Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Nguồn tài nguyên nước giữ vai trò thiết yếu đối với sự sống và các hoạt động kinh tế - xã hội. Tuy nhiên, sự phát triển công nghiệp và tiêu dùng gia tăng đã dẫn tới tình trạng xả thải lượng lớn các chất ô nhiễm vào nguồn nước tự nhiên. Bên cạnh các chỉ tiêu ô nhiễm hữu cơ và kim loại nặng, ô nhiễm vi nhựa (microplastics) đang trở thành một thách thức môi trường nghiêm trọng. Vi nhựa là những mảnh nhựa có kích thước nhỏ hơn 5 mm với cấu trúc đa dạng (dạng sợi, mảnh, hạt, màng xốp) phát sinh từ các hoạt động sản xuất nhựa sơ cấp bị thất thoát, các sản phẩm chăm sóc cá nhân (giải phóng khoảng 4.500 hạt vi nhựa sau mỗi lần sử dụng), bụi mài mòn lốp xe, hoặc hình thành qua quá trình phân rã thứ cấp của bao bì, túi ni-lông và đồ nhựa dùng một lần dưới tác động của các yếu tố vật lý, hóa học và sinh học. Do đặc tính kỵ nước, diện tích bề mặt riêng lớn và thời gian phân hủy kéo dài từ 400 đến hơn 1.000 năm, vi nhựa tích tụ trong chuỗi thức ăn thủy sinh, đe dọa sinh vật và gián tiếp ảnh hưởng đến sức khỏe con người.

Các phương pháp xử lý cơ học thông thường như lắng lọc chỉ áp dụng hiệu quả đối với các hạt nhựa kích thước lớn. Những hạt vi nhựa kích thước nhỏ lơ lửng đòi hỏi phải kết hợp các chất phản ứng tạo hệ keo tụ hoặc vật liệu hấp phụ chuyên dụng. Nhằm hạn chế việc sử dụng các chất hấp phụ và chất hoạt động bề mặt có nguồn gốc hóa thạch khó phân hủy, việc tận dụng nguồn phụ phẩm nông nghiệp sẵn có để tổng hợp vật liệu xử lý nước là hướng tiếp cận cần thiết. Dầu vỏ hạt điều (Cashew Nut Shell Liquid - CNSL) là phụ phẩm dồi dào từ ngành công nghiệp chế biến hạt điều tại Việt Nam, chiếm 25–30% trọng lượng hạt điều, chứa hàm lượng lớn các hợp chất phenolic tự nhiên như axit anacardic, cardanol và cardol. Đề tài "Tổng hợp và sử dụng lưu chất có từ tính (ferrofluid) từ dầu vỏ hạt điều vào quá trình xử lý vi nhựa trong nước bề mặt" được thực hiện nhằm khai thác nguồn phụ phẩm này kết hợp với vật liệu nano từ tính, tạo ra hệ lưu chất từ tính có khả năng phân tán, hấp phụ vi nhựa và dễ dàng tách khỏi pha nước bằng từ trường ngoài.

Mục tiêu nghiên cứu: Tổng hợp và sử dụng lưu chất có từ tính (ferrofluid) từ dầu vỏ hạt điều, có khả năng thu hồi và tái sử dụng bằng từ trường ngoài, ứng dụng làm chất hấp phụ trong quá trình xử lý vi nhựa lơ lửng trong môi trường nước bề mặt, hướng đến việc tận dụng phụ phẩm công nghiệp và bảo vệ môi trường.

Nhiệm vụ nghiên cứu:

  1. Tổng hợp hạt nano từ tính coban ferit ($\text{CoFe}_2\text{O}_4$) bằng phương pháp đồng kết tủa và tiến hành làm giàu nhóm chức $-\text{OH}$ trên bề mặt hạt nano từ tính thành phẩm ($\text{CoFe}_2\text{O}_4\text{-(OH)}_n$).
  2. Tổng hợp chất hoạt động bề mặt sinh học Sodium anacardate từ dầu vỏ hạt điều kỹ thuật qua phản ứng xà phòng hóa.
  3. Tổng hợp lưu chất có từ tính (ferrofluid) từ sự kết hợp giữa $\text{CoFe}_2\text{O}_4\text{-(OH)}_n$ và Sodium anacardate.
  4. Phân tích, đặc trưng cấu trúc, hình thái học và từ tính của cốt hạt nano $\text{CoFe}_2\text{O}_4$, chất hoạt động bề mặt và lưu chất từ tính ferrofluid; đồng thời khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả xử lý vi nhựa trong môi trường nước và đánh giá khả năng thu hồi, tái sử dụng vật liệu.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Lưu chất từ tính (ferrofluid) tổng hợp từ hạt nano $\text{CoFe}_2\text{O}_4$ biến tính bề mặt và Sodium anacardate; vi nhựa mô phỏng chế tạo từ vỏ chai nhựa dùng một lần.
  • Phạm vi không gian: Nghiên cứu thực nghiệm tại Phòng Thí nghiệm F7.03, Khoa Công nghệ Hóa học, Trường Đại học Công nghiệp Thành phố Hồ Chí Minh.
  • Phạm vi thời gian: Đề tài được giao thực hiện từ ngày 07/09/2021 và hoàn thành vào ngày 07/07/2022.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết và mô hình khoa học

