Triển vọng ứng dụng vật liệu tổ hợp cấu trúc nano oxit sắt từ than sinh học để xử lý nguồn nước bị ô nhiễm

Chia sẻ: ViMessi2711 ViMessi2711 | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:8

Thêm vào BST

Báo xấu

70
lượt xem 8
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài viết trình bày tổng quan về tình hình nghiên cứu chế tạo vật liệu tổ hợp cấu trúc nano Fe3O4 – than sinh học để xử lý nguồn nước bị ô nhiễm. Trong đó, vật liệu tổ hợp cấu trúc nano Fe3O4 – than sinh học được chế tạo bằng phương pháp biến đổi đồng kết tủa, nguồn than sinh học được tạo ra từ các nguồn phế phụ phẩm nông nghiệp như rơm rạ, thân lõi cây ngô, vỏ trấu, mùn cưa, vỏ trai hến, bùn đỏ

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Triển vọng ứng dụng vật liệu tổ hợp cấu trúc nano oxit sắt từ than sinh học để xử lý nguồn nước bị ô nhiễm

Nguyễn Thị Luyến và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 190(14): 119 - 126 TRIỂN VỌNG ỨNG DỤNG VẬT LIỆU TỔ HỢP CẤU TRÚC NANO OXIT SẮT TỪ-THAN SINH HỌC ĐỂ XỬ LÝ NGUỒN NƯỚC BỊ Ô NHIỄM Nguyễn Thị Luyến*, Hà Minh Việt, Vũ Tiến Thành Trường Đại học Khoa học - ĐH Thái Nguyên TÓM TẮT Gần đây, tình trạng nguồn nước ở Việt Nam bị ô nhiễm ion kim loại nặng và/hoặc chất màu hữu cơ là vấn đề mà toàn xã hội đang quan tâm. Trong khi các phương pháp xử lý nguồn nước thông thường có một số hạn chế, công nghệ nano kết hợp các hạt nano oxit sắt từ - than sinh học có khả năng thu hồi sản phẩm sau khi xử lý hấp phụ để tái sử dụng và tiết kiệm được chi phí, đồng thời còn làm tăng cường khả năng hấp phụ. Trong bài này, chúng tôi sẽ trình bày tổng quan về tình hình nghiên cứu chế tạo vật liệu tổ hợp cấu trúc nano Fe3O4 – than sinh học để xử lý nguồn nước bị ô nhiễm. Trong đó, vật liệu tổ hợp cấu trúc nano Fe3O4 – than sinh học được chế tạo bằng phương pháp biến đổi đồng kết tủa, nguồn than sinh học được tạo ra từ các nguồn phế phụ phẩm nông nghiệp như rơm rạ, thân lõi cây ngô, vỏ trấu, mùn cưa, vỏ trai hến, bùn đỏ,... Cơ chế và quá trình hấp phụ các ion kim loại nặng, chất màu hữu cơ của hệ vật liệu này cũng được thảo luận. Từ khóa: Oxit sắt từ, than sinh học, công nghệ nano, ion kim loại nặng, chất màu hữu cơ ĐẶT VẤN ĐỀ* Nước sạch đã trở thành một nhu cầu của toàn xã hội và là chìa khóa quan trọng để bảo vệ sức khỏe của cuộc sống. Tuy nhiên, hiện nay các chất gây ô nhiễm môi trường đang là mối đe dọa nghiêm trọng đối với nguồn nước ngọt, sinh vật sống và sức khỏe của cộng đồng, đặc biệt là các ion kim loại nặng như Hg2+, Pb2+, Cr3+, Cr6+, Ni2+, Co2+, Cu2+, Cd2+, Ag+, As5+ và chất màu hữu cơ. Theo số liệu thống kê của Bộ Y tế, Bộ Tài nguyên và Môi trường, trung bình mỗi năm có khoảng 9.000 người tử vong vì nguồn nước ô nhiễm, trên 200.000 trường hợp được phát hiện ung thư mà một trong những nguyên nhân là do sử dụng nguồn nước bị ô nhiễm [1]. Theo số liệu thống kê, toàn tỉnh Thái Nguyên hiện có khoảng 250 mỏ, điểm khoáng sản trong đó chủ yếu sử dụng các phương pháp khai thác thủ công và bán thủ công, gây tổn thất và thất thoát tài nguyên đặc biệt là vấn đề ô nhiễm môi trường đất và nước. Kết quả khảo sát tại suối Thác Lạc (huyện Đồng Hỷ), suối Nghinh Tường - Sảng Mộc (huyện Võ Nhai), mỏ Núi Pháo cho thấy môi trường nước xung quanh các mỏ than và mỏ kim loại đã có dấu hiệu ô nhiễm, có nơi ô nhiễm trầm trọng. Môi