Tổng quan nghiên cứu

Ô nhiễm nguồn nước đang là vấn đề nghiêm trọng tại Việt Nam, với lượng rác thải nhựa khoảng 19 ngàn tấn mỗi ngày, dẫn đến các bệnh về da, tiêu hóa và ung thư chiếm tỷ lệ 40-50% tại một số địa phương. Trong bối cảnh đó, xử lý nước thải bằng phương pháp hấp phụ được đánh giá là hiệu quả và kinh tế, đặc biệt với các chất hữu cơ khó phân hủy như thuốc nhuộm metylen xanh. Bentonit, một khoáng sét tự nhiên có diện tích bề mặt lớn và khả năng trao đổi cation cao, được ứng dụng rộng rãi làm vật liệu hấp phụ. Tuy nhiên, bentonit nguyên thủy có hạn chế về tính ưa hữu cơ, ảnh hưởng đến hiệu quả hấp phụ các chất hữu cơ.

Luận văn tập trung vào tổng hợp và nghiên cứu đặc trưng cấu trúc cũng như khả năng hấp phụ metylen xanh của sét hữu cơ được điều chế từ bentonit Thanh Hóa với heptyltriphenyl photphoni bromua (HTPB). Nghiên cứu thực hiện trong năm 2020 tại Đại học Thái Nguyên, với mục tiêu: (1) tổng hợp sét hữu cơ từ bentonit Thanh Hóa và HTPB; (2) đánh giá cấu trúc sét hữu cơ bằng XRD, TGA, SEM; (3) khảo sát khả năng hấp phụ metylen xanh và các yếu tố ảnh hưởng như pH, thời gian, khối lượng vật liệu, nồng độ ban đầu. Kết quả nghiên cứu góp phần phát triển vật liệu hấp phụ hiệu quả, thân thiện môi trường, hỗ trợ xử lý nước thải ô nhiễm hữu cơ, đặc biệt trong ngành công nghiệp dệt nhuộm và sản xuất hóa chất.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

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

  • Cấu trúc bentonit và sét hữu cơ: Bentonit là khoáng sét nhóm smectit, chủ yếu là montmorillonit (MMT) với cấu trúc lớp 2:1 gồm lớp tứ diện SiO4 và lớp bát diện AlO6. Sét hữu cơ được tạo thành khi các cation vô cơ trong lớp giữa bentonit được thay thế bằng cation hữu cơ như muối ankyl amoni hoặc photphoni, làm tăng khoảng cách giữa các lớp (d001) và tính ưa hữu cơ của vật liệu.

  • Khả năng trao đổi cation (CEC): Dung lượng trao đổi cation đặc trưng cho khả năng trao đổi ion của bentonit, dao động từ 80 đến 150 meq/100g. CEC ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ và trương nở của sét.

  • Phương pháp hấp phụ và mô hình Langmuir: Hấp phụ là quá trình tích lũy chất trên bề mặt vật liệu, gồm hấp phụ vật lý và hóa học. Mô hình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir được sử dụng để mô tả cân bằng hấp phụ, với giả định hấp phụ đơn lớp trên bề mặt đồng nhất. Phương trình Langmuir giúp xác định dung lượng hấp phụ cực đại (qmax) và hằng số hấp phụ (b), đánh giá tính thuận lợi của quá trình hấp phụ.

  • Các yếu tố ảnh hưởng đến hấp phụ: pH dung dịch, thời gian tiếp xúc, khối lượng vật liệu hấp phụ, nồng độ chất hấp phụ ban đầu đều ảnh hưởng đến hiệu suất và dung lượng hấp phụ.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Bentonit Thanh Hóa được sử dụng làm nguyên liệu chính, heptyltriphenyl photphoni bromua (HTPB) làm tác nhân biến tính để tổng hợp sét hữu cơ. Metylen xanh (MB) là chất hấp phụ khảo sát.

  • Phương pháp tổng hợp: Sét hữu cơ được tổng hợp bằng phương pháp khuếch tán trong dung dịch nước, với tỷ lệ HTPB/bentonit là 0,5, pH phản ứng 9, nhiệt độ 50°C, thời gian 4 giờ. Sản phẩm được lọc, rửa sạch, sấy khô và nghiền mịn.