Nghiên cứu được xây dựng trên cơ sở lý thuyết về vật liệu nano từ tính (Magnetic Nanomaterials - MNM), cấu trúc nanocomposite và hóa học các hợp chất thiên nhiên từ cây điều (Anacardium Occidentale Lin):

  • Cấu trúc tinh thể Spinel Ferrite: Hạt nano $\text{CoFe}_2\text{O}_4$ thuộc nhóm vật liệu ferit từ tính có cấu trúc tinh thể spinel lập phương, mang các tính chất từ đặc thù như độ từ hóa bão hòa ($M_s$) cao, lực kháng từ ($H_c$) thấp và thể hiện tính chất siêu từ tính khi kích thước hạt nằm trong dải nanomet, cho phép vật liệu dễ bị từ hóa dưới tác dụng của từ trường ngoài và không bị lưu giữ từ dư khi ngắt từ trường.
  • Hóa học dầu vỏ hạt điều (CNSL): Dầu vỏ hạt điều tự nhiên chứa axit anacardic (60–82%), cardol (15–20%), cardanol (10%) và vết của 2-metylcardol. Khi xử lý nhiệt, phản ứng khử carboxyl chuyển hóa axit anacardic thành cardanol. Nhóm carboxyl và hydroxyl mạch vòng cùng mạch nhánh alkyl dài bất bão hòa của axit anacardic phản ứng với kiềm tạo thành muối Sodium anacardate – một chất hoạt động bề mặt anion có khả năng tạo micelle và tương tác kỵ nước mạnh.
  • Nguyên lý tạo lưu chất từ tính (Ferrofluid): Ferrofluid là hệ phân tán keo ổn định gồm các hạt nano từ tính phân tán trong chất mang lỏng, trong đó bề mặt hạt từ tính được bao bọc bởi lớp chất hoạt động bề mặt nhằm ngăn ngừa hiện tượng keo tụ do tương tác Van der Waals và tương tác lưỡng cực từ.
  • Cơ chế thu gom vi nhựa bằng từ tính: Vi nhựa có bản chất kỵ nước sẽ tương tác với pha dầu hữu cơ (dầu đậu nành) và phần đuôi kỵ nước của chất hoạt động bề mặt bọc ngoài ferrofluid, tạo thành các cụm huyền phù keo tụ màu đen mang từ tính, từ đó bị hút và tách khỏi pha nước bằng nam châm vĩnh cửu.

Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm

Quy trình thực nghiệm được triển khai theo các giai đoạn tuần tự:

