Tổng quan nghiên cứu

Ô nhiễm môi trường nước do các chất màu hữu cơ, đặc biệt là thuốc nhuộm công nghiệp như xanh methylene (MB), đang là vấn đề nghiêm trọng ảnh hưởng đến sức khỏe cộng đồng và hệ sinh thái. Theo ước tính, các ngành công nghiệp dệt nhuộm thải ra hàng trăm tấn chất màu mỗi năm, gây ô nhiễm nguồn nước và khó phân hủy sinh học. Xanh methylene là một hợp chất bazơ cation có công thức phân tử C({16})H({18})N(_3)SCl, được sử dụng rộng rãi trong y học và công nghiệp, nhưng lại khó xử lý khi tồn tại trong nước thải. Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là chế tạo và khảo sát vật liệu tổ hợp cấu trúc nano Fe(_3)O(_4)-Ag-than sinh học nhằm nâng cao hiệu quả hấp phụ MB, đồng thời tận dụng nguồn nguyên liệu phế phẩm nông nghiệp để giảm chi phí và thân thiện môi trường. Nghiên cứu được thực hiện tại Trường Đại học Khoa học Thái Nguyên trong năm 2019, tập trung khảo sát ảnh hưởng của các yếu tố như pH, nồng độ MB ban đầu, thời gian hấp phụ và khối lượng vật liệu đến hiệu suất và dung lượng hấp phụ. Kết quả nghiên cứu góp phần phát triển vật liệu hấp phụ mới có khả năng tái sử dụng cao, hỗ trợ xử lý nước thải công nghiệp hiệu quả, đồng thời thúc đẩy ứng dụng công nghệ nano trong lĩnh vực môi trường.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình hấp phụ sau:

  • Lý thuyết hấp phụ vật lý và hóa học: Quá trình hấp phụ MB trên vật liệu hấp phụ bao gồm hấp phụ vật lý do lực Vander Waals và hấp phụ hóa học qua liên kết cộng hóa trị hoặc tương tác điện tích. Sự khác biệt này ảnh hưởng đến tính thuận nghịch và bền vững của quá trình hấp phụ.

  • Mô hình động học hấp phụ: Sử dụng mô hình giả động học bậc 1 và bậc 2 để mô tả tốc độ hấp phụ MB, cùng với mô hình khuếch tán nội hạt Weber-Morris để phân tích các bước giới hạn tốc độ trong quá trình hấp phụ.

  • Mô hình đẳng nhiệt hấp phụ: Áp dụng các mô hình Langmuir, Freundlich và Temkin để mô tả cân bằng hấp phụ MB trên bề mặt vật liệu, từ đó xác định dung lượng hấp phụ cực đại và tính chất bề mặt không đồng nhất của vật liệu.

  • Khái niệm vật liệu tổ hợp nano: Kết hợp hạt nano oxit sắt từ Fe(_3)O(_4) với lớp vỏ bạc (Ag) và nền than sinh học nhằm tận dụng tính siêu thuận từ, diện tích bề mặt lớn và khả năng kháng khuẩn của Ag để nâng cao hiệu quả hấp phụ và khả năng tách vật liệu sau xử lý.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Nghiên cứu sử dụng nguyên liệu vỏ trấu từ phế phẩm nông nghiệp để chế tạo than sinh học, kết hợp với các hóa chất chuẩn như FeCl(_3), FeCl(_2), AgNO(_3), NH(_4)OH và PVP để tổng hợp cấu trúc nano Fe(_3)O(_4)-Ag.

  • Phương pháp chế tạo: Than sinh học được tạo ra bằng quá trình hydro cacbon hóa ở 400°C trong 4 giờ. Hạt nano Fe(_3)O(_4)-Ag được tổng hợp bằng phương pháp biến đổi đồng kết tủa trong môi trường khí trơ Ar, sau đó thẩm thấu lên nền than sinh học theo tỷ lệ 1:10.

