intTypePromotion=1

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

0
31
lượt xem
3
download

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

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

CÓ THỂ BẠN MUỐN DOWNLOAD

 

Đồng bộ tài khoản
2=>2