Tổng quan nghiên cứu

Ô nhiễm nguồn nước do các chất thải hữu cơ từ ngành dệt nhuộm, thuộc da, cao su và nhựa đang là vấn đề nghiêm trọng, đặc biệt là các thuốc nhuộm hữu cơ độc hại. Theo ước tính, nước thải chứa thuốc nhuộm không phân hủy sinh học, gây ảnh hưởng xấu đến sức khỏe con người và môi trường. Các phương pháp xử lý hiện nay gồm keo tụ, phân hủy quang xúc tác, oxi hóa điện hóa, hấp phụ và màng lọc. Trong đó, phương pháp hấp phụ được đánh giá cao nhờ hiệu quả xử lý tốt, chi phí thấp và vật liệu hấp phụ dễ tìm, phù hợp với điều kiện Việt Nam.

Nhôm oxit (Al2O3) là vật liệu oxit kim loại có diện tích bề mặt lớn, cấu trúc xốp, được ứng dụng rộng rãi làm vật liệu hấp phụ. Đặc biệt, γ-Al2O3 có diện tích bề mặt riêng lớn, cấu trúc mao quản đồng đều, thích hợp cho việc hấp phụ các thuốc nhuộm mang điện. Tuy nhiên, khả năng hấp phụ trực tiếp thuốc nhuộm mang điện dương của γ-Al2O3 còn hạn chế. Do đó, việc biến tính bề mặt vật liệu bằng chất hoạt động bề mặt anion như Natri dodecyl sulfat (SDS) nhằm tăng hiệu quả hấp phụ là cần thiết.

Mục tiêu nghiên cứu là chế tạo γ-Al2O3 có độ tinh khiết cao từ nhôm hydroxit Tân Rai, biến tính bề mặt bằng SDS và ứng dụng làm vật liệu hấp phụ xử lý thuốc nhuộm Rhodamine B (RhB). Nghiên cứu thực hiện trong năm 2022 tại Viện Kỹ thuật Hóa học, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, với phạm vi tập trung vào quy trình tổng hợp, biến tính và đánh giá khả năng hấp phụ RhB của vật liệu thu được. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong phát triển vật liệu hấp phụ hiệu quả, thân thiện môi trường, góp phần xử lý ô nhiễm nước thải công nghiệp.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

  • Lý thuyết hấp phụ: Phân biệt hấp phụ vật lý và hấp phụ hóa học, trong đó hấp phụ vật lý dựa trên lực Van der Waals, còn hấp phụ hóa học liên quan đến liên kết hóa học bền vững trên bề mặt vật liệu. Các yếu tố ảnh hưởng đến hấp phụ gồm pH, diện tích bề mặt, cấu trúc mao quản, nhiệt độ và bản chất chất hấp phụ, chất bị hấp phụ.

  • Mô hình hấp phụ đẳng nhiệt: Sử dụng mô hình Langmuir và Freundlich để mô tả đặc tính hấp phụ. Mô hình Langmuir giả định hấp phụ đơn lớp với năng lượng hấp phụ đồng đều, trong khi Freundlich mô tả hấp phụ đa lớp trên bề mặt không đồng nhất.

  • Lý thuyết biến tính bề mặt bằng chất hoạt động bề mặt (SDS): SDS là chất hoạt động bề mặt dạng anion, có khả năng tạo các cấu trúc mixen trên bề mặt vật liệu, làm thay đổi điện tích bề mặt và tăng khả năng hấp phụ các chất mang điện dương như RhB.

  • Đặc tính vật liệu γ-Al2O3: Cấu trúc spinel khiếm khuyết với các ion Al3+ phân bố ở vị trí bát diện và tứ diện, tạo nên diện tích bề mặt lớn và tính axit bề mặt, phù hợp làm vật liệu hấp phụ.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Nguyên liệu chính là nhôm hydroxit Tân Rai với thành phần Al2O3 chiếm 64,84% khối lượng, được làm sạch và xử lý để loại bỏ tạp chất như Na, Ca, Si, Fe.

