Nghiên Cứu Vật Liệu Nano Composit Đa Chức Năng Và Thử Nghiệm Xử Lý Nước Ô Nhiễm

Nước ta có nền công nghiệp đang phát triển mạnh, do vậy các khu công nghiệp đã xả ra môi trường nhiều chất thải gây ô nhiễm môi trường. Nông nghiệp là ngành sử dụng nhiều nước nhất dùng tưới lúa và hoa màu, chủ yếu là ở đồng bằng sông Cửu Long và sông Hồng. Việc sử dụng nông dược và phân bón hóa học càng góp thêm phần ô nhiễm môi trường nông thôn. Ở đô thị và các khu công nghiệp Hiện nay ở Việt Nam, mặc dù các cấp, các ngành đã có nhiều cố gắng trong việc thực hiện chính sách và pháp luật về bảo vệ môi trường, nhưng tình trạng ô nhiễm nước là vấn đề rất đáng lo ngại.

Công nghệ nano mang đến giải pháp hiệu quả nhờ ứng dụng đa dạng của các vật liệu nano. Các chất hấp thụ nano (nanosorbents) như ống nano cacbon, keo xốp zeolit, bạc có tỉ lệ diện tích bề mặt lớn, tăng khả năng hấp thụ chất ô nhiễm. Tính chất điện, quang xúc tác mạnh của hạt nano giúp diệt khuẩn, tinh sạch nước hiệu quả. Vật liệu nano có thể được chức năng hóa để tăng khả năng hấp thụ chọn lọc. Hướng nghiên cứu về hạt nano từ tính như Fe3O4 hứa hẹn khả năng định hướng và tách lọc chất ô nhiễm bằng từ trường ngoài.

Các hạt nano Fe3O4 có những nhược điểm nhất định như dễ bị ôxi hóa trong không khí tạo thành Fe2O3 làm giảm từ tính của hạt, không bền, dễ bị hòa tan trong môi trường axit yếu. Chính vì vậy, hướng nghiên cứu bọc lớp vỏ bảo vệ hạt nano Fe3O4 lõi vừa giúp cho các hạt nano Fe3O4 bền hơn khi phân tán trong dung dịch, vẫn giữ được tính chất từ của vật liệu, mà còn tương thích sinh học và thân thiện với môi trường hơn.

Trong các lớp vỏ bọc được nghiên cứu nhiều như lớp silica vô định hình [18, 30], chitosan [21, 34], polyethylene glycol (PEG) [21],… trong đó các nghiên cứu về bọc lớp vỏ vô cơ lên các hạt nano từ tính như ZnO, TiO2, ZnS,… đã được nhiều nhóm nghiên cứu [11, 35]. Các hạt nano bán dẫn TiO2, ZnO với tính chất khá xốp, khả năng quang xúc tác mạnh hứa hẹn sẽ hấp thụ và xử lý các chất ô nhiễm tốt hơn [22, 31].

Đặc biệt các hạt nano bán dẫn khi được biến tính bề mặt bằng cacbon [24], kim loại [22, 25], hoặc trở thành lớp vỏ bao bọc quanh các hạt nano Fe3O4 sẽ là chất quang xúc tác mạnh trong cả vùng ánh sáng tử ngoại và nhìn thấy (do độ rộng vùng cấm của Fe3O4 nằm trong vùng ánh sáng nhìn thấy) [35]. Tính chất vượt trội này của hạt nano composit từ 3 tính - bán dẫn giúp nâng cao hiệu suất quang xúc tác làm tăng khả năng ứng dụng trong xử lý chất ô nhiễm.