  1. Tổng hợp nano $\text{CoFe}_2\text{O}_4$: Áp dụng phương pháp đồng kết tủa hóa học từ muối $\text{CoCl}_2\cdot 6\text{H}_2\text{O}$ và $\text{FeCl}_2\cdot 4\text{H}_2\text{O}$ (tỷ lệ mol $\text{Co}^{2+}:\text{Fe}^{2+} = 1:2$) trong môi trường nước có chứa chất hoạt động bề mặt Sodium dodecyl sulfate (SDS, nồng độ $6,45\text{ g}/250\text{ mL}$) để tạo micelle kiểm soát kích thước hạt ở 70 °C trong 30 phút. Kết tủa bằng dung dịch $\text{NaOH } 0,75\text{ M}$ tại 70 °C trong 5 giờ dưới điều kiện khuấy cơ học mạnh. Sản phẩm được lắng từ trường, rửa bằng nước cất, ethanol và n-hexane kết hợp rung siêu âm 10 phút, sau đó sấy khô qua đêm ở nhiệt độ phòng. Khối lượng sản phẩm thu được đạt $0,913\text{ g}$.
  2. Làm giàu nhóm $-\text{OH}$ trên bề mặt $\text{CoFe}_2\text{O}_4$: Phân tán hạt nano trong hỗn hợp ethanol và nước cất (tỷ lệ thể tích 1:1) bằng sóng siêu âm 30 phút, sau đó thêm $35\text{ mL}$ dung dịch $\text{NH}_4\text{OH}$ (25–28% thể tích), khuấy mạnh ở 60 °C trong 24 giờ nhằm gia tăng mật độ nhóm hydroxyl bề mặt ($\text{CoFe}_2\text{O}_4\text{-(OH)}_n$).
  3. Tổng hợp Sodium anacardate: Phản ứng xà phòng hóa $20,0\text{ g}$ CNSL với $10,0\text{ g } \text{NaOH}$ rắn trong $40\text{ mL}$ ethanol 96° tại dải nhiệt độ 70–80 °C trong 3 giờ cho đến khi giá trị pH của hệ phản ứng đạt trạng thái ổn định không đổi.
  4. Tổng hợp Ferrofluid: Phối trộn $0,2\text{ g } \text{CoFe}_2\text{O}_4\text{-(OH)}_n$ với Sodium anacardate theo các tỷ lệ khối lượng khảo sát (từ 1/5 đến 1/10) trong $40\text{ mL}$ nước cất, khuấy ở 90 °C trong 30 phút, để nguội và axit hóa nhẹ bằng $1,2\text{ mL } \text{HCl } 0,1\text{ N}$ trong 10 phút để cố định liên kết, lắng tách bằng nam châm và sấy khô.
  5. Khảo sát xử lý vi nhựa: Mẫu vi nhựa mài từ vỏ chai nhựa lọt qua rây 100 Mesh (kích thước hạt $\le 150\text{ }\mu\text{m}$) được phân tán trong nước thành huyền phù nồng độ $10\text{ g/L}$ ($20\text{ mL}$). Khảo sát lần lượt ảnh hưởng của: tỷ lệ chất hoạt động bề mặt/nano-$\text{OH}$, thể tích dầu đậu nành trợ keo tụ ($0\text{ đến }2,5\text{ mL}$), nồng độ ferrofluid ($0\text{ đến }25\text{ g/L}$) ở nhiệt độ phòng (31 °C), thời gian lắc 2 giờ với công suất tối đa. Khối lượng vi nhựa còn lại được xác định bằng phương pháp cân định lượng sau khi lọc qua giấy lọc và sấy khô.

Thiết bị và nguồn dữ liệu

Các thiết bị phân tích hiện đại sử dụng trong nghiên cứu:

  • Thiết bị nhiễu xạ tia X (XRD): D8 ADVANCE - BRUKER AXS (Mỹ), nguồn phát ống Cu, bước sóng $\lambda = 1,5406\text{ \AA}$, điện áp/cường độ $40\text{ kV}/40\text{ mA}$.
  • Kính hiển vi điện tử quét phát xạ trường (FE-SEM): S-4800 Hitachi (Nhật Bản), độ phân giải $1\text{ nm}$, điện áp gia tốc $0,5–30\text{ kV}$.
  • Kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM): JEM1010 (Nhật Bản), độ phân giải $3\text{ \AA}$, điện áp gia tốc $40–100\text{ kV}$.
  • Từ kế mẫu rung (VSM): MicroSense EZ9 (Mỹ), từ trường quét tối đa $2,2\text{ T}$, dải nhiệt độ $-77\text{ K}$ đến $1.000\text{ K}$.
  • Máy quang phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FT-IR): FT/IR-4700 Jasco (Nhật Bản), dải quét $7.800–350\text{ cm}^{-1}$, độ phân giải $0,4\text{ cm}^{-1}$.
  • Cân phân tích điện tử: Sartorius CPA324S (Mỹ), độ chính xác $0,0001\text{ g}$.
  • Nguồn nguyên liệu dầu vỏ hạt điều do Công ty TNHH Mỹ Lệ (Bình Phước, Việt Nam) cung cấp; các hóa chất tinh khiết gồm $\text{CoCl}_2\cdot 6\text{H}_2\text{O}$ (98%), $\text{FeCl}_2\cdot 4\text{H}_2\text{O}$ (98%), SDS (> 85%), n-hexadecane (99%).

Nội dung chính theo từng chương

Mở đầu

Phần mở đầu nêu rõ tầm quan trọng sống còn của tài nguyên nước và tính cấp bách của vấn đề ô nhiễm rác thải nhựa toàn cầu cũng như tại Việt Nam. Tác giả chỉ ra các số liệu thực tế: tại Việt Nam phát sinh khoảng 2,6–2,8 triệu tấn rác thải nhựa vào năm 2019, chiếm 10–12% lượng chất thải rắn sinh hoạt. Vi nhựa từ các nguồn sơ cấp và thứ cấp phát tán vào thủy vực gây tổn thương cơ học và đầu độc hóa học đối với sinh vật biển, đồng thời xâm nhập vào thức ăn của con người. Phần này xác định mục tiêu tổng hợp ferrofluid từ dầu vỏ hạt điều, xác lập 4 nội dung nghiên cứu cốt lõi và khẳng định ý nghĩa khoa học trong việc tận dụng phụ phẩm nông nghiệp tạo vật liệu xanh bảo vệ môi trường.