  • Phân tích cấu trúc: Sử dụng phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD) để xác định khoảng cách lớp d001; phân tích nhiệt (TGA) để đánh giá hàm lượng cation hữu cơ và độ bền nhiệt; hiển vi điện tử quét (SEM) để quan sát cấu trúc bề mặt và độ xốp.

  • Khảo sát hấp phụ: Xây dựng đường chuẩn metylen xanh bằng phương pháp UV-Vis tại bước sóng 664 nm. Thực hiện các thí nghiệm hấp phụ với biến đổi pH (1-13), thời gian (15-150 phút), khối lượng vật liệu (0,02-0,10 g), nồng độ MB ban đầu (50-700 mg/l). Nồng độ MB còn lại được xác định bằng UV-Vis sau khi ly tâm loại bỏ vật liệu hấp phụ.

  • Phân tích dữ liệu: Tính dung lượng hấp phụ (q) và hiệu suất hấp phụ (H) theo công thức chuẩn. Mô hình hóa cân bằng hấp phụ theo phương trình Langmuir bằng phương pháp đồ thị tuyến tính Cf/q theo Cf để xác định qmax và hằng số b.

  • Cỡ mẫu và timeline: Các thí nghiệm được thực hiện với mẫu bentonit và sét hữu cơ tổng hợp, mỗi điều kiện khảo sát lặp lại nhiều lần để đảm bảo độ tin cậy. Thời gian nghiên cứu kéo dài trong năm 2020 tại các phòng thí nghiệm của Đại học Thái Nguyên và Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Đặc trưng cấu trúc sét hữu cơ: Giá trị khoảng cách lớp d001 của sét hữu cơ tăng lên 19,08 Å so với 16,11 Å của bentonit nguyên thủy, chứng tỏ sự chèn cation HTPB vào giữa các lớp sét. Góc 2θ dịch chuyển từ 5,5° xuống 4,6°, xác nhận sự thay đổi cấu trúc tinh thể. Hàm lượng cation hữu cơ xâm nhập đạt khoảng 15,36% theo phân tích nhiệt, cao hơn gấp đôi so với bentonit ban đầu (13,22% mất khối lượng do nước và OH).

  2. Cấu trúc bề mặt và độ xốp: Ảnh SEM cho thấy sét hữu cơ có cấu trúc lớp rõ ràng và độ xốp cao hơn bentonit, tạo điều kiện thuận lợi cho hấp phụ và ứng dụng trong nanocompozit.

  3. Ảnh hưởng của pH đến hấp phụ metylen xanh: Dung lượng hấp phụ của bentonit đạt tối ưu tại pH 5 với 15,02 mg/g, hiệu suất 30,05%. Sét hữu cơ có dung lượng hấp phụ tối ưu tại pH 10 với 40,94 mg/g, hiệu suất 81,88%, cao hơn bentonit gấp gần 3 lần. Ở pH thấp, proton hóa nhóm amin metylen xanh làm giảm hấp phụ; ở pH cao quá mức, cấu trúc sét có thể bị biến đổi, giảm hiệu quả.

  4. Ảnh hưởng thời gian hấp phụ: Hiệu suất hấp phụ tăng nhanh trong 30-60 phút, đạt cân bằng ở 75 phút với bentonit (32,98%) và 60 phút với sét hữu cơ (82,96%). Sét hữu cơ hấp phụ nhanh và hiệu quả hơn do cấu trúc và tính ưa hữu cơ được cải thiện.

  5. Ảnh hưởng khối lượng vật liệu: Khi tăng khối lượng vật liệu từ 0,02 đến 0,05 g, hiệu suất hấp phụ tăng nhanh, đạt cực đại (bentonit 30,48%, sét hữu cơ 82,48%). Tuy nhiên, dung lượng hấp phụ giảm do bão hòa bề mặt hấp phụ. Khối lượng 0,05 g được chọn làm điều kiện tối ưu.

  6. Ảnh hưởng nồng độ metylen xanh ban đầu: Dung lượng hấp phụ tăng theo nồng độ MB ban đầu, đạt 8,30 mg/g với bentonit và 1,33 mg/g với sét hữu cơ ở 700 mg/l. Hiệu suất hấp phụ giảm khi nồng độ tăng do giới hạn vị trí hấp phụ.

