Nghiên cứu chế tạo Carbon Aerogel từ giấy phế thải ứng dụng hấp phụ một số kim loại nặng

Nghiên cứu khoa học công nghệ 
Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san NĐMT, 09 - 2017 229
NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO CARBON AEROGEL TỪ GIẤY PHẾ 
THẢI ỨNG DỤNG HẤP PHỤ MỘT SỐ KIM LOẠI NẶNG 
Nguyễn Thị Trang1, Nguyễn Mạnh Tường2, Nguyễn Trần Hùng2 
Tóm tắt: Bài báo này nghiên cứu khả năng xử lý ion As(V), Pb(II), Mn(II) ô 
nhiễm trong môi trường nước bằng vật liệu mới, sản xuất từ giấy phế thải. Carbon 
aerogel được tổng hợp trong phòng thí nghiệm bằng phương pháp sấy thăng hoavà 
xử lý nhiệt trong môi trường khí trơ với sự kết hợp của các tác nhân NaOH và ure, 
lần lượt chiếm 1.5% (KL) và 14.0% (KL) trong hỗn hợp phản ứng. Carbon aerogel 
hình thành có cấu trúc xốp và tỉ trọng nhỏ. Cấu trúc của vật liệu được xác định 
bằng các phương pháp hóa lý hiện đại như: SEM, EDX, IR. Khả năng hấp phụ 
asen, chì, mangan của vật liệu đã được xác định. Carbon aerogel có dung lượng 
hấp phụ cực đại tính theo phương trình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir đối với As(V) 
là 22,2 mg/g, Mn(II) là 28,9 mg/g và Pb(II) là 55,5 mg/g. 
Từ khóa: Cellulose aergeol, Carbon aerogel, Hấp phụ, Chì, Asen, Mangan. 
1. MỞ ĐẦU 
Vật liệu cellulose aerogel đã được các nhà khoa học trên thế giới quan tâm và 
bắt đầu nghiên cứu từ những năm đầu của thế kỉ 21.Các nghiên cứu đầu tiên về 
vật liệu cellulose aerogel được thực hiện bởi nhóm nghiên cứu của Josel 
Innerlohinger [1] và được công bố vào năm 2006. Năm 2011, Nichlas Tchang 
Cervin và các cộng sự của mình đã tổng hợp thành công vật liệu hấp phụ dầu từ 
cellulose aerogel kết hợp với octyltriclorosilane, vật liệu tạo ra có khả năng hấp 
phụ dầu khá tốt [2]. Gần đây, vào tháng 6 năm 2016 nhóm nghiên cứu của Yue 
Jiao đã tạo ra vật liệu cellulose aerogel với góc tiếp xúc cao từ 151-155oC có hiệu 
quả hấp phụ tốt (53-93)g/g cho các dung môi hữu cơ khác nhau và dầu thải. 
Cellulose aerogel là vật liệu có cấu trúc xốp, bề mặt tiếp xúc rộng [4]. Do đó, sử 
dụng cellulose aerogel nhằm mục đích hấp phụ ô nhiễm kim loại nặng trong môi 
trường nước là một hướng nghiên cứu mới và đầy tiềm năng. Mặt khác, aerogel 
cũng thể hiện khả năng tái hấp phụ tuyệt vời, có thể duy trì hơn 80% hiệu quả 
hấp phụ ban đầu sau 5 chu kì. 
Theo các số liệu thống kê, quá trình tiêu thụ giấy đã tạo ra một lượng lớn giấy 
phế thải, việc này cũng đồng nghĩa với lượng giấy phế thải chiếm 25-40% chất thải 
rắn đô thị toàn cầu.Tái chế giấy phế thải đóng góp một phần không nhỏ vào việc 
bảo tồn rừng và giải quyết các vấn đề ô nhiễm môi trường.Do đó, tận dụng nguồn 
giấy phế thải loại, đưa nguồn phế phẩm dân dụng thành sản phẩm có giá trị cao hết 
sức có ý nghĩa. 
2. THỰC NGHIỆM 
2.1. Nguyên liệu, thiết bị 
2.1.1. Nguyên liệu 
- Giấy phế thải A4 màu trắng; 
- Ure, NaOH, ethanol, nước cất. Các hóa chất đều là hóa chất tinh khiết phân tích. 
