Đặt vấn đề Việt Nam với mục tiêu hướng tới năm 2030, tầm nhìn đến năm 2045, trong giai đoạn năm 2030 hoàn thành mục tiêu công nghiệp hóa, hiện đại hóa và cơ bản thành nước công nghiệp theo hướng hiện đại. Từ đó, làm nền tảng cho giai đoạn sau, tầm nhìn đến năm 2045 Việt Nam trở thành nước công nghiệp phát triển hiện đại, [1]. Bảo vệ môi trường không đi đôi với tốc độ phát triển là một trong những nguyên nhân chính dẫn đến tình trạng ô nhiễm môi trường ngày càng gia tăng, đặc biệt là môi trường nước. Nước thải từ các khu công nghiệp chưa được xử lý đúng mức cũng là nguyên nhân làm tăng thêm lượng chất ô nhiễm vào nguồn tiếp nhận.
Các doanh nghiệp đứng trước thực trạng đó áp dụng một số phương pháp xử lý nước thải nhằm cải thiện môi trường nước. Ngày nay, cùng với sự gia tăng các hoạt động công nghiệp hiện đại là việc sản sinh các chất thải nguy hại, tác động tiêu cực trực tiếp đến môi trường, đặc biệt là sự ảnh hưởng nghiêm trọng của môi trường nước. Các hoạt động khai thác mỏ, công nghiệp thuộc da, công nghiệp điện tử, mạ điện, lọc hóa dầu, công nghệ dệt nhuộm hay ngành chăn nuôi công nghiệp, [2]. Đã tạo ra các nguồn ô nhiễm môi trường nước chính chứa các kim loại nặng như Cu, Zn, Pb, Ni, As.
Bên cạnh đó, lượng lớn những hợp chất hữu cơ và vô cơ cũng như hàm lượng cao của các chỉ tiêu COD, BOD, N-total, NH3+, PO43-, P-total, TSS gây nên sự ô nhiễm nguồn nước như hiện tượng phú nhưỡng hóa, mùi độc hại, sự cạn kiệt lượng oxy hòa tan. Ngoài ra, những chất này có liên quan trực tiếp đến các biến đổi gan, ung thư cũng như ảnh hưởng nghiêm trọng đến môi trường dù chỉ ở hàm lượng nhỏ. Do đó, nghiên cứu tách các chất ô nhiễm độc hại từ các nguồn nước bị ô nhiễm là vấn đề quan trọng nhằm bảo vệ sức khỏe cộng đồng và thu hút sự quan tâm của nhiều nhà khoa học. Các phương pháp khác nhau bao gồm kết tủa hóa học, trao đổi ion, xử lý sinh học và phương pháp hấp phụ đã được sử dụng để loại bỏ các chất ô nhiễm này khỏi nước thải [3].
So với các phương pháp khác, hấp phụ là một phương pháp kinh tế và hiệu quả để loại bỏ các chất gây ô nhiễm nói trên, đặc biệt là các chất từ các dung dịch rất loãng [4,5]. Theo một số tài liệu và khảo sát chuyên sâu chúng tôi nhận thấy trong Chitosan có chứa gốc amin và gốc hydroxyl nên có thể được sử dụng làm vật liệu hấp phụ các cation 1 do an và anion. Việc nghiên cứu các vật liệu từ Chitosan để ứng dụng làm vật liệu hấp phụ sẽ có ý nghĩa thực tiễn trong việc sử dụng một cách có hiệu quả, giảm thiểu khả năng gây ô nhiễm môi trường, đồng thời tạo ra một loại vật liệu hấp phụ rẻ tiền từ nguồn nguyên liệu có nguồn gốc từ tự nhiên. Vật liệu hấp phụ sau khi được sử dụng thường là thu hồi để tái chế hoặc loại bỏ trực tiếp, [6].
Vì vậy, chúng tôi chọn đề tài: “Nghiên cứu chế tạo biến tính cấu trúc Chitosan với liên kết Tripolyphosphate trong việc tái sử dụng hấp phụ PO43- trên hạt vật liệu đã hấp phụ Cu2+” nhằm tối ưu hiệu năng sử dụng của vật liệu có nguồn gốc tự nhiên và giá thành thấp này. Chitosan sau khi hấp phụ bão hòa các ion kim loại thường được thu hồi trong dung dịch axit loãng. Tuy nhiên, trong nghiên cứu này, chúng tôi tái sử dụng hạt Chitosan sau khi hấp phụ Cu2+ được áp dụng trực tiếp để hấp phụ PO43- trong nước thải. Nhằm mục đích mang lại hiệu quả kinh tế cao hơn.