  • Quy trình tổng hợp: Nhôm hydroxit được nghiền mịn, làm sạch bằng nước cất và axit HCl 5%, sau đó hòa tách bằng axit HCl 25% ở 90°C trong 2 giờ để thu dung dịch Al3+. Dung dịch này phản ứng với (NH4)2CO3 tạo hợp chất trung gian NH4AlCO3(OH)2 (AACH), sấy khô và nung ở 500°C trong 2 giờ để thu γ-Al2O3 (J-Al2O3).

  • Biến tính bề mặt: J-Al2O3 được biến tính bằng dung dịch SDS 0,01 mol/L trong môi trường NaCl, điều chỉnh pH và lắc trong 2 giờ, sau đó rửa sạch và sấy khô.

  • Phương pháp phân tích: Sử dụng XRD để xác định cấu trúc tinh thể, SEM để quan sát hình thái bề mặt, EDX để phân tích thành phần hóa học, UV-Vis để đo nồng độ RhB, BET để xác định diện tích bề mặt riêng, và chuẩn độ complexon để xác định nồng độ Al3+.

  • Phân tích hấp phụ RhB: Thực nghiệm khảo sát ảnh hưởng của pH (1-14), thời gian hấp phụ (0-25 phút), và nồng độ RhB (10-30 ppm) đến hiệu suất hấp phụ của vật liệu biến tính SDS. Cỡ mẫu mỗi thí nghiệm là 0,05 g vật liệu trong 10 ml dung dịch RhB.

  • Timeline nghiên cứu: Quá trình tổng hợp và biến tính vật liệu kéo dài khoảng 1 tháng, tiếp theo là các thí nghiệm hấp phụ và phân tích đặc tính vật liệu trong 2 tháng.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Chế tạo γ-Al2O3 có độ tinh khiết cao: Vật liệu γ-Al2O3 thu được có độ tinh khiết 99,42% theo phân tích EDX, với kích thước hạt trung bình khoảng 20-30 nm, cấu trúc tinh thể spinel được xác nhận qua phổ XRD.

  2. Diện tích bề mặt riêng lớn sau biến tính: Diện tích bề mặt riêng của γ-Al2O3 biến tính bằng SDS đạt 252,6 m²/g, tăng đáng kể so với vật liệu chưa biến tính (khoảng 180 m²/g), cho thấy sự gia tăng diện tích tiếp xúc và khả năng hấp phụ.

  3. Ảnh hưởng của pH đến hiệu suất hấp phụ RhB: Hiệu suất hấp phụ cao nhất đạt khoảng 98% tại pH 7, giảm mạnh ở pH quá thấp hoặc quá cao. Điều này phù hợp với sự thay đổi điện tích bề mặt vật liệu và trạng thái ion của RhB trong dung dịch.

  4. Ảnh hưởng của thời gian hấp phụ: Hiệu suất hấp phụ tăng nhanh trong 25 phút đầu, đạt cân bằng ở mức 98% sau 25 phút, cho thấy vật liệu có khả năng hấp phụ nhanh và hiệu quả.

  5. Ảnh hưởng của nồng độ RhB: Khi tăng nồng độ RhB từ 10 đến 30 ppm, hiệu suất hấp phụ giảm từ 98% xuống khoảng 75%, do bề mặt vật liệu bị bão hòa, dung lượng hấp phụ tối đa được xác định qua mô hình Langmuir là khoảng 165 mg/g.

Thảo luận kết quả

Kết quả cho thấy việc làm sạch nhôm hydroxit nguyên liệu bằng nước cất và axit HCl 5% hiệu quả trong loại bỏ tạp chất, giúp nâng cao độ tinh khiết của γ-Al2O3. Quá trình hòa tách Al(OH)3 bằng axit HCl 25% ở 90°C trong 2 giờ đạt hiệu suất hòa tách tối ưu khoảng 50,2% tại nồng độ axit 25%, phù hợp với điều kiện tổng hợp vật liệu.

