Luận án: Chế tạo vật liệu tự nhiên ứng dụng xử lý nước lũ thành nước sinh hoạt

Phương pháp xử lý nước lũ thành nước sinh hoạt bằng vật liệu tự nhiên. Khám phá giải pháp bền vững để tái sử dụng tài nguyên nước.

• Tác giả: Đặng Thị Tố Nữ
• Người hướng dẫn: PGS. Nguyễn Phi Hùng
• Trường học: Trường Đại học Quy Nhơn
• Chuyên ngành: Hóa lí thuyết và Hóa lí
• Đề tài: Nghiên cứu chế tạo một số vật liệu có nguồn gốc tự nhiên định hướng ứng dụng xử lý nước lũ thành nước sinh hoạt
• Loại tài liệu: Luận án tiến sĩ
• Năm xuất bản: 2021
• Địa điểm: Quy Nhơn

Tóm tắt

I. Tổng quan về vật liệu tự nhiên xử lý nước lũ

Luận án tiến sĩ của Đặng Thị Tố Nữ tại Trường Đại học Quy Nhơn nghiên cứu chế tạo vật liệu có nguồn gốc tự nhiên nhằm xử lý nước lũ thành nước sinh hoạt. Đây là hướng nghiên cứu có giá trị thực tiễn cao trong bối cảnh biến đổi khí hậu ngày càng phức tạp. Nước lũ chứa nhiều thành phần độc hại gồm chất rắn lơ lửng, tảo, vi sinh vật gây bệnh, kim loại nặng và chất hữu cơ. Các thành phần này gây nguy hiểm trực tiếp cho sức khỏe con người nếu không được xử lý triệt để. Vật liệu lọc có nguồn gốc tự nhiên như cellulose từ bã mía mang lại nhiều ưu điểm vượt trội so với vật liệu tổng hợp truyền thống. Chúng có tính tương thích sinh học cao, chi phí sản xuất thấp và thân thiện với môi trường. Nghiên cứu được thực hiện trong khuôn khổ dự án TEAM hợp tác giữa Đại học Quy Nhơn và Đại học KU Leuven, Bỉ. Kết quả nghiên cứu mở ra triển vọng ứng dụng rộng rãi tại các vùng thường xuyên chịu ảnh hưởng của lũ lụt ở Việt Nam và khu vực Đông Nam Á.

1.1. Thực trạng ô nhiễm nước lũ tại Việt Nam

Việt Nam là quốc gia chịu ảnh hưởng nặng nề của lũ lụt hàng năm, đặc biệt tại miền Trung và đồng bằng sông Cửu Long. Nước lũ mang theo chất rắn lơ lửng làm giảm độ trong suốt và khả năng xuyên sáng. Vi sinh vật gây bệnh như E. coli, vi khuẩn tả, thương hàn hiện diện với mật độ cao. Kim loại nặng từ đất nông nghiệp và khu công nghiệp hòa tan vào dòng nước lũ. Tình trạng thiếu nước sạch sau mỗi đợt lũ gây ra nhiều dịch bệnh nguy hiểm. Nhu cầu có giải pháp xử lý nước tại chỗ, chi phí thấp, hiệu quả cao trở nên cấp thiết hơn bao giờ hết.

1.2. Tiềm năng của cellulose bã mía trong lọc nước

Bã mía là phụ phẩm nông nghiệp dồi dào tại Việt Nam với sản lượng hàng triệu tấn mỗi năm. Cellulose chiết xuất từ bã mía có cấu trúc sợi xốp, diện tích bề mặt lớn, khả năng hấp phụ cao. Cellulose acetate được tổng hợp từ cellulose bã mía thể hiện tính năng màng lọc vượt trội. Vật liệu này có khả năng loại bỏ hiệu quả chất rắn lơ lửng, vi sinh vật và một số kim loại nặng. Chi phí nguyên liệu thấp và nguồn cung ổn định tạo điều kiện thuận lợi cho sản xuất quy mô lớn. Đây là hướng tận dụng phế phẩm nông nghiệp theo nguyên tắc kinh tế tuần hoàn.

II. Phân tích thành phần độc hại trong nước lũ cần xử lý

Nước lũ có thành phần hóa học và vi sinh học phức tạp, đặt ra thách thức lớn cho công nghệ lọc. Chất rắn lơ lửng xuất hiện do quá trình xói mòn đất, làm nước đục và cản trở ánh sáng mặt trời xuyên qua. Tảo diệp lục và tảo đơn bào phát triển mạnh trong điều kiện nước lũ, gây tắc nghẽn đường ống và làm nước có tính ăn mòn. Vi sinh vật gây bệnh bao gồm vi khuẩn, vi rút và động vật đơn bào (Protozoa) tồn tại lâu trong môi trường nước. Kim loại nặng từ hoạt động công nghiệp và nông nghiệp tích lũy trong nước lũ gây nguy cơ ngộ độc mãn tính. Mỗi loại chất ô nhiễm đòi hỏi cơ chế xử lý khác nhau, từ lọc cơ học đến hấp phụ hóa học và diệt khuẩn. Màng lọc cellulose acetate có khả năng kết hợp nhiều cơ chế này trong một hệ thống đơn giản. Việc hiểu rõ từng thành phần ô nhiễm giúp thiết kế vật liệu lọc phù hợp và tối ưu hóa hiệu suất xử lý.

2.1. Vi sinh vật gây bệnh và nguy cơ dịch tễ học

Vi sinh vật gây bệnh trong nước lũ bao gồm vi khuẩn E. coli, Salmonella, Vibrio cholerae và nhiều loại vi rút đường ruột. Chúng không có nguồn gốc từ nước mà cần vật chủ để tồn tại và sinh sản. Một số vi sinh vật có thể sống nhiều tuần trong môi trường nước, tạo nguy cơ lây bệnh tiềm ẩn. Động vật đơn bào như Giardia và Cryptosporidium có vỏ bọc cứng, kháng nhiều phương pháp khử trùng thông thường. Màng lọc có kích thước lỗ phù hợp có thể loại bỏ hiệu quả các tác nhân sinh học này. Kiểm soát vi sinh vật trong nước sau xử lý là tiêu chí quan trọng nhất để đảm bảo an toàn sức khỏe.

2.2. Kim loại nặng và chất hữu cơ trong nước lũ

Kim loại nặng như chì, asen, cadmium, thủy ngân xuất hiện trong nước lũ từ nhiều nguồn khác nhau. Đất nông nghiệp chứa thuốc bảo vệ thực vật, khu công nghiệp xả thải kim loại nặng vào môi trường. Khi lũ tràn qua các khu vực này, kim loại hòa tan và phân tán rộng. Chất hữu cơ từ xác động thực vật phân hủy tạo môi trường dinh dưỡng cho vi khuẩn phát triển. Hấp phụ bề mặt trên vật liệu cellulose biến tính là cơ chế chính loại bỏ kim loại nặng. Hiệu quả hấp phụ phụ thuộc vào diện tích bề mặt, độ xốp và nhóm chức năng trên bề mặt vật liệu.

III. Phương pháp chế tạo màng lọc cellulose acetate từ bã mía

Quy trình chế tạo màng lọc cellulose acetate từ bã mía gồm nhiều giai đoạn kỹ thuật được kiểm soát chặt chẽ. Bã mía được xử lý hóa học để chiết xuất cellulose tinh khiết, loại bỏ lignin và hemicellulose. Cellulose được acetyl hóa bằng anhydride acetic trong điều kiện phản ứng tối ưu để tạo cellulose acetate. Phương pháp tách pha ướt (NIPS - Non-solvent Induced Phase Separation) được áp dụng để tạo màng bất đối xứng. Dung môi DMSO (dimethyl sulfoxide) được lựa chọn thay thế các dung môi độc hại DMF và NMP theo yêu cầu môi trường ngày càng nghiêm ngặt. DMSO được EPA phân loại là không độc hại, có nhiệt độ sôi cao và áp suất hơi thấp. Màng thu được có cấu trúc bất đối xứng với lớp mỏng dày đặc ở trên và lớp xốp ở dưới. Cấu trúc này đảm bảo hiệu suất lọc cao trong khi duy trì thông lượng nước qua màng ở mức chấp nhận được.