Hình 2.1 Quy trình chế tạo mẫu Fe3O4 30 Hình 2.2 Quy trình chế tạo mẫu hạt đa chức năng Fe3O4-NH2-ZnO.3 Sơ đồ nguyên lý của phép đo nhiễu xạ tia X.4 Nhiễu xạ tia X ( XRD – X Ray Diffraction) D5005, Bruker – Đức tại 33 trường Đại học Khoa học Tự nhiên.5 Sơ đồ cơ chế tạo ảnh TEM bởi chùm tia điện tử 34 Hình 2.6 Sơ đồ cấu tạo đơn giản của máy đo hấp thụ truyền qua UV- 36

Hình 2.7 Máy đo UV – vis Spectrometer (UV 2450PC, Shimadzu – Japan) tại 36 trung tâm Khoa học vật liệu- ĐHKHTN.8 Thiết bị từ kế mẫu rung DMS 880 với từ trường cực đại là 13,5 kOe tại 38 Trung tâm Khoa học Vật liệu.1 Giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu nano Fe3O4-N và Fe3O4/ZnO.2 Phổ tán sắc năng lượng tia X của mẫu vật liệu nano Fe3O4, Fe3O4-N 42 và composit Fe3O4/ZnO.

3 Phổ FTIR của các vật liệu nano Fe3O4-N, ZnO và composit 43 Fe3O4/ZnO.4 Phổ quang điện tử tia X của các vật liệu nano Fe3O4, Fe3O4-N và 44 composit Fe3O4/ZnO.5 Ảnh SEM của vật liệu nano composit Fe3O4/ZnO.6 Đường cong từ độ phụ thuộc từ trường ngoài của các vật liệu nano 46 Fe3O4, Fe3O4-N và composit Fe3O4/ZnO.

Ảnh hưởng của lượng tiền chất aptes đến sự hình thành vật liệu nano composit Fe3O4/ZnO . Cấu trúc, thành phần pha và hình thái của hệ nano composit Fe3O4/ZnO . Tính chất từ của các hệ nano composit Fe3O4/ZnO. Tính chất quang của các hệ nano composit Fe3O4/ZnO và định hướng ứng dụng xử lý nước ô nhiễm .

Các kim loại nặng như Pb, Hg, As, Cr (VI), Cd có trong nước thải của các nhà máy sản xuất pin, acqui, luyện kim, hóa dầu, khai thác mỏ, sản xuất sản phẩm dùng trong nông nghiệp… Chúng là chất gây độc tính cao (ảnh hưởng đến hệ thần kinh, hô hấp, tuần hoàn), có khả năng tích lũy trong cơ thể, có thể gây ra các bệnh ung thư [9]. Vì vậy, vấn đề cấp thiết hiện nay là phải loại bỏ các kim loại nặng có trong nước thải của các nhà máy sản xuất trước khi xả thải ra môi trường, cũng như trong nước sinh hoạt nhằm bảo vệ tối đa cho sức khỏe con người [19-29].

Các vật liệu nano này cũng có thể được chức năng hóa với nhiều các nhóm chức hóa học khác nhau cho phép tăng khả năng hấp thụ, lọc lựa các chất ô nhiễm [13, 29, 34]. Hơn nữa, hướng nghiên cứu nổi lên gần đây là chế tạo các hạt nano từ tính như ôxit sắt từ Fe3O4, niken ferit, coban ferit có tính chất siêu thuận từ với từ độ bão hòa kỹ thuật lớn (ở nhiệt độ phòng), độc tính thấp, khá tương thích sinh học và thân thiện với môi trường, hứa hẹn mang lại khả năng định hướng dễ dàng trong dung dịch, tách lọc các chất ô nhiễm trong nước thải bằng từ trường bên ngoài [2, 11].

Cần tiếp tục nghiên cứu để tối ưu hóa quy trình chế tạo, nâng cao hiệu quả xử lý và đánh giá tính an toàn của vật liệu. Hướng nghiên cứu này góp phần vào sự phát triển của công nghệ xử lý nước tiên tiến, bền vững, đáp ứng nhu cầu cấp thiết về nguồn nước sạch.

Hướng nghiên cứu này góp phần vào sự phát triển của công nghệ xử lý nước tiên tiến, bền vững, đáp ứng nhu cầu cấp thiết về nguồn nước sạch.