Việc biến tính bề mặt bằng SDS làm thay đổi điện tích bề mặt γ-Al2O3 từ dương sang âm (thế ζ từ +47,55 mV xuống -13,95 mV), tạo điều kiện thuận lợi cho hấp phụ RhB mang điện tích dương qua tương tác điện tích. Diện tích bề mặt riêng tăng lên sau biến tính cũng góp phần nâng cao khả năng hấp phụ.

So sánh với các nghiên cứu khác, dung lượng hấp phụ RhB của vật liệu γ-Al2O3 biến tính SDS trong nghiên cứu này (165 mg/g) tương đương hoặc vượt trội hơn nhiều vật liệu nano Al2O3 biến tính khác. Đồ thị hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir và Freundlich đều phù hợp với dữ liệu thực nghiệm, cho thấy hấp phụ chủ yếu là hấp phụ đơn lớp với sự phân bố đồng đều các vị trí hấp phụ.

Các biểu đồ phân bố kích thước hạt, phổ XRD, và ảnh SEM minh họa rõ sự đồng nhất về kích thước và cấu trúc vật liệu, trong khi đồ thị hiệu suất hấp phụ theo pH, thời gian và nồng độ RhB thể hiện rõ các điều kiện tối ưu cho quá trình hấp phụ.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tối ưu hóa quy trình làm sạch nguyên liệu: Áp dụng làm sạch nhôm hydroxit bằng nước cất và axit HCl 5% kết hợp với nghiền mịn để nâng cao hiệu suất hòa tách và độ tinh khiết vật liệu, nhằm cải thiện chất lượng γ-Al2O3. Thời gian thực hiện: 1-2 tuần. Chủ thể: Nhà máy sản xuất vật liệu.

  2. Biến tính bề mặt vật liệu bằng SDS: Triển khai biến tính γ-Al2O3 bằng SDS với nồng độ 0,01 mol/L trong môi trường NaCl, điều chỉnh pH phù hợp (khoảng 7) để tăng diện tích bề mặt và khả năng hấp phụ thuốc nhuộm. Thời gian thực hiện: 2 giờ cho mỗi mẻ sản xuất. Chủ thể: Phòng thí nghiệm và nhà máy.

  3. Ứng dụng vật liệu hấp phụ trong xử lý nước thải công nghiệp: Sử dụng γ-Al2O3 biến tính SDS để xử lý nước thải chứa Rhodamine B và các thuốc nhuộm hữu cơ khác, với thời gian hấp phụ khoảng 25 phút, nồng độ thuốc nhuộm dưới 10 ppm, nhằm đạt hiệu suất xử lý trên 95%. Chủ thể: Các nhà máy dệt nhuộm, thuộc da.

  4. Nghiên cứu mở rộng và phát triển vật liệu hấp phụ đa chức năng: Kết hợp biến tính bề mặt với các chất hoạt động bề mặt khác hoặc vật liệu nano để nâng cao khả năng hấp phụ đa dạng các chất ô nhiễm hữu cơ và vô cơ. Thời gian nghiên cứu: 6-12 tháng. Chủ thể: Các viện nghiên cứu, trường đại học.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Kỹ thuật Hóa học: Nghiên cứu về tổng hợp vật liệu oxit kim loại, biến tính bề mặt và ứng dụng trong xử lý môi trường, đặc biệt là xử lý nước thải công nghiệp.

  2. Doanh nghiệp sản xuất vật liệu hấp phụ và xử lý nước thải: Áp dụng quy trình sản xuất γ-Al2O3 tinh khiết và biến tính SDS để nâng cao hiệu quả xử lý thuốc nhuộm hữu cơ, giảm chi phí và tăng tính cạnh tranh sản phẩm.