3.1. Quy trình tổng hợp cellulose acetate từ phế phẩm nông nghiệp

Cellulose từ bã mía được tinh chế qua các bước tẩy trắng và xử lý kiềm để đạt độ tinh khiết cao. Phản ứng acetyl hóa diễn ra trong môi trường acid acetic và anhydride acetic với xúc tác acid sulfuric. Mức độ thế (degree of substitution) được kiểm soát để đạt tính chất màng mong muốn. Cellulose acetate thu được có tính kỵ nước vừa phải, phù hợp cho ứng dụng lọc nước. Phân tích đặc trưng bằng FTIR, XRD và SEM xác nhận cấu trúc hóa học và hình thái bề mặt. Quy trình tổng hợp có thể mở rộng quy mô sản xuất nhờ nguồn nguyên liệu bã mía dồi dào và chi phí thấp.

3.2. Phương pháp tách pha và tối ưu hóa cấu trúc màng

Phương pháp NIPS tạo ra gradient nồng độ giữa dung môi và không dung môi, hình thành cấu trúc xốp đặc trưng. Tốc độ khuếch tán dung môi ra ngoài quyết định kích thước lỗ và phân bố lỗ trên màng. Thay đổi nồng độ polymer, loại dung môi và điều kiện đông tụ cho phép kiểm soát tính chất màng. Màng chế tạo được phân loại vào nhóm siêu lọc (UF) hoặc vi lọc (MF) tùy thuộc kích thước lỗ đạt được. Hiện tượng phân cực nồng độ và tắc màng (fouling) được nghiên cứu để cải thiện tuổi thọ vận hành. Bề mặt màng ưa nước giúp giảm thiểu bám bẩn protein và vi sinh vật trong quá trình lọc.

IV. Kết quả và triển vọng ứng dụng xử lý nước lũ thực tế

Kết quả nghiên cứu cho thấy màng lọc cellulose acetate từ bã mía đạt hiệu suất loại bỏ chất ô nhiễm cao trong điều kiện thử nghiệm. Màng có khả năng loại bỏ trên 99% chất rắn lơ lửng và phần lớn vi sinh vật gây bệnh. Khả năng hấp phụ kim loại nặng đạt mức đáng kể nhờ các nhóm hydroxyl và acetyl trên bề mặt cellulose. Thông lượng nước qua màng đáp ứng yêu cầu thực tế cho quy mô hộ gia đình và cộng đồng nhỏ. Nghiên cứu đóng góp quan trọng vào lĩnh vực công nghệ màng lọc xanh, sử dụng vật liệu tái tạo thay thế vật liệu tổng hợp độc hại. Hướng phát triển tiếp theo bao gồm tích hợp thêm vật liệu nano tự nhiên để tăng cường khả năng kháng khuẩn. Ứng dụng thực tế tại các vùng lũ lụt Việt Nam mang ý nghĩa xã hội và nhân văn sâu sắc. Công trình nghiên cứu mở ra cơ hội hợp tác quốc tế trong phát triển công nghệ xử lý nước bền vững.

4.1. Hiệu suất lọc và đánh giá chất lượng nước sau xử lý

Nước sau lọc qua màng cellulose acetate đạt các chỉ tiêu chất lượng theo tiêu chuẩn nước sinh hoạt của Bộ Y tế Việt Nam. Độ đục giảm mạnh từ hàng trăm NTU xuống dưới 1 NTU sau khi qua màng. Mật độ vi sinh vật gây bệnh giảm xuống mức an toàn không phát hiện được bằng phương pháp phân tích tiêu chuẩn. Nồng độ kim loại nặng trong nước sau lọc nằm trong giới hạn cho phép. Thông lượng màng duy trì ổn định sau nhiều chu kỳ vận hành khi áp dụng quy trình vệ sinh phù hợp. Kết quả khẳng định tính khả thi của giải pháp lọc nước lũ bằng màng cellulose acetate nguồn gốc tự nhiên.

4.2. Định hướng phát triển và nhân rộng ứng dụng

Module lọc màng quy mô nhỏ có thể lắp đặt tại hộ gia đình vùng lũ với chi phí vật liệu thấp. Sản xuất từ bã mía địa phương tạo ra chuỗi giá trị nông nghiệp bền vững, giảm phụ thuộc nhập khẩu. Công nghệ có thể chuyển giao cho cộng đồng nông thôn thông qua các chương trình hỗ trợ phát triển. Nghiên cứu tiếp theo sẽ tích hợp than hoạt tính sinh học và nano bạc để tăng cường diệt khuẩn. Hợp tác với Đại học KU Leuven mở ra khả năng cải tiến quy trình sản xuất đạt tiêu chuẩn quốc tế. Đây là minh chứng điển hình cho hướng nghiên cứu khoa học gắn liền với nhu cầu thực tiễn xã hội Việt Nam.

Nội dung chính

Tổng quan về luận án

Nghiên cứu "Nghiên cứu chế tạo một số vật liệu có nguồn gốc tự nhiên định hướng ứng dụng xử lý nước lũ thành nước sinh hoạt" của nghiên cứu sinh Đặng Thị Tố Nữ (Chuyên ngành Hóa lí thuyết và Hóa lí, Mã số: 9440119, Trường Đại học Quy Nhơn, 2021) dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS. Nguyễn Phi Hùng và PGS. Cao Văn Hoàng, cùng sự hợp tác từ nhóm nghiên cứu của GS. Bart Van der Bruggen (Đại học KU Leuven, Vương quốc Bỉ) và GS. Nguyễn Minh Thọ, đặt nền móng tiên phong cho giải pháp công nghệ màng xanh thích ứng biến đổi khí hậu tại miền Trung Việt Nam.

Trong bối cảnh thiên tai lũ lụt cực đoan diễn ra thường niên, nguồn nước mặt bị ô nhiễm nghiêm trọng bởi chất rắn lơ lửng (độ đục lên tới 430 FTU), vi sinh vật đường ruột (E. coli, Coliforms), các hợp chất hữu cơ hòa tan và kim loại nặng độc hại như Pb(II), Cr(VI). Các giải pháp truyền thống như sử dụng phèn nhôm hoặc chất khử trùng chứa chlorine (Chloramine B, Aquatabs) bộc lộ nhiều hạn chế nguy hại: dư lượng nhôm liên quan đến nguy cơ thoái hóa thần kinh (Alzheimer) theo nghiên cứu của Rondeau et al. [159], độc tính của các sản phẩm phụ khử trùng (DBPs), cùng nguy cơ tồn dư gốc benzene độc hại. Đồng thời, công nghệ màng polymer thương mại hiện nay phụ thuộc vào dung môi độc hại như $N,N$-dimethylformamide (DMF), $N,N$-dimethylacetamide (DMAc) hoặc dichloromethane [27, 201] – vốn đang chịu kiểm soát nghiêm ngặt theo quy định REACH của Liên minh Châu Âu [108, 230].

Khoảng trống nghiên cứu (research gap) cốt lõi được xác định là: (1) Thiếu vắng quy trình xanh khép kín chuyển đổi sinh khối phế phẩm nông nghiệp (bã mía) thành vật liệu màng lọc polymer có cấu trúc bất đối xứng ổn định; (2) Sự phụ thuộc vào dung môi độc hại trong kỹ thuật chuyển pha truyền thống; và (3) Hiệu suất loại bỏ kim loại nặng cùng khả năng kháng khuẩn, kháng tắc nghẽn (anti-fouling) còn hạn chế của màng siêu lọc (UF) đơn thuần.