Tính cấp thiết của đề tài Ion Cu2+ và phosphte được phát sinh và tồn tại trong dòng nước thải của nhiều ngành công nghiệp với nồng độ vượt quá giới hạn cho phép sẽ gây những tác động tiêu cực đến môi trường. Bên cạnh đó, chi phí xử lý ô nhiễm thấp cũng như là vật liệu hấp phụ được chế tạo từ nguồn tự nhiên, dồi dào hay giá thành thấp ngày càng được ưu tiên quan tâm. Vì vậy, việc áp dụng các phương pháp xử lý hiệu quả với chi phí thấp như hấp phụ với vật liệu Chitosan trong môi trường gia tăng nhanh ô nhiễm là rất cấp thiết. Mục tiêu nghiên cứu Nghiên cứu tổng hợp tạo hạt Chitosan từ Chitosan làm vật liệu hấp phụ, giá thành thấp, thân thiện với môi trường để xử lý Cu2+ và áp dụng trực tiếp xử lý PO43- trong môi trường nước.
Đối tượng, phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu là: - Vật liệu: Hạt Chitosan - Nồng độ ion Cu2+ trong nước thải - Nồng độ ion PO43- trong nước thải Phạm vi nghiên cứu 2 do an Thực nghiệm được tiến hành tại phòng thí nghiệm trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật thành phố Hồ Chí Minh-Khoa Công nghệ Hóa học và Thực phẩm-Phòng thí nghiệm phân tích môi trường. Phương pháp nghiên cứu Các phương pháp được sử dụng là: - Phương pháp nghiên cứu lí thuyết: phương pháp này được thực hiện bằng cách thu thập tài liệu trong nước và ngoài nước liên quan đến nội dung nghiên cứu như: sách chuyên ngành như sách Hóa kỹ thuật Môi trường (PGS. Nguyễn Văn Sức), các bài báo khoa học trong và ngoài nước… - Phương pháp thực nghiệm: là một phương pháp mang tính chất quan trọng trong quá trình nghiên cứu, các thao tác trong thí nghiệm phải được thực hiện cẩn thận, logic, chi tiết, tỉ mỉ nhằm mang lại kết quả nghiên cứu ít sai số nhất. - Phương pháp so sánh: Dùng để đối chiếu các kết quả đã nghiên cứu với nhau nhằm chọn ra kết quả mang lại hiệu suất hấp phụ cao.
- Phương pháp xử lý số liệu: Các số liệu được xử lý trên bảng biểu, các số liệu được xử lý trên Microsoft Word và Microsoft Excel. - Phương pháp phân tích, đánh giá: Phân tích cấu trúc, hình thái của vật liệu bằng SEM, phân tích phổ đồ FT-IR để tìm ra các nhóm chức liên quan. - Phương pháp đồ thị: Sử dụng đồ thị để diễn đạt các số liệu đã qua xử lý để có cái nhìn trực quan hơn và dễ dàng đánh giá, nhận xét chính xác hơn. Nội dung nghiên cứu Các nội dung mà đề tài cần đạt là: - Khảo sát, lựa chọn, chế tạo và phân tích cấu trúc đặc trưng để thu được vật liệu đáp ứng mục tiêu hiệu quả cao trong việc hấp phụ chất ô nhiễm.
- Nghiên cứu điều kiện tối ưu bao gồm pH, thời gian tiếp xúc, nồng độ chất ô nhiễm đầu vào, kích thước vật liệu ảnh hưởng đến việc vận hành hấp phụ quy mô phòng thí nghiệm. - Nghiên cứ động học hấp phụ để khảo sát tốc độ hấp phụ thông qua mô hình giả động bậc I (PFO kinetic) và bậc II (PSO kinetic). 3 do an - Nghiên cứu xây dựng đường hấp phụ đẳng nhiệt (Isotherm model) theo Langmuir và Freundlich để xác định công suất hấp phụ cực đại (maximum adsorption capacity, Qmax) trong mô hình hấp phụ dạng mẻ. - Nghiên cứu xây dựng mô hình hấp phụ dạng cột nhồi với các mô hình tương thích nhằm đánh giá khả năng triển khai quy mô thực tế.