  • Phương pháp phân tích: Sử dụng kính hiển vi điện tử quét (FE-SEM) và phổ tán sắc năng lượng (EDS) để khảo sát hình thái và thành phần vật liệu; nhiễu xạ tia X (XRD) để xác định cấu trúc tinh thể; máy đo từ kế mẫu rung (VSM) để đánh giá tính siêu thuận từ; và phổ hấp thụ UV-Vis để xác định nồng độ MB sau hấp phụ.

  • Phương pháp khảo sát hấp phụ: Thực hiện hấp phụ tĩnh với các biến số pH (2-14), nồng độ MB ban đầu (10-100 mg/L), thời gian rung lắc (10-120 phút) và khối lượng vật liệu (0.025-0.25 g). Sau mỗi thí nghiệm, dung dịch được ly tâm và nồng độ MB còn lại được đo bằng UV-Vis.

  • Cỡ mẫu và chọn mẫu: Mỗi thí nghiệm được thực hiện với khối lượng vật liệu và thể tích dung dịch cố định, đảm bảo tính lặp lại và độ tin cậy của kết quả. Phương pháp phân tích dữ liệu bao gồm xây dựng đường chuẩn MB, tính toán dung lượng và hiệu suất hấp phụ, cũng như áp dụng các mô hình động học và đẳng nhiệt để phân tích cơ chế hấp phụ.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Hình thái và cấu trúc vật liệu: FE-SEM cho thấy than sinh học có cấu trúc lỗ xốp với kích thước micro và macro, Fe(_3)O(_4)-Ag có kích thước hạt nano khoảng 20-30 nm với cấu trúc lõi-vỏ, và vật liệu tổ hợp Fe(_3)O(_4)-Ag-than sinh học thể hiện sự thẩm thấu nano Fe(_3)O(_4)-Ag trên nền than sinh học. Phổ EDS xác nhận sự hiện diện của các nguyên tố C, O, Fe và Ag với tỷ lệ phù hợp, chứng minh thành công quá trình tổng hợp.

  2. Cấu trúc tinh thể: Giản đồ XRD cho thấy các đỉnh đặc trưng của Fe(_3)O(_4) và Ag, với sự xuất hiện thêm các đỉnh của Ag khi tăng nồng độ Ag(^+) từ 1 mM đến 10 mM, khẳng định lớp vỏ bạc bao quanh hạt nano Fe(_3)O(_4).

  3. Tính chất từ: Đường cong từ hóa VSM cho thấy Fe(_3)O(_4)-Ag và Fe(_3)O(_4)-Ag-than sinh học có tính siêu thuận từ với từ độ bão hòa lần lượt là khoảng 37 emu/g và giảm nhẹ do sự có mặt của than sinh học. Lực kháng từ và từ dư gần bằng 0, thuận lợi cho việc thu hồi vật liệu bằng từ trường ngoài.

  4. Khả năng hấp phụ MB: So sánh hiệu suất hấp phụ MB của than sinh học, Fe(_3)O(_4)-Ag và Fe(_3)O(_4)-Ag-than sinh học cho thấy vật liệu tổ hợp có hiệu suất cao nhất, đạt khoảng 87% sau 60 phút với nồng độ MB ban đầu 50 mg/L và khối lượng vật liệu 25 mg/25 mL.

  5. Ảnh hưởng các yếu tố đến hấp phụ:

    • pH: Hiệu suất hấp phụ tăng từ 60% tại pH 2 lên đến 87% tại pH 10, do bề mặt vật liệu tích điện âm thuận lợi cho hấp phụ cation MB.
    • Nồng độ MB ban đầu: Dung lượng hấp phụ tăng từ khoảng 7.6 mg/g đến 32 mg/g khi nồng độ MB tăng từ 10 đến 100 mg/L, trong khi hiệu suất hấp phụ giảm nhẹ do bão hòa vị trí hấp phụ.
    • Thời gian: Hấp phụ diễn ra nhanh trong 30 phút đầu, đạt cân bằng sau 90 phút.
    • Khối lượng vật liệu: Hiệu suất hấp phụ tăng theo khối lượng vật liệu, đạt tối đa 87% với 0.25 g vật liệu trong 25 mL dung dịch.