Luận án giải quyết hệ thống 4 câu hỏi nghiên cứu ($RQ$) và 4 giả thuyết khoa học ($H$):

• $RQ_1$: Quy trình tối ưu nào cho phép chiết tách cellulose từ bã mía đạt độ tinh khiết cao để tổng hợp cellulose acetate có độ thế (DS) tối ưu cho chế tạo màng?
• $RQ_2$: Dung môi xanh Dimethyl sulfoxide (DMSO) có khả năng thay thế hoàn toàn các dung môi độc hại truyền thống trong việc tạo cấu trúc màng bất đối xứng hay không?
• $RQ_3$: Cơ chế biến tính đồng lắng đọng polydopamine (PDA) kết hợp hạt nano hai chiều $\text{Ag/}\delta\text{-MnO}_2$ ảnh hưởng như thế nào đến khả năng kháng khuẩn, kháng tắc nghẽn và hiệu suất tách ion kim loại nặng?
• $RQ_4$: Sự kết hợp giữa chất keo tụ sinh học tự nhiên từ hạt chùm ngây (Moringa oleifera) và màng lọc nano áp suất thấp có thể xử lý triệt để nước lũ đạt tiêu chuẩn QCVN 01-1:2018/BYT hay không?

Tương ứng với các câu hỏi trên là các giả thuyết:

• $H_1$: Xử lý kiềm kết hợp tẩy trắng bằng peroxide cho phép loại bỏ trên 90% lignin và hemicellulose, tạo tiền chất acetyl hóa hiệu quả.
• $H_2$: DMSO đóng vai trò dung môi xanh thúc đẩy quá trình tách pha không dung môi (NIPS) hình thành màng bất đối xứng có lớp da mỏng và cấu trúc mao quản ngón tay đồng đều.
• $H_3$: Phản ứng đồng lắng đọng nhanh PDA xúc tác bởi $\text{CuSO}_4/\text{H}_2\text{O}_2$ cố định bền vững nano $\text{Ag/}\delta\text{-MnO}_2$, nâng cao độ ưa nước, tạo gốc oxy phản ứng (ROS) diệt khuẩn 100% và tăng dung lượng hấp phụ kim loại.
• $H_4$: Quá trình keo tụ bằng dịch chiết Moringa oleifera loại bỏ cặn thô sẽ bảo vệ màng siêu lọc/lọc nano khỏi tắc nghẽn bề mặt, duy trì thông lượng ổn định.

Khung lý thuyết của công trình tích hợp: Lý thuyết nhiệt động học tách pha NIPS (Loeb-Sourirajan), Hóa học phối hợp bề mặt của oxide cấu trúc lớp Birnessite, Cơ chế Donnan và cản trở không gian trong lọc nano, cùng Động học hấp phụ dị thể. Phạm vi nghiên cứu thực nghiệm được thực hiện trên các mẫu nước lũ thực tế tại tỉnh Bình Định với độ đục biến thiên từ 253 đến 430 FTU. Luận án mang lại tác động định lượng đột phá: Chế tạo thành công màng lọc nano áp suất thấp có khối lượng ngắt phân tử (MWCO) đạt 1632 Da, tỷ lệ thu hồi thông lượng (FRR) vượt trên 94%, hiệu suất diệt khuẩn E. coli và Coliforms đạt 100%, đồng thời đưa nồng độ Pb(II) và Cr(VI) về dưới ngưỡng quy chuẩn quốc gia.

Literature Review và Positioning

Nghiên cứu về chuyển hóa sinh khối lignocellulose thành vật liệu màng đã trải qua nhiều giai đoạn phát triển. Dòng nghiên cứu tiên phong của Filho et al. [189] và Cerqueira et al. [32] tập trung tối ưu hóa phản ứng ester hóa bã mía bằng acetic anhydride nhưng chủ yếu ứng dụng cho tách khí hoặc màng mỏng thẩm thấu. Viera et al. [227] tổng hợp cellulose acetate từ bã mía với hàm lượng lignin dư 3,84%, trong khi Candido et al. [26] và Shaikh et al. [201] chứng minh rằng lượng lignin (5,05%) và hemicellulose (7,90%) còn lại đóng vai trò như chất hóa dẻo tự nhiên (internal plasticizer) và chất tạo lỗ xốp (pore-forming agent), giúp tăng cường độ xốp và tính ưa nước mà không làm suy giảm độ bền cơ lý của màng.

Sinh khối bã mía (Lignocellulose)
Cellulose tinh khiết (Loại >90% Lignin/Hemicellulose)
Cellulose Acetate (DS = 2,60 - 2,81)
Màng siêu lọc bất đối xứng (CAD, CADA, CAB)
Màng lọc nano áp suất thấp đa năng (CA/PDA-Ag/MnO2, MWCO = 1632 Da)

Tuy nhiên, tồn tại một cuộc tranh luận học thuật sâu sắc về việc lựa chọn hệ dung môi trong chế tạo màng NIPS:

• Quan điểm truyền thống (Traditional View): Các công trình của Mulder [176] và nhiều tác giả quốc tế khẳng định các dung môi phân cực phi proton mạnh như DMAc, DMF, NMP và dung môi halogen hóa (chloroform, dichloromethane) là không thể thay thế để đạt được dung dịch đúc màng có độ nhớt và tính tương hợp nhiệt động học tối ưu.
• Quan điểm bền vững đối lập (Green Chemistry View): Figoli et al. [230] và Yadav et al. [247] chỉ ra rằng các dung môi truyền thống có độc tính sinh thái cao, gây quái thai và nằm trong danh mục cấm sản xuất quy mô lớn tại Châu Âu. DMSO được đề xuất như một dung môi xanh vượt trội nhờ áp suất hơi cực thấp (0,6 mmHg ở 25 °C), nhiệt độ sôi cao (189 °C) và được Cục Bảo vệ Môi trường Hoa Kỳ (US EPA) xếp loại không gây nguy hại sức khỏe [53].

Về biến đổi bề mặt, nghiên cứu của Lee et al. [39, 89] về vật liệu lấy cảm hứng từ sinh học (mussel-inspired polydopamine - PDA) đã mở ra khả năng tự trùng hợp catecholamine. Tuy nhiên, tốc độ lắng đọng tự nhiên rất chậm (12–24 giờ). Gần đây, việc ứng dụng hệ xúc tác oxi hóa nhanh $\text{CuSO}_4/\text{H}_2\text{O}_2$ đã khắc phục rào cản thời gian. Trong lĩnh vực vật liệu nano oxide, Marius Gheju et al. [72] chứng minh $\text{MnO}_2$ có hoạt tính hấp phụ Cr(VI) mạnh, và Wang et al. [234, 244] khẳng định cấu trúc $\text{Ag/}\delta\text{-MnO}_2$ thúc đẩy giải phóng các tiểu phân oxy hoạt động (ROS), mang lại hiệu ứng diệt khuẩn hiệp đồng.

So sánh với các nghiên cứu quốc tế:

1. So sánh với màng thương mại Osmonics (Mỹ) và nghiên cứu của Nguyễn Hoài Châu et al. [2]: Màng CA thương mại có chi phí cao, khả năng kháng khuẩn nội tại bằng không và dễ bị suy giảm thông lượng do fouling sinh học. Màng $\text{CA/PDA-Ag/MnO}_2$ trong luận án này tích hợp khả năng tự làm sạch và ức chế vi sinh vật vượt trội.
2. So sánh với nghiên cứu màng sinh khối của Candido et al. [26] (Brazil): Công trình của Candido sử dụng dung môi chloroform/methanol độc hại để đúc màng phẳng, trong khi luận án của Đặng Thị Tố Nữ sử dụng DMSO đạt màng bất đối xứng có cấu trúc lớp da mỏng, kiểm soát kích thước lỗ và thông lượng dòng thấm cao hơn đáng kể.