2.1.2. Thiết bị 
- Thiết bị sấy thăng hoa Freeze Dryer (Scientz 18-N, China); 
Hóa học & Kỹ thuật môi trường 
N. T. Trang, N. M. Tường, N. Tr. Hùng, “Nghiên cứu chế tạo một số kim loại nặng.” 230 
- Thiết bị siêu âm; 
- Kính hiển vi điện tử quét (SEM/EDX) JeoJMS 6490; 
- Thiết bị phân tích XRD: D8 – Advance 5005; 
- Thiết bị phân tích phổ hồng ngoại FTIR: U-4100 Spectrophotometer; 
- Cân phân tích độ chính xác 0.001g, các bình nón, pipet, cốc các loại. 
2.2 Tổng hợp vật liệu 
2.2.1. Chế tạo cellulose aerogel 
Quy trình tổng hợp cellulose aerogelđược thực hiện như sau: Cân 2g giấy phế 
thải đã xé nhỏ ngâm vào 80 mlnước cất trong 1h cho mềm. Dùng máy xay, xay 
nhỏ hỗn hợp đến khi thu được hỗn hợp phân tánđồng nhất. Bổ sung lượng NaOH 
và ure thích hợp vào cốc chứa giấy đã nghiền trên. Siêu âm hỗn hợp trong 15 phút. 
Dung dịch được đổ ra khuôn hình trụ dung tích khoảng 50ml và đặt ở nhiệt độ -
180C trong 24h để tạo gel. Gel ướt được lấy ra bỏ vào hộp nhựa, trao đổi dung môi 
với ethanol. Tiến hành trao đổi dung môi trong 2 ngày, mỗi ngày cần thay dung 
môi mới 3 lần (8h/lần). Sau đó, các mẫu này lại tiếp tục được ngâm trong nước 2 
ngày, mỗi ngày thay nước cất 3 lần. Kiểm tra pH của nước cho tới khi đạt trung 
tính. Các mẫu gel này được làm lạnh ở nhiệt độ -50oC trong 8h, sấy thăng hoa 
trong 48h thu được celluloseaerogel. 
2.2.2. Chế tạo carbon aerogel 
Quá trình nhiệt phân cellulose aerogel được tiến hành trong lò ống, tốc độ thổi 
khí trơ (Ar) 5 lít/phút, trong thời gian 90 phút tại nhiệt độ 800oC vơi tốc độ tăng 
nhiệt độ là 10oC/phút. Mẫu carbon aerogel được đánh giá hiệu suất thu hồi sản 
phẩm, cấu trúc vật liệu và hiệu quả xử lý Pb2+ của than sinh học. 
2.3. Khảo sát khả năng hấp phụkim loại nặng trong môi trường nước của 
aerogel cellulose 
Nghiên cứu đẳng nhiệt hấp phụ asen, chì, mangan của vật liệu được tiến hành 
theo phương pháp tĩnh, nồng độ ban đầu của các ion thay đổi, nhiệt độ khảo sát ở 
25oC. Nồng độ asen, chì, mangan được xác định bằng phương pháp quang phổ hấp 
thụ nguyên tử (AAS). 
Chúng tôi sử dụng phương trình đẳng nhiệt Langmuir để nghiên cứu quá trình 
hấp phụ của vật liệu. Phương trình đẳng nhiệt Langmuir có dạng: 
Trong đó: 
Q, Qmax: Dung lượng hấp phụ và dung lượng hấp phụ cực đại (mg/g); 
Ct: Nồng độ dung dịch tại thời điểm cân bằng (mg/l); 
b: Hệ số của phương trình Langmuir (được xác định từ thực nghiệm). 
Để xác định các hằng số trong phương trình Langmuir, ta có thể viết phương 
trình này ở dạng: 
 Từ đường biểu diễn Ct/Q phụ thuộc vào C, ta tính được Qmax = 1/tg . 
Nghiên cứu khoa học công nghệ 
Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san NĐMT, 09 - 2017 231
3. KẾT QUẢ THẢO LUẬN 
3.1. Khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng ure 
Hàm lượng ure trong các mẫu thay đổi từ 10-20% (KL). Ở đây, thành phần 
của NaOH được cố định ở mức 1.5% (KL). Ảnh hưởng của hàm lượng ure tới quá 
trình chế tạo carbonaerogel được đánh giá thông qua khả năng hấp phụ asen và tỷ 
trọng của vật liệu.Kết quả được thể hiện ở bảng 1. 
Bảng 1. Ảnh hưởng của hàm lượng ure tới quá trình chế tạo carbon aerogel. 
STT Tên mẫu 
Lượng ure 
(% KL) 
Tỷ trọng 
Dung lượng hấp 
phụ As(V) 
mg/g 
1 G1-10 1