  7. Mô hình hấp phụ Langmuir: Mô hình Langmuir phù hợp với dữ liệu thực nghiệm (R² > 0,99). Dung lượng hấp phụ cực đại qmax của sét hữu cơ là 333,33 mg/g, gấp gần 4 lần bentonit (86,21 mg/g). Hằng số Langmuir b của sét hữu cơ (0,02) cao hơn bentonit (0,01), cho thấy hấp phụ thuận lợi hơn.

Thảo luận kết quả

Sự gia tăng khoảng cách lớp d001 và hàm lượng cation hữu cơ trong sét hữu cơ chứng tỏ quá trình trao đổi ion thành công, làm tăng tính ưa hữu cơ và diện tích bề mặt, từ đó nâng cao khả năng hấp phụ các phân tử hữu cơ như metylen xanh. Kết quả SEM và TGA hỗ trợ cho nhận định này.

Khả năng hấp phụ vượt trội của sét hữu cơ so với bentonit nguyên thủy phù hợp với các nghiên cứu trước đây về vật liệu biến tính bằng muối photphoni. Sự phụ thuộc của hấp phụ vào pH phản ánh tính chất hóa học của metylen xanh và bề mặt sét, đồng thời cho thấy điều kiện pH tối ưu khác nhau giữa bentonit và sét hữu cơ do sự thay đổi cấu trúc và tính chất bề mặt.

Thời gian hấp phụ ngắn hơn và hiệu suất cao hơn của sét hữu cơ cho thấy vật liệu này có tiềm năng ứng dụng thực tế trong xử lý nước thải. Mô hình Langmuir mô tả tốt quá trình hấp phụ, cho thấy hấp phụ đơn lớp và bề mặt đồng nhất, phù hợp với giả thuyết lý thuyết.

Các kết quả này có thể được trình bày qua biểu đồ XRD thể hiện sự dịch chuyển góc 2θ, đồ thị TGA so sánh mất khối lượng, ảnh SEM minh họa cấu trúc bề mặt, đồ thị ảnh hưởng pH, thời gian, khối lượng và nồng độ đến dung lượng và hiệu suất hấp phụ, cùng đồ thị Langmuir Cf/q theo Cf.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Ứng dụng sét hữu cơ trong xử lý nước thải công nghiệp: Khuyến nghị sử dụng sét hữu cơ tổng hợp từ bentonit Thanh Hóa và HTPB làm vật liệu hấp phụ trong các hệ thống xử lý nước thải chứa thuốc nhuộm và các chất hữu cơ tương tự. Mục tiêu nâng cao hiệu suất hấp phụ trên 80% trong vòng 60 phút, áp dụng trong 1-2 năm tới tại các nhà máy dệt nhuộm.

  2. Phát triển vật liệu nanocompozit từ sét hữu cơ: Khuyến khích nghiên cứu tiếp tục để kết hợp sét hữu cơ với polymer nhằm tạo vật liệu nanocompozit có tính cơ lý và khả năng hấp phụ cao, phục vụ xử lý nước và ứng dụng trong công nghiệp vật liệu. Thời gian nghiên cứu dự kiến 2-3 năm, chủ thể là các viện nghiên cứu và trường đại học.

  3. Tối ưu hóa quy trình tổng hợp sét hữu cơ: Đề xuất nghiên cứu điều chỉnh các thông số như tỷ lệ HTPB/bentonit, pH, nhiệt độ và thời gian phản ứng để nâng cao hàm lượng cation hữu cơ và khả năng hấp phụ, giảm chi phí sản xuất. Thực hiện trong 1 năm bởi các phòng thí nghiệm hóa học.

  4. Khảo sát khả năng tái sinh và tái sử dụng vật liệu: Nghiên cứu khả năng tái sinh sét hữu cơ sau quá trình hấp phụ để đánh giá tính kinh tế và bền vững trong ứng dụng thực tế. Mục tiêu đạt hiệu suất hấp phụ trên 70% sau 3 chu kỳ tái sử dụng, thực hiện trong 1 năm.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Hóa học, Khoa học vật liệu: Luận văn cung cấp kiến thức chuyên sâu về tổng hợp và đặc trưng sét hữu cơ, phương pháp phân tích cấu trúc và hấp phụ, hỗ trợ nghiên cứu phát triển vật liệu mới.