CHƯƠNG I. Tổng quan

Chương 1 hệ thống hóa các tài liệu khoa học liên quan đến đề tài:

  • Tài nguyên nước và thực trạng ô nhiễm: Trình bày chu trình tự nhiên của nước, sự suy thoái chất lượng nước tại các lưu vực sông ngòi Việt Nam, phân tích các chỉ tiêu ô nhiễm vượt chuẩn ($\text{BOD}$, $\text{COD}$, $\text{NH}_4^+$) và ô nhiễm chất thải nhựa đô thị.
  • Vi nhựa trong nước: Tổng hợp định nghĩa, phân loại vi nhựa sơ cấp (chiếm 98% nguồn gốc từ đất liền) và thứ cấp; cơ chế tác hại khi sinh vật ăn phải gây tắc nghẽn tiêu hóa, ngạt thở, tích tụ hóa chất dẻo hóa gây rối loạn nội tiết và ung thư ở người.
  • Phương pháp xử lý vi nhựa: So sánh giữa phương pháp cơ học lắng lọc thông thường và phương pháp hóa lý kết hợp tách từ tính.
  • Vật liệu nano từ tính và Nanocomposite: Định nghĩa độ cảm từ $\chi = M/H$, các thông số từ trễ, từ dư, lực kháng từ và độ từ hóa bão hòa; phân loại vật liệu nghịch từ, thuận từ, sắt từ và siêu thuận từ. Trình bày cấu trúc hạt nano oxit sắt từ, cơ chế bọc chất hoạt động bề mặt để chống oxy hóa, ăn mòn và chống kết tụ.
  • Dầu vỏ hạt điều (CNSL): Giới thiệu nguồn gốc từ cây Anacardium Occidentale Lin, thành phần hóa học của CNSL chiết dung môi và CNSL kỹ thuật, nhấn mạnh cấu trúc đặc thù của axit anacardic và cardanol có thể điều chế các chất hoạt động bề mặt sinh học có hoạt tính kháng khuẩn cao thay thế dẫn xuất dầu mỏ.

CHƯƠNG II. Nguyên liệu, hóa chất và thiết bị

Chương 2 mô tả chi tiết thông số các thiết bị phân tích, quy cách hóa chất và trình tự các bước thực nghiệm:

  • Lập bảng tổng hợp thông số kỹ thuật của 8 thiết bị đo đạc, phân tích chính.
  • Quy trình tổng hợp hạt nano $\text{CoFe}_2\text{O}_4$ qua hệ micelle SDS ở 70 °C, kết tủa bằng $\text{NaOH } 0,75\text{ M}$ trong 5 giờ, tách rửa từ trường bằng nam châm và sấy khô.
  • Quy trình làm giàu nhóm $-\text{OH}$ bằng $\text{NH}_4\text{OH}$ ở 60 °C trong 24 giờ.
  • Quy trình tổng hợp Sodium anacardate từ 20 g CNSL và 10 g NaOH rắn trong ethanol 96° tại 70–80 °C trong 3 giờ.
  • Quy trình phối chế ferrofluid giữa $\text{CoFe}_2\text{O}_4\text{-(OH)}_n$ và Sodium anacardate theo các tỷ lệ khối lượng từ 1/5 đến 1/10 tại 90 °C trong 30 phút, cố định bằng dung dịch $\text{HCl } 0,1\text{ N}$.
  • Quy trình chuẩn bị vi nhựa từ chai PET qua rây 100 Mesh và quy trình thử nghiệm hấp phụ, tách chiết vi nhựa bằng thanh nam châm gắn cá từ bọc ống nhựa hàn kín, kết hợp hoàn nguyên vật liệu bằng dung dịch bột giặt để tái sử dụng.

