Tổng quan nghiên cứu

Ô nhiễm kim loại nặng trong nguồn nước đang là vấn đề nghiêm trọng ảnh hưởng đến sức khỏe cộng đồng và môi trường. Theo báo cáo của chương trình đánh giá nước thế giới (WWAP) năm 2009, khoảng 5-20% lượng nước sử dụng cho ngành công nghiệp, trong đó nước thải công nghiệp chứa nhiều kim loại nặng như Pb(II) và Cu(II) có thể gây độc hại nếu không được xử lý đúng cách. Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là tổng hợp và khảo sát khả năng hấp phụ ion Pb(II) và Cu(II) trong nước bằng vật liệu composite ZIF-67/rGO, nhằm phát triển vật liệu hấp phụ hiệu quả, thân thiện môi trường và có thể tái sử dụng. Nghiên cứu được thực hiện trong phạm vi phòng thí nghiệm tại Đại học Đà Nẵng, tập trung vào các điều kiện pH, nồng độ ion, thời gian hấp phụ và nhiệt độ. Kết quả nghiên cứu góp phần mở rộng kiến thức về vật liệu khung hữu cơ kim loại (MOFs) kết hợp graphene oxide dạng khử (rGO) trong xử lý ô nhiễm kim loại nặng, đồng thời cung cấp giải pháp hấp phụ kinh tế, hiệu quả cho ngành xử lý nước thải công nghiệp.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai lý thuyết chính: vật liệu khung hữu cơ kim loại (MOFs) và cơ chế hấp phụ trong môi trường nước. MOFs là polymer phối trí xốp với cấu trúc ba chiều, có diện tích bề mặt lớn (1000-10000 m²/g) và thể tích mao quản cao, giúp tăng khả năng hấp phụ. ZIF-67 là một loại MOF với ion Co²⁺ liên kết với phối tử imidazolate, có diện tích bề mặt BET dao động từ 316 đến 1725 m²/g, nổi bật với độ bền nhiệt và hóa học cao. Graphene oxide dạng khử (rGO) là vật liệu có độ dẫn điện, bền cơ học và diện tích bề mặt lớn, được biến tính để tăng khả năng hấp phụ. Các khái niệm chính bao gồm điểm đẳng điện (pH tại đó vật liệu không mang điện), hấp phụ vật lý và hóa học, động học hấp phụ (mô hình bậc nhất và bậc hai), và mô hình đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir và Freundlich.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính là các mẫu vật liệu tổng hợp trong phòng thí nghiệm và dung dịch chứa ion Pb(II), Cu(II) chuẩn. Vật liệu ZIF-67, rGO và composite ZIF-67/rGO được tổng hợp theo quy trình thủy nhiệt và phương pháp hỗ trợ vi sóng, với các bước tổng hợp graphite oxide, graphene oxide, khử GO thành rGO bằng axit ascorbic, và kết hợp ZIF-67 với rGO. Cỡ mẫu vật liệu hấp phụ là 2 mg trong 10 mL dung dịch ion kim loại. Phương pháp phân tích gồm phổ hồng ngoại IR, phổ nhiễu xạ tia X (XRD), đo diện tích bề mặt BET, xác định điểm đẳng điện, và kỹ thuật von-ampe xung vi phân (DPV) để xác định nồng độ ion kim loại. Các thí nghiệm khảo sát ảnh hưởng của pH (3-8), thời gian hấp phụ (5-80 phút), hàm lượng vật liệu (0,5-2 mg/10 mL), nồng độ ion (50-250 ppm) và nhiệt độ (30-50°C). Thời gian nghiên cứu kéo dài trong năm 2022 tại Đại học Đà Nẵng.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Đặc trưng vật liệu: Diện tích bề mặt BET của ZIF-67/rGO đạt 1872 m²/g, cao hơn đáng kể so với rGO (200 m²/g) và ZIF-67 (1330 m²/g). Điểm đẳng điện của ZIF-67/rGO là pH 5, thấp hơn so với ZIF-67 (pH 8,8) và rGO (pH 6,3), cho thấy sự tương tác hóa học giữa ZIF-67 và rGO.

