MỞ ĐẦU Trong những thập kỷ gần đây, sự phát triển mạnh mẽ của nền công nghiệp, nông nghiệp, đô thị hóa cùng với tác động của việc tăng dân số và ảnh hưởng của biến đổi khí hậu đã tạo ra những áp lực lớn đối với việc cung cấp nước sạch và bảo vệ môi trường. Thiếu nước và ô nhiễm nước hiện là hai vấn đề lớn mà các quốc gia trên toàn thế giới đang phải đối mặt. Phần lớn các nguồn nước thường bị ô nhiễm bởi nhiều loại chất ô nhiễm khác nhau. Ngoài việc tạo ra một lượng lớn nước thải, các hoạt động công nghiệp, nông nghiệp, nuôi trồng thủy sản, khai thác và sử dụng tài nguyên đã làm tăng tính phức tạp, bất ổn định của các nguồn nước.
Những thách thức mà xử lý nước ngày nay phải đối mặt chủ yếu là sự phức tạp của các nguồn nước, vì nó làm phức tạp các quy trình xử lý do phải kết hợp nhiều công nghệ, dẫn đến thời gian xử lý lâu hơn và chi phí vận hành cao hơn. Các công nghệ xử lý nước và nước thải có thể xử lý đồng thời nhiều chất ô nhiễm cùng tồn tại đã trở thành trọng tâm của các nghiên cứu gần đây. Trong xử lý nước và nước thải, các nhà nghiên cứu đang chuyển từ kiểm soát một chất ô nhiễm sang kiểm soát nhiều chất ô nhiễm. Việc loại bỏ đồng thời các chất ô nhiễm chính tồn tại trong nước đang được xem xét nghiêm túc dựa trên một số kỹ thuật như hấp phụ, xúc tác, khử trùng và kiểm soát vi sinh vật với sự hỗ trợ của công nghệ nano.
Một hướng nghiên cứu rất được chú trọng nữa là phát triển các công nghệ và vật liệu tiên tiến, có khả năng xử lý hiệu quả từng tác nhân ô nhiễm khó xử lý như amoni, các chất hữu cơ khó phân hủy, dược phẩm và các sản phẩm chăm sóc cá nhân. Dựa vào tính phổ biến, khả năng tích lũy sinh học và độc tính của mỗi tác nhân ô nhiễm trong môi trường mà trong nhiều trường hợp một số tác nhân như kim loại nặng, amoni, thuốc nhuộm, các hóa chất dược phẩm., vi khuẩn coli, coliform và một số hợp chất ô nhiễm vô cơ, hữu cơ mới khác cần được ưu tiên trong kiểm soát ô nhiễm. Nhiều kỹ thuật khác nhau đã được phát triển để xử lý nước và nước thải. Các phương pháp phổ biến bao gồm kết tủa, keo tụ, lắng - tách trọng lực, tuyển nổi, lọc, hấp phụ, trao đổi ion, thẩm tách điện, điện phân, oxy hóa, chưng cất, thẩm thấu ngược, phân hủy sinh học và xử lý thực vật v.
Mỗi phương pháp kể trên đều có những ưu điểm và hạn chế riêng cả về chi phí, hiệu quả, tính khả thi và các hậu quả tác động đến môi trường. Cho đến nay, chưa có một phương pháp nào mà chỉ riêng nó có khả năng xử lý đầy đủ nguồn nước bị ô nhiễm. 2 Hấp phụ là một trong những kỹ thuật đã được công nhận là quan trọng, hiệu quả và được sử dụng rộng rãi để xử lý nước thải, nước cấp, nước sinh hoạt và nước ăn uống. Hấp phụ đã, đang và trong tương lai vẫn sẽ là một trong số các công nghệ xử lý nước hiệu quả nhất.
Việc phát triển những chất hấp phụ tiên tiến mới là hết sức cần thiết. Cho đến nay, do có các ưu điểm nổi trội, các chất hấp phụ trên cơ sở vật liệu nanocomposite đang thu hút sự quan tâm của các nhà khoa học. Mục tiêu của luận án: Nghiên cứu chế tạo một số vật liệu nanocomposite tiên tiến, có khả năng hấp phụ tốt các chất ô nhiễm cần ưu tiên xử lý trong nước. Nội dung nghiên cứu: Từ mục tiêu trên, trong luận án này các nội dung nghiên cứu sau đã được thực hiện: 1) Nghiên cứu tổng hợp, xác định các đặc trưng cơ bản và đánh giá khả năng hấp phụ của nanocomposite Fe3O4/bentonite đối với một số chất ô nhiễm anion (asenat, asenit), cation (Pb2+, Cd2+) và hữu cơ (thuốc nhuộm RR-195).