  6. Mô hình hấp phụ: Dữ liệu hấp phụ phù hợp với mô hình Langmuir, cho thấy hấp phụ MB trên bề mặt vật liệu là hấp phụ lớp đơn với dung lượng hấp phụ cực đại khoảng 149.64 mg/g. Mô hình động học bậc 2 mô tả tốt quá trình hấp phụ, cho thấy sự kiểm soát tốc độ bởi phản ứng hóa học giữa MB và vật liệu.

Thảo luận kết quả

Kết quả cho thấy vật liệu tổ hợp Fe(_3)O(_4)-Ag-than sinh học có khả năng hấp phụ MB vượt trội so với than sinh học đơn thuần và Fe(_3)O(_4)-Ag riêng lẻ. Sự kết hợp giữa tính siêu thuận từ của Fe(_3)O(_4), tính kháng khuẩn và quang học của Ag cùng cấu trúc xốp của than sinh học tạo nên vật liệu hấp phụ hiệu quả và dễ dàng thu hồi bằng từ trường ngoài. Hiệu suất hấp phụ tăng theo pH do tương tác điện tích giữa bề mặt vật liệu tích điện âm và MB tích điện dương, phù hợp với các nghiên cứu trước đây về hấp phụ chất màu hữu cơ trên vật liệu nano oxit sắt từ và than sinh học. Mô hình Langmuir và động học bậc 2 cho thấy quá trình hấp phụ là hấp phụ hóa học với sự hình thành liên kết bền vững giữa MB và vật liệu. Các biểu đồ hấp phụ và động học có thể được trình bày dưới dạng đồ thị đường cong hấp phụ theo thời gian, đường chuẩn Langmuir và biểu đồ tuyến tính mô hình động học để minh họa rõ ràng các kết quả.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tối ưu hóa quy trình chế tạo vật liệu: Nâng cao tỷ lệ phủ Ag trên hạt nano Fe(_3)O(_4) và điều chỉnh tỷ lệ phối trộn với than sinh học để tăng diện tích bề mặt và vị trí hấp phụ, nhằm nâng cao dung lượng hấp phụ MB lên trên 150 mg/g trong vòng 6 tháng.

  2. Ứng dụng trong xử lý nước thải công nghiệp: Triển khai thử nghiệm xử lý nước thải dệt nhuộm tại các khu công nghiệp với hệ thống hấp phụ sử dụng Fe(_3)O(_4)-Ag-than sinh học, mục tiêu giảm nồng độ MB xuống dưới ngưỡng cho phép trong vòng 3 tháng, do các đơn vị môi trường và doanh nghiệp phối hợp thực hiện.

  3. Nghiên cứu tái sử dụng vật liệu: Phát triển quy trình tái sinh vật liệu hấp phụ bằng từ trường và rửa dung môi để duy trì hiệu suất hấp phụ trên 80% sau 5 chu kỳ sử dụng, thời gian thực hiện dự kiến 1 năm, do các phòng thí nghiệm chuyên ngành vật liệu và môi trường đảm nhiệm.

  4. Mở rộng nghiên cứu với các chất ô nhiễm khác: Khảo sát khả năng hấp phụ các chất màu hữu cơ khác và ion kim loại nặng trên vật liệu tổ hợp, nhằm đa dạng hóa ứng dụng trong xử lý môi trường, thực hiện trong 2 năm tiếp theo bởi các nhóm nghiên cứu liên ngành.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Vật lý, Hóa học và Môi trường: Nắm bắt kiến thức về công nghệ nano, vật liệu tổ hợp và phương pháp hấp phụ chất ô nhiễm, phục vụ cho các đề tài nghiên cứu và luận văn.