trường * Email: luyennt@tnus.edu.vn xung quang các bãi chứa chất thải ở các khu vực khai thác khoảng sản chưa được quan tâm, xử lý nên mùa mưa nước kéo theo chất ô nhiễm trong bãi thải tràn ra môi trường ảnh hưởng xấu đến đời sống của người dân và sản xuất nông nghiệp. Hiện nay, có rất nhiều kỹ thuật khác nhau để làm sạch nguồn nước như hấp phụ, lắng đọng, thẩm thấu ngược, trao đổi ion, điện hóa, màng lọc, bốc hơi, oxi hóa,…[2,3]. Trong đó, hấp phụ là một kỹ thuật được sử dụng rộng rãi mang lại hiệu quả kinh tế cao để loại bỏ các ion kim loại nặng, chất màu hữu cơ và các vi khuẩn gây bệnh từ nước. Với sự phát triển của công nghệ nano với giá thành thấp đã thu hút được sự quan tâm nghiên cứu của các nhà khoa học trong các lĩnh vực ứng dụng khác nhau, trong đó phải kể đến lĩnh vực xử lý môi trường bị ô nhiễm. Đã có nhiều công bố chỉ ra rằng chất lượng của nước được cải thiện bằng cách sử dụng các hạt nano, màng lọc nano,… Sự tổng hợp các hạt nano từ Fe3O4 đã được phát triển mạnh mẽ không chỉ cho nghiên cứu cơ bản mà còn có nhiều ứng dụng trong công nghệ như hình ảnh cộng hưởng từ, dẫn truyền thuốc, thiết bị ghi từ, vv… Đặc biệt, việc sử dụng các hạt nano từ như là chất hấp phụ trong xử lý nước để tách và loại bỏ các ion kim loại nặng bằng cách sử dụng từ trường 119 Nguyễn Thị Luyến và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ ngoài đang được quan tâm nghiên cứu. Thông thường, các hạt nano từ dễ bị oxi hóa trong không khí và kết tụ lại trong hệ thống nước [4]. Vì vậy, việc chức năng hóa bề mặt của các hạt nano từ để ổn định bề mặt là điều cần thiết. Kết quả nghiên cứu đã chỉ ra rằng, các hạt nano từ có kích thước < 30 nm thường có diện tích bề mặt lớn, thể hiện tính chất siêu thuận từ [5–7], những tính chất này rất hữu ích trong việc tách các ion kim loại nặng. Tuy nhiên, các công bố cho thấy [5–17] việc chức năng hóa bề mặt các hạt nano từ để xử lý môi trường thường cho hiệu quả hấp phụ các ion kim loại nặng không cao, hơn nữa công nghệ chế tạo lại phức tạp và không hiệu quả về kinh tế. Gần đây, việc nghiên cứu vật liệu tổ hợp cấu trúc nano Fe3O4 - than sinh học (MBC) [18– 24] với công nghệ đơn giản, giá thành rẻ, đặc biệt tăng cường khả năng hấp phụ các ion kim loại nặng và tái sử dụng chúng trong xử lý môi trường đã được quan tâm. Trong bài tổng quan này, chúng tôi tập trung tìm hiểu về công nghệ chế tạo vật liệu tổ hợp cấu trúc nano Fe3O4 – than sinh học với nguồn nguyên liệu từ phế phẩm nông nghiệp như rơm rạ, thân lõi cây ngô, vỏ trấu, mùn cưa, vỏ trai hến, bùn đỏ,… Đây là một hướng nghiên cứu mới về xử lý nguồn nước bị ô nhiễm, có khả năng hấp phụ cao, dễ dàng tái sử dụng, giá thành thấp, mang lại triển vọng kinh tế cao. CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO VẬT LIỆU TỔ HỢP CẤU TRÚC NANO OXIT SẮT TỪTHAN SINH HỌC Than sinh học được tạo ra bằng quá trình carbon hóa từ các phế phụ phẩm nông nghiệp 190(14): 119 - 126 như: rơm rạ, vỏ trấu, thân lõi cây ngô, mùn cưa, vỏ trai hến, bùn đỏ,…Đây là nguồn phế phẩm rất dồi dào trong nông nghiệp, có giá thành thấp tại Việt Nam. Do diện tích bề mặt lớn nên than sinh học có khả năng hấp phụ các ion kim loại và chất màu hữu cơ. Trên Hình 1 trình bày minh họa quá trình tạo ra than sinh học từ các phế phụ phẩm nông nghiệp. Hình 1. Quá trình chế tạo than sinh học từ các