  2. Hiệu suất hấp phụ: Sau 80 phút, hiệu suất hấp phụ Pb(II) của ZIF-67/rGO đạt khoảng 90%, tăng gần gấp đôi so với vật liệu đơn lẻ (khoảng 50%). Hiệu suất hấp phụ Cu(II) đạt khoảng 81%, tăng gần 1,4 lần so với vật liệu đơn lẻ (khoảng 60%).

  3. Ảnh hưởng của pH: Khả năng hấp phụ tối ưu ở pH khoảng 5-6, phù hợp với điểm đẳng điện của vật liệu, khi vật liệu mang điện tích âm và ion kim loại mang điện tích dương, tạo điều kiện thuận lợi cho hấp phụ.

  4. Động học hấp phụ: Quá trình hấp phụ Pb(II) và Cu(II) theo mô hình động học bậc hai biểu kiến, với thời gian cân bằng hấp phụ khoảng 60 phút, cho thấy hấp phụ diễn ra nhanh và hiệu quả.

Thảo luận kết quả

Sự gia tăng diện tích bề mặt và thay đổi điểm đẳng điện của composite ZIF-67/rGO so với vật liệu đơn lẻ là nguyên nhân chính làm tăng hiệu suất hấp phụ ion kim loại nặng. Kết quả phù hợp với các nghiên cứu trước đây về MOFs và graphene oxide trong xử lý nước thải. Mô hình hấp phụ Langmuir và Freundlich được áp dụng để mô tả cân bằng hấp phụ, cho thấy hấp phụ diễn ra chủ yếu theo cơ chế hấp phụ đơn lớp với tương tác hóa học mạnh mẽ. Biểu đồ thể hiện sự phụ thuộc của dung lượng hấp phụ vào pH, thời gian và nồng độ ion sẽ minh họa rõ ràng các xu hướng này. Kết quả cũng cho thấy vật liệu có khả năng tái sử dụng sau nhiều chu kỳ hấp phụ và giải hấp, giữ được hiệu suất hấp phụ trên 80%, góp phần giảm chi phí và tăng tính bền vững trong ứng dụng thực tế.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tối ưu hóa quy trình tổng hợp: Áp dụng phương pháp tổng hợp hỗ trợ vi sóng và điều chỉnh tỷ lệ rGO/ZIF-67 để tăng diện tích bề mặt và cải thiện khả năng hấp phụ, nhằm đạt hiệu suất hấp phụ Pb(II) và Cu(II) trên 90% trong vòng 60 phút. Chủ thể thực hiện: các phòng thí nghiệm nghiên cứu vật liệu, thời gian 6-12 tháng.

  2. Phát triển hệ thống xử lý nước thải công nghiệp: Thiết kế và thử nghiệm hệ thống lọc sử dụng vật liệu ZIF-67/rGO cho nước thải chứa kim loại nặng, hướng tới giảm nồng độ Pb(II), Cu(II) xuống dưới ngưỡng cho phép theo tiêu chuẩn môi trường. Chủ thể thực hiện: doanh nghiệp xử lý nước thải, thời gian 1-2 năm.

  3. Nghiên cứu mở rộng ứng dụng: Khảo sát khả năng hấp phụ các ion kim loại nặng khác và các chất hữu cơ ô nhiễm bằng vật liệu ZIF-67/rGO để đa dạng hóa ứng dụng trong xử lý môi trường. Chủ thể thực hiện: các viện nghiên cứu, thời gian 1 năm.

