MỞ ĐẦU Gần đây, ứng dụng công nghệ nano sử dụng oxit sắt hoặc oxit sắt kết hợp với vật liệu để xử lý nước đã thu hút nhiều quan tâm của các nhà nghiên cứu. Đặc biệt, các nghiên cứu đã kết hợp các oxit sắt này lên trên bề mặt vật liệu, trong đó vật liệu làm chất mang điển hình là các vật liệu xốp có chứa cacbon như than hoạt tính (AC) và than sinh học. Khác với than hoạt tính truyền thống, than sinh học hình cầu cải tiến được tổng hợp từ các nhóm carbohydrat (glucose, xylose, và sucrose) thể hiện một số đặc tính nổi bật như hàm lượng các nhóm chức oxy cao hơn như carboxylic, carbonyl và hydroxyl/phenolic. Những nhóm này thường đóng vai trò quan trọng trong hấp phụ các chất ô nhiễm khác nhau trong môi trường nước.
Trong khi đó, ngoài các chất ô nhiễm truyền thống (thuốc nhuộm hữu cơ và kim loại nặng), sự xuất hiện phổ biến của các chất gây ô nhiễm dược phẩm trong môi trường nước đã báo động một số lo ngại về tác động xấu của chúng đối với sức khỏe con người và hệ sinh thái dưới nước. Điển hình là paracetamol (PRC; còn được gọi acetaminophen) đã được phát hiện trong nước thải đô thị. Điều này là do nó được sử dụng thường xuyên trong các bệnh viện và hộ gia đình để điều trị giảm đau và sốt. Hiện nay, paracetamol còn được sử dụng để điều trị cho bệnh nhân nhiễm COVID-19, vì vậy nhu cầu tiêu thụ càng tăng cao.
Điều này dẫn đến xả thải dư lượng của PRC vào các dòng nước (hệ thống cống, sông, kênh, rạch và ao hồ). Mặc dù chất ô nhiễm này xuất hiện với nồng độ thấp trong môi trường nước không gây ra ngộ độc tức thời, nhưng sự tích tụ lâu dài của chúng có thể đe dọa hệ sinh thái thủy sinh và có ảnh hưởng xấu đến sức khỏe con người. Xuất phát từ nhu cầu thực tế, hướng nghiên cứu đặt ra là cần khai thác các đặc điểm nổi bật của vật liệu than sinh học hình cầu gắn oxit sắt với mục tiêu loại bỏ chất ô nhiễm dược phẩm ra khỏi môi trường nước. Do đó đề tài: “Điều chế vật liệu than sinh học hình cầu có từ tính từ than glucose và FeCl3 và ứng dụng trong xử lý paracetamol trong nước” cần được thực hiện.
3 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VIẾT TẮT Từ viết tắt Tên tiếng anh Tên tiếng việt AC Activated carbon Than hoạt tính BET Brunauer – Emmett – Teller Phân tích diện tích bề mặt CAC Commercial activated carbon Than hoạt tính thương mại EDS Energy dispersive spectrometry Quang phổ tán xạ năng lượng tia X Fe2O3 nanoparticles-loaded spherical Than sinh học gắn oxit sắt Fe-SB biochar FT-IR Fourier-transform infrared spectroscopy Phân tích phổ hồng ngoại Fourier SEM Scanning electron microscope Phân tích kính hiển vi điện tử quét SB Spherical biochar Than sinh học hình cầu SH Spherical hydrochar Than thủy nhiệt hình cầu pHPZC Giá trị pH mà ở đó bề mặt vật liệu pH value at the point of zero charge trung hòa điện tích XRD X-ray Powder Diffraction Quang phổ nhiễu xạ tia X 4 DANH SÁCH HÌNH Hình 1.1: Một số phương pháp loại bỏ PRC trong môi trường nước [11].2: Sự tăng trưởng của thị trường tiêu thụ paracetamol phân bố theo khu vực trên toàn thế giới [48] .3: Số ca tử vong do ngộ độc thuốc bởi paracetamol ở Anh và xứ Wales từ năm 1993 đến năm 2020 [51].1: Cấu trúc mạch vòng của α-D-glucose (a, b) [60]; Hai dạng đồng phân α- glucose và β-glucose (c, d) [59] .2: Quy trình tổng hợp vật