phế phụ phẩm nông nghiệp [25]. Mặc dù than sinh học có khả năng hấp phụ các ion kim loại nặng và chất màu hữu cơ cao, tuy nhiên, chúng vẫn còn có hạn chế trong việc tái sử dụng đó là phải ly tâm, lọc rửa. Để khắc phục nhược điểm này, các nhà khoa học đã nghiên cứu kết hợp hạt nano oxit sắt từ với than sinh học để làm tăng cường khả năng hấp phụ và dễ dàng đưa vào tái sử dụng bằng cách sử dụng một từ trường ngoài mà không cần ly tâm và lọc rửa. Trên Hình 2 và Hình 3 tương ứng trình bày mô hình công nghệ chế tạo MBC, trong đó than sinh học được tạo ra từ nguồn phế phẩm trong nông nghiệp là vỏ lạc và lá bạch đàn. MBC được chế tạo bằng phương pháp biến đổi đồng kết tủa. Hình 2. Mô hình minh họa công nghệ chế tạo vật liệu tổ hợp cấu trúc nano Fe 3O4 – than sinh học [24]. 120 Nguyễn Thị Luyến và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 190(14): 119 - 126 Hình 3. (a) Mô hình minh họa công nghệ chế tạo MBC, với nguồn than sinh học được sử dụng từ lá bạch đàn; (b) Mô hình tách MBC từ dung dịch nước lọc [26] Bảng 1. So sánh khả năng hấp phụ một số ion kim loại của MBC Chất hấp phụ Hạt nano Fe3O4 Hạt nano Fe3O4-đất sét Hạt nano α-Fe2O3-đất sét-than sinh học từ vỏ cây thông Hạt nano α-Fe2O3+Fe3O4 – than sinh học từ vỏ óc chó Ion kim loại bị hấp phụ Cr6+ Cr6+ Cr6+ Dung lượng hấp phụ qe (mg/g) 20,2 13,88 81,7 TLTK As5+ 1,91 [29] As5+ 3,147 [30] 2+ 344,8 322,6 294,1 49,3 [31] Hạt nano γ – Fe2O3 than sinh học Hạt nano Fe3O4-than sinh học từ xương lạc đà Hạt nano α-Fe2O3 – than sinh học từ rơm rạ Cơ chế hình thành các hạt nano từ Fe3O4 bằng phương pháp đồng kết tủa được giải thích theo phương trình (1) đến (4) [27]: Fe3++3OH-Fe(OH)3(s) (1) Fe(OH)3(s)FeOOH(s)+H2O (2) 2+ Fe +2OH Fe(OH)2(s) (3) 2FeOOH(s)+Fe(OH)2(s)Fe3O4+H2O (4) Hay phương trình (1) đến (4) được viết lại: 2Fe3++Fe2++8OH-2Fe(OH)3+Fe(OH)2 Fe3O4(s)+4H2O (5) Cơ chế hình thành MBC theo phương pháp biến đổi đồng kết tủa có thể được lý giải theo các bước sau: - Fe2+ và Fe3+ được khuấy trộn trong nước cất dưới điều kiện khuấy từ - Fe(OH)2 và Fe(OH)3 được hình thành bằng cách thêm vào hỗn hợp dung dịch NH4OH Pb Cd2+ Co2+ Cd2+ [27] [28] [21] [32] - Trong suốt quá trình bốc bay dung môi, Fe(OH)2 và Fe(OH)3 bị mất nước để tạo ra hạt nano từ Fe3O4 - Sau khi than sinh học được xử lý với axit, chúng được bơm vào các hạt nano từ Fe3O4 để bao phủ lên bề mặt của hạt. KHẢ NĂNG HẤP PHỤ ION KIM LOẠI NẶNG VÀ CHẤT MÀU HỮU CƠ CỦA MỘT SỐ VẬT LIỆU Một thông số quan trọng để đánh giá khả năng hấp phụ các ion kim loại nặng hoặc chất màu hữu cơ (chất bị hấp phụ) có trong nguồn nước bị ô nhiễm đó là dung lượng hấp phụ cân bằng (qe). Dung lượng hấp phụ cân bằng là khối lượng chất bị hấp phụ trên một đơn vị khối lượng chất hấp phụ ở trạng thái cân bằng trong điều kiện xác định về nồng độ và nhiệt độ [18–21] : 121 Nguyễn Thị Luyến và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ qe = (6) Trong đó: qe là dung lượng hấp phụ cân bằng (mg/g); V là thể tích dung dịch chất bị hấp phụ (lít); m là khối lượng chất bị hấp phụ (g); C0 là nồng độ của chất bị hấp phụ tại thời điểm ban đầu (mg/l); Ccb là nồng độ của chất bị hấp phụ tại thời điểm cân bằng (mg/l). CƠ CHẾ HẤP PHỤ Để đánh giá hiệu quả loại bỏ các chất gây ô nhiễm từ vật liệu tổ hợp cấu trúc nano oxit sắt từ - than sinh học, việc xác định cơ chế của quá