Tổng quan nghiên cứu

Xanh metylen (MB) là một loại thuốc nhuộm cation phổ biến trong ngành dệt nhuộm, có tính bền vững cao và khó phân hủy trong môi trường nước, gây ô nhiễm nghiêm trọng và ảnh hưởng xấu đến sức khỏe con người cũng như hệ sinh thái. Theo ước tính, lượng bùn đỏ thải ra từ hai nhà máy alumin Tân Rai và Nhân Cơ ở Tây Nguyên đạt khoảng 1,2 - 1,3 triệu tấn mỗi năm, với pH > 12, gây nguy cơ ô nhiễm môi trường nghiêm trọng. Việc tái sử dụng bùn đỏ làm vật liệu hấp phụ để xử lý các chất ô nhiễm như xanh metylen trong nước thải là hướng nghiên cứu cấp thiết và có ý nghĩa thực tiễn lớn.

Mục tiêu nghiên cứu là chế tạo thành công vật liệu tổ hợp graphen - bùn đỏ Tân Rai bằng phương pháp điện hóa siêu âm, đồng thời ứng dụng vật liệu này để xử lý xanh metylen trong môi trường nước thông qua phương pháp hấp phụ. Nghiên cứu được thực hiện trong phạm vi sử dụng bùn đỏ lấy từ nhà máy alumin Tân Rai và graphen chế tạo bằng phương pháp điện hóa siêu âm, với các thí nghiệm hấp phụ xanh metylen trong điều kiện phòng thí nghiệm tại Việt Nam.

Nghiên cứu góp phần phát triển vật liệu hấp phụ mới có hiệu quả cao, thân thiện môi trường, tận dụng nguồn nguyên liệu phụ phẩm công nghiệp, đồng thời cung cấp giải pháp xử lý nước thải dệt nhuộm hiệu quả, giảm thiểu ô nhiễm môi trường nước và bảo vệ sức khỏe cộng đồng.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên hai mô hình đẳng nhiệt hấp phụ chính: mô hình Langmuir và mô hình Freundlich. Mô hình Langmuir giả định hấp phụ đơn lớp trên bề mặt đồng nhất với các vị trí hấp phụ cố định, trong khi mô hình Freundlich là mô hình thực nghiệm mô tả hấp phụ trên bề mặt không đồng nhất với nhiều loại vị trí hấp phụ khác nhau.

Các khái niệm chính bao gồm:

  • Xanh metylen (MB): hợp chất dị vòng, cation, khó phân hủy, có công thức phân tử C16H18N3SCl.
  • Bùn đỏ: chất thải từ quá trình sản xuất nhôm oxit, chứa các oxit Fe2O3, Al2O3, SiO2, TiO2 với tính kiềm cao.
  • Graphen: lớp nguyên tử cacbon xếp thành mạng lưới tổ ong hai chiều, có tính chất vật lý và hóa học ưu việt, được sử dụng làm vật liệu hấp phụ.
  • Phương pháp điện hóa siêu âm: kết hợp điện hóa và sóng siêu âm để bóc tách graphen từ graphit và hoạt hóa vật liệu.
  • Phương pháp hấp phụ: quá trình loại bỏ chất ô nhiễm khỏi dung dịch bằng cách hấp phụ lên bề mặt vật liệu rắn.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính là bùn đỏ lấy từ nhà máy alumin Tân Rai và graphen được chế tạo từ thanh graphit tinh khiết 99,999%. Vật liệu tổ hợp graphen - bùn đỏ (RMGC) được tổng hợp bằng phương pháp điện hóa siêu âm trong dung dịch điện ly (NH4)2SO4 với pH=14, điện áp 15V, nhiệt độ 50-70°C trong 120 phút. Quá trình được thực hiện trong bể siêu âm để tăng hiệu quả bóc tách.

Phân tích vật liệu sử dụng các kỹ thuật hiện đại: hiển vi điện tử quét (SEM), hiển vi điện tử truyền qua (TEM), phổ tán sắc năng lượng tia X (EDX), nhiễu xạ tia X (XRD), phổ Raman, phổ hấp thụ UV-Vis, phổ hồng ngoại (FTIR), quang phổ quang điện tử tia X (XPS), và đo diện tích bề mặt riêng bằng phương pháp BET.

Phương pháp phân tích hấp phụ xanh metylen được thực hiện bằng phương pháp hấp phụ tĩnh, xác định nồng độ MB bằng phổ UV-Vis tại bước sóng 664 nm. Các yếu tố ảnh hưởng đến hấp phụ như pH, thời gian, nồng độ ban đầu và khối lượng vật liệu được khảo sát chi tiết. Cỡ mẫu thí nghiệm gồm nhiều bình tam giác với khối lượng vật liệu từ 0,01 đến 0,1 g, nồng độ MB từ 10 đến 100 mg/L, thời gian hấp phụ từ 30 đến 270 phút.

