Tổng quan nghiên cứu

Ô nhiễm nguồn nước do nước thải chứa thuốc nhuộm công nghiệp đang là vấn đề nghiêm trọng toàn cầu, đặc biệt trong các ngành dệt may và nhuộm với lượng nước thải nhuộm lên đến hàng trăm tấn mỗi năm. Thuốc nhuộm như methylene blue (MB) có khả năng phân hủy sinh học thấp, gây độc hại cho môi trường và sức khỏe con người. Mục tiêu nghiên cứu là tổng hợp vật liệu carbon tẩm kim loại từ xơ mít, một phụ phẩm nông nghiệp phổ biến tại Việt Nam, nhằm ứng dụng trong xử lý thuốc nhuộm trong nước thải bằng quá trình giống Fenton dị thể. Nghiên cứu được thực hiện trong giai đoạn 2022-2023 tại Trung tâm Nghiên cứu Công nghệ Lọc hóa dầu, Trường Đại học Bách Khoa – ĐHQG TP. HCM và Viện Nhiệt đới môi trường. Việc phát triển vật liệu xúc tác từ nguồn nguyên liệu tái tạo này không chỉ giảm chi phí sản xuất mà còn góp phần xử lý hiệu quả các chất ô nhiễm hữu cơ trong nước thải, nâng cao chất lượng nguồn nước và bảo vệ môi trường.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên lý thuyết về quá trình oxy hóa nâng cao (AOPs), đặc biệt là quá trình giống Fenton dị thể, trong đó các ion kim loại chuyển tiếp như cobalt (Co) được gắn lên vật liệu carbon aerogel để xúc tác phân hủy thuốc nhuộm. Quá trình Fenton dị thể tạo ra gốc hydroxyl (OH●) có thế oxy hóa cao (2,80 V), giúp phân hủy các hợp chất hữu cơ khó phân hủy sinh học. Carbon aerogel (CA) là vật liệu có cấu trúc xốp 3D, diện tích bề mặt lớn, độ dẫn điện cao và tỷ trọng thấp, rất phù hợp làm chất mang cho các ion kim loại. Các khái niệm chính bao gồm: aerogel, carbon aerogel, quá trình ngâm tẩm – nhiệt phân, phản ứng giống Fenton dị thể, và các yếu tố ảnh hưởng như pH, nồng độ H2O2, nhiệt độ phản ứng.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu thu thập từ các thí nghiệm tổng hợp và phân tích vật liệu tại phòng thí nghiệm. Vật liệu aerogel được tổng hợp từ xơ mít bằng phương pháp thủy nhiệt, sau đó ngâm tẩm với muối cobalt và nhiệt phân ở các nhiệt độ khác nhau (300 – 550°C) với tốc độ gia nhiệt 4 – 12°C/phút. Các đặc tính vật liệu được phân tích bằng SEM-EDS, FTIR, XRD và BET để khảo sát hình thái, thành phần nguyên tố, nhóm chức và cấu trúc tinh thể. Thí nghiệm xử lý methylene blue trong nước được thực hiện theo mô hình phản ứng gián đoạn, khảo sát ảnh hưởng của các điều kiện phản ứng như nồng độ xúc tác (0,10 – 0,40 g/L), nồng độ H2O2 (0,86 – 1,84 M), pH (2 – 11), nhiệt độ (25 – 45°C) và sự có mặt của các anion vô cơ (Cl⁻, SO₄²⁻, CO₃²⁻, PO₄³⁻). Cỡ mẫu thí nghiệm được thiết kế phù hợp để đảm bảo độ tin cậy, với các phép đo được lặp lại để xác định độ chính xác. Thời gian nghiên cứu kéo dài từ tháng 9/2022 đến tháng 5/2023.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Ảnh hưởng nhiệt độ nhiệt phân: Vật liệu Co-CA nhiệt phân ở 350°C với tốc độ gia nhiệt 4°C/phút cho hiệu suất phân hủy MB cao nhất, đạt khoảng 95% trong điều kiện tối ưu. Diện tích bề mặt riêng của vật liệu đạt 34 m²/g, đường kính lỗ trung bình 10,5 nm, tạo điều kiện thuận lợi cho sự khuếch tán MB và H2O2 vào vật liệu.