Đóng góp lý thuyết và khung phân tích

Đóng góp cho lý thuyết

Luận án mở rộng và làm sâu sắc thêm 3 khung lý thuyết chuyên ngành:

1. Lý thuyết nhiệt động học tách pha NIPS của Loeb-Sourirajan: Mở rộng biểu đồ pha ba cấu tử (Cellulose Acetate – DMSO – Nước). Nghiên cứu làm sáng tỏ động học trao đổi dung môi - không dung môi: DMSO với độ phân cực cao tạo ái lực mạnh với nước, thúc đẩy quá trình phân tách pha lỏng - lỏng tức thời (instantaneous demixing), hình thành cấu trúc màng bất đối xứng gồm lớp chọn lọc siêu mỏng ($0,1 - 0,5\ \mu\text{m}$) bên trên và lớp đệm xốp dạng ngón tay bên dưới, tối ưu hóa sự cân bằng giữa độ bền cơ học và thông lượng thấm.
2. Lý thuyết hóa học phối hợp bề mặt của Oxide Mangan cấu trúc Birnessite ($\delta\text{-MnO}_2$): Làm sáng tỏ vai trò của cấu trúc bát diện $[\text{Mn}^{\text{IV}}\text{O}_6]$ với khoảng cách giữa các lớp $d = 0,7\text{ nm}$. Cấu trúc 2 chiều này cung cấp các vị trí trao đổi ion linh động giữa các lớp và nhóm hydroxyl bề mặt ($\equiv\text{Mn-OH}$), giải thích cơ chế tương tác tĩnh điện và tạo phức đơn nhân/đa nhân với cation $\text{Pb}^{2+}$ và oxyanion $\text{HCrO}_4^-$.
3. Lý thuyết xúc tác chuyển giao điện tử và tạo gốc tự do (ROS Generation Theory): Xác lập cơ chế phối hợp giữa hạt nano Ag và nền $\delta\text{-MnO}_2$. Sự dịch chuyển điện tử tại ranh giới dị thể $\text{Ag}-\text{MnO}_2$ tăng cường quá trình khử oxy hòa tan tạo ra các gốc tự do có hoạt tính oxy hóa cực cao ($\cdot\text{OH}$, $\text{H}_2\text{O}_2$, $\cdot\text{O}_2^-$), phá hủy màng tế bào và DNA của vi khuẩn.

Mô hình lý thuyết đề xuất bao gồm 3 mệnh đề khoa học:

• Mệnh đề 1 ($P_1$): Tỷ lệ acetyl hóa kiểm soát qua giá trị DS ($2,60 \le \text{DS} \le 2,81$) chi phối mật độ liên kết hydro liên phân tử và độ kết tinh tinh thể (CrI), quyết định tính hòa tan trong DMSO và cấu trúc xốp của màng.
• Mệnh đề 2 ($P_2$): Sự đồng lắng đọng PDA dưới xúc tác $\text{CuSO}_4/\text{H}_2\text{O}_2$ tạo ra lớp phủ mỏng giàu nhóm amine, imine và catechol, chuyển đổi tính chất bề mặt màng từ kỵ nước cục bộ sang siêu ưa nước, tạo lực đẩy thủy hóa ngăn chặn sự hấp phụ không thuận nghịch của protein BSA.
• Mệnh đề 3 ($P_3$): Khả năng loại trừ ion kim loại nặng của màng biến tính là kết quả hiệp đồng của hai cơ chế song song: hiệu ứng cản trở không gian kết hợp hiệu ứng Donnan (loại trừ tĩnh điện) và cơ chế hấp phụ hóa học trên các tâm hoạt tính nano $\text{MnO}_2$.

Khung phân tích độc đáo

Khung phân tích của luận án tích hợp đa tầng lý thuyết:

• Lý thuyết keo tụ DLVO (Derjaguin-Landau-Verwey-Overbeek): Ứng dụng giải thích cơ chế trung hòa điện tích và bắc cầu polymer của protein mang điện tích dương từ hạt chùm ngây (Moringa oleifera), nén lớp điện kép của các hạt keo đất sét trong nước lũ.
• Lý thuyết truyền khối qua màng (Solution-Diffusion and Pore Flow Models): Phân tích động lực áp suất xuyên màng, xác định khối lượng ngắt phân tử (MWCO) thông qua hệ số lưu giữ polyethylene glycol (PEG) với bán kính Stokes xác định.
• Mô hình đẳng nhiệt và động học hấp phụ dị thể: Tích hợp phương trình Langmuir, Freundlich, động học biểu kiến bậc 1 (Lagergren) và bậc 2 (Ho & McKay) để lượng hóa năng lượng liên kết và dung lượng hấp phụ cực đại ($q_m$).

Boundary Conditions (Điều kiện biên): Khung phân tích này áp dụng tối ưu cho các hệ dung dịch nước có pH từ 3,0 đến 8,0; nồng độ kim loại nặng ban đầu $C_0 \le 600\text{ ppm}$; nhiệt độ vận hành trong khoảng $20 - 40\ ^\circ\text{C}$; và áp suất lọc qua màng dao động từ 1 đến 6 bar.

Phương pháp nghiên cứu tiên tiến

Thiết kế nghiên cứu

Nghiên cứu được xây dựng trên lập trường thực chứng khoa học (Positivism) kết hợp chủ nghĩa hiện thực phê phán (Critical Realism), sử dụng thiết kế thực nghiệm đa tầng (Multi-level Experimental Design) từ mức độ nano - phân tử đến hệ thống lọc quy mô phòng thí nghiệm.

THIẾT KẾ THỰC NGHIỆM ĐA TẦNG (MULTI-LEVEL DESIGN)

Kích thước mẫu và tiêu chí lựa chọn:

• Sinh khối bã mía khô và hạt chùm ngây (Moringa oleifera) thu thập đồng nhất tại vùng duyên hải Bình Định.
• Mẫu nước lũ thực tế: Lấy tại các vùng ngập úng sâu lân cận Thành phố Quy Nhơn trong mùa bão lũ, gồm hai nguồn mẫu đại diện: Mẫu $M_{0-430}$ (Độ đục 430 FTU, pH = 7,12) và Mẫu $M_{0-253}$ (Độ đục 253 FTU, pH = 7,02).

Quy trình nghiên cứu rigorous

Quy trình lấy mẫu, vận chuyển và bảo quản tuân thủ nghiêm ngặt các tiêu chuẩn quốc gia và quốc tế: TCVN 6663-1:2011 (ISO 5667-1:2006), TCVN 6663-6:2008 (ISO 5667-6:2005), và TCVN 6663-3:2008 (ISO 5667-3:2003).

Triangulation (Tam giác đạc phương pháp & dữ liệu):

• Cấu trúc tinh thể và liên kết hóa học: Nhiễu xạ tia X (XRD, D8 Advance Bruker), Quang phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FT-IR, Nicolet 6700), Phổ cộng hưởng từ hạt nhân ($^1\text{H-NMR}$, Bruker 500 MHz), Phổ quang điện tử tia X (XPS, ESCALAB 250Xi).
• Hình thái và cấu trúc vi mô: Hiển vi điện tử quét (SEM, Hitachi S-4800) tích hợp phổ tán xạ năng lượng tia X (EDX mapping), Hiển vi điện tử truyền qua độ phân giải cao (HR-TEM, JEM-2100) kết hợp nhiễu xạ điện tử vùng lựa chọn (SAED), Hiển vi lực nguyên tử (AFM, Dimension Icon).
• Đặc trưng mao quản và nhiệt học: Đo diện tích bề mặt riêng và phân bố lỗ xốp bằng đẳng nhiệt hấp phụ - giải hấp phụ $\text{N}_2$ ở 77 K (BET-BJH, Micromeritics TriStar II), Phân tích nhiệt quét vi sai và nhiệt trọng lượng (DSC-TGA, Setaram).
• Tính chất bề mặt và hiệu năng phân tách: Đo góc thấm ướt tiếp xúc (Contact Angle Goniometer), Xác định hàm lượng nước ($WC$), Khối lượng ngắt phân tử (MWCO) bằng chuỗi PEG ($M_w = 600 - 20000\text{ Da}$), Phổ hấp thụ phân tử (UV-Vis) định lượng BSA và Cr(VI), Quang phổ phát xạ nguyên tử plasma cảm ứng (ICP-OES) định lượng Pb(II).
• Đánh giá vi sinh: Phương pháp đếm khuẩn lạc (CFU) trên đĩa thạch đối chứng và thạch dinh dưỡng đối với E. coli và Coliforms sau 24 giờ ủ tại $37\ ^\circ\text{C}$ và $44\ ^\circ\text{C}$.

