH THỦY2, TỪ THỊ CẨM LOAN2, PHẠM HIỂN QUANG1
1 Viện Khoa học Địa chất và Khoáng sản
2 Trường Đại học Tài nguyên và Môi trường TP. Hồ Chí Minh
Nguồn: Tạp chí Tài nguyên và Môi trường số 5 năm 2024
Tóm tắt: Bài báo nghiên cứu giải pháp xử lý chất thải rắn sinh hoạt (CTRSH) bền vững cho Việt Nam thông qua tích hợp công nghệ vi sinh (phân hủy sinh học) và nhiệt phân. Trước áp lực gia tăng rác đô thị và yêu cầu phát triển kinh tế tuần hoàn, phương pháp này được đề xuất nhằm tận dụng tài nguyên từ rác, giảm chôn lấp và phát thải.
Nếu ở Kỳ 1, độc giả đã thấy những định hướng chiến lược và công nghệ xanh mở ra lối đi mới cho nông nghiệp Việt, thì đến Kỳ 2, điểm nhấn lại nằm ở những giải pháp cụ thể. Từ phòng thí nghiệm, nhiều nghiên cứu khoa học đã bước ra thực tiễn, đồng hành cùng doanh nghiệp, tạo nên các mô hình thành công: từ công nghệ bảo quản mới, chế biến cà phê hiện đại, đến kinh tế tuần hoàn phụ phẩm tôm và nâng tầm sản phẩm truyền thống như nước mắm. Đây chính là những hạt nhân giúp nông sản Việt gia tăng giá trị và chinh phục thị trường quốc tế.
Cao chloroform của Bí kỳ nam (Hydnophytum formicarum Jack.) được sắc ký cột với các hệ dung môi có độ phân cực khác nhau và kết hợp với kỹ thuật sắc ký lớp mỏng để thực hiện quá trình phân lập và tinh sạch các hợp chất. Cấu trúc của các hợp chất được xác định bằng phương pháp phổ cộng hưởng từ hạt nhân và kết hợp so sánh với tài liệu tham khảo. Ba hợp chất được tinh sạch và xác định cấu trúc bao gồm luteolin (1), quercetin (2) và quercitrin (3).
Hoạt tính xua đuổi hiệu quả của p-menthan-3,8-diol (PMD) đã được chứng minh là hiệu quả an toàn cho sức khỏe, tuy nhiên, hợp chất này vẫn chưa được sử dụng phổ biến ở Việt Nam. Đã có một số công trình nghiên cứu khảo sát tổng hợp PMD chủ yếu sử dụng xúc tác acid H2SO4 loãng với các điều kiện phản ứng khác nhau về thời gian và nhiệt độ.
Cháy nổ trong sinh hoạt dân dụng vẫn là một vấn đề nhức nhối tại Việt Nam, gây ra những thiệt hại nặng nề về người và tài sản do sự bất cẩn hoặc lỗi thiết bị điện. Các hệ thống cảnh báo cháy truyền thống thường có độ trễ cao, chỉ phản ứng khi cháy đã xảy ra rõ ràng, dễ gây báo động giả và thiếu khả năng cảnh báo từ xa.
Khu vực đảo Palawan (Philippine), Sempoma SABAH (Malaysia) nằm trong khu vực nhiệt đới gió mùa với hai mùa mưa, mùa khô rõ rệt. Tại Palawan, trung bình năm nhiệt độ không khí 28,50C, độ ẩm trung bình 58,4%, tổng lượng mưa 2.920 mm, tổng số giờ nắng trong khoảng 2,180 - 2,307h, nhiệt độ nước biển 29,30C và độ muối nước biển 33,3‰.