2) Nghiên cứu tổng hợp, tối ưu hóa thành phần, xác định các đặc trưng cơ bản của vật liệu mới nanocomposite nZVI/oxit phức hợp (Fe-Mn)/bentonite và hành vi hấp phụ thuốc nhuộm hoạt tính RY-145 của vật liệu. 3) Nghiên cứu tổng hợp, xác định các đặc trưng cơ bản và hành vi hấp phụ amoni (NH4+- N) của vật liệu mới: nanocomposite hydrogel in dấu phân tử mạng xen kẽ: mạng của chitosan-g-poly(Acrylic acide)/bentonite với chitosan- glutarandehide (CAB/CGA). Trong ba vật liệu này, nanocomposite Fe3O4/bentonite hướng đến một vật liệu có khả năng xử lý đa dạng các tác nhân ô nhiễm bao gồm các anion, cation và chất hữu cơ. Nanocomposite nZVI/oxit phức hợp (Fe-Mn)/bentonite và CAB/CGA lần lượt hướng đến hai tác nhân ô nhiễm khó xử lý là thuốc nhuộm và amoni trong nước.
Quá trình hấp phụ loại bỏ các chất ô nhiễm trong nước 1. Các chất ô nhiễm chủ yếu cần ưu tiên trong xử lý nước Có rất nhiều tác nhân gây ô nhiễm nước với các tính chất hóa lý và độc tính khác nhau, chúng có nguồn gốc bao gồm cả tự nhiên và do con người tạo ra. Các chất gây ô nhiễm nước cơ bản được phân loại thành nhóm các chất vô cơ, nhóm các chất hữu cơ, các chất phóng xạ và nhóm chất ô nhiễm sinh học. Dựa vào tính phổ biến, khả năng tích lũy sinh học và độc tính của mỗi tác nhân ô nhiễm trong môi trường mà trong nhiều trường hợp một số tác nhân như kim loại nặng (bao gồm cả asen), amoni, thuốc nhuộm, các hóa chất dược phẩm, vi khuẩn coli, coliform và một số hợp chất vô cơ, hữu cơ mới, được ưu tiên trong kiểm soát ô nhiễm.
Những chất gây ô nhiễm này có thể gây độc cho con người ở mức ng/l đến mg/l [1]. Kim loại nặng Ô nhiễm kim loại nặng (HM) chủ yếu gồm Cd, Pb, Mn, Cr, As (As mặc dù là một á kim, nhưng thường được phân loại như một HM). Nhiều HM ở mức vi lượng rất phổ biến trong môi trường đất, nước và một số trong chúng rất cần thiết cho con người, nhưng với hàm lượng lớn chúng có thể gây ngộ độc cấp tính hoặc mãn tính như Se, Co, Cu,. Ô nhiễm HM do hoạt động của con người chủ yếu từ các hoạt động sản xuất công nghiệp, nông nghiệp.
(mạ kim loại, khai thác mỏ, luyện kim, sản xuất pin, thuộc da, dầu khí, sơn, thuốc trừ sâu, bột màu,. HM là đối tượng được đặc biệt ưu tiên trong kiểm soát ô nhiễm môi trường. Các kim loại nặng cần quan tâm nhất đối với nước sinh hoạt là As, Cd, Cr, Hg, Pb. Amoni Amoni trong các nguồn nước tự nhiên không bị ô nhiễm thường có nồng độ rất thấp [4].
Tuy nhiên, do các loại nước thải nông nghiệp, công nghiệp và nước thải sinh hoạt không được xử lý và quản lý nghiêm túc đã gây ra ô nhiễm amoni các nguồn nước ngầm và nước mặt trên diện rộng [5]. Bản thân amoni không quá độc với cơ thể, nhưng nếu tồn tại trong nước với hàm lượng vượt quá tiêu chuẩn cho phép, nó có thể chuyển hóa thành các chất gây ung thư và các bệnh nguy hiểm khác. Amoni trong nước với nồng độ cao rất dễ tạo thành nitrat (NO3-), nitrit (NO2-) và có thể chuyển hóa thành N- nitroso là chất tiền ung thư trong cơ thể động vật. Đặc biệt, ô nhiễm amoni và phosphat 4 trong môi trường nước tạo ra hiện tượng phú dưỡng, làm cạn kiệt oxy hòa tan, và gây độc cho các loài thủy sinh [6].