  2. Chuyên gia và kỹ sư môi trường: Thông tin về khả năng hấp phụ metylen xanh và các yếu tố ảnh hưởng giúp thiết kế và vận hành hệ thống xử lý nước thải hiệu quả, đặc biệt trong ngành công nghiệp dệt nhuộm và hóa chất.

  3. Doanh nghiệp sản xuất vật liệu hấp phụ và xử lý nước: Cơ sở dữ liệu về vật liệu sét hữu cơ có thể ứng dụng trong sản xuất vật liệu hấp phụ mới, nâng cao hiệu quả xử lý và giảm chi phí.

  4. Cơ quan quản lý môi trường và chính sách: Nghiên cứu cung cấp bằng chứng khoa học về vật liệu thân thiện môi trường, hỗ trợ xây dựng chính sách và quy chuẩn xử lý nước thải công nghiệp.

Câu hỏi thường gặp

  1. Sét hữu cơ là gì và khác gì so với bentonit nguyên thủy?
    Sét hữu cơ là bentonit được biến tính bằng cation hữu cơ như heptyltriphenyl photphoni bromua, làm tăng khoảng cách lớp và tính ưa hữu cơ, giúp hấp phụ các chất hữu cơ hiệu quả hơn so với bentonit nguyên thủy.

  2. Tại sao pH ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ metylen xanh?
    pH ảnh hưởng đến trạng thái ion hóa của metylen xanh và bề mặt sét. Ở pH thấp, metylen xanh bị proton hóa làm giảm hấp phụ; ở pH cao quá mức, cấu trúc sét có thể bị biến đổi, giảm hiệu quả hấp phụ.

  3. Thời gian hấp phụ tối ưu là bao lâu?
    Sét hữu cơ đạt cân bằng hấp phụ metylen xanh trong khoảng 60 phút, nhanh hơn bentonit nguyên thủy (75 phút), giúp tiết kiệm thời gian xử lý trong ứng dụng thực tế.

  4. Dung lượng hấp phụ cực đại của sét hữu cơ là bao nhiêu?
    Dung lượng hấp phụ cực đại theo mô hình Langmuir của sét hữu cơ là 333,33 mg/g, cao gấp gần 4 lần bentonit nguyên thủy (86,21 mg/g), cho thấy hiệu quả hấp phụ vượt trội.

  5. Có thể tái sử dụng sét hữu cơ sau khi hấp phụ không?
    Khả năng tái sử dụng phụ thuộc vào phương pháp tái sinh vật liệu. Nghiên cứu tiếp theo cần đánh giá hiệu suất hấp phụ sau các chu kỳ tái sinh để đảm bảo tính kinh tế và bền vững.

Kết luận

  • Đã tổng hợp thành công sét hữu cơ từ bentonit Thanh Hóa và heptyltriphenyl photphoni bromua với hàm lượng cation hữu cơ khoảng 15,36%.
  • Sét hữu cơ có cấu trúc lớp mở rộng (d001 = 19,08 Å), độ xốp cao và khả năng hấp phụ metylen xanh vượt trội so với bentonit nguyên thủy.
  • Các yếu tố pH, thời gian, khối lượng vật liệu và nồng độ ban đầu ảnh hưởng rõ rệt đến hiệu suất và dung lượng hấp phụ, với điều kiện tối ưu pH 10, thời gian 60 phút, khối lượng 0,05 g.
  • Mô hình Langmuir mô tả tốt quá trình hấp phụ, dung lượng hấp phụ cực đại của sét hữu cơ đạt 333,33 mg/g, gấp gần 4 lần bentonit.
  • Nghiên cứu mở ra hướng phát triển vật liệu hấp phụ hiệu quả, thân thiện môi trường, ứng dụng trong xử lý nước thải công nghiệp và sản xuất nanocompozit.

Hành động tiếp theo: Khuyến nghị triển khai thử nghiệm quy mô pilot tại các nhà máy xử lý nước thải, đồng thời nghiên cứu tái sinh vật liệu và phát triển nanocompozit từ sét hữu cơ. Để biết thêm chi tiết và hợp tác nghiên cứu, vui lòng liên hệ nhóm tác giả tại Đại học Thái Nguyên.