  3. Cơ quan quản lý môi trường và chính sách: Tham khảo các giải pháp công nghệ thân thiện môi trường, hiệu quả trong xử lý ô nhiễm nước thải ngành dệt nhuộm, góp phần xây dựng tiêu chuẩn và quy định xử lý nước thải.

  4. Các tổ chức đào tạo và phát triển công nghệ xanh: Sử dụng luận văn làm tài liệu giảng dạy, nghiên cứu phát triển công nghệ xử lý nước thải bền vững, thúc đẩy ứng dụng vật liệu hấp phụ mới trong thực tiễn.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao chọn γ-Al2O3 làm vật liệu hấp phụ?
    γ-Al2O3 có diện tích bề mặt riêng lớn, cấu trúc xốp đồng đều và tính axit bề mặt phù hợp cho hấp phụ các chất hữu cơ mang điện, đặc biệt là thuốc nhuộm. Ngoài ra, γ-Al2O3 dễ tổng hợp từ nhôm hydroxit và có tính ổn định cao.

  2. Vai trò của SDS trong biến tính bề mặt là gì?
    SDS là chất hoạt động bề mặt dạng anion, khi hấp phụ lên bề mặt γ-Al2O3 sẽ làm thay đổi điện tích bề mặt từ dương sang âm, tăng tương tác điện tích với thuốc nhuộm mang điện dương như RhB, từ đó nâng cao hiệu suất hấp phụ.

  3. Ảnh hưởng của pH đến quá trình hấp phụ RhB như thế nào?
    pH ảnh hưởng đến điện tích bề mặt vật liệu và trạng thái ion của RhB. Hiệu suất hấp phụ cao nhất ở pH trung tính (khoảng 7) do tương tác điện tích thuận lợi. Ở pH quá thấp hoặc quá cao, hiệu suất giảm do sự thay đổi điện tích và cấu trúc phân tử RhB.

  4. Thời gian hấp phụ tối ưu là bao lâu?
    Thí nghiệm cho thấy hiệu suất hấp phụ đạt cân bằng sau khoảng 25 phút, thời gian này đủ để vật liệu hấp phụ tối đa lượng RhB trong dung dịch 10 ppm.

  5. Dung lượng hấp phụ tối đa của vật liệu là bao nhiêu?
    Dung lượng hấp phụ tối đa của γ-Al2O3 biến tính SDS đối với RhB được xác định khoảng 165 mg/g theo mô hình Langmuir, cho thấy vật liệu có khả năng hấp phụ cao so với nhiều vật liệu nano Al2O3 khác.

Kết luận

  • Đã chế tạo thành công γ-Al2O3 có độ tinh khiết cao (99,42%) từ nhôm hydroxit Tân Rai qua quy trình làm sạch, hòa tách và nung ở 500°C.
  • Vật liệu γ-Al2O3 biến tính bằng SDS có diện tích bề mặt riêng lớn (252,6 m²/g) và điện tích bề mặt âm, tăng khả năng hấp phụ thuốc nhuộm Rhodamine B.
  • Hiệu suất hấp phụ RhB đạt trên 98% ở pH 7, thời gian hấp phụ 25 phút, với dung lượng hấp phụ tối đa khoảng 165 mg/g.
  • Kết quả nghiên cứu phù hợp với mục tiêu đề tài và có tiềm năng ứng dụng thực tế trong xử lý nước thải công nghiệp chứa thuốc nhuộm hữu cơ.
  • Đề xuất tiếp tục nghiên cứu mở rộng biến tính vật liệu và ứng dụng trong xử lý đa dạng các chất ô nhiễm hữu cơ khác.

Hành động tiếp theo: Triển khai thử nghiệm quy mô pilot tại các nhà máy xử lý nước thải, đồng thời nghiên cứu phát triển vật liệu hấp phụ đa chức năng để nâng cao hiệu quả xử lý môi trường.