Tổng quan nghiên cứu

Ô nhiễm nguồn nước, đặc biệt là nước thải dệt nhuộm, đang là vấn đề nghiêm trọng toàn cầu, ảnh hưởng trực tiếp đến sức khỏe con người và môi trường. Theo ước tính của Tổ chức Y tế Thế giới (WHO), năm 2015 chỉ khoảng 20% lượng nước thải được xử lý đúng tiêu chuẩn, trong khi tại các nước đang phát triển có tới 70% lượng nước thải không qua xử lý. Nước thải dệt nhuộm chứa nhiều chất hữu cơ khó phân hủy, kim loại nặng và có pH cao (9-12), gây độc hại cho vi sinh vật và môi trường thủy sinh. Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là chế tạo và nghiên cứu tính chất vật liệu tổ hợp Fe3O4/ZnO/than sinh học (TSH) từ rơm rạ, nhằm nâng cao hiệu quả xử lý nước thải dệt nhuộm tại làng nghề dệt Nha Xá, Hà Nam. Nghiên cứu tập trung vào việc khảo sát ảnh hưởng của tỉ lệ gắn kết nano Fe3O4/ZnO với than sinh học, pH và thời gian hấp phụ đến hiệu quả xử lý màu và COD của nước thải. Phạm vi nghiên cứu thực hiện trong năm 2021 tại phòng thí nghiệm Trường Đại học Khoa học – Đại học Thái Nguyên. Kết quả nghiên cứu góp phần phát triển vật liệu nano tổ hợp thân thiện môi trường, chi phí thấp, có khả năng tái sử dụng cao, đáp ứng nhu cầu xử lý nước thải công nghiệp dệt nhuộm hiệu quả.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

  • Lý thuyết hấp phụ: Phân biệt hấp phụ vật lý và hấp phụ hóa học, trong đó hấp phụ vật lý dựa trên lực Van der Waals, thuận nghịch và xảy ra nhanh; hấp phụ hóa học tạo liên kết hóa học bền vững, thường không thuận nghịch. Quá trình hấp phụ trong môi trường nước chịu ảnh hưởng của pH, nồng độ chất hấp phụ, thời gian và nhiệt độ.

  • Mô hình động học hấp phụ: Áp dụng mô hình giả động học bậc 1 và bậc 2 để mô tả tốc độ hấp phụ, trong đó mô hình bậc 2 thường phù hợp với các quá trình hấp phụ phức tạp trong nước thải dệt nhuộm.

  • Khái niệm vật liệu nano Fe3O4 và ZnO: Fe3O4 có tính từ cao, dễ thu hồi bằng từ trường, nhưng dễ oxy hóa và kết đám; ZnO là vật liệu bán dẫn có khả năng quang xúc tác phân hủy chất hữu cơ dưới ánh sáng tử ngoại. Sự kết hợp Fe3O4/ZnO tạo ra vật liệu composite có tính năng hấp phụ và quang xúc tác ưu việt.

  • Than sinh học (TSH): Là sản phẩm nhiệt phân rơm rạ trong môi trường yếm khí, có cấu trúc xốp, diện tích bề mặt lớn, khả năng hấp phụ cao và chi phí thấp, phù hợp làm vật liệu nền cho các vật liệu nano.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Nước thải dệt nhuộm thực tế lấy tại làng nghề dệt Nha Xá, Hà Nam; vật liệu rơm rạ thu gom tại xã Quyết Thắng, Thái Nguyên.

  • Chế tạo vật liệu: Tổng hợp nano Fe3O4/ZnO bằng phương pháp sol-gel, thủy nhiệt kết hợp phản ứng khử muối kim loại với NaBH4. Than sinh học được tạo ra bằng lò đốt B4SS ở nhiệt độ 400°C trong 2 giờ. Vật liệu tổ hợp Fe3O4/ZnO được gắn kết với than sinh học rơm rạ bằng phương pháp khuấy từ gia nhiệt trong ethanol ở 60°C trong 2 giờ.

  • Phương pháp phân tích: Đặc trưng vật liệu bằng XRD, SEM, EDX, FTIR và xác định điểm điện tích không (pHPZC). Đo độ màu bằng máy UV-VIS, xác định COD bằng phương pháp bicromat.

  • Phương pháp thí nghiệm hấp phụ: Thí nghiệm hấp phụ nước thải pha loãng 3 lần với vật liệu tổ hợp ở các tỉ lệ nano Fe3O4/ZnO khác nhau (10%, 20%, 30%), khảo sát ảnh hưởng của pH (3-10) và thời gian tiếp xúc (15-240 phút). Cỡ mẫu thí nghiệm gồm 0,05g vật liệu trong 25ml dung dịch nước thải.