liệu .2: Cơ chế hình thành các hạt hydrochar hình cầu từ các nguồn carbohydrate tinh khiết bằng phương pháp cacbon hóa thủy nhiệt [71] .3: So sánh phổ XRD của các hạt nano oxit sắt: (a) maghemite γ-Fe2O3, (b) hematit α-Fe2O3, và (c) magnetit Fe3O4 [58] và (d) của H-SB (hematite- spherical biochar) trong nghiên cứu này .4: Giản đồ XRD của vật liệu Fe-SB .5: Phổ Raman của vật liệu Fe-SB.6: So sánh phổ Raman của các hạt nano oxit sắt: (a) maghemite γ-Fe2O3 [74], (b) hematit α-Fe2O3 [74], (c) magnetit Fe3O4 [74] và (d) của H-SB (hematite- spherical biochar) .7: Phổ FTIR của Fe-SB ban đầu và bị oxi hóa trước và sau khi hấp phụ .8: Vòng từ trễ từ của than sinh học hình cầu gắn α-Fe2O3 ở ~ 300 K .9: Độ từ hóa so với cường độ từ trường đối với vật liệu sắt từ và vật liệu thuận từ (mô phỏng theo Waters và cộng sự [84]) .10: Ảnh hưởng của pH dung dịch lên khả năng hấp phụ PRC của vật liệu Fe- SB trong dung dịch nước .11: Ảnh hưởng của NaCl đến khả năng hấp phụ PRC bởi vật liệu Fe-SB trong môi trường nước .12: Động học hấp phụ PRC của vật liệu Fe-SB .13: Đẳng nhiệt hấp phụ PRC của vật liệu Fe-SB .14: Cơ chế khả thi của quá trình hấp phụ PRC bằng than sinh học hình cầu gắn hạt nano hematite .47 5 DANH SÁCH BẢNG Bảng 2.1: Các tính chất cơ bản của paracetamol.2: Các tính chất cơ bản của glucose [58] .3: Tính dung lượng hấp phụ cân bằng và theo thời gian .4: Mô hình động học hấp phụ .5: Đẳng nhiệt hấp phụ .6: Các thông số và công thức liên quan đến nhiệt động học hấp phụ .1: Đặc tính cấu trúc lỗ xốp của vật liệu than thủy nhiệt hình cầu (SH), than sinh học hình cầu (SB) và than sinh học hình cầu gắn oxit sắt (Fe-SB) .2: Các thông số động học hấp phụ của PRC bởi vật liệu Fe-SB .3: Dung lượng hấp phụ cực đại của 03 vật liệu than thủy nhiệt hình cầu (SH), than sinh học hình cầu (SB) và than sinh học hình cầu gắn oxit sắt (Fe-SB) 44 Bảng 3.4: Các thông số đẳng nhiệt hấp phụ của PRC bởi vật liệu Fe-SB .5: Bảng so sánh dung lượng hấp phụ cực đại theo công thức Langmuir (Qmax; mg/g) đối với paracetamol bởi the Fe-SB trong một số nghiên cứu .6: Các thông số nhiệt động học hấp phụ PRC bởi vật liệu Fe-SB ở các nhiệt độ khác nhau.1 Giới thiệu Cùng với sự phát triển kinh tế xã hội, công nghiệp hóa và đô thị hóa, hầu hết các quốc gia đều phải đối mặt với nhiều vấn đề về ô nhiễm môi trường. Đặc biệt, ô nhiễm môi trường từ các chất thải y tế tiềm ẩn nhiều độc tố ảnh hưởng đến hệ sinh thái và sức khỏe con người, điều này đã thu hút nhiều sự quan tâm của cộng đồng. Trong đó, các chất ô nhiễm từ dược phẩm, thực phẩm chức năng và các sản phẩm chăm sóc cá nhân hiện diện trong các hệ thống nước thải, các chất ô nhiễm trên tích tụ ngày càng nhiều trong môi trường trở thành vấn đề đáng lo ngại và cần được cảnh báo [1]. Một trong các loại dược phẩm phổ biến được biết đến như paracetamol (PRC) là loại thuốc phổ biến được sử dụng để điều trị giảm đau và hạ sốt hiệu quả.
Paracetamol còn có tên thương mại là tylenol, panadol,. hay có tên gọi khác là acetaminophen, N-acetyl-p- aminophenol, 4-acetamidophenol. Đây là một trong những hợp chất giảm đau có thể xuất hiện trong nước thải bệnh viện và nước thải sinh hoạt đô thị [2]. Paracetamol là một loại thuốc giảm đau và hạ sốt được sử dụng phổ biến trên toàn thế giới.
