Ô nhiễm môi trường nước nông nghiệp như tồn dư chất diệt cỏ glyphoste và axit cinnamic có thể được xử lý an toàn nhờ hệ xúc tác quang của nhóm các nhà khoa học Việt Nam.

Giải bài toán ô nhiễm nước nông nghiệp

ThS Nguyễn Phụng Anh và cộng sự thuộc Viện Công nghệ Hóa học, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam vừa nghiên cứu thành công phương pháp chế tạo các hệ xúc tác quang trên nền perovskite titanate có hoạt tính cao, độ bền cao và dễ tái sử dụng trong phân hủy các chất hữu cơ ô nhiễm tồn dư trong nước từ sản xuất nông nghiệp điển hình là chất diệt cỏ glyphoste và axit cinnamic.

Ở Việt Nam, tình trạng ô nhiễm nguồn nước ở nông thôn và sự hạn chế trong tiếp cận với nguồn nước sinh hoạt hợp vệ sinh của người dân đã ảnh hưởng không nhỏ đến sức khỏe con người, tỷ lệ người dân mắc các bệnh liên quan đến ô nhiễm nước đang có xu hướng tăng lên.

Theo đánh giá của Bộ Tài nguyên và Môi trường, lượng phân bón bị rửa trôi mang theo dư lượng thuốc khá cao. Bên cạnh đó, nghề chăn nuôi cũng góp phần không nhỏ vào hệ lụy này, mỗi năm Việt Nam có khoảng 84,5 triệu tấn chất thải được xả vào môi trường trong đó có đến 80% không qua xử lý.

Mặt khác, làng nghề truyền thống với quy trình sản xuất thủ công, lạc hậu, quy mô nhỏ lẻ, phân tán cũng góp phần lớn xả nước thải không qua xử lý vào môi trường, khiến chất lượng nước ở nông thôn ngày càng xuống cấp.

Theo nhóm nghiên cứu, một trong những nhóm gây ô nhiễm môi trường nước lớn nhất hiện nay là các hợp chất phenolic bởi sự ứng dụng rộng rãi của chúng trong nước thải công nghiệp, nông nghiệp và làm chất khử trùng. Tác động tiêu cực của các hợp chất phenolic đối với môi trường và sức khỏe con người liên quan đến độc tính cao và khả năng không phân hủy sinh học của nó. Axit cinnamic là hợp chất phenolic tuy có độ độc không cao nhưng gây ô nhiễm cao.

Đến nay có nhiều phương pháp được sử dụng để phân hủy các hợp chất này trong môi trường nước, nhưng việc ứng dụng xúc tác quang hóa là một biện pháp tiên tiến. Điểm nổi bật của xúc tác quang hóa trong việc phân hủy các hợp chất gây ô nhiễm là chi phí thấp, hiệu suất phân hủy cao, có thể thu hồi và tái sử dụng, xúc tác vô hại, xử lý ở nhiệt độ và áp suất thường và có thể chuyển hóa các chất gây ô nhiễm thành các sản phẩm cuối cùng vô hại hoặc ít độc hại hơn như CO2, H2O…

Bên cạnh nano oxititan (TiO2) là xúc tác quang truyền thống, hiệu quả cao, vật liệu perovskite (oxide kim loại kép) đang thu hút sự quan tâm nghiên cứu làm chất xúc tác quang do một số perovskite có năng lượng vùng cấm nhỏ có thể dễ dàng bị kích thích bởi ánh sáng khả kiến và UV.

So với TiO2, xúc tác perovskite ABO3 có những ưu điểm nổi bật. Tuy nhiên, việc nghiên cứu điều chế và ứng dụng các vật liệu này như một chất xúc tác quang vẫn còn hạn chế vì dễ dàng tái kết hợp electron và lỗ trống.

Nhóm nghiên cứu cho biết, một trong những phương pháp hiệu quả để cải thiện hệ xúc tác quang là kết hợp chúng lại với nhau nhằm phát huy các ưu điểm của các hệ xúc tác quang này.

Các nghiên cứu kết hợp xúc tác perovskite với các chất xúc tác khác chưa nhiều. Tuy nhiên, các nghiên cứu về vấn đề này đối với TiO2 khá phong phú và có thể ứng dụng với các titanate perovskite.

Nền tảng chế tạo chất xúc tác quang có hoạt tính cao

Dựa trên những ưu điểm của 2 hệ xúc tác quang TiO2 và perovskite, ThS Nguyễn Phụng Anh và các cộng sự đã nghiên cứu và đưa ra được quy trình tổng hợp xúc tác quang trên cơ sở perovskite Al2TiO5, Fe2TiO5 và NiTiO3 bằng phương pháp sol-gel với nhiệt độ nung thấp.

Nhóm đã nghiên cứu được quy trình tổng hợp hệ xúc tác dị cấu trúc perovskite/TiO2 và các hệ xúc tác dị cấu trúc biến tính CeO2, Ag và SBA-15 bằng phương pháp thủy nhiệt có diện tích bề mặt riêng lớn, hoạt tính quang phân hủy axit cinnamic và glyphosate cao, độ bền tốt và dễ thu hồi so với xúc tác TiO2 thủy nhiệt trong môi trường nước.

Hệ thống thiết bị phản ứng quang oxy hóa phân hủy axit cinnamic và glyphosate gồm có cụm giải nhiệt cho bộ đèn UV, bộ phận điều khiển đèn có kết nối máy tính; máy khuấy; bình phản ứng; đường ống cấp nước giải nhiệt; lưu lượng kế; nhiệt kế và vị trí lấy mẫu.

Theo ThS Nguyễn Phụng Anh, việc nghiên cứu tìm ra hệ xúc tác mới trên cơ sở perovskite (oxide kim loại kép) có năng lượng vùng cấm nhỏ và có khả năng hấp thu trong vùng ánh sáng khả kiến với hoạt tính cao và dễ thu hồi là một kết quả hứa hẹn của nhóm.

Thêm vào đó, sự lai tạo của TiO2 và oxide kim loại kép giúp tăng cường khả năng hấp thu trong vùng ánh sáng khả kiến, cải thiện diện tích bề mặt riêng và hạn chế sự tái kết hợp giữa electron với lỗ trống, được xem là xúc tác quang tiềm năng.

Kết quả nghiên cứu dựa trên các điều kiện tối ưu cho việc tổng hợp các xúc tác trên cơ sở perovskite đã đưa ra các xúc tác có hoạt tính cao, dễ thu hồi; hiệu quả quang phân hủy tốt các hợp chất hữu cơ ô nhiễm điển hình trong sản xuất nông nghiệp là axit cinnamic và glyphosate làm cơ sở để định hướng ứng dụng trong tương lai.

Thành công của nghiên cứu này mở ra triển vọng xử lý môi trường nước thải nông nghiệp ở hầu khắp các tỉnh, thành hiện nay với chi phí hợp lý.