Bên cạnh đó, amoni là một trong những tác nhân gây khó khăn trong công nghệ xử lý nước cấp, làm giảm tác dụng của clo, giảm hiệu quả khử trùng nước do phản ứng với clo tạo thành monocloamin là chất sát trùng thứ cấp hiệu quả kém clo hơn 100 lần. Trong nước, amoni tồn tại dưới 2 dạng là NH3 hòa tan và cation NH4+. Tùy thuộc vào pH của nước mà luôn tồn tại trạng thái cân bằng giữa hai dạng này [7]: NH4+ + OH- NH3.1) Khi pH ≤ 7, amoni chủ yếu tồn tại ở dạng NH4+, pH tăng từ 7 đến 9,5 nồng độ NH3 tăng nhanh và hoàn toàn chiếm ưu thế trong môi trường nước có pH trên 9,5. Nước tự nhiên thường có độ pH trung tính nên khi bị ô nhiễm thì amoni thường tồn tại ở dạng NH4+ [5].
Thuốc nhuộm Thuốc nhuộm đã được sử dụng rất nhiều trong các ngành công nghiệp như sơn, thuộc da, giấy, cao su, nhựa và đặc biệt là ngành dệt nhuộm [8 -10]. Trên thế giới khoảng 700.000 tấn thuốc nhuộm được sản xuất hàng năm [11, 12]. Ước tính, chỉ riêng ngành dệt may hiện sử dụng hơn 100.000 loại thuốc nhuộm, tiêu thụ hơn 1000 tấn mỗi năm, trong đó khoảng 10-15% số thuốc nhuộm này đi vào nước thải [13]. Thuốc nhuộm có thể được phân loại thành thuốc nhuộm axit, bazơ, phân tán, hoạt tính và thuốc nhuộm trực tiếp.
Nhiều loại trong số đó có trọng lượng phân tử cao, cấu trúc phức tạp và là các hợp chất hữu cơ mang màu, bền hóa học, kháng ánh sáng và vi sinh vật nên rất khó phân hủy. Thuốc nhuộm và các sản phẩm chuyển hóa của chúng có thể gây độc, gây đột biến và ung thư cho nhiều loại sinh vật sống. Dược phẩm và các sản phẩm chăm sóc cá nhân Cho đến nay, dược phẩm và các sản phẩm chăm sóc cá nhân (pharmaceuticals and personal care products – PPCP) trong môi trường nước đã được công nhận là lớp chất gây ô nhiễm mới [14]. Với các kỹ thuật phân tích hiện đại, các hợp chất này có thể được phát hiện ở nồng độ rất thấp (ng/l) trong các chất nền phức tạp [15, 16].
PPCP được coi là mối đe dọa tiềm tàng đối với sức khỏe con người và động vật, tùy thuộc vào đặc tính của từng hợp chất ở cả nồng độ cao và thấp [17, 18]. PPCP có thể tích lũy liên tục vào nguồn tài nguyên nước, gây ra rủi ro môi trường cho cả hệ sinh thái và con 5 người. PPCP phổ biến nhất là thuốc kháng sinh, thuốc giảm đau, thuốc chống viêm, dược phẩm, mỹ phẩm và nhiều hợp chất khác. Các công nghệ phổ biến hiện nay để loại bỏ các chất ô nhiễm trong nước Nhiều kỹ thuật khác nhau đã được phát triển để xử lý nước và nước thải [19-24].
Các phương pháp phổ biến bao gồm kết tủa, keo tụ, lắng - tách trọng lực, tuyển nổi, lọc, hấp phụ, trao đổi ion, thẩm tách điện, điện phân, oxy hóa, chưng cất, thẩm thấu ngược, phân hủy sinh học. Mỗi phương pháp đều có những ưu điểm và hạn chế riêng cả về chi phí, hiệu quả, tính khả thi và các hậu quả tác động đến môi trường.