Data và phân tích

Độ tin cậy và kiểm soát chất lượng (QA/QC): Mọi thí nghiệm đo đạc quang phổ và lọc màng đều được lặp lại độc lập 3 lần ($n=3$), độ lệch chuẩn tương đối ($\text{RSD}$) duy trì $< 5%$. Các giới hạn phát hiện (LOD) và giới hạn định lượng (LOQ) của phép phân tích ICP-OES đối với Pb(II) được xác định chính xác ở mức ppb.

Phân tích dữ liệu nâng cao:

• Giá trị DS của Cellulose Acetate được định lượng chính xác từ tích phân các mũi phổ $^1\text{H-NMR}$ theo công thức: $$\text{DS} = \frac{7 \times I_{\text{acetyl}}}{3 \times I_{\text{cellulose backbone}}}$$
• Phân tích độ nhám bề mặt màng bằng AFM qua các chỉ số: Độ nhám trung bình ($R_a$), Độ nhám căn trung bình bình phương ($R_q$), và Độ chênh lệch chiều cao cực đại ($R_{\max}$).
• Đánh giá khả năng kháng tắc nghẽn thông qua tỷ lệ thu hồi thông lượng (FRR), trở lực tắc nghẽn thuận nghịch ($R_r$) và trở lực tắc nghẽn không thuận nghịch ($R_{ir}$): $$\text{FRR} = \left(\frac{J_{w2}}{J_{w1}}\right) \times 100%$$
• Khảo sát tối ưu hóa quá trình keo tụ bằng mô hình Jartest đa biến: Chiều cao que khuấy (cách đáy $1,0 - 3,5\text{ cm}$), Thể tích dịch chiết ($1,0 - 6,0\text{ mL}$), Tốc độ khuấy nhanh ($100 - 250\text{ rpm}$ trong 3 phút) và Tốc độ khuấy chậm ($20 - 60\text{ rpm}$ trong $10 - 30\text{ phút}$).

Phát hiện đột phá và implications

Những phát hiện then chốt

Luận án công bố 5 phát hiện khoa học mang tính đột phá với đầy đủ bằng chứng thực nghiệm:

1. Tổng hợp thành công Cellulose Acetate chất lượng cao từ bã mía sử dụng dung môi xanh DMSO: Quy trình xử lý hai bước (NaOH 5% và $\text{H}_2\text{O}_2$ 5%/2%) loại bỏ thành công phần lớn lignin (giảm xuống dưới 3,5%) và hemicellulose. Quá trình ester hóa tạo ra các mẫu CA có độ thế cao: mẫu $\text{CA-0-14h}$ ($\text{DS} = 2,60$), $\text{CA-1-14h}$ ($\text{DS} = 2,67$) và $\text{CA-2-14h}$ ($\text{DS} = 2,81$). Phổ XRD và DSC-TGA xác nhận sự chuyển pha hoàn toàn từ cấu trúc tinh thể cellulose tự nhiên sang cellulose acetate vô định hình có độ ổn định nhiệt cao.
2. Chế tạo thành công màng siêu lọc bất đối xứng (CAD, CADA) có thông lượng cao vượt trội: Sử dụng DMSO làm dung môi xanh trong quy trình NIPS, màng tạo thành có cấu trúc mao quản ngón tay đồng đều. Màng CAD và CADA có góc thấm ướt thấp ($62,4^\circ - 65,8^\circ$), hàm lượng nước đạt $78,5 - 82,1%$, MWCO đạt mức dưới 200 kDa, hiệu suất loại bỏ protein huyết thanh bò (BSA) đạt trên $88,5%$, và thông lượng dòng thấm nước tinh khiết đạt mức ấn tượng ở áp suất thấp ($1 - 3\text{ bar}$).
3. Chế tạo màng lọc nano áp suất thấp $\text{CA/PDA-Ag/MnO}_2$ với MWCO siêu mịn 1632 Da: Bằng kỹ thuật đồng lắng đọng nhanh PDA và nano $\text{Ag/}\delta\text{-MnO}_2$ (xúc tác $\text{CuSO}_4/\text{H}_2\text{O}_2$), lớp phủ chức năng siêu mỏng được hình thành trên bề mặt màng CA. Kích thước lỗ xốp trung bình giảm xuống còn $1,84\text{ nm}$, đưa màng từ vùng siêu lọc chuyển hóa thành màng lọc nano áp suất thấp (Low-pressure NF).
4. Hiệu năng kháng tắc nghẽn và tự làm sạch vượt bậc: Màng biến tính $\text{CA/PDA-Ag/MnO}2\text{-2}$ đạt tỷ lệ thu hồi thông lượng $\text{FRR} > 94%$, trở lực tắc nghẽn không thuận nghịch ($R{ir}$) giảm triệt để xuống dưới $6%$, so với màng CA nguyên bản có FRR chỉ đạt $\sim 65%$. Hiệu suất phân tách protein BSA đạt đỉnh $> 96,2%$.
5. Hoạt tính diệt khuẩn 100% và hiệu suất hấp phụ/tách loại kim loại nặng xuất sắc:
   • Thử nghiệm đếm khuẩn lạc khẳng định màng $\text{CA/PDA-Ag/MnO}_2\text{-2}$ tiêu diệt hoàn toàn ($100%$, 0 CFU) vi khuẩn E. coli và Coliforms sau 24 giờ ủ nhờ cơ chế giải phóng ion $\text{Ag}^+$ và tạo gốc tự do ROS.
   • Dung lượng hấp phụ cực đại theo mô hình Langmuir đạt $q_{\max} = 38,46\text{ mg/g}$ đối với Cr(VI) (ở pH = 3,5) và $q_{\max} = 112,36\text{ mg/g}$ đối với Pb(II) (ở pH = 5,4). Quá trình hấp phụ tuân theo mô hình động học biểu kiến bậc 2 ($R^2 > 0,998$). Trong chế độ lọc động liên tục, màng xử lý triệt để dung dịch Pb(II) từ nồng độ $103,2\text{ ppb}$ xuống dưới $10\text{ ppb}$, đạt giới hạn khắt khe của Bộ Y tế.

Implications đa chiều

• Về mặt lý thuyết: Thiết lập thành công mô hình tương tác đa cấu tử giữa khung polymer sinh học, màng sinh học PDA và oxide kim loại chuyển tiếp 2D, đóng góp luận cứ mới cho chuyên ngành Hóa lý màng và Hóa học bề mặt.
• Về mặt phương pháp luận: Tiên phong xây dựng quy trình chế tạo màng NIPS xanh hoàn toàn (Zero-toxic solvent) kết hợp phương pháp lắng đọng hóa học nhanh có thể mở rộng quy mô công nghiệp (scalable).
• Về mặt thực tiễn và chính sách: Cung cấp giải pháp kỹ thuật hoàn chỉnh tích hợp 2 giai đoạn: (1) Tiền xử lý keo tụ bằng dịch chiết hạt chùm ngây (Moringa oleifera) giúp giảm $> 90%$ độ đục thô; (2) Lọc qua màng nano $\text{CA/PDA-Ag/MnO}_2$ áp suất thấp. Kết quả kiểm nghiệm độc lập tại Viện Sốt rét - Ký sinh trùng - Côn trùng Quy Nhơn, Trung tâm Kiểm soát Bệnh tật (CDC) Bình Định và Trung tâm Quan trắc TN&MT Bình Định xác nhận nước sau xử lý đạt 100% các chỉ tiêu hóa lý và vi sinh theo QCVN 01-1:2018/BYT.

Limitations và Future Research

Luận án thẳng thắn chỉ ra 4 giới hạn nghiên cứu:

1. Quy mô thực nghiệm: Các module màng mới dừng lại ở quy mô phòng thí nghiệm (diện tích hiệu dụng $12,56\text{ cm}^2$ đối với màng tấm phẳng), chưa thử nghiệm module sợi rỗng (hollow fiber) hoặc màng xoắn ốc (spiral wound) công suất lớn.
2. Độ bền lâu dài của lớp biến tính: Thử nghiệm rửa ngược và tái sử dụng dừng lại ở 5 chu kỳ hấp phụ - giải hấp; cần đánh giá độ bền cơ học và sự rửa trôi vết của Ag/Mn sau 12–24 tháng vận hành liên tục.
3. Chi phí hóa chất xúc tác: Dopamine hydrochloride thương mại vẫn có giá thành tương đối cao; cần nghiên cứu các monomer phenolic tự nhiên thay thế (như polyphenol từ trà xanh, tannin).
4. Biến thiên thành phần nước lũ: Nghiên cứu tập trung vào nguồn nước lũ miền duyên hải Nam Trung Bộ; các vùng ngập lụt nhiễm mặn hoặc nhiễm phèn nặng (Đồng bằng sông Cửu Long) đòi hỏi điều chỉnh cấu trúc màng để tăng khả năng khử mặn.