  2. Ảnh hưởng tốc độ gia nhiệt: Tốc độ gia nhiệt 4°C/phút cho hiệu suất xử lý MB cao hơn 12% so với tốc độ 12°C/phút, do cấu trúc vật liệu ổn định hơn, giảm sự kết tụ cobalt và duy trì diện tích bề mặt lớn.

  3. Ảnh hưởng pH dung dịch: Vật liệu xúc tác hoạt động hiệu quả trong khoảng pH rộng từ 4 đến 11, với hiệu suất xử lý tăng rõ rệt trong môi trường kiềm (pH 9 – 11), đạt hiệu suất trên 90%. Điều này mở rộng phạm vi ứng dụng so với quá trình Fenton đồng thể truyền thống chỉ hoạt động tốt ở pH ~3.

  4. Ảnh hưởng các anion vô cơ: Anion chloride và sulphate không ảnh hưởng đáng kể đến hiệu suất xử lý trong khoảng nồng độ 1 – 100 mM. Ngược lại, anion carbonate và phosphate ở nồng độ thấp (<10 mM) làm tăng hiệu suất phân hủy MB khoảng 10%, nhưng khi vượt quá 10 mM gây ức chế do hiệu ứng nhặt gốc tự do, làm giảm hiệu quả xử lý khoảng 15%.

Thảo luận kết quả

Kết quả cho thấy vật liệu Co-CA tổng hợp từ xơ mít có cấu trúc xốp và diện tích bề mặt phù hợp, giúp tăng khả năng hấp phụ và xúc tác phân hủy MB hiệu quả. Nhiệt độ nhiệt phân 350°C là điểm cân bằng giữa việc giữ lại cấu trúc aerogel và tạo ra các vị trí hoạt động cobalt trên bề mặt. Tốc độ gia nhiệt thấp giúp hạn chế sự kết tụ kim loại, duy trì tính đồng nhất của vật liệu. Phạm vi pH rộng của quá trình dị thể giúp vật liệu có thể ứng dụng trong nhiều điều kiện thực tế khác nhau, vượt trội hơn so với quá trình đồng thể. Ảnh hưởng của các anion vô cơ phản ánh tính phức tạp của nước thải thực tế, trong đó các ion carbonate và phosphate có thể vừa hỗ trợ vừa cản trở quá trình oxy hóa tùy nồng độ. Các kết quả này tương đồng với nghiên cứu quốc tế về vật liệu carbon pha tạp kim loại trong xử lý nước thải, đồng thời mở ra hướng phát triển vật liệu xúc tác từ nguồn nguyên liệu sinh khối tái tạo, thân thiện môi trường.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tối ưu quy trình tổng hợp vật liệu: Áp dụng nhiệt phân ở 350°C với tốc độ gia nhiệt 4°C/phút để đảm bảo hiệu suất xúc tác cao và cấu trúc vật liệu ổn định. Thời gian nhiệt phân duy trì 2 giờ trong môi trường khí N2.

  2. Điều chỉnh điều kiện phản ứng xử lý: Khuyến nghị vận hành quá trình xử lý thuốc nhuộm trong khoảng pH 7 – 11 để tận dụng hiệu quả xúc tác cao trong môi trường kiềm, đồng thời kiểm soát nồng độ H2O2 ở mức 1,12 M để cân bằng chi phí và hiệu quả.

  3. Kiểm soát thành phần nước thải: Theo dõi và điều chỉnh nồng độ các anion carbonate và phosphate trong nước thải, tránh vượt quá 10 mM để không làm giảm hiệu suất xử lý do hiệu ứng nhặt gốc tự do.

  4. Phát triển quy mô ứng dụng: Khuyến khích các đơn vị xử lý nước thải công nghiệp thử nghiệm quy mô pilot sử dụng vật liệu Co-CA từ xơ mít nhằm đánh giá hiệu quả thực tế và khả năng tái sử dụng vật liệu trong điều kiện vận hành liên tục.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà nghiên cứu môi trường và vật liệu: Có thể ứng dụng kết quả nghiên cứu để phát triển vật liệu xúc tác mới từ nguồn sinh khối, mở rộng nghiên cứu về xử lý nước thải hữu cơ.

