Chế tạo xúc tác nano vàng bằng phương pháp xanh, sử dụng nguyên liệu từ vỏ bưởi mang trên ceria nanorod cho quá trình khử p-nitrophenol trong nước được các nhà khoa học thực hiện thành công...

Xử lý ô nhiễm nước thải giàu hữu cơ

KS Hồ Gia Thiên Thanh, Trung tâm Phát triển Khoa học và Công nghệ Trẻ, Vườn ươm Sáng tạo KH&CN Trẻ TPHCM và cộng sự vừa thực hiện thành công nhiệm vụ khoa học công nghệ chế tạo xúc tác nano vàng bằng phương pháp xanh, sử dụng nguyên liệu từ vỏ bưởi để xử lý nước thải ô nhiễm nặng.

Các chất thải hữu cơ khó phân hủy sinh học có trong nước thải là một chủ đề luôn được quan tâm vì chúng gây ô nhiễm nguồn nước nghiêm trọng.

Đặc biệt là các dẫn xuất nitro của hợp chất phenol với độ bền sinh học cao, thích hợp cho sự phát triển của các vi khuẩn trong nước, dẫn đến các vấn đề về ô nhiễm môi trường, suy thoái hệ thống thủy sinh cũng như ảnh hưởng trực tiếp đến sức khỏe con người.

Trong đó có p-Nitrophenol (p-NP), một hợp chất phenolic có mặt trong nhiều ngành công nghiệp hiện nay như dược, nhuộm, thuốc trừ sâu…

KS Thiên Thanh cho biết, hiện có hai phương pháp chính để xử lý p-NP là loại bỏ trực tiếp khỏi nước thải bằng phản ứng quang phân hủy, vi sinh hay kỹ thuật Fenton điện hóa,… và chuyển hóa thành các hợp chất có ích mang lại giá trị cho con người, môi trường.

Trong đó, hướng xử lý thứ hai đang được các nhà khoa học đặc biệt quan tâm bởi có thể thực hiện được hai mục đích là loại bỏ p-NP và chuyển hóa p-Nitrophenol thành p-Aminophenol (p-AP).

Nhận thấy những tác hại mà loại hóa chất này gây ra, các nhà khoa học đã nghiên cứu và phát triển những vât liệu mới đáp ứng tiêu chí hóa học xanh nhằm mang lại hiệu quả tối đa trong việc xử lý nước thải, đồng thời giảm chi phí để các doanh nghiệp có thể dễ dàng áp dụng.

Điểm khác biệt chính trong nghiên cứu này là việc tận dụng ceria nanorod làm chất mang và các hoạt chất có trong thực vật - điển hình là vỏ bưởi - làm tác nhân khử ổn định cho quá trình tổng hợp hệ xúc tác nano vàng. Qua đó, vừa tạo được hệ xúc tác thế hệ mới thân thiện với môi trường, vừa tận dụng được nguồn phế phẩm từ nông nghiệp.

Nhóm nghiên cứu sử dụng phương pháp tẩm để tổng hợp chất xúc tác nano vàng mang trên ceria nanorod với hàm lượng vàng khác nhau (0,1 - 0,3% khối lượng), đã xác định các tính chất lý hóa bằng các phương pháp hiện đại. Hoạt tính xúc tác được khảo sát bằng cách thực hiện phản ứng hydro hóa p-nitrophenol trong pha lỏng ở điều kiện thường, từ đó chọn ra mẫu xúc tác với điều kiện phản ứng phù hợp.

Hiệu quả xúc tác cao hơn

Nhóm nghiên cứu đã tổng hợp thành công xúc tác nano vàng (AuNPs) bằng dịch chiết vỏ bưởi làm tác nhân khử ổn định trên chất mang ceria nanorods kết hợp phương pháp tẩm cho phản ứng khử p-nitrophenol trong pha lỏng ở điều kiện phòng thí nghiệm. Tâm hoạt động AuNPs sau khi tổng hợp có dạng hình cầu với kích thước khoảng 5 - 8nm.

Xúc tác 0,2Au-Ce cho thấy tính chất lý hóa vượt trội với đường kính lỗ xốp nhỏ, diện tích bề mặt lớn và hiệu quả xúc tác cao hơn so với các hàm lượng còn lại. Nồng độ xúc tác phù hợp cho mỗi lần phản ứng là 0,7 g/L; tỉ lệ mol giữa p-nitrophenol và NaBH4 là 1/200; độ chuyển hóa đạt 100% trong 30 phút. Hơn thế nữa, quá trình chuyển hóa p-NP sau 5 lần tái sử dụng cho hiệu quả cao và ổn định trong thời gian ngắn.

Thành phần vỏ bưởi chủ yếu có cellulose, pectin và một số loại hợp chất hữu cơ khác. Trong cấu trúc của cellulose và pectin chứa các nhóm chức -OH và -COOH có khả năng tương tác tốt với kim loại theo cơ chế tĩnh điện hoặc tạo phức. Ngoài ra, vỏ bưởi xốp nên các ion kim loại nặng cũng có thể bị lưu giữ bên trong.

Vỏ bưởi được nhóm nghiên cứu xử lý ở điều kiện thường để loại bớt tinh dầu và một số chất hữu cơ gây hư hại khi tiếp xúc với nước, sau đó sấy khô và sử dụng. So với một số vật liệu hấp phụ được nghiên cứu (như trấu, vỏ chuối), vỏ bưởi có khả năng hấp phụ chì, cadimi và niken tốt hơn, lần lượt 47,18mg/g, 13,35mg/g và 9,67mg/g. Trong đó, chì được vật liệu này hấp phụ nhiều nhất do có sự tương tác với các chất trong vỏ bưởi tốt hơn cadimi và niken.

Quy trình tổng hợp xúc tác nano vàng mang trên ceria nanorod bằng phương pháp hóa học xanh, an toàn, ít tốn kém, đơn giản, dễ thực hiện và tận dụng nguồn nguyên liệu sẵn có ở nước ta là vỏ trái bưởi.

Sản phẩm của đề tài là một vật liệu thế hệ mới đáp ứng được những tiêu chí “hóa học xanh”, có khả năng chuyển hóa các chất hữu cơ ô nhiễm khó phân hủy trong nước thành các chất có ích, có tiềm năng ứng dụng trong lĩnh vực xử lý các chất thải hữu cơ khó phân hủy tồn tại trong nước ở các nhà máy, khu công nghiệp.

Từ đó chứng minh việc chế tạo xúc tác nano vàng với hàm lượng thấp sử dụng dịch chiết vỏ bưởi làm tác nhân khử vừa giúp xử lý được p-NP, vừa tận dụng được nguồn phế phẩm nông nghiệp, làm tăng giá trị của vỏ quả bưởi.

Vật liệu có bề mặt lớn trong khi diện tích nhỏ, đường kính lỗ xốp nhỏ cho hiệu quả xúc tác rất cao, phù hợp để xử lý nước thải giàu hữu cơ ở các làng nghề sản xuất thực phẩm, bún, bánh kẹo, ao hồ, kênh rạch… Điểm mạnh của sản phẩm là không tạo ra chất thải độc hại cho môi trường, lại tận dụng được phế phẩm vỏ bưởi nên có nhiều tiềm năng ứng dụng rộng rãi để xử lý các khu vực nước ô nhiễm.