Chương trình nghiên cứu tiếp theo (Future Research Agenda):

• Phát triển module lọc màng trọng lực (gravity-driven membrane filtration) không cần dùng điện, tích hợp phễu lọc gia đình ứng dụng khẩn cấp trong vùng lũ.
• Nghiên cứu cơ chế chống bám bẩn sinh học (biofouling) dài hạn trong điều kiện dòng chảy liên tục (cross-flow long-term test).
• Thử nghiệm công nghệ xanh chiết xuất dopamine-like catechols từ vỏ thực vật để giảm giá thành sản xuất.
• Mở rộng ứng dụng màng $\text{CA/PDA-Ag/MnO}_2$ trong xử lý nước thải dệt nhuộm, nước thải xi mạ chứa phức kim loại hữu cơ khó phân hủy.

Tác động và ảnh hưởng

• Tác động học thuật: Mở ra hướng nghiên cứu liên ngành giữa Hóa lý sinh khối, Khoa học màng phân tách và Công nghệ vật liệu nano. Công trình đã công bố các bài báo khoa học chất lượng trên các tạp chí chuyên ngành quốc tế uy tín (thuộc hệ thống ISI/Scopus), thu hút tiềm năng trích dẫn cao trong cộng đồng nghiên cứu màng xanh toàn cầu.
• Chuyển đổi ngành công nghiệp mía đường: Gia tăng chuỗi giá trị cho ngành mía đường Việt Nam (vốn tạo ra hơn 4,5 triệu tấn bã mía/năm), chuyển đổi phế phẩm nông nghiệp giá trị thấp thành vật liệu kỹ thuật cao.
• Tác động xã hội và môi trường: Cung cấp phương thức cấp nước sạch khẩn cấp, tự chủ, chi phí thấp cho hàng triệu người dân vùng rốn lũ miền Trung, giảm thiểu tỷ lệ mắc các bệnh truyền nhiễm đường ruột, sốt xuất huyết và nhiễm độc kim loại nặng.

Đối tượng hưởng lợi

• Nghiên cứu sinh và Giới học thuật: Tiếp cận quy trình thực nghiệm chuẩn xác về hóa học dẫn xuất cellulose, phương pháp NIPS với dung môi xanh DMSO và kỹ thuật biến tính bề mặt màng bằng vật liệu nano 2D.
• Kỹ sư R&D và Doanh nghiệp công nghệ màng: Sở hữu công thức công nghệ khả thi để chế tạo màng siêu lọc/lọc nano áp suất thấp với chi phí nguyên liệu nội địa rẻ hơn 50–70% so với màng nhập khẩu.
• Các nhà hoạch định chính sách và Cơ quan phòng chống thiên tai: Có cơ sở khoa học vững chắc để đưa mô hình "Keo tụ Chùm ngây + Màng lọc Nano Sinh khối" vào cẩm nang ứng phó thiên tai quốc gia của Ban Chỉ đạo Quốc gia về Phòng chống Thiên tai và Bộ Y tế.

Câu hỏi chuyên sâu

1. Đóng góp lý thuyết độc đáo nhất của luận án là gì và đã mở rộng lý thuyết nào?
Trả lời: Đóng góp lý thuyết độc đáo nhất là việc mở rộng Lý thuyết tách pha NIPS của Loeb-Sourirajan trên hệ dung môi xanh DMSO kết hợp với Lý thuyết tạo gốc tự do ROS trên dị thể $\text{Ag/}\delta\text{-MnO}_2$. Luận án chứng minh rằng dung môi DMSO không chỉ thay thế hoàn toàn dung môi độc hại mà còn tạo ra cấu trúc lỗ xốp bất đối xứng tối ưu cho quá trình đồng lắng đọng lớp nano composite mỏng, tạo ra thế hệ màng lai đa cơ chế (sàng lọc kích thước + tương tác tĩnh điện Donnan + hấp phụ hóa học + oxy hóa khử diệt khuẩn).

2. Đổi mới phương pháp luận nổi bật khi so sánh với ít nhất 2 nghiên cứu quốc tế trước đây?
Trả lời: So với nghiên cứu của Candido et al. [26] (Brazil) dùng dung môi độc hại chloroform/methanol và nghiên cứu của Filho et al. [189] chỉ dừng lại ở màng đặc thẩm thấu, luận án của Đặng Thị Tố Nữ đã: (1) Tiên phong sử dụng DMSO làm dung môi xanh tạo màng bất đối xứng NIPS từ cellulose bã mía; (2) Ứng dụng hệ xúc tác oxi hóa nhanh $\text{CuSO}_4/\text{H}_2\text{O}_2$ rút ngắn thời gian polymer hóa dopamine từ 24 giờ xuống dưới 1 giờ, cố định đồng thời nano 2D $\delta\text{-MnO}_2$ và nano Ag lên bề mặt màng mà không làm suy giảm cấu trúc nền.

3. Phát hiện bất ngờ nhất (counter-intuitive) có dữ liệu thực nghiệm chứng minh là gì?
Trả lời: Việc chuyển đổi màng siêu lọc (CAB ban đầu có MWCO $\sim 180\text{ kDa}$) thành màng lọc nano áp suất thấp ($\text{CA/PDA-Ag/MnO}_2\text{-2}$ có MWCO $1632\text{ Da}$, giảm hơn 100 lần kích thước lỗ cắt) nhưng thông lượng dòng thấm nước vẫn duy trì ở mức cao ($> 45\ \text{L/m}^2\cdot\text{h}\cdot\text{bar}$) và góc thấm ướt giảm ngoạn mục từ $68,5^\circ$ xuống $35,6^\circ$. Điều này trái ngược với quy luật thông thường là màng có lỗ xốp càng nhỏ thì trở lực càng lớn và lưu lượng càng suy giảm nghiêm trọng. Nguyên nhân do lớp biến tính PDA-Ag/$\text{MnO}_2$ tạo ra độ siêu ưa nước và tăng mật độ mao quản hoạt tính bề mặt.

4. Quy trình lặp lại (Replication Protocol) có được cung cấp chi tiết không?
Trả lời: Có, quy trình được mô tả chi tiết với đầy đủ thông số định lượng: Chiết bã mía với NaOH 5% ($100\ ^\circ\text{C}$, 2h), tẩy trắng $\text{H}_2\text{O}_2$ 5% ($80\ ^\circ\text{C}$, 3h); acetyl hóa với tỷ lệ bã mía : acetic anhydride : $\text{CH}_3\text{COOH}$ (xúc tác $\text{H}_2\text{SO}_4$, $50\ ^\circ\text{C}$, 14h); nung pha rắn tổng hợp $\delta\text{-MnO}_2$ từ $\text{KMnO}_4$ và $(\text{NH}_4)_2\text{C}_2\text{O}_4$ ở $550\ ^\circ\text{C}$; đúc màng NIPS với $15\text{ wt}%$ CA trong DMSO, thời gian bay hơi 30s trước khi ngâm đông tụ trong nước lạnh ($4\ ^\circ\text{C}$); biến tính bề mặt với dopamine $2\text{ g/L}$, $\text{CuSO}_4\ 5\text{ mM}$, $\text{H}_2\text{O}_2\ 20\text{ mM}$ và huyền phù nano $\text{Ag/MnO}_2$ ở $\text{pH} = 8,5$ (đệm Tris-HCl).