  2. Doanh nghiệp xử lý nước thải công nghiệp: Đặc biệt các nhà máy dệt nhuộm có thể áp dụng vật liệu Co-CA để nâng cao hiệu quả xử lý thuốc nhuộm, giảm chi phí vận hành và giảm phát sinh bùn thải.

  3. Cơ quan quản lý môi trường: Tham khảo để xây dựng các chính sách khuyến khích sử dụng vật liệu thân thiện môi trường, thúc đẩy tái chế phụ phẩm nông nghiệp trong xử lý ô nhiễm.

  4. Sinh viên và học viên cao học: Là tài liệu tham khảo quý giá về tổng hợp vật liệu carbon aerogel, phương pháp nghiên cứu và ứng dụng quá trình giống Fenton dị thể trong xử lý môi trường.

Câu hỏi thường gặp

  1. Vật liệu Co-CA được tổng hợp từ nguyên liệu gì?
    Co-CA được tổng hợp từ xơ mít, một phụ phẩm nông nghiệp phổ biến tại Việt Nam, qua quá trình thủy nhiệt, ngâm tẩm với muối cobalt và nhiệt phân trong môi trường khí trơ.

  2. Tại sao chọn quá trình giống Fenton dị thể để xử lý thuốc nhuộm?
    Quá trình giống Fenton dị thể khắc phục nhược điểm của Fenton đồng thể như phạm vi pH hẹp, giảm sinh bùn sắt và tăng khả năng tái sử dụng xúc tác, phù hợp với xử lý nước thải chứa thuốc nhuộm khó phân hủy.

  3. Ảnh hưởng của pH đến hiệu suất xử lý như thế nào?
    Vật liệu xúc tác hoạt động hiệu quả trong khoảng pH rộng từ 4 đến 11, với hiệu suất cao hơn trong môi trường kiềm, giúp mở rộng ứng dụng trong các điều kiện nước thải khác nhau.

  4. Các anion vô cơ có ảnh hưởng ra sao đến quá trình xử lý?
    Cl⁻ và SO₄²⁻ không ảnh hưởng đáng kể, trong khi CO₃²⁻ và PO₄³⁻ ở nồng độ thấp tăng hiệu suất, nhưng ở nồng độ cao (>10 mM) gây ức chế do nhặt gốc tự do, làm giảm hiệu quả phân hủy.

  5. Vật liệu có thể tái sử dụng được không?
    Nghiên cứu cho thấy vật liệu Co-CA có khả năng tái sử dụng do quá trình dị thể hạn chế sự hòa tan ion kim loại, tuy nhiên cần thực hiện các thử nghiệm tái sử dụng cụ thể để đánh giá độ bền xúc tác.

Kết luận

  • Đã tổng hợp thành công vật liệu Co-Carbon aerogel từ xơ mít bằng phương pháp thủy nhiệt, ngâm tẩm và nhiệt phân.
  • Vật liệu có diện tích bề mặt riêng 34 m²/g và cấu trúc xốp với đường kính lỗ trung bình 10,5 nm, phù hợp cho quá trình xúc tác phân hủy methylene blue.
  • Nhiệt độ nhiệt phân 350°C và tốc độ gia nhiệt 4°C/phút là điều kiện tối ưu cho hiệu suất xử lý MB đạt trên 95%.
  • Vật liệu xúc tác hoạt động hiệu quả trong phạm vi pH rộng (4 – 11) và chịu được ảnh hưởng của các anion vô cơ phổ biến trong nước thải.
  • Nghiên cứu mở ra hướng phát triển vật liệu xúc tác thân thiện môi trường từ nguồn nguyên liệu tái tạo, góp phần nâng cao hiệu quả xử lý nước thải công nghiệp.

Next steps: Triển khai thử nghiệm quy mô pilot, đánh giá khả năng tái sử dụng và mở rộng ứng dụng xử lý các loại thuốc nhuộm khác.

Call-to-action: Các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp xử lý nước thải nên hợp tác để phát triển và ứng dụng vật liệu Co-CA trong thực tế nhằm bảo vệ nguồn nước và môi trường bền vững.