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 ng[r]
Trang 1TRIỂN 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
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
Trang 2kim 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
TỪ-THAN SINH HỌC
Than sinh học được tạo ra bằng quá trình
carbon hóa 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 3 O 4 – than sinh học [24]
Trang 3Hình 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 Ion kim loại bị
hấp phụ Dung lượng hấp phụ q e (mg/g)
TLTK
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
Hạt nano γ – Fe2O3 than sinh học As
Hạt nano Fe3O4-than sinh học từ xương
lạc đà
Pb2+
Cd2+
Co2+
344,8 322,6 294,1
[31]
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)
Fe2++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) và Fe(OH) được hình thành bằng
- 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
Trang 4trưng 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
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 hấp phụ Chất màu hữu cơ bị hấp phụ Dung lượng hấp phụ q e
(mg/g)
TLTK
Hạt nano Fe3O4 – than sinh học từ cây
Hạt nano Fe3O4 – than sinh học từ lá vả 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] Hạt nano Fe3O4 – than sinh học từ cây
dương xỉ
Hạt nano Fe3O4 – than sinh học từ lá vả Xanh methylene 61,72 [18]
Trang 5Hình 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:
Trang 64 D Maity, D.C Agrawal, Synthesis of iron
oxide nanoparticles under oxidizing environment
and their stabilization in aqueous and non-aqueous
media, J Magn Magn Mater 308 (2007) 46–55
doi:10.1016/j.jmmm.2006.05.001
5 I.Y Goon, C Zhang, M Lim, J.J Gooding, R
Amal, Controlled fabrication of
polyethylenimine-functionalized magnetic nanoparticles for the
sequestration and quantification of free Cu 2+,
Langmuir 26 (2010) 12247–12252
doi:10.1021/la101196r
6 C.-M Chou, H.-L Lien, Dendrimer-conjugated
magnetic nanoparticles for removal of zinc (II) from
aqueous solutions, J Nanoparticle Res 13 (2011)
2099–2107 doi:10.1007/s11051-010-9967-5
7 A.Z.M Badruddoza, A.S.H Tay, P.Y Tan, K
Hidajat, M.S Uddin,
Carboxymethyl-??-cyclodextrin conjugated magnetic nanoparticles as
nano-adsorbents for removal of copper ions:
Synthesis and adsorption studies, J Hazard
doi:10.1016/j.jhazmat.2010.10.029
8 J Wang, S Zheng, Y Shao, J Liu, Z Xu, D
Zhu, Amino-functionalized
Fe3O4@SiO2core-shell magnetic nanomaterial as a novel adsorbent
for aqueous heavy metals removal, J Colloid
Interface Sci 349 (2010) 293–299
doi:10.1016/j.jcis.2010.05.010
9 S Singh, K.C Barick, D Bahadur, Surface
engineered magnetic nanoparticles for removal of
toxic metal ions and bacterial pathogens, J
Hazard Mater 192 (2011) 1539–1547
doi:10.1016/j.jhazmat.2011.06.074
10 B An, Q Liang, D Zhao, Removal of
arsenic(V) from spent ion exchange brine using a
new class of starch-bridged magnetite
nanoparticles, Water Res 45 (2011) 1961–1972
doi:10.1016/j.watres.2011.01.004
11 R Chen, C Zhi, H Yang, Y Bando, Z
Zhang, N Sugiur, D Golberg, Arsenic (V)
study of starch-stabilized magnetite nanoparticles and surface speciation of arsenate, Environ Pollut
doi:10.1016/j.envpol.2011.08.017
15 W Yantasee, C.L Warner, T Sangvanich, R.S Addleman, T.G Carter, R.J Wiacek, G.E Fryxell, C Timchalk, M.G Warner, Removal of heavy metals from aqueous systems with thiol functionalized superparamagnetic nanoparticles, Environ Sci Technol 41 (2007) 5114–5119 doi:10.1021/es0705238
16 W Yang, A.T Kan, W Chen, M.B Tomson, PH-dependent effect of zinc on arsenic adsorption
to magnetite nanoparticles, Water Res 44 (2010) 5693–5701 doi:10.1016/j.watres.2010.06.023
17 Y Wu, J Zhang, Y Tong, X Xu, Chromium (VI) reduction in aqueous solutions by Fe3O4-stabilized Fe0nanoparticles, J Hazard Mater 172
doi:10.1016/j.jhazmat.2009.08.045
18 N Alizadeh, S Shariati, N Besharati, Adsorption of Crystal Violet and Methylene Blue
on Azolla and Fig Leaves Modified with Magnetite Iron Oxide Nanoparticles, Int J Environ Res 11 (2017) 197–206 doi:10.1007/s41742-017-0019-1
19 P Sun, C Hui, R.A Khan, X Guo, S Yang,
Y Zhao, Mechanistic links between magnetic nanoparticles and recovery potential and enhanced capacity for crystal violet of nanoparticles-coated kaolin, J Clean Prod 164 (2017) 695–702 doi:10.1016/j.jclepro.2017.07.004