Tuy nhiên gần đây loại dược phẩm này được phát hiện trong nhiều dòng nước, có nguy cơ làm cho nguồn nước ô nhiễm, ảnh hưởng đến sức khỏe của các sinh vật sống, trong đó có con người [3]. Các dư lượng PRC có thể chỉ xuất hiện ở nồng độ thấp, nhưng tích tụ dần theo thời gian trong môi trường nước sẽ trở nên độc hại, làm ô nhiễm nguồn nước cấp. Đây là nguồn nước có thể được cung cấp trong sinh hoạt, phục vụ nông nghiệp hoặc nước uống, sẽ có ảnh hưởng xấu đến sức khỏe của cộng đồng. Hiện nay, có nhiều nghiên cứu để loại bỏ các chất ô nhiễm liên quan đến sản phẩm y tế trong môi trường [1, 4].
Đặc biệt, nhiều phương pháp xử lý dược phẩm trong nước thải được nghiên cứu như: quá trình Fenton và xúc tác photo-Fenton [5], xử lý sinh học [2], màng lọc [6, 7], công nghệ oxy hóa nâng cao AOP (advanced oxidation processes) [8], và đặc biệt là phương pháp hấp phụ [9, 10]. Đối với các cách tiếp cận trên, thì mỗi phương pháp đều có những ưu điểm và nhược điểm riêng. Do đó, việc xử lý nước ô nhiễm ngày càng tân tiến hơn, yêu cầu không chỉ tính đến hiệu quả mà còn đòi hỏi chi phí thấp, có khả năng ứng dụng trên diện rộng. Việc xử lý chất ô nhiễm dược phẩm, đặc biệt là loại bỏ paracetamol ra khỏi môi trường nước được các nhà khoa học quan tâm, nghiên cứu với nhiều phương pháp được thể hiện cụ thể qua Hình 1.1: Một số phương pháp loại bỏ PRC trong môi trường nước [11] Trong số đó, hấp phụ được xem là phương pháp loại bỏ chất ô nhiễm trong môi trường nước dễ thực hiện, hiệu quả và có chí phí thấp [12-14], đặc biệt là còn phương pháp thân thiện với môi trường do ít tạo ra các sản phẩm phụ trong quá trình xử lý.
Các vật liệu có nguồn gốc cacbon khác nhau đã được sử dụng rộng rãi trong hấp phụ để loại bỏ PRC khỏi môi trường nước, bao gồm than hoạt tính thương mại (AC; activate carbon) [15], than hoạt tính thương mại có từ tính mạnh (ở dạng Fe3O4) [16]. Một số than hoạt tính thương mại (AC) trên thị trường có nguồn gốc từ quá trình hoạt hóa các nguyên liệu như: than đá, cây tre, vỏ gáo dừa, vỏ đậu phộng, vỏ trấu và một số loại khác. Tuy nhiên, Do sự đa dạng về thị trường cung cấp, than hoạt tính thương mại có giá thành không đồng nhất và tùy thuộc vào dạng hạt (viên nén, bột và hạt) và chất lượng, đối với một số loại than chất lượng kém (được trộn lẫn với than chưa hoạt hóa) có giá dao động từ 25.000 đồng/kg, đối với những than hoạt tính thương mại loại 1 có chất lượng cao được sử dụng trong xử lý môi trường (lọc nước, khử độc, khử mùi.) có giá thành tương đối cao giao động từ 70. Trong khi đó, than sinh học biochar (SB) có đặc điểm nổi bật do chứa hàm lượng cacbon cao [18], diện tích bề mặt lớn và có nhiều mao quản [19, 20].
Gần đây, nhóm tác giả Tran và cộng sự [21] đã trình bày than sinh học nano cấu trúc hình cầu (có nguồn gốc từ quá trình thủy nhiệt glucose), có các đặc tính vượt trội, tạo điều kiện cho khả năng hấp phụ cao. Tuy nhiên, phương pháp tổng hợp có giá thành tương đối cao. Bên cạnh đó, một số nghiên cứu đã tổng hợp thành công sắt (Fe) vào than sinh học, điều này không chỉ giúp vật liệu có diện tích bề mặt cao, mà còn có từ tính [22, 23].