- Đánh giá khả năng tái sử dụng của vật liệu. Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn của đề tài Ý nghĩa khoa học: Vật liệu hấp phụ ion kim loại nặng và Phosphate trong nước thải, giảm thiểu tính độc và ngăn ngừa sự phát tán thành phần nguy hại ra môi trường nhằm ngăn chặn sự ảnh hưởng của thành phần nguy hại đến môi trường và con người. Ngoài ra còn giúp tăng tính mỹ quan cho nước thải đầu ra. Kết quả của đề tài còn là cơ sở khoa học để tiếp tục phát triển nghiên cứu về tính chất hấp phụ của vật liệu hạt Chitosan đối với các kim loại nặng.
Ý nghĩa thực tiễn: Về môi trường: Đạt chuẩn xả thải 08-MT:2015/BTNMT-Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về chất lượng nước mặt và 40:2011/BTNMT - Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về nước thải công nghiệp, góp phần cải thiện tình trạng ô nhiễm đang gây báo động hiện nay. Về kinh tế: Đề xuất đưa vào sử dụng vì loại vật liệu này dễ điều chế, đặc biệt có thể tái sử dụng, giá thành tương đối rẻ, phù hợp với điều kiện của nước ta, mang lại nhiều triển vọng mới cho ngành xử lí nước thải. Tình hình nghiên cứu trong nước và ngoài nước Trên thế giới Chitosan là một trong những vật liệu được nghiên cứu rộng rãi trong việc hấp phụ để xử lý các chất gây ô nhiễm. Các nhà nghiên cứu làm biến tính Chitosan bằng cách kết hợp với những chất khác nhằm tạo ra được các vật liệu tối ưu có thể ứng dụng vào thực tiễn.
Nhờ vào khả năng ứng dụng đa dạng của chitosan, nên việc nghiên cứu và áp dụng vào thực tế ngày càng phát triển, đặc biệt là trong ứng dụng môi trường. 4 do an Trong nghiên cứu “Nghiên cứu chế tạo Màng Chitosan tạo liên kết ngang ion với Sodium Tripolyphosphate ứng dụng loại bỏ Axit Humic” của tác giả Chunxiu Liu, Renbi Bai, Li Nan nghiên cứu cho thấy khi tạo liên kết ngang ion màng trở nên lịnh hoạt và đồng thời cải thiện tính ổn định hóa học của màng Chitosan, [147]. Thawachinee Buranachai và cộng sự đã nghiên cứu “Hạt Chitosan/Polyethylene Glycol tạo liên kết ngang ion với Tripolyphosphate và Glutaraldehyde để truyền thuốc qua đường tiêu hóa” [148]. Thông qua bài nghiên cứu, tác giả nhận thấy rằng hạt CS liên kết chéo bị với TPP được chứng minh theo các nghiên cứu trước đây là làm tăng dược chất hiệu quả tải và kéo dài thời gian giải phóng thuốc.
Shap-Jung Wu và cộng sự đã nghiên cứu “Đặc tính cấu trúc hạt Chitosan rỗng trong việc hấp phụ Đồng, bằng cách tạo hạt chitosan liên kết ngang ion với tripolyphosphate”, tăng khả năng hấp phụ ion Cu(II).Bhumkar, Varsha Pokharkar đã nghiên cứu ảnh hưởng của pH đến khả năng tạo liên kết ngang ion của Chitosan với Sodium Tripolyphosphate, [102]. Kết quả nghiên cứu cho thấy pH của Sodium Tripolyphoshate có ảnh hưởng đến khả năng tạo hạt. Ở Việt Nam Trường đại học Khoa học Tự Nhiên, ĐHQG-HCM, ứng dụng Chitosan trong lĩnh vực y học, nghiên cứu chế tạo chitosan tải insulin sử dụng tác nhân tạo liên kết ngang Sodium Tripolyphosphate do Đinh Thị Huyền Trang và cộng tác viên thực hiện để thu được hiệu suất tải thuốc cao nhất, [144]. Phạm Thị Phương Thùy, Lê Thái Hoàng, Trương Thị Nhung, Nguyễn Thị Cẩm Tuyên tại trường Đai học Công nghiệp Thực Phẩm TP.HCM đã nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình chế tạo vật liệu Chitosan dạng hạt với cấu trúc rỗng.