  • Timeline nghiên cứu: Chế tạo vật liệu và thí nghiệm trong phòng thí nghiệm từ đầu đến giữa năm 2021, phân tích dữ liệu và hoàn thiện luận văn trong nửa cuối năm 2021.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Thành công trong chế tạo vật liệu tổ hợp Fe3O4/ZnO/TSH: Giản đồ XRD cho thấy sự hiện diện rõ ràng của các pha Fe3O4 và ZnO trên nền than sinh học rơm rạ, với các đỉnh đặc trưng tại góc 2θ lần lượt là 30,20°, 35,46°, 31,65°, 34,30°. Kích thước hạt nano nhỏ, phân tán đều trên bề mặt than sinh học được quan sát qua ảnh SEM. Độ tinh khiết vật liệu đạt trên 97%, không phát hiện pha tạp.

  2. Ảnh hưởng tỉ lệ gắn kết nano Fe3O4/ZnO đến hiệu quả hấp phụ: Vật liệu tổ hợp với tỉ lệ 20% nano Fe3O4/ZnO cho hiệu suất xử lý độ màu đạt 85% và giảm COD khoảng 78% sau 120 phút, vượt trội so với than sinh học nguyên bản (độ màu giảm 60%, COD giảm 55%). Tỉ lệ 10% và 30% cho hiệu quả thấp hơn do lượng nano không đủ hoặc gây kết đám.

  3. Ảnh hưởng của pH đến hiệu quả hấp phụ: pH tối ưu là 7, tại đó hiệu suất xử lý độ màu đạt 88% và COD giảm 80%. Ở pH thấp (3-5) hoặc cao (9-10), hiệu quả giảm khoảng 15-20% do thay đổi điện tích bề mặt vật liệu và ion hóa chất trong dung dịch.

  4. Ảnh hưởng thời gian hấp phụ: Hiệu suất hấp phụ tăng nhanh trong 60 phút đầu, đạt cân bằng sau 120 phút. Sau thời gian này, hiệu suất không tăng đáng kể, cho thấy thời gian tiếp xúc tối ưu là 2 giờ để đạt hiệu quả xử lý cao nhất.

Thảo luận kết quả

Kết quả cho thấy vật liệu tổ hợp Fe3O4/ZnO/TSH có khả năng hấp phụ và xử lý nước thải dệt nhuộm vượt trội nhờ sự kết hợp giữa tính từ của Fe3O4 giúp thu hồi vật liệu dễ dàng, khả năng quang xúc tác của ZnO phân hủy chất hữu cơ và diện tích bề mặt lớn của than sinh học. So với các nghiên cứu trước đây sử dụng than sinh học đơn thuần hoặc vật liệu nano riêng lẻ, tổ hợp này cải thiện hiệu suất xử lý từ 15-25%. Biểu đồ thể hiện sự giảm nồng độ COD và độ màu theo thời gian hấp phụ minh họa rõ ràng quá trình hấp phụ đạt cân bằng. Kết quả phù hợp với mô hình động học hấp phụ bậc 2, cho thấy quá trình hấp phụ chủ yếu do tương tác hóa học và khuếch tán nội bào. Việc lựa chọn pH trung tính tối ưu phù hợp với đặc tính điện tích bề mặt của vật liệu và thành phần nước thải, giúp tăng cường tương tác hấp phụ. Nghiên cứu góp phần làm sáng tỏ cơ chế hấp phụ và tái sử dụng vật liệu nano tổ hợp trong xử lý nước thải công nghiệp, mở ra hướng ứng dụng thực tiễn hiệu quả, thân thiện môi trường.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Ứng dụng vật liệu tổ hợp Fe3O4/ZnO/TSH trong xử lý nước thải dệt nhuộm tại các làng nghề: Khuyến nghị các cơ sở sản xuất dệt nhuộm tại Hà Nam và các vùng lân cận áp dụng công nghệ hấp phụ với vật liệu này để giảm thiểu ô nhiễm, với thời gian xử lý tối ưu 2 giờ và pH điều chỉnh về 7.

  2. Phát triển quy trình sản xuất vật liệu tổ hợp quy mô công nghiệp: Đề xuất đầu tư nghiên cứu mở rộng quy mô chế tạo vật liệu từ rơm rạ địa phương, tận dụng nguồn nguyên liệu sẵn có, giảm chi phí sản xuất, đảm bảo chất lượng và tính ổn định của vật liệu.

  3. Xây dựng hệ thống thu hồi và tái sử dụng vật liệu hấp phụ: Khuyến khích thiết kế hệ thống thu hồi vật liệu bằng từ trường sau quá trình xử lý, tái sinh vật liệu để giảm chi phí vận hành và tăng tính bền vững của công nghệ.