Thời gian nghiên cứu kéo dài trong năm 2020, tại các phòng thí nghiệm của Đại học Thái Nguyên và Đại học Giao thông Quốc gia Đài Loan.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Đặc điểm vật liệu tổ hợp RMGC:

    • SEM và TEM cho thấy RMGC là tổ hợp của các tấm graphen đa lớp xen kẽ với các hạt bùn đỏ kích thước khoảng 50 nm.
    • Phổ EDX xác định thành phần chính gồm C, O, Fe, Si, Al với Fe và O chiếm hàm lượng cao nhất.
    • XRD cho thấy sự xuất hiện các pha hematit (Fe2O3), gibbsite (Al(OH)3), thạch anh (SiO2) cùng với các đỉnh đặc trưng của graphen.
    • Phổ Raman thể hiện sự hoạt hóa graphen với tỷ số ID/IG tăng từ 0,13 (EEG) lên 0,95 (RMGC), cho thấy sự gia tăng khuyết tật và sự liên kết của các hạt bùn đỏ trên bề mặt graphen.
    • Diện tích bề mặt riêng của RMGC đạt khoảng 70,51 m²/g, gần bằng bùn đỏ (75,32 m²/g) và lớn hơn nhiều so với graphen đơn thuần (7,49 m²/g).

  2. Ảnh hưởng của pH đến hấp phụ MB:

    • Hiệu suất hấp phụ đạt tối đa khoảng 98% tại pH 6-7, giảm mạnh ở pH quá thấp hoặc quá cao.
    • Dung lượng hấp phụ qmax đạt 270,27 mg/g theo mô hình Langmuir, cao hơn nhiều so với các vật liệu hấp phụ truyền thống.

  3. Ảnh hưởng của thời gian và nồng độ ban đầu:

    • Thời gian cân bằng hấp phụ đạt khoảng 120 phút với hiệu suất hấp phụ trên 90%.
    • Dung lượng hấp phụ tăng theo nồng độ ban đầu, đạt tối đa ở 47,88 mg/L.

  4. So sánh với các vật liệu khác:

    • RMGC có dung lượng hấp phụ vượt trội so với bùn đỏ thô, graphen đơn thuần và nhiều vật liệu hấp phụ khác trong nước và quốc tế.
    • Mô hình hấp phụ Langmuir phù hợp với dữ liệu thực nghiệm (R²=0,9942), cho thấy hấp phụ đơn lớp trên bề mặt đồng nhất.

Thảo luận kết quả

Sự kết hợp giữa graphen và bùn đỏ tạo ra vật liệu tổ hợp có cấu trúc đa pha, tận dụng ưu điểm diện tích bề mặt lớn của bùn đỏ và tính chất hấp phụ ưu việt của graphen. Quá trình điện hóa siêu âm giúp bóc tách graphen hiệu quả, đồng thời hoạt hóa bề mặt vật liệu, tăng khả năng hấp phụ.

Hiệu suất hấp phụ cao tại pH trung tính phù hợp với điều kiện môi trường nước thải thực tế, giúp ứng dụng rộng rãi trong xử lý nước thải dệt nhuộm. So với các nghiên cứu trước đây sử dụng bùn đỏ hoặc graphen riêng lẻ, vật liệu RMGC thể hiện khả năng hấp phụ vượt trội, dung lượng hấp phụ cao hơn từ 2 đến 10 lần.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ hấp phụ theo thời gian, đồ thị đường chuẩn UV-Vis, và bảng so sánh dung lượng hấp phụ với các vật liệu khác, giúp minh họa rõ ràng hiệu quả của vật liệu tổ hợp.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Triển khai ứng dụng xử lý nước thải dệt nhuộm:

    • Áp dụng vật liệu RMGC trong hệ thống xử lý nước thải công nghiệp tại các làng nghề dệt nhuộm, mục tiêu giảm COD và màu nước xuống dưới quy chuẩn trong vòng 6-12 tháng.
    • Chủ thể thực hiện: các doanh nghiệp xử lý nước thải, cơ quan quản lý môi trường.

  2. Nâng cao quy trình sản xuất vật liệu:

    • Tối ưu hóa quy trình điện hóa siêu âm để tăng năng suất và giảm chi phí sản xuất vật liệu RMGC trong 12 tháng tới.
    • Chủ thể thực hiện: các phòng thí nghiệm nghiên cứu và doanh nghiệp công nghệ vật liệu.

  3. Nghiên cứu mở rộng ứng dụng:

    • Khảo sát khả năng hấp phụ các chất ô nhiễm khác như kim loại nặng, thuốc trừ sâu, thuốc kháng sinh trong môi trường nước trong 1-2 năm.
    • Chủ thể thực hiện: các viện nghiên cứu môi trường và hóa học.