CHƯƠNG III. KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN

Chương 3 trình bày các kết quả đo đạc cấu trúc, đặc trưng hóa lý và các đồ thị, bảng biểu thực nghiệm xử lý vi nhựa:

  • Đặc trưng hạt nano $\text{CoFe}_2\text{O}_4$: Giản đồ XRD xuất hiện các peak nhiễu xạ đặc trưng tại các góc $2\theta$ lần lượt là 18°, 30°, 35°, 37°, 43°, 47°, 53°, 57°, 62°, 66°, 71°, 74°, 75° và 79°, hoàn toàn trùng khớp với cấu trúc spinel lập phương theo thẻ chuẩn JCPDS card No. 22-1086; trong đó peak tại $2\theta = 35^\circ$ có cường độ mạnh nhất. Ảnh FE-SEM cho thấy hạt có dạng hình cầu đồng đều với đường kính 50–70 nm; ảnh TEM ghi nhận kích thước tinh thể khoảng 30–40 nm (có hiện tượng kết tụ cục bộ trên lưới đỡ). Phép đo VSM xác định hạt nano có độ từ hóa bão hòa $M_s = 59,02\text{ emu/g}$ và lực kháng từ $H_c = 858,935\text{ Oe}$, thể hiện tính chất từ mềm và siêu thuận từ.
  • Phân tích quang phổ FT-IR:
    • Mẫu $\text{CoFe}_2\text{O}_4$: xuất hiện dao động hóa trị liên kết $\text{Fe-O}$ tại $587,98\text{ cm}^{-1}$, dao động hóa trị $-\text{OH}$ bề mặt tại $3.444,78\text{ cm}^{-1}$ và dao động biến dạng tại $1.629,51\text{ cm}^{-1}$. Khi làm giàu $-\text{OH}$, cường độ peak tại vùng $3.444,78\text{ cm}^{-1}$ tăng vọt, chứng minh phản ứng gắn hydroxyl thành công.
    • Surfactant Sodium anacardate: ghi nhận peak dao động hóa trị $-\text{OH}$ tại $3.609,29\text{ cm}^{-1}$ và biến dạng tại $1.441,17\text{ cm}^{-1}$.
    • Mẫu Ferrofluid: ghi nhận đồng thời peak $\text{Fe-O}$ tại $587,05\text{ cm}^{-1}$, liên kết $-\text{OH}$ tại $3.433,31\text{ cm}^{-1}$ và $1.636,15\text{ cm}^{-1}$, cùng các tín hiệu mạch cacbon hữu cơ, chứng minh chất hoạt động bề mặt đã bao bọc hạt nano.
  • Từ tính của Ferrofluid: Đường cong từ trễ VSM cho thấy ferrofluid đạt độ từ hóa bão hòa $M_s = 55,05\text{ emu/g}$ (giảm nhẹ so với hạt trần do có lớp vỏ hữu cơ không từ tính) và lực kháng từ $H_c = 1.100,41\text{ Oe}$.
  • Kết quả khảo sát quá trình xử lý vi nhựa:
    • Khảo sát tỷ lệ Surfactant/nano-OH: Cố định $0,2\text{ g}$ ferrofluid, $2,5\text{ mL}$ dầu đậu nành trong $20\text{ mL}$ mẫu vi nhựa ($10\text{ g/L}$). Tỷ lệ tối ưu là 8/1 với hiệu suất xử lý đạt 67,8%.
    • Khảo sát nồng độ dầu đậu nành: Cố định $0,2\text{ g}$ ferrofluid (tỷ lệ 8/1), nồng độ dầu tối ưu là $75\text{ mL/L}$ (tương ứng $1,5\text{ mL}$ dầu) cho hiệu suất xử lý đạt 64,7% – 64,8%.
    • Khảo sát nồng độ Ferrofluid: Cố định $1,5\text{ mL}$ dầu đậu nành, nồng độ ferrofluid tăng dần từ $0\text{ đến }25\text{ g/L}$. Tại nồng độ $25\text{ g/L}$ (tương ứng $0,5\text{ g}$ ferrofluid), hiệu suất xử lý đạt cực đại 72,2% – 72,3%.
    • Khảo sát khả năng thu hồi và tái sử dụng: Đánh giá qua 5 chu kỳ hoàn nguyên. Hiệu suất ở chu kỳ tái sử dụng lần 1 đạt 54,8%, sau đó suy giảm dần qua các lần tái sử dụng và giảm mạnh sau chu kỳ thứ 3.