  4. Xây dựng quy trình tái sử dụng vật liệu: Phát triển quy trình giải hấp và tái sử dụng vật liệu hấp phụ nhằm duy trì hiệu suất trên 80% sau ít nhất 5 chu kỳ, giảm thiểu phát sinh chất thải và chi phí vận hành. Chủ thể thực hiện: các phòng thí nghiệm và doanh nghiệp, thời gian 6 tháng.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Nhà nghiên cứu vật liệu và hóa học môi trường: Nghiên cứu về MOFs, graphene oxide và các vật liệu composite trong xử lý ô nhiễm nước, áp dụng các phương pháp phân tích hiện đại.

  2. Chuyên gia xử lý nước thải công nghiệp: Tìm kiếm giải pháp hấp phụ hiệu quả, kinh tế để loại bỏ kim loại nặng trong nước thải, đặc biệt Pb(II) và Cu(II).

  3. Doanh nghiệp sản xuất và xử lý nước: Áp dụng vật liệu ZIF-67/rGO trong hệ thống xử lý nước thải, nâng cao hiệu quả xử lý và giảm chi phí vận hành.

  4. Sinh viên và học viên cao học ngành Hóa học, Hóa lý, Môi trường: Tham khảo quy trình tổng hợp vật liệu, phương pháp phân tích và mô hình hóa hấp phụ trong nghiên cứu khoa học.

Câu hỏi thường gặp

  1. Vật liệu ZIF-67/rGO có ưu điểm gì so với vật liệu truyền thống?
    ZIF-67/rGO có diện tích bề mặt lớn (1872 m²/g), độ bền cao và khả năng hấp phụ Pb(II), Cu(II) vượt trội, hiệu suất hấp phụ Pb(II) đạt 90%, cao hơn nhiều so với than hoạt tính hay zeolite truyền thống.

  2. Quá trình hấp phụ diễn ra trong bao lâu để đạt cân bằng?
    Thời gian hấp phụ cân bằng khoảng 60 phút, phù hợp với yêu cầu xử lý nước thải nhanh và hiệu quả trong thực tế.

  3. Ảnh hưởng của pH đến khả năng hấp phụ như thế nào?
    Khả năng hấp phụ tối ưu ở pH 5-6, khi vật liệu mang điện tích âm và ion kim loại mang điện tích dương, tạo điều kiện thuận lợi cho hấp phụ ion kim loại.

  4. Vật liệu có thể tái sử dụng được bao nhiêu lần?
    Vật liệu ZIF-67/rGO giữ được hiệu suất hấp phụ trên 80% sau ít nhất 5 chu kỳ tái sử dụng, giúp giảm chi phí và phát sinh chất thải.

  5. Phương pháp xác định nồng độ ion kim loại trong dung dịch là gì?
    Sử dụng kỹ thuật von-ampe xung vi phân (DPV) trên máy Autolab, cho kết quả chính xác với hệ số tương quan R² > 0,99 cho cả Pb(II) và Cu(II).

Kết luận

  • Đã tổng hợp thành công vật liệu composite ZIF-67/rGO với diện tích bề mặt lớn 1872 m²/g và điểm đẳng điện pH 5.
  • Vật liệu ZIF-67/rGO có hiệu suất hấp phụ Pb(II) đạt 90% và Cu(II) đạt 81% trong dung dịch nước, vượt trội so với vật liệu đơn lẻ.
  • Quá trình hấp phụ diễn ra nhanh, đạt cân bằng trong 60 phút, phù hợp với ứng dụng xử lý nước thải công nghiệp.
  • Vật liệu có khả năng tái sử dụng hiệu quả, giữ được trên 80% hiệu suất sau nhiều chu kỳ.
  • Đề xuất phát triển quy trình tổng hợp, ứng dụng thực tế và tái sử dụng vật liệu nhằm nâng cao hiệu quả xử lý ô nhiễm kim loại nặng trong nước.

Tiếp theo, cần triển khai thử nghiệm quy mô pilot và đánh giá hiệu quả trong môi trường nước thải thực tế. Mời các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp quan tâm hợp tác phát triển ứng dụng vật liệu ZIF-67/rGO trong xử lý môi trường.