  4. Nghiên cứu mở rộng ứng dụng vật liệu trong xử lý các loại nước thải công nghiệp khác: Khuyến nghị tiếp tục khảo sát hiệu quả xử lý các chất ô nhiễm khác như kim loại nặng, thuốc trừ sâu trong nước thải công nghiệp, nhằm đa dạng hóa ứng dụng và nâng cao giá trị vật liệu.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Vật lý, Hóa học môi trường: Luận văn cung cấp kiến thức chuyên sâu về vật liệu nano, công nghệ hấp phụ và xử lý nước thải, hỗ trợ phát triển nghiên cứu khoa học và ứng dụng thực tiễn.

  2. Doanh nghiệp và cơ sở sản xuất ngành dệt nhuộm: Tham khảo để áp dụng công nghệ xử lý nước thải hiệu quả, giảm thiểu ô nhiễm môi trường, đáp ứng quy chuẩn xả thải quốc gia.

  3. Cơ quan quản lý môi trường và chính sách: Sử dụng làm tài liệu tham khảo trong xây dựng chính sách, quy định về xử lý nước thải công nghiệp, thúc đẩy phát triển công nghệ xanh.

  4. Các tổ chức phát triển bền vững và bảo vệ môi trường: Tận dụng kết quả nghiên cứu để triển khai các dự án xử lý ô nhiễm nước, nâng cao nhận thức cộng đồng về bảo vệ nguồn nước.

Câu hỏi thường gặp

  1. Vật liệu tổ hợp Fe3O4/ZnO/TSH có ưu điểm gì so với vật liệu truyền thống?
    Vật liệu tổ hợp kết hợp tính từ của Fe3O4 giúp dễ dàng thu hồi bằng từ trường, khả năng quang xúc tác của ZnO phân hủy chất hữu cơ, và diện tích bề mặt lớn của than sinh học, mang lại hiệu quả xử lý cao hơn và chi phí thấp hơn so với than hoạt tính truyền thống.

  2. Thời gian hấp phụ tối ưu để xử lý nước thải dệt nhuộm là bao lâu?
    Nghiên cứu cho thấy thời gian hấp phụ tối ưu là khoảng 120 phút, sau đó hiệu suất xử lý không tăng đáng kể, giúp tiết kiệm thời gian và năng lượng trong quá trình xử lý.

  3. Ảnh hưởng của pH đến hiệu quả xử lý nước thải như thế nào?
    pH ảnh hưởng đến điện tích bề mặt vật liệu và trạng thái ion của chất ô nhiễm. pH trung tính (khoảng 7) là điều kiện tối ưu để đạt hiệu quả hấp phụ cao nhất, trong khi pH quá cao hoặc quá thấp làm giảm hiệu suất do tương tác kém.

  4. Vật liệu có thể tái sử dụng được bao nhiêu lần?
    Nhờ tính từ của Fe3O4, vật liệu có thể được thu hồi dễ dàng và tái sử dụng nhiều lần sau khi tái sinh, giúp giảm chi phí vận hành và tăng tính bền vững của công nghệ.

  5. Có thể áp dụng vật liệu này cho các loại nước thải khác không?
    Vật liệu có tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong xử lý các loại nước thải công nghiệp chứa chất hữu cơ khó phân hủy và kim loại nặng, tuy nhiên cần nghiên cứu thêm để tối ưu hóa cho từng loại nước thải cụ thể.

Kết luận

  • Đã thành công trong việc chế tạo vật liệu tổ hợp Fe3O4/ZnO/than sinh học từ rơm rạ với cấu trúc nano đồng nhất, kích thước hạt nhỏ và phân tán tốt.
  • Vật liệu tổ hợp cho hiệu quả hấp phụ vượt trội trong xử lý nước thải dệt nhuộm, giảm độ màu đến 88% và COD đến 80% tại pH 7 và thời gian 120 phút.
  • Mô hình động học hấp phụ bậc 2 phù hợp mô tả quá trình hấp phụ, cho thấy cơ chế hấp phụ chủ yếu là hóa học và khuếch tán nội bào.
  • Vật liệu có khả năng thu hồi dễ dàng bằng từ trường và tái sử dụng nhiều lần, giảm chi phí và tăng tính bền vững.
  • Đề xuất mở rộng nghiên cứu và ứng dụng vật liệu trong xử lý nước thải công nghiệp khác, đồng thời phát triển quy trình sản xuất quy mô công nghiệp.

Hành động tiếp theo: Khuyến nghị các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp phối hợp triển khai thử nghiệm thực tế quy mô lớn, đồng thời hoàn thiện quy trình sản xuất vật liệu để ứng dụng rộng rãi trong xử lý nước thải công nghiệp.