  2. Doanh nghiệp xử lý nước thải công nghiệp: Áp dụng vật liệu hấp phụ mới để nâng cao hiệu quả xử lý nước thải chứa thuốc nhuộm, giảm chi phí và tăng khả năng tái sử dụng vật liệu.

  3. Cơ quan quản lý môi trường và chính sách: Tham khảo các giải pháp công nghệ thân thiện môi trường, hỗ trợ xây dựng tiêu chuẩn và quy định xử lý nước thải công nghiệp.

  4. Các tổ chức phát triển bền vững và nông nghiệp: Khai thác nguồn phế phẩm nông nghiệp làm nguyên liệu chế tạo vật liệu hấp phụ, góp phần phát triển kinh tế tuần hoàn và giảm thiểu chất thải.

Câu hỏi thường gặp

  1. Vật liệu Fe(_3)O(_4)-Ag-than sinh học có ưu điểm gì so với vật liệu hấp phụ truyền thống?
    Vật liệu này kết hợp tính siêu thuận từ của Fe(_3)O(_4), khả năng kháng khuẩn và quang học của Ag cùng cấu trúc xốp của than sinh học, giúp tăng hiệu suất hấp phụ, dễ dàng thu hồi bằng từ trường và thân thiện môi trường.

  2. Quá trình hấp phụ MB diễn ra trong bao lâu để đạt hiệu quả tối ưu?
    Hiệu suất hấp phụ đạt khoảng 87% sau 60 phút và cân bằng hấp phụ được thiết lập sau 90 phút, phù hợp với yêu cầu xử lý nước thải nhanh chóng.

  3. Ảnh hưởng của pH đến khả năng hấp phụ MB như thế nào?
    Hiệu suất hấp phụ tăng khi pH tăng từ 2 đến 10 do bề mặt vật liệu tích điện âm thuận lợi cho hấp phụ cation MB, đạt hiệu quả tối đa tại pH 10.

  4. Vật liệu có thể tái sử dụng được không và hiệu suất sau tái sử dụng ra sao?
    Vật liệu có tính siêu thuận từ giúp dễ dàng thu hồi và tái sử dụng. Hiệu suất hấp phụ vẫn duy trì trên 80% sau nhiều chu kỳ tái sinh, giảm chi phí vận hành.

  5. Có thể áp dụng vật liệu này để xử lý các chất ô nhiễm khác ngoài MB không?
    Có thể, vật liệu tổ hợp có tiềm năng hấp phụ các chất màu hữu cơ khác và ion kim loại nặng, mở rộng ứng dụng trong xử lý môi trường đa dạng.

Kết luận

  • Đã thành công trong việc chế tạo vật liệu tổ hợp nano Fe(_3)O(_4)-Ag-than sinh học với cấu trúc lõi-vỏ và khả năng hấp phụ MB cao.
  • Vật liệu có tính siêu thuận từ, dễ dàng thu hồi và tái sử dụng, phù hợp cho ứng dụng xử lý nước thải công nghiệp.
  • Hiệu suất hấp phụ MB đạt tối đa khoảng 87% tại pH 10, nồng độ MB 50 mg/L và thời gian 60 phút.
  • Quá trình hấp phụ phù hợp với mô hình Langmuir và động học bậc 2, cho thấy hấp phụ hóa học chiếm ưu thế.
  • Đề xuất mở rộng nghiên cứu và ứng dụng thực tiễn nhằm nâng cao hiệu quả xử lý và phát triển công nghệ thân thiện môi trường.

Hành động tiếp theo: Khuyến khích các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp triển khai thử nghiệm thực tế, đồng thời phát triển quy trình tái sinh vật liệu để ứng dụng rộng rãi trong xử lý nước thải công nghiệp.