5. Chương trình nghiên cứu 10 năm (10-year Research Agenda) được vạch ra như thế nào?
Trả lời: Lộ trình 10 năm gồm 3 giai đoạn: (1) 2021–2024: Tối ưu hóa độ bền màng, thử nghiệm module lọc dạng cuộn xoắn (spiral wound) công suất $1 - 5\ \text{m}^3/\text{ngày}$; (2) 2025–2028: Xây dựng hệ thống lọc nước cơ động dùng năng lượng mặt trời hoặc áp suất trọng lực triển khai tại 5 tỉnh thường xuyên ngập lũ miền Trung; (3) 2029–2031: Chuyển giao công nghệ sản xuất màng sinh khối thương mại quy mô công nghiệp, thay thế hoàn toàn màng nhập khẩu trong các ứng dụng xử lý nước mặt và nước thải.

Kết luận

Luận án tiến sĩ của tác giả Đặng Thị Tố Nữ mang lại 6 đóng góp cốt lõi:

1. Xác lập quy trình công nghệ xanh khép kín từ khâu chiết tách sinh khối bã mía, ester hóa tạo cellulose acetate ($\text{DS} = 2,60 - 2,81$) đến chế tạo màng phân tách hoàn toàn không sử dụng dung môi độc hại.
2. Ứng dụng thành công DMSO làm dung môi xanh lý tưởng cho kỹ thuật NIPS, chế tạo màng siêu lọc bất đối xứng có cấu trúc mao quản đồng đều và độ bền cơ lý vượt trội.
3. Tổng hợp thành công vật liệu nano hai chiều $\delta\text{-MnO}_2$ cấu trúc lớp Birnessite và composite $\text{Ag/}\delta\text{-MnO}_2$ bằng phương pháp nung pha rắn thân thiện môi trường.
4. Phát triển kỹ thuật đồng lắng đọng nhanh PDA/Ag/$\text{MnO}_2$ xúc tác bởi $\text{CuSO}_4/\text{H}_2\text{O}_2$, chế tạo màng lọc nano áp suất thấp đa năng ($\text{MWCO} = 1632\text{ Da}$) với tính năng siêu ưa nước, kháng tắc nghẽn ($\text{FRR} > 94%$), diệt khuẩn $100%$ và loại bỏ triệt để ion kim loại nặng Pb(II), Cr(VI).
5. Tối ưu hóa điều kiện keo tụ tạo bông bằng chất keo tụ sinh học từ hạt chùm ngây (Moringa oleifera), thiết lập quy trình tiền xử lý nước đục không dùng hóa chất độc hại.
6. Hoàn thiện hệ thống xử lý tích hợp hai giai đoạn ("Keo tụ Chùm ngây + Lọc màng Nano sinh khối"), xử lý thành công nước lũ thực tế tại Bình Định đạt 100% tiêu chuẩn nước sinh hoạt ăn uống QCVN 01-1:2018/BYT, tạo di sản khoa học ứng dụng có giá trị nhân văn và phát triển bền vững sâu sắc.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MỞ ĐẦU. Lý do chọn đề tài. Mục đích nghiên cứu. Đối tượng và phương pháp nghiên cứu.

Nội dung nghiên cứu của luận án. Những đóng góp mới của luận án. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài. Thực trạng ô nhiễm môi trường nước.

Sơ lược về nước lũ. Chất rắn lơ lửng. Vi sinh vật gây bệnh. Động vật đơn bào (Protozoa).

Kim loại nặng. Phân loại màng lọc. Phân loại theo cấu trúc màng. Phân loại theo các quá trình màng động lực áp suất.

Sự phân cực nồng độ và tắc màng (fouling). Tổng quan về bã mía, cellulose và cellulose acetate. Giới thiệu bã mía và cellulose. Tổng quan về cellulose acetate.

Giới thiệu về nano -MnO2 và Ag/MnO2. Một số phương pháp chế tạo màng. Phương pháp đảo pha ứng dụng chế tạo màng bất đối xứng. Phương pháp biến đổi bề mặt.

Giới thiệu về hạt chùm ngây và một số nghiên cứu keo tụ. Giới thiệu một số vấn đề nghiên cứu trong hấp phụ. Nghiên cứu đẳng nhiệt hấp phụ. Mô hình động học hấp phụ.

THỰC NGHIỆM VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU. Hóa chất, dụng cụ và thiết bị. Dụng cụ và thiết bị. Chiết tách cellulose từ bã mía và xác định hàm lượng thành phần hoá học.

Quy trình chiết tách cellulose .1 Quy trình 1 (cellulose thu được đặt tên là CE-0). Quy trình 2 (mẫu cellulose thu được gọi là CE-1). Quy trình 3 (cellulose thu được gọi là CE-2). Xác định hàm lượng thành phần hoá học.

Xác định hàm lượng Klason lignin. Xác định hàm lượng hemicellulose và cellulose. Tổng hợp cellulose acetate và xác định các giá trị độ thay thế, khối lượng phân tử trung bình theo độ nhớt. Tổng hợp cellulose acetate.

Xác định độ thay thế DS. Xác định độ nhớt theo phương pháp điểm đơn. Tổng hợp vật liệu nano MnO2 và Ag/MnO2. Tổng hợp vật liệu MnO2.

Tổng hợp nano Ag/MnO2. Điều chế và biến tính màng lọc từ các cellulose acetate tổng hợp và dung môi DMSO. Điều chế màng bất đối xứng CAD và CADA. Điều chế màng siêu lọc-hấp phụ pha trộn nano MnO2 vào ma trận polymer cellulose acetate.

Biến tính bề mặt màng cellulose acetate với dopamine và Ag/MnO2. Xác định các đại lượng đặc trưng màng. Xác định khối lượng ngắt phân tử (MWCO), kích thước lỗ xốp trung bình và sự phân bố kích thước lỗ xốp của màng. Xác định hàm lượng nước.

Xác định thông lượng dòng thấm, khả năng kháng tắc nghẽn và hiệu suất phân tách BSA của các màng chế tạo. Thông lượng dòng thấm (J). Tỉ lệ thu hồi thông lượng và các trở lực của màng. Hiệu suất phân tách BSA.

Nghiên cứu khả năng hấp phụ Cr(VI) và Pb(II) của vật liệu màng. Khảo sát thời gian đạt cân bằng hấp phụ. Khảo sát ảnh hưởng của pH dung dịch. Khảo sát nồng độ ban đầu của Cr(VI) và Pb(II).

Lọc động và tái sử dụng của màng chế tạo với dung dịch Pb(II). Nghiên cứu tái sử dụng màng. Khảo sát đặc tính kháng khuẩn của vật liệu chế tạo được theo phương pháp đếm khuẩn lạc. Nghiên cứu các điều kiện tối ưu cho quá trình keo tụ tạo bông với dịch chiết chùm ngây.

Xác định khoảng cách que khuấy so với đáy cốc thủy tinh .2 Thí nghiệm xác định thể tích dịch chiết chùm ngây tối ưu. Thí nghiệm xác định tốc độ khuấy tối ưu. Tốc độ khuấy nhanh duy trì trong thời gian 3 phút đầu. Tốc độ khuấy chậm duy trì trong thời gian sau 3 phút đầu.

Kết hợp tiền xử lý keo tụ bằng dịch chiết chùm ngây với siêu lọc xử lý một số mẫu nước lũ ở địa phương. Các phương pháp nghiên cứu đặc trưng vật liệu. Phương pháp phổ tán xạ năng lượng tia X (EDX). Phương pháp nhiễu xạ tia Rơnghen (XRD).

Phương pháp nghiên cứu cấu trúc hình thái học của vật liệu. Phương pháp phổ hồng ngoại (IR). Phương pháp đẳng nhiệt hấp phụ - giải hấp phụ nitơ ở 77K (BET). Phương pháp phổ hấp thụ phân tử (UV-Vis).

Phương pháp đo góc thấm ướt. Phương pháp phân tích nhiệt. Phương pháp phổ quang điện tử tia X (XPS). Phương pháp hiển vi lực nguyên tử AFM.

Phương pháp phổ cộng hưởng từ hạt nhân 1H-NMR. Phương pháp quang phổ phát xạ nguyên tử plasma cảm ứng (ICP-OES). KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN. Đặc trưng bã mía và cellulose.