Dưới đây là bảng tổng hợp các thông số tối ưu trong quá trình xử lý vi nhựa:

Thông số khảo sát Dải giá trị khảo sát Giá trị tối ưu lựa chọn Hiệu suất xử lý vi nhựa (%)
Tỷ lệ khối lượng Surfactant/nano-OH 5/1, 6/1, 7/1, 8/1, 9/1, 10/1 8/1 67,8%
Nồng độ dầu đậu nành trợ keo tụ 0 – 125 mL/L (0 – 2,5 mL) 75 mL/L (1,5 mL) 64,7% – 64,8%
Nồng độ lưu chất từ tính (Ferrofluid) 0 – 25 g/L (0 – 0,5 g) 25 g/L (0,5 g) 72,2% – 72,3%
Số chu kỳ tái sử dụng vật liệu 1 – 5 chu kỳ Lần 1 (duy trì 54,8%) Giảm mạnh sau lần 3

CHƯƠNG IV. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

Chương cuối tóm tắt toàn bộ các kết quả định lượng đạt được về vật liệu và hiệu năng xử lý vi nhựa. Đưa ra 2 kiến nghị thực tế: cần hoàn thiện quy trình tổng hợp theo hướng tự động hóa, giảm bớt các bước thao tác thủ công tốn thời gian; đồng thời mở rộng nghiên cứu sâu hơn về động học và các yếu tố công nghệ nhằm tối ưu hóa hiệu suất tách vi nhựa và nâng cao hiệu quả thu hồi vật liệu.

Kết quả và đóng góp

Kết quả chính

  • Tổng hợp thành công hạt nano coban ferit $\text{CoFe}_2\text{O}_4$ đơn pha có cấu trúc spinel lập phương (chuẩn JCPDS card No. 22-1086), dạng hình cầu với kích thước hạt trung bình $50–70\text{ nm}$ (ảnh SEM) và kích thước tinh thể $30–40\text{ nm}$ (ảnh TEM).
  • Vật liệu hạt nano ban đầu có độ từ hóa bão hòa $M_s = 59,02\text{ emu/g}$, lực kháng từ $H_c = 858,935\text{ Oe}$. Sau khi bọc phủ Sodium anacardate tạo thành ferrofluid, vật liệu vẫn duy trì đặc tính siêu từ tính mạnh với $M_s = 55,05\text{ emu/g}$ và $H_c = 1.100,41\text{ Oe}$, cho phép thu hồi nhanh chóng dưới tác động của từ trường nam châm.
  • Xác lập bộ thông số tối ưu cho quy trình xử lý vi nhựa trong nước bề mặt: tỷ lệ Surfactant/nano-OH là 8/1, nồng độ dầu đậu nành $75\text{ mL/L}$ ($1,5\text{ mL}$), nồng độ ferrofluid $25\text{ g/L}$ ($0,5\text{ g}$) trong $20\text{ mL}$ mẫu nước nhiễm vi nhựa ($10\text{ g/L}$). Tại điều kiện này, hiệu suất xử lý vi nhựa đạt $72,3%$.
  • Khảo sát khả năng tái sử dụng cho thấy ferrofluid có thể hoàn nguyên bằng dung dịch tẩy rửa thông thường, đạt hiệu suất xử lý $54,8%$ ở chu kỳ đầu tiên và duy trì hoạt tính trong 3 chu kỳ trước khi suy giảm mạnh.

Giải pháp và kiến nghị của tác giả

  • Ứng dụng dầu đậu nành làm pha kỵ nước trung gian tạo điều kiện cho các hạt vi nhựa kích thước nhỏ liên kết với các đuôi kỵ nước của chất hoạt động bề mặt trên ferrofluid, tạo thành các cụm huyền phù keo tụ màu đen để tách từ tính.
  • Đề xuất quy trình hoàn nguyên ferrofluid bằng cách phân tán cụm huyền phù thu hồi vào dung dịch bột giặt để tách nhũ tương dầu và giải phóng vi nhựa, sau đó rửa lại bằng nước cất, ethanol, n-hexane và sấy khô để tái sử dụng.
  • Kiến nghị cải tiến phương pháp chế tạo vật liệu nhằm giảm bớt tính thủ công, rút ngắn thời gian phản ứng và kiểm soát chặt chẽ nhiệt độ, pH để nâng cao hiệu suất xử lý vi nhựa trên thực tế.

Đóng góp mới

So với các nghiên cứu trước đây chỉ sử dụng chất hoạt động bề mặt tổng hợp gốc dầu mỏ (như SDS, PEG, axit oleic) hoặc chất hấp phụ khoáng vô cơ khó thu hồi, nghiên cứu này đã:

  • Tận dụng trực tiếp nguồn phụ phẩm nông nghiệp có giá trị kinh tế thấp là dầu vỏ hạt điều (CNSL) tại Việt Nam để điều chế chất hoạt động bề mặt anion tự nhiên (Sodium anacardate), góp phần giảm thiểu sử dụng hóa chất độc hại.
  • Phát triển quy trình chế tạo lưu chất từ tính ferrofluid thân thiện môi trường, kết hợp hiệu quả khả năng tách từ tính nhanh chóng của cốt hạt nano $\text{CoFe}_2\text{O}_4$ với khả năng bắt giữ vi nhựa kỵ nước của dẫn xuất dầu điều.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đề tài

