Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển kinh tế - xã hội tại Việt Nam, nhu cầu tiêu thụ thực phẩm ngày càng tăng kéo theo sự gia tăng sử dụng các loại chất bảo vệ thực vật (BVTV) trong nông nghiệp. Theo báo cáo của ngành, việc sử dụng BVTV không kiểm soát đã dẫn đến ô nhiễm môi trường nghiêm trọng, đặc biệt là ô nhiễm nguồn nước do tồn dư các hóa chất khó phân hủy như Chlorpyrifos. Chlorpyrifos là một loại thuốc trừ sâu hữu cơ có độc tính cao, tồn tại lâu dài trong môi trường nước, gây ảnh hưởng tiêu cực đến sức khỏe con người và hệ sinh thái. Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là tổng hợp vật liệu nano MOFs (Metal-Organic Frameworks) kết hợp với graphen oxit (GO) để ứng dụng làm chất xúc tác trong phản ứng quang Fenton nhằm xử lý hiệu quả Chlorpyrifos trong môi trường nước. Nghiên cứu được thực hiện trong giai đoạn 2019-2020 tại Việt Nam, tập trung vào việc khảo sát các điều kiện phản ứng ảnh hưởng đến hiệu quả phân hủy Chlorpyrifos, đồng thời xác định các sản phẩm chuyển hóa trung gian. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển công nghệ xử lý ô nhiễm môi trường nước do BVTV, góp phần bảo vệ sức khỏe cộng đồng và nâng cao chất lượng môi trường nông nghiệp.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai lý thuyết chính: phản ứng quang Fenton và vật liệu khung cơ kim MOFs. Phản ứng quang Fenton là quá trình oxy hóa tiên tiến sử dụng H2O2 làm chất oxy hóa và ion Fe2+ làm chất xúc tác để tạo ra gốc hydroxyl •OH có khả năng phân hủy các hợp chất hữu cơ khó phân hủy. Phản ứng này được tăng cường hiệu quả khi có sự chiếu xạ ánh sáng tử ngoại, giúp tái tạo Fe2+ từ Fe3+ và duy trì vòng tuần hoàn xúc tác. Vật liệu MOFs là các cấu trúc tổ hợp gồm ion kim loại và phối tử hữu cơ tạo thành mạng lưới ba chiều có diện tích bề mặt lớn và cấu trúc xốp, thích hợp làm chất xúc tác quang hóa. Việc kết hợp MOFs với graphen oxit (GO) tạo ra vật liệu composite Fe-BTC/GO có khả năng hấp thụ ánh sáng tốt hơn và giảm tái kết hợp electron - lỗ trống, từ đó nâng cao hiệu quả xúc tác quang Fenton. Các khái niệm chính bao gồm: gốc hydroxyl •OH, phản ứng quang Fenton, vật liệu MOFs, graphen oxit, và hiệu ứng xúc tác quang.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính là các mẫu dung dịch Chlorpyrifos chuẩn bị từ nhũ tương DURSBAN 4 (nồng độ 480 g/L) pha loãng với nước cất. Vật liệu Fe-BTC/GO được tổng hợp bằng phương pháp thủy nhiệt kết hợp vi sóng với các thời gian kết tinh khác nhau (10, 20, 30, 40 phút). Phương pháp phân tích bao gồm: phân tích cấu trúc tinh thể bằng XRD, khảo sát cấu trúc vi mô bằng SEM, xác định thành phần nguyên tố bằng EDX, đo diện tích bề mặt bằng BET, phân tích nhóm chức bằng FT-IR, và phổ hấp thụ UV-Vis. Hiệu quả xúc tác quang Fenton được đánh giá qua quá trình phân hủy Chlorpyrifos trong dung dịch với các điều kiện phản ứng được điều chỉnh như pH, nồng độ H2O2, hàm lượng chất xúc tác, nồng độ Chlorpyrifos ban đầu và số lần tái sử dụng chất xúc tác. Các chỉ số đánh giá gồm nồng độ Chlorpyrifos còn lại, chỉ số COD và thành phần sản phẩm phân hủy được xác định bằng sắc ký khí ghép nối khối phổ (GC/MS). Cỡ mẫu thử nghiệm được lặp lại ba lần để đảm bảo độ tin cậy trên 95%. Thời gian nghiên cứu kéo dài trong năm 2019-2020.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Cấu trúc vật liệu Fe-BTC/GO: Giản đồ XRD cho thấy mẫu Fe-BTC/GO tổng hợp với thời gian kết tinh 30 phút (Fe-BTC/GO-30) có cấu trúc tinh thể Fe-BTC phát triển hoàn thiện nhất, với píc đặc trưng tại góc 2θ ~12,74°, vượt trội hơn so với các mẫu kết tinh 10, 20 và 40 phút. Cường độ píc giảm khi thời gian kết tinh vượt quá 30 phút do sự cạnh tranh của các cụm sắt dư.