Thành phần hoá học. Phổ FT-IR. Giản đồ nhiễu xạ tia X của các mẫu cellulose chiết được. Đặc trưng cellulose acetate.

Phân tích phổ FT-IR. Độ thay thế, độ nhớt và khối lượng phân tử trung bình theo độ nhớt. Giản đồ nhiễu xạ tia X của các mẫu cellulose acetate. Phân tích nhiệt (DSC-TGA).

Đặc trưng của màng bất đối xứng CAD và CADA. Phân tích ảnh SEM. Phân tích nhiệt quét vi sai. Phân tích hiển vi lực nguyên tử (AFM).

Kết quả hàm lượng nước và góc thấm ướt. Đánh giá hiệu suất tách protein BSA và khả năng kháng tắc nghẽn của màng CAD và CADA. Khối lượng ngắt phân tử, kích thước lỗ trung bình và sự phân bố kích thước lỗ của màng CAD và CADA. Đặc trưng vật liệu -MnO2 và Ag/MnO2.

Giản đồ nhiễu xạ tia X. Kết quả SEM và EDX. Kết quả TEM. Kết quả BET.

Đặc trưng cho vật liệu màng biến tính CA/MnO2 và CA/PDA-Ag/MnO2. Đặc trưng vật liệu màng CA/MnO2. Đặc trưng vật liệu màng CA/PDA và CA/PDA-Ag/MnO2. Kết quả phân tích nhiệt của màng CAB, CA/MnO2, CA/PDA và màng CA/PDA-Ag/MnO2.

Khối lượng ngắt phân tử và sự phân bố kích thước lỗ của các màng CAB, CA/MnO2-2, CA/PDA-2 và CA/PDA-Ag/MnO2-2. Khả năng kháng tắc nghẽn của màng CAB, CA/MnO2-2, CA/PDA-2 và màng CA/PDA-Ag/MnO2-2. Kết quả kháng khuẩn của vật liệu màng CA/MnO2-2, CA/PDA-2 và CA/PDA- Ag/MnO2-2. Kết quả phân tách Pb(II) và Cr(VI) của các màng CA và màng CA biến tính.

Nghiên cứu hấp phụ tĩnh. Thời gian đạt cân bằng hấp phụ. Ảnh hưởng của pH. Nghiên cứu mô hình động học hấp phụ.

Nghiên cứu đẳng nhiệt hấp phụ. Nghiên cứu hấp phụ động. Nghiên cứu tái sử dụng của màng chế tạo. Khảo sát các điều kiện tối ưu khi keo tụ với dịch chiết hạt chùm ngây.

Khảo sát độ cao cánh khuấy cách đáy của que khuấy trong mô hình Jartest126 3. Khảo sát thể tích dịch chiết chùm ngây tối ưu để xử lý keo tụ tạo bông đối với nước lũ. Mẫu nước lũ (M0-430) có độ đục 430 FTU, pH=7,12. Mẫu nước lũ (M0-253) có độ đục 253 FTU, pH=7,02.

Khảo sát tốc độ khuấy. Khảo sát tốc độ khuấy nhanh duy trì trong thời gian 3 phút đầu. Khảo sát tốc độ khuấy chậm duy trì trong thời gian sau 3 phút đầu. Kết quả xử lý các chất ô nhiễm, vi khuẩn có trong nước lũ bằng quá trình kết hợp giữa tiền xử lý bằng dịch chiết hạt chùm ngây với màng lọc CA/PDA-Ag/MnO2 131 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ.

136 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ. 138 TÀI LIỆU THAM KHẢO. 139 PHỤ LỤC DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT STT Chữ viết tắt Từ Tiếng Anh Từ Tiếng Việt 1 AFM Atomic force microscopy Hiển vi điện tử lực 2 BET Brunauer-Emmet-Teller - 3 BOD Biochemical oxygen Demand Nhu cầu oxi sinh hoá 4 BSA Bovine serum albumin Huyết thanh bò 5 BYT - Bộ y tế 6 CA Cellulose acetate - 7 CDA Cellulose diacetate - 8 CE Cellulose - 9 COD Chemical Oxygen Demand Nhu cầu oxi hóa học 10 Cr Chromium Crôm 11 CrI Crystallinity index Chỉ số độ tinh thể 12 CTA Cellulose triacetate - 13 DMAc Dimethyl acetamide - 14 DMF N-dimethylformamide - 15 DMSO Dimethyl sulfoxide - 16 DS Degree of substitution Độ thay thế Differential scanning Phân tích nhiệt quét vi 17 DSC calorimetry sai Energy-dispersive X-ray Phổ tán xạ năng lượng 18 EDX spectroscopy tia X Environmental Protection 19 EPA Cục bảo vệ môi trường Agency Tỉ lệ thu hồi thông 20 FRR Flux Recovery Ratio lượng 21 FTU Formazin Turbidity Unit Đơn vị đo độ đục Quang phổ phát xạ Inductively coupled plasma- 22 ICP-OES plasma optical emission spectrometry cảm ứng 23 LbL Layer-by-Layer Từng lớp 24 LOD Limit of detection Giới hạn phát hiện 25 LOQ Limit of quantification Giới hạn định lượng 26 MF Microfiltration Vi lọc Khối lượng ngắt phân 27 MWCO Molecular weight cut-off tử 28 NF Nanofiltration Lọc nano Non-solvent induced phase Phân tách pha không 29 NIPS separation dung môi 30 Pb Lead Chì Thông lượng dòng 31 Pw Water permeability thấm trung bình 32 PEG Polyethylene glycol - 33 QCVN - Quy chuẩn Việt Nam Thermally induced phase 34 TIPS Phân tách pha nhiệt separation Phân tích nhiệt trọng 35 TGA Thermo Gravimetric Analysis lượng 36 SB Sugarcance bagasse Bã mía Selected‐Area Electron Nhiễu xạ điện tử vùng 37 SEAD Diffraction lựa chọn Scanning Electron 38 SEM Hiển vi điện tử quét Microscopy 39 RO Reverse Osmosis Thẩm thấu ngược Tiểu phân oxygen hoạt 40 ROS Reactive Oxygen Species động 41 UF Ultrafitration Màng siêu lọc Vapour induced phase 42 VIPS Phân tách pha hơi separation 43 TCVN - Tiêu chuẩn Việt Nam Transmission electron Hiển vi điện tử truyền 44 TEM microscopy qua X-ray Photoelectron 45 XPS Phổ quang điện tử tia X Spectroscopy 46 XRD X-Ray diffraction Nhiễu xạ tia X 47 WC Water content Hàm lượng nước DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 2. Các thông số và kí hiệu của màng được chế tạo.

Các thông số và kí hiệu của màng được chế tạo. Các thông số biến tính bề mặt và nhãn được chỉ định của các màng. Thành phần hoá học của bã mía và cellulose chiết được. Chỉ số độ tinh thể của các mẫu cellulose.

Kết quả đánh giá vật liệu cellulose acetate. Các giá trị tích phân của các pic trong phổ 1H-NMR và DS. Các thông số độ nhám AFM bề mặt của màng CAD và CADA. Hàm lượng nước và góc thấm ướt của màng CAD và CADA.

Kết quả khảo sát thông lượng dòng thấm của màng CAD và CADA với nước cất, dung dịch BSA và nước cất sau làm sạch. Kết quả khảo sát thông lượng, tỉ lệ thu hồi thông lượng và các trở lực của màng CAD và CADA. Kích thước lỗ trung bình, độ lệch chuẩn hình học và khối lượng ngắt phân tử của màng CAD và CADA. Phần trăm khối lượng của các nguyên tử theo phổ EDX của vật liệu K- -MnO2, H--MnO2 và Ag/MnO2.

Các thông số đặc trưng BET của hai vật liệu H- δ-MnO2 và Ag/MnO2. Các thông số độ nhám bề mặt AFM của các màng CAB và CA/MnO2. Các thông số độ nhám AFM của các màng CAB, CA/PDA-2 và CA/PDA- Ag/MnO2-2 .