Than sinh học có khả năng lọc bỏ chất ô nhiễm trong nước thải

Nhật Phong 30/09/2022 06:46

GD&TĐ -Than sinh học hình cầu hấp thụ các chất ô nhiễm trong môi trường nước là sản phẩm nghiên cứu của ThS Tôn Thất Lộc, (TPHCM) thực hiện.

Hình ảnh than sinh học hình cầu từ tính có nguồn gốc từ glucose và FeCl3 để xử lý chất ô nhiễm paracetamol trong môi trường nước.

Covid-19 làm gia tăng độc chất trong nước thải

ThS Tôn Thất Lộc cho hay, hiện nay, ngoài các chất ô nhiễm truyền thống (thuốc nhuộm hữu cơ và kim loại nặng), sự xuất hiện phổ biến của các chất gây ô nhiễm dược phẩm trong môi trường nước đã báo động một số lo ngại về tác động xấu của chúng đối với sức khỏe con người và hệ sinh thái dưới nước. Điển hình là paracetamol (PRC), còn được gọi acetaminophen, đã được phát hiện trong nước thải đô thị.

Điều này là do paracetamol được sử dụng thường xuyên trong các bệnh viện và hộ gia đình để điều trị giảm đau, hạ sốt. Trong giai đoạn dịch bệnh Covid-19, paracetamol còn được sử dụng để điều trị cho bệnh nhân nhiễm Covid-19, vì vậy nhu cầu tiêu thụ càng tăng cao, dẫn đến xả thải dư lượng của PRC vào các dòng nước (hệ thống cống, sông, kênh, rạch và ao hồ).

Làm thế nào để xử lý chất ô nhiễm paracetamol trong nước, nhóm nghiên cứu đã đi tìm câu trả lời bằng cách chế tạo vật liệu than sinh học hình cầu từ tính có nguồn gốc từ glucose và FeCl3.

Khác với than hoạt tính truyền thống, than sinh học hình cầu cải tiến được tổng hợp từ các nhóm carbohydrat (glucose, xylose, sucrose) thể hiện một số đặc tính nổi bật như hàm lượng các nhóm chức oxy cao hơn (carboxylic, carbonyl và hydroxyl/phenolic). Những nhóm này thường đóng vai trò quan trọng trong hấp phụ các chất ô nhiễm khác nhau trong môi trường nước.

Nhóm nghiên cứu sử dụng nguồn nguyên liệu glucose có sẵn trên thị trường. Đây là vật liệu có cấu trúc cacbon hình cầu với diện tích bề mặt lớn giúp tăng khả năng hấp phụ cao hơn vật liệu không có dạng hình cầu. Đồng thời điều chế vật liệu bằng phương pháp thủy nhiệt ở nhiệt độ thấp (190 - 220°C) giúp tiết kiệm nguồn năng lượng và hạn chế tỏa nhiệt ra môi trường bên ngoài.

Nhóm tổng hợp vật liệu than hydrochar với oxit sắt nhằm khai thác tiềm năng của sắt, tận thu lại vật liệu và loại bỏ bùn thải bằng từ trường của nam châm; đánh giá được các yếu tố có ảnh hưởng đến quá trình hấp phụ và giải thích rõ về cơ chế hấp phụ chất ô nhiễm dược phẩm paracetamol của vật liệu cacbon hình cầu gắn oxit sắt.

Giữ lại độc chất trong vật liệu hấp thụ

Nhóm nghiên cứu cho biết, quy trình điều chế vật liệu không quá phức tạp. Các hạt nano α-Fe2O3 than sinh học hình cầu (Fe-SB) đã được chuẩn bị trực tiếp thông qua quá trình nhiệt phân một bước ở nhiệt độ thấp là 400°C.

Vật liệu hấp phụ Fe-SB có các đặc điểm nổi bật của 2 vật liệu ban đầu là cacbon hình cầu và oxit sắt hematite. Các hạt nano oxit sắt phủ kín, chiếm ưu thế trên bề mặt của vật liệu. Vật liệu này có độ xốp kém hơn so với than hoạt tính, nhưng khả năng hấp phụ cao hơn.

Nhóm nghiên cứu cũng đã chứng minh được sự hiện diện của sắt trên bề mặt vật liệu, ngoài hai phương pháp SEM và EDS (hiển vi điện tử quét kết hợp phổ tán xạ năng lượng tia X) còn kết hợp thêm phương pháp XRD (phương pháp nhiễu xạ tia X), Raman để giúp nhận dạng được loại oxit sắt và sự gắn kết trên bề mặt vật liệu. Vật liệu đã được phân tích thông qua vòng từ trễ để xác định các thông số liên quan đến từ tính.

Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hấp phụ PRC ra khỏi môi trường nước bằng Fe-SB bao gồm nhiệt độ môi trường hấp phụ, sự phụ thuộc vào nồng độ hấp phụ (tăng theo nồng độ hấp phụ); khả năng hấp phụ không ảnh hưởng đáng kể trong môi trường dung dịch có pH = 2 - 8, có ảnh hưởng lớn khi pH > 9, phụ thuộc lớn vào cường độ ion (NaCl), thời gian tiếp xúc trong quá trình hấp phụ diễn ra nhanh và đạt đến trạng thái cân bằng nhanh trong khoảng 120 phút.

Vật liệu Fe-SB có khả năng hấp phụ được PRC khỏi môi trường nước, trong đó vai trò của oxit sắt giúp cải thiện diện tích bề mặt và tăng khả năng hấp phụ. Khả năng hấp phụ tối đa Langmuir của nó ở 25°C và pH = 7,0 là 49,9mg/g, cao hơn đáng kể so với SH – than thủy nhiệt hình cầu (0,15mg/g) và SB – than sinh học hình cầu (3,51mg/g).

Cơ chế hấp phụ chính là tương tác ion - lưỡng cực và tương tác liên kết hydro và cơ chế hấp phụ vào mao quản đóng góp nhỏ trong quá trình hấp phụ PRC lên vật liệu Fe-SB.

Kết quả của nghiên cứu này sẽ đóng góp vào việc phát triển vật liệu xử lý chất ô nhiễm trong môi trường nước đạt hiệu quả cao, thân thiện với môi trường. Vật liệu có thể ứng dụng để xử lý nước thải tại các bệnh viện, cơ sở chăm sóc y tế, nước thải sinh hoạt… nhằm bảo vệ môi trường và sức khỏe con người.