  2. Hiệu quả phân hủy Chlorpyrifos: Ở điều kiện tối ưu (pH = 3, nồng độ H2O2 = 20 mmol/L, hàm lượng chất xúc tác = 50 mg/L, nồng độ Chlorpyrifos ban đầu = 5 mg/L), hệ xúc tác Fe-BTC/GO-30 đạt hiệu quả phân hủy Chlorpyrifos trên 90% sau 60 phút phản ứng. Chỉ số COD giảm tương ứng khoảng 85%, chứng tỏ sự khoáng hóa hiệu quả các hợp chất hữu cơ.

  3. Ảnh hưởng của pH: Quá trình phân hủy Chlorpyrifos đạt hiệu quả cao nhất ở pH từ 3 đến 4, với hiệu suất phân hủy giảm rõ rệt khi pH tăng lên trên 5, do sự kết tủa của ion Fe3+ và giảm khả năng tạo gốc •OH.

  4. Tác động của nồng độ H2O2 và chất xúc tác: Tăng nồng độ H2O2 và hàm lượng chất xúc tác ban đầu làm tăng tốc độ phân hủy Chlorpyrifos, tuy nhiên khi vượt quá ngưỡng (H2O2 > 30 mmol/L, chất xúc tác > 70 mg/L) xảy ra phản ứng phụ làm giảm hiệu quả xúc tác.

  5. Tái sử dụng chất xúc tác: Sau 5 lần sử dụng, hiệu quả phân hủy Chlorpyrifos vẫn duy trì trên 75%, cho thấy tính ổn định và khả năng tái sử dụng của vật liệu Fe-BTC/GO.

Thảo luận kết quả

Hiệu quả xúc tác cao của Fe-BTC/GO-30 được giải thích bởi cấu trúc tinh thể Fe-BTC phát triển hoàn thiện, diện tích bề mặt lớn và sự phân tán đồng đều trên nền GO, giúp tăng khả năng hấp thụ ánh sáng và tạo gốc •OH. Kết quả phù hợp với các nghiên cứu quốc tế về ứng dụng MOFs trong phản ứng quang Fenton xử lý chất ô nhiễm hữu cơ. Sự giảm hiệu quả ở pH cao do sự kết tủa Fe(OH)3 làm giảm nồng độ ion Fe2+ tự do, ảnh hưởng đến vòng tuần hoàn xúc tác. Hiện tượng giảm hiệu quả khi nồng độ H2O2 và chất xúc tác quá cao là do cạnh tranh phản ứng và sự tiêu hao gốc •OH trong các phản ứng phụ. Tính ổn định của vật liệu qua nhiều lần sử dụng cho thấy tiềm năng ứng dụng thực tiễn trong xử lý nước thải nông nghiệp. Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ giản đồ XRD, đồ thị hiệu suất phân hủy theo thời gian, và bảng so sánh hiệu quả dưới các điều kiện pH, nồng độ H2O2, và hàm lượng chất xúc tác.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Triển khai ứng dụng Fe-BTC/GO trong xử lý nước thải nông nghiệp: Khuyến nghị các cơ sở xử lý nước thải tại các vùng trồng trọt sử dụng Chlorpyrifos áp dụng hệ xúc tác Fe-BTC/GO-30 trong quy trình xử lý, nhằm giảm nhanh nồng độ chất ô nhiễm. Thời gian thực hiện trong vòng 1-2 năm để đánh giá hiệu quả thực tế.

  2. Điều chỉnh điều kiện phản ứng tối ưu: Đề xuất duy trì pH trong khoảng 3-4 và kiểm soát nồng độ H2O2 dưới 30 mmol/L để đảm bảo hiệu quả phân hủy tối đa và tiết kiệm chi phí vận hành. Chủ thể thực hiện là các kỹ sư môi trường và nhà quản lý hệ thống xử lý.

  3. Nghiên cứu mở rộng ứng dụng cho các loại BVTV khác: Khuyến khích các viện nghiên cứu và trường đại học tiếp tục phát triển vật liệu MOFs composite để xử lý các loại thuốc trừ sâu khác có cấu trúc hóa học tương tự, nhằm đa dạng hóa công nghệ xử lý.