  4. Phát triển công nghệ tái sử dụng vật liệu:

    • Xây dựng quy trình tái sinh vật liệu RMGC sau khi hấp phụ để giảm chi phí và tăng tính bền vững trong 1 năm.
    • Chủ thể thực hiện: các trung tâm nghiên cứu và doanh nghiệp xử lý nước thải.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Hóa học, Môi trường:

    • Học hỏi phương pháp chế tạo vật liệu tổ hợp graphen - bùn đỏ và ứng dụng hấp phụ xanh metylen.
    • Use case: phát triển đề tài nghiên cứu mới về vật liệu hấp phụ.

  2. Doanh nghiệp xử lý nước thải công nghiệp:

    • Áp dụng công nghệ vật liệu mới để nâng cao hiệu quả xử lý nước thải dệt nhuộm, giảm chi phí vận hành.
    • Use case: cải tiến hệ thống xử lý nước thải hiện có.

  3. Cơ quan quản lý môi trường và chính sách:

    • Tham khảo giải pháp công nghệ thân thiện môi trường, hỗ trợ xây dựng chính sách quản lý chất thải và nước thải.
    • Use case: đánh giá và khuyến khích áp dụng công nghệ xanh.

  4. Nhà sản xuất vật liệu và thiết bị công nghệ:

    • Nghiên cứu quy trình sản xuất vật liệu tổ hợp mới, mở rộng thị trường vật liệu hấp phụ.
    • Use case: phát triển sản phẩm vật liệu hấp phụ thương mại.

Câu hỏi thường gặp

  1. Vật liệu RMGC có thể tái sử dụng bao nhiêu lần?
    Nghiên cứu cho thấy vật liệu có khả năng tái sử dụng tốt, hiệu suất hấp phụ vẫn duy trì trên 85% sau 4-5 chu kỳ tái sinh, giúp giảm chi phí vận hành và tăng tính bền vững.

  2. Phương pháp điện hóa siêu âm có ưu điểm gì so với các phương pháp khác?
    Phương pháp này thân thiện môi trường, không sử dụng hóa chất độc hại, tăng tốc độ bóc tách graphen và hoạt hóa vật liệu hiệu quả, đồng thời giảm thời gian và năng lượng tiêu thụ.

  3. Hiệu quả hấp phụ của RMGC so với than hoạt tính như thế nào?
    RMGC có dung lượng hấp phụ xanh metylen lên đến 270 mg/g, cao hơn nhiều so với than hoạt tính truyền thống (khoảng 100-150 mg/g), đồng thời chi phí nguyên liệu thấp hơn do tận dụng bùn đỏ.

  4. Ảnh hưởng của pH đến quá trình hấp phụ ra sao?
    Quá trình hấp phụ đạt hiệu quả tối ưu ở pH trung tính (6-7), do tại pH này bề mặt vật liệu và ion MB có điện tích thuận lợi cho tương tác tĩnh điện và liên kết hóa học.

  5. Có thể ứng dụng vật liệu này để xử lý các loại thuốc nhuộm khác không?
    Vật liệu có tiềm năng hấp phụ các thuốc nhuộm cation khác nhờ cơ chế tương tác π-π và lực hút tĩnh điện, tuy nhiên cần nghiên cứu thêm để xác định hiệu quả cụ thể với từng loại thuốc nhuộm.

Kết luận

  • Đã chế tạo thành công vật liệu tổ hợp graphen - bùn đỏ Tân Rai (RMGC) bằng phương pháp điện hóa siêu âm với diện tích bề mặt riêng đạt 70,51 m²/g.
  • Vật liệu RMGC có khả năng hấp phụ xanh metylen cao với dung lượng hấp phụ cực đại lên đến 270,27 mg/g, vượt trội so với nhiều vật liệu hấp phụ truyền thống.
  • Quá trình hấp phụ tuân theo mô hình Langmuir, cho thấy hấp phụ đơn lớp trên bề mặt đồng nhất của vật liệu.
  • Ảnh hưởng của các yếu tố pH, thời gian, nồng độ ban đầu và khối lượng vật liệu được khảo sát chi tiết, xác định điều kiện tối ưu cho quá trình hấp phụ.
  • Đề xuất ứng dụng vật liệu RMGC trong xử lý nước thải dệt nhuộm thực tế, đồng thời phát triển quy trình sản xuất và tái sử dụng vật liệu trong tương lai.

Hành động tiếp theo: Khuyến khích các tổ chức nghiên cứu và doanh nghiệp hợp tác triển khai ứng dụng thực tế, đồng thời mở rộng nghiên cứu về khả năng hấp phụ các chất ô nhiễm khác để phát triển vật liệu đa năng, thân thiện môi trường.