  • Quá trình thực nghiệm tổng hợp nano, làm giàu nhóm chức $-\text{OH}$ và xà phòng hóa CNSL còn mang tính thủ công, thời gian phản ứng kéo dài (phản ứng làm giàu $-\text{OH}$ cần tới 24 giờ; phản ứng đồng kết tủa 5 giờ) và đòi hỏi kiểm soát nghiêm ngặt nhiều thông số nhiệt độ, pH.
  • Hiệu suất loại bỏ vi nhựa cao nhất chỉ đạt mức $72,3%$, chưa triệt để loại bỏ hoàn toàn vi nhựa trong nước. Nguyên nhân do kích thước hạt vi nhựa thử nghiệm tương đối lớn ($\le 150\text{ }\mu\text{m}$), kỹ thuật lắc và khuấy trộn chưa tối ưu dẫn đến diện tích tiếp xúc pha chưa đạt cực đại, kèm theo sai số trong quá trình định lượng mẫu bằng phương pháp cân khối lượng.
  • Khả năng tái sử dụng của ferrofluid suy giảm rõ rệt sau chu kỳ thứ 3 (và giảm sâu sau lần 5), do quy trình tẩy rửa bằng dung dịch bột giặt chưa thể loại bỏ triệt để lượng vi nhựa và dầu bám chặt trên bề mặt vật liệu.

Hướng nghiên cứu tiếp

  • Cải tiến quy trình tổng hợp theo hướng rút ngắn thời gian phản ứng, áp dụng hỗ trợ vi sóng hoặc siêu âm công suất cao để nâng cao tính đồng nhất của vật liệu.
  • Tối ưu hóa thiết bị khuấy trộn, nghiên cứu động học hấp phụ trên các loại hạt vi nhựa có kích thước nhỏ hơn ($< 50\text{ }\mu\text{m}$) và trên các nền polymer khác nhau (PE, PP, PVC, PS).
  • Nghiên cứu quy trình hoàn nguyên vật liệu hiệu quả hơn nhằm nâng cao số chu kỳ tái sinh của ferrofluid mà không làm suy giảm độ từ hóa bão hòa.

Giá trị tham khảo

Đồ án tốt nghiệp là tài liệu tham khảo có giá trị học thuật và thực tiễn chuyên sâu dành cho sinh viên, học viên cao học và cán bộ nghiên cứu thuộc các chuyên ngành:

  • Công nghệ Hóa học và Hóa kỹ thuật: Tham khảo quy trình thực nghiệm đồng kết tủa chế tạo nano oxit sắt từ $\text{CoFe}_2\text{O}_4$ đơn pha có kiểm soát kích thước bằng chất tạo micelle SDS; phương pháp biến tính hoạt hóa làm giàu nhóm hydroxyl bề mặt hạt nano vô cơ; quy trình chuyển hóa và xà phòng hóa dầu vỏ hạt điều thành chất hoạt động bề mặt sinh học.
  • Kỹ thuật Môi trường và Quản lý Môi trường: Tham khảo mô hình tách chất ô nhiễm kỵ nước (vi nhựa) ra khỏi môi trường nước bằng cơ chế keo tụ - tương tác kỵ nước kết hợp phân tách bằng từ trường ngoài; phương pháp bố trí thí nghiệm khảo sát các biến số ảnh hưởng (nồng độ chất trợ keo tụ, nồng độ lưu chất từ tính, tỷ lệ phối chế).
  • Khoa học Vật liệu: Cung cấp bộ dữ liệu thực nghiệm chi tiết và quy chuẩn về phân tích đặc trưng vật liệu qua các kỹ thuật nhiễu xạ tia X (XRD), kính hiển vi điện tử (FE-SEM, TEM), quang phổ hồng ngoại (FT-IR) và từ kế mẫu rung (VSM) đối với hệ vật liệu nanocomposite từ tính.

Câu hỏi thường gặp

1. Hạt nano từ tính $\text{CoFe}_2\text{O}_4$ trong nghiên cứu có đặc trưng cấu trúc và từ tính như thế nào?
Hạt nano $\text{CoFe}_2\text{O}_4$ được tổng hợp bằng phương pháp đồng kết tủa có cấu trúc tinh thể spinel lập phương đơn pha, phù hợp chuẩn JCPDS card No. 22-1086 với peak nhiễu xạ mạnh nhất tại $2\theta = 35^\circ$. Hạt có dạng hình cầu đồng đều với kích thước $50–70\text{ nm}$ trên ảnh FE-SEM và $30–40\text{ nm}$ trên ảnh TEM. Đặc trưng từ tính đo bằng VSM cho thấy hạt đạt độ từ hóa bão hòa $M_s = 59,02\text{ emu/g}$, lực kháng từ $H_c = 858,935\text{ Oe}$, mang đặc tính từ mềm và siêu thuận từ.