trình hấp phụ là rất cần thiết. Các đặc trưng hấp phụ của MBC với các chất gây ô nhiễm như các ion kim loại nặng, các chất màu hữu cơ là khác nhau. Ngoài ra, cơ chế hấp phụ cũng còn phụ thuộc vào các đặc trưng khác nhau của MBC như nhóm chức bề mặt, diện tích bề mặt cụ thể, cấu trúc xốp. Đối với các ion kim loại nặng, cơ chế hấp phụ thường liên quan đến hiệu ứng tích hợp của một vài loại tương tác bao gồm: tương tác hút tĩnh điện, trao đổi ion, hấp phụ vật lý, sự phức hợp bề mặt hoặc sự kết tủa. Hình 4 minh họa sự đa dạng các cơ chế hấp phụ của MBC đối với ion kim loại. Các ion kim loại khác nhau, cơ chế hấp phụ khác nhau và phụ thuộc vào đặc tính của bề mặt của MBC. Các nhóm chức trên bề mặt 190(14): 119 - 126 của MBC bao gồm: carboxylate – COOH, hydroxyl – OH, chúng có thể tương tác mạnh với các ion kim loại nặng thông qua tương tác hút tĩnh điện, trao đổi ion hay phức hợp bề mặt. Những ảnh hưởng này có thể được chứng minh thông qua sự thay đổi nhóm chức của MBC trước và sau khi hấp phụ ion kim loại nặng [20,26-31]. Hơn nữa, các thành phần khoáng chất trong MBC, diện tích bề mặt, cấu trúc xốp cũng đóng vai trò quan trọng trong quá trình hấp phụ. Đối với các chất màu hữu cơ, cơ chế hấp phụ của MBC cũng thường là sự kết hợp của các loại tương tác khác nhau [8,17,32-33]. Nhìn chung, tương tác tĩnh điện, hiệu ứng kị nước, liên kết hyđro, sự làm đầy lỗ có thể là cơ chế hấp phụ chính của MBC đối với các chất màu hữu cơ. Các cơ chế khác nhau cho sự tương tác của MBC đối với các chất màu hữu cơ được chỉ ra trên Hình 5. Cơ chế hấp phụ các chất hữu cơ khác nhau và chúng liên quan đến đặc trưng của MBC. Thứ nhất, đặc trưng bề mặt của MBC đóng vai trò quan trọng trong hấp phụ các chất màu hữu cơ. Bề mặt của MBC là không đồng nhất do cùng tồn tại cả carbon hóa và không carbon hóa, và các giai đoạn của carbon hóa và không carbon hóa của MBC thường đại diện cho các cơ chế hấp phụ khác nhau. Bảng 2. So sánh khả năng hấp phụ một số chất màu hữu cơ của MBC Chất màu hữu cơ bị hấp phụ Thuốc nhuộm màu Dung lượng hấp phụ qe (mg/g) 111,8 TLTK Hạt nano Fe3O4 – than sinh học từ cây dương xỉ Hạt nano Fe3O4 – than sinh học từ lá vả Thuốc nhuộm màu 30,21 [18] Thuốc nhuộm màu 53,47 [18] Hạt nano Fe3O4 – than sinh học từ vỏ lạc Thuốc nhuộm màu 58,69-64,12 [33] Hạt nano Fe3O4 – than sinh học từ bã chè Thuốc nhuộm màu 113,64 [34] Xanh methylene 25 [18] Xanh methylene 61,72 [18] Chất hấp phụ Hạt nano Fe3O4 Hạt nano Fe3O4 – than sinh học từ cây dương xỉ Hạt nano Fe3O4 – than sinh học từ lá vả 122 [9] Nguyễn Thị Luyến và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 190(14): 119 - 126 Hình 4. Sơ đồ minh họa cơ chế hấp phụ ion kim loại nặng của MBC [35] Hình 5. Sơ đồ minh họa cơ chế hấp phụ các chất màu hữu cơ của MBC [35]. KẾT LUẬN Bài tổng quan này đã cho thấy, sử dụng vật liệu tổ hợp cấu trúc nano của các hạt nano oxit từ than sinh học, trong đó than sinh học được tạo ra từ các nguồn phế phụ phẩm trong nông nghiệp để xử lý nguồn nước bị ô nhiễm đang là vấn đề được các nhà khoa học quan tâm. Chúng không những mang lại hiệu quả hấp phụ các ion kim loại nặng và chất màu hữu cơ cao, mà còn có thể dễ dàng tái sử dụng, có giá trị kinh tế cao. LỜI CẢM ƠN Nghiên cứu này được tài trợ bởi Chương trình Nghị định thư Việt Nam – Italia, mã số nhiệm vụ: NĐT.05.ITA/15. 123