  4. Phát triển quy trình tái sử dụng chất xúc tác: Xây dựng quy trình tái sinh và tái sử dụng vật liệu Fe-BTC/GO nhằm giảm chi phí và tăng tính bền vững của công nghệ. Thời gian thực hiện dự kiến 1 năm, do các phòng thí nghiệm và doanh nghiệp công nghệ môi trường đảm nhiệm.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Kỹ thuật Môi trường: Luận văn cung cấp kiến thức chuyên sâu về vật liệu MOFs, phản ứng quang Fenton và ứng dụng xử lý ô nhiễm nước, hỗ trợ phát triển đề tài nghiên cứu và luận văn.

  2. Chuyên gia và kỹ sư xử lý nước thải: Tham khảo để áp dụng công nghệ xúc tác quang Fenton mới, nâng cao hiệu quả xử lý các chất ô nhiễm hữu cơ khó phân hủy trong nước thải nông nghiệp.

  3. Cơ quan quản lý môi trường và chính sách: Cung cấp cơ sở khoa học để xây dựng các chính sách quản lý và khuyến khích áp dụng công nghệ xử lý BVTV thân thiện môi trường.

  4. Doanh nghiệp sản xuất và cung cấp vật liệu xúc tác: Tham khảo quy trình tổng hợp vật liệu nano MOFs composite thân thiện môi trường, phát triển sản phẩm mới phục vụ ngành xử lý môi trường.

Câu hỏi thường gặp

  1. Phản ứng quang Fenton là gì và tại sao hiệu quả hơn phản ứng Fenton truyền thống?
    Phản ứng quang Fenton sử dụng ánh sáng tử ngoại để tái tạo Fe2+ từ Fe3+, duy trì vòng tuần hoàn xúc tác và tạo thêm gốc hydroxyl •OH, giúp tăng hiệu quả phân hủy các chất hữu cơ khó phân hủy so với phản ứng Fenton truyền thống.

  2. Vật liệu MOFs có ưu điểm gì trong xử lý ô nhiễm?
    MOFs có cấu trúc xốp, diện tích bề mặt lớn và khả năng tùy biến cao về thành phần hóa học, giúp tăng khả năng hấp thụ ánh sáng và xúc tác hiệu quả các phản ứng oxy hóa tiên tiến.

  3. Tại sao cần kết hợp MOFs với graphen oxit (GO)?
    GO giúp tăng khả năng dẫn điện và nhận electron, giảm tái kết hợp electron - lỗ trống trong MOFs, từ đó nâng cao hiệu suất xúc tác quang và tính ổn định của vật liệu.

  4. Điều kiện pH ảnh hưởng thế nào đến phản ứng quang Fenton?
    Phản ứng hiệu quả nhất ở pH 3-4 do ion Fe3+ tồn tại dưới dạng phức có khả năng hấp thụ ánh sáng tốt, đồng thời hạn chế kết tủa Fe(OH)3 làm giảm xúc tác.

  5. Vật liệu Fe-BTC/GO có thể tái sử dụng bao nhiêu lần?
    Nghiên cứu cho thấy vật liệu vẫn giữ được trên 75% hiệu quả phân hủy Chlorpyrifos sau 5 lần sử dụng, cho thấy tính ổn định và khả năng tái sử dụng cao.

Kết luận

  • Đã tổng hợp thành công vật liệu nano Fe-BTC/GO bằng phương pháp thủy nhiệt – vi sóng với cấu trúc tinh thể Fe-BTC phát triển tối ưu ở thời gian kết tinh 30 phút.
  • Vật liệu Fe-BTC/GO-30 thể hiện hiệu quả xúc tác quang Fenton cao, phân hủy trên 90% Chlorpyrifos trong môi trường nước dưới điều kiện tối ưu.
  • Các yếu tố pH, nồng độ H2O2, hàm lượng chất xúc tác và nồng độ Chlorpyrifos ban đầu ảnh hưởng rõ rệt đến hiệu quả phân hủy.
  • Vật liệu có tính ổn định tốt, duy trì hiệu quả sau nhiều lần tái sử dụng, phù hợp ứng dụng thực tiễn.
  • Đề xuất triển khai ứng dụng công nghệ xử lý nước thải nông nghiệp sử dụng Fe-BTC/GO, đồng thời nghiên cứu mở rộng cho các loại BVTV khác và phát triển quy trình tái sử dụng vật liệu.

Tiếp theo, cần tiến hành thử nghiệm quy mô pilot tại các vùng nông nghiệp trọng điểm và phối hợp với các đơn vị quản lý môi trường để đưa công nghệ vào ứng dụng thực tế. Độc giả và các nhà nghiên cứu được khuyến khích tham khảo và phát triển thêm các hướng nghiên cứu liên quan nhằm nâng cao hiệu quả xử lý ô nhiễm môi trường.