20 P Sun, C Hui, R Azim Khan, J Du, Q Zhang, Y.-H Zhao, Efficient removal of crystal violet using Fe3O4-coated biochar: the role of the Fe3O4 nanoparticles and modeling study their adsorption behavior, Sci Rep 5 (2015) 12638 doi:10.1038/srep12638
21 Z.H Ruan, J.H Wu, J.F Huang, Z.T Lin,
Trang 7Y.F Li, Y.L Liu, P.Y Cao, Y.P Fang, J Xie,
G.B Jiang, Facile preparation of rosin-based
biochar coated bentonite for supporting
α-Fe2O3nanoparticles and its application for Cr(vi)
adsorption, J Mater Chem A 3 (2015) 4595–
4603 doi:10.1039/c4ta06491g
22 H Wang, Y Liu, M Li, H Huang, H.M Xu,
R.J Hong, H Shen, Multifunctional
TiO2nanowires-modified nanoparticles bilayer
film for 3D dye-sensitized solar cells,
Optoelectron Adv Mater Rapid Commun 4
(2010) 1166–1169 doi:10.1039/b000000x
23 J Ifthikar, T Wang, A Khan, A Jawad, T
Sun, X Jiao, Z Chen, J Wang, Q Wang, H
Wang, A Jawad, Highly Efficient Lead
Distribution by Magnetic Sewage Sludge Biochar:
Sorption Mechanisms and Bench Applications,
Bioresour Technol 238 (2017) 399–406
doi:10.1016/j.biortech.2017.03.133
24 Y Han, X Cao, X Ouyang, S.P Sohi, J Chen
(2016), Adsorption kinetics of magnetic biochar
derived from peanut hull on removal of Cr (VI)
from aqueous solution: Effects of production
conditions and particle size, Chemosphere 145
336–341 doi:10.1016/j.chemosphere.2015.11.050
25 M.J Ahmed, Potential of Arundo donax L
stems as renewable precursors for activated
carbons and utilization for wastewater treatments:
Review, J Taiwan Inst Chem Eng 63 (2016)
336–343 doi:10.1016/j.jtice.2016.03.030
26 S.Y Wang, Y.K Tang, K Li, Y.Y Mo, H.F
Li, Z.Q Gu, Combined performance of biochar
sorption and magnetic separation processes for
treatment of chromium-contained electroplating
wastewater, Bioresour Technol 174 (2014) 67–
73 doi:10.1016/j.biortech.2014.10.007
27 S Rajput, C.U Pittman, D Mohan, Magnetic
magnetite (Fe3O4) nanoparticle synthesis and
applications for lead (Pb2+) and chromium (Cr6+)
removal from water, J Colloid Interface Sci 468
(2016) 334–346 doi:10.1016/j.jcis.2015.12.008
28 P Yuan, M Fan, D Yang, H He, D Liu, A
Yuan, J.X Zhu, T.H Chen,
Montmorillonite-supported magnetite nanoparticles for the removal
of hexavalent chromium [Cr(VI)] from aqueous solutions, J Hazard Mater 166 (2009) 821–829 doi:10.1016/j.jhazmat.2008.11.083
29 X Duan, C Zhang, C Srinivasakannan, X Wang, Waste walnut shell valorization to iron loaded biochar and its application to arsenic removal, Resour Technol 3 (2017) 29–36 doi:10.1016/j.reffit.2017.01.001
30 M Zhang, B Gao, S Varnoosfaderani, A Hebard, Y Yao, M Inyang, Preparation and characterization of a novel magnetic biochar for arsenic removal, Bioresour Technol 130 (2013) 457–462 doi:10.1016/j.biortech.2012.11.132
31 A.A Alqadami, M.A Khan, M Otero, M.R Siddiqui, B.H Jeon, K.M Batoo, A magnetic nanocomposite produced from camel bones for an efficient adsorption of toxic metals from water, J Clean Prod 178 (2018) 293–304 doi:10.1016/j.jclepro.2018.01.023
32 Z Tan, Y Wang, C Huang, P Ai, Cadmium removal potential by rice straw-derived magnetic biochar, 2 (2016) doi:10.1007/s10098-016-1264-2
33 K.P Singh, S Gupta, A.K Singh, S Sinha, Optimizing adsorption of crystal violet dye from water by magnetic nanocomposite using response surface modeling approach, J Hazard Mater 186
doi:10.1016/j.jhazmat.2010.12.032
34 T Madrakian, A Afkhami, M Ahmadi, Adsorption and kinetic studies of seven different organic dyes onto magnetite nanoparticles loaded tea waste and removal of them from wastewater samples, Spectrochim Acta - Part A Mol Biomol Spectrosc 99 (2012) 102–109 doi:10.1016/j.saa.2012.09.025
35 X Tan, Y Liu, G Zeng, X Wang, X Hu, Y
Gu, Z Yang, Application of biochar for the removal of pollutants from aqueous solutions, Chemosphere 125 (2015) 70–85 doi:10.1016/j.chemosphere.2014.12.058
Trang 8
mechanism and process of adsorption of heavy metal ions, dyes are also discussed
Keywords: iron oxide, biochar, nanotechnology, heavy metal ions, dyes
Ngày nhận bài: 14/11/2018; Ngày hoàn thiện: 27/11/2018; Ngày duyệt đăng: 15/12/2018
*
Email: luyennt@tnus.edu.vn