2. Dầu vỏ hạt điều (CNSL) đóng vai trò gì và được chuyển hóa thành chất hoạt động bề mặt bằng phản ứng nào?
Dầu vỏ hạt điều đóng vai trò là nguồn nguyên liệu tự nhiên giàu axit anacardic để tạo chất hoạt động bề mặt bao bọc hạt nano từ tính, giúp phân tán hạt trong pha lỏng và tạo đuôi kỵ nước để liên kết với vi nhựa. Dầu điều được xà phòng hóa với $\text{NaOH}$ rắn trong môi trường ethanol 96° tại dải nhiệt độ 70–80 °C trong 3 giờ (đến khi pH không đổi) để chuyển hóa thành muối Sodium anacardate.

3. Điều kiện tối ưu nào giúp hệ ferrofluid đạt hiệu suất xử lý vi nhựa cao nhất?
Hiệu suất xử lý vi nhựa đạt giá trị cao nhất là $72,3%$ trong điều kiện: thể tích mẫu nước $20\text{ mL}$ (nồng độ vi nhựa $10\text{ g/L}$, cỡ hạt $\le 150\text{ }\mu\text{m}$), tỷ lệ khối lượng Surfactant/nano-OH là 8/1, thể tích dầu đậu nành trợ keo tụ là $1,5\text{ mL}$ (tương ứng nồng độ $75\text{ mL/L}$), khối lượng ferrofluid là $0,5\text{ g}$ (tương ứng nồng độ $25\text{ g/L}$), lắc ở công suất tối đa trong thời gian 2 giờ tại nhiệt độ phòng (31 °C).

4. Ferrofluid được thu hồi và hoàn nguyên để tái sử dụng bằng cách nào?
Sau khi xử lý vi nhựa, các cụm keo tụ màu đen mang từ tính được hút gom lại bằng thanh nam châm bọc kín. Để hoàn nguyên, thanh nam châm được nhúng vào cốc chứa dung dịch bột giặt và khuấy đều; chất giặt rửa sẽ nhũ hóa dầu đậu nành và giải phóng vi nhựa vào pha nước. Vật liệu ferrofluid từ tính lắng lại dưới đáy khi áp nam châm ngoài, sau đó được gạn hút, rửa sạch nhiều lần bằng nước cất, ethanol, n-hexane và sấy khô ở nhiệt độ phòng để tái sử dụng.

5. Vì sao hiệu suất xử lý vi nhựa của vật liệu chưa đạt mức tuyệt đối ($100%$)?
Tác giả giải thích hiệu suất đạt cực đại ở mức $72,3%$ do ba nguyên nhân chính: thao tác khuấy trộn và lắc cơ học chưa đảm bảo sự tiếp xúc đồng đều tuyệt đối giữa ferrofluid, dầu và vi nhựa; kích thước hạt vi nhựa thử nghiệm (lọt rây 100 Mesh, đường kính tới $150\text{ }\mu\text{m}$) còn tương đối lớn làm giảm hiệu quả bao bọc keo tụ; và quá trình định lượng lượng vi nhựa còn lại bằng phương pháp lọc cân sấy khô có sai số thực nghiệm nhất định.

Kết luận

Đồ án đã chế tạo thành công lưu chất từ tính (ferrofluid) trên cơ sở kết hợp hạt nano coban ferit $\text{CoFe}_2\text{O}_4$ siêu thuận từ biến tính hydroxyl với chất hoạt động bề mặt Sodium anacardate có nguồn gốc từ dầu vỏ hạt điều. Sản phẩm ferrofluid duy trì độ từ hóa bão hòa cao ($55,05\text{ emu/g}$), thể hiện khả năng hấp phụ và phân tách hiệu quả vi nhựa lơ lửng trong nước bề mặt với hiệu suất đạt $72,3%$ ở điều kiện tối ưu. Kết quả nghiên cứu khẳng định tiềm năng ứng dụng thực tiễn của việc tận dụng phụ phẩm công nghiệp chế biến điều tại Việt Nam để phát triển vật liệu xử lý môi trường thân thiện, dễ thu hồi và tái sinh bằng từ trường ngoài.