1.  TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU THUỘC LĨNH VỰC CỦA ĐỀ TÀI Ở TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC 

1.1. Ngoài nước

    Vật liệu hấp phụ oxit kích thước nanomet được sử dụng làm chất hấp phụ xử lý ô nhiễm môi trường vì đây là vật liệu dễ điều chế, không đắt tiền, thân thiện với môi trường [1-8]. Chính vì vậy, nghiên cứu chế tạo và nghiên cứu khả năng hấp phụ của vật liệu hấp phụ oxit kích thước nanomet đang được phát triển mạnh trên thế giới. Trên thế giới đã có nhiều tác giả chế tạo được vật liệu oxit nano MnO₂, Fe₂O₃ bằng các phương pháp sol-gel, đốt cháy tổng hợp, phản ứng oxi hóa khử...và đã nghiên cứu khả năng hấp phụ của chúng với các ion kim loại nặng, các chất phẩm nhuộm mang màu.  Tác giả Al-Sagheer và cộng sự [1] đã tổng hợp được vật liệu oxit nano δ-MnO₂ bằng phương pháp sol-gel, có diện tích bề mặt riêng là  27-28 m²/g.  Lei Juin và cộng sự [2] đã chế tạo được γ-MnO₂ bằng phương pháp đồng kết tủa, có diện tích bề mặt riêng là 18 m²/g và đã nghiên cứu khả  năng hấp phụ của vật liệu này với toluen. Lijing Dong và cộng sự [4] đã nghiên cứu khả năng hấp phụ của nhựa MnO₂ làm giảm hàm lượng Cd²⁺, Pb²⁺ trong môi trường nước. Xác định được dung lượng hấp phụ cực đại của vật liệu này với Pb²⁺ là 80,64 mg/g, của Cd²⁺ là 21,45mg/g. Donglin Zhao và cộng sự [5] cũng tiến hành nghiên cứu khả năng hấp phụ của vật liệu β-MnO₂ với Pb²⁺, xác định dung lượng hấp phụ cực đại ở 20⁰C là 13,57mg/g....Tác giả Wenshu Tang và cộng sự [7] đã chế tạo thành công vật liệu Fe₂O₃ kích thước cỡ 5 nm, diện tích bề mặt riêng là 162m²/g. Đã nghiên cứu khả năng hấp phụ của vật liệu này với As(III), As(V), kết quả cho thấy dung lượng hấp phụ cực đại là 95mg/g với As(III), 47mg/g với As(V). Tác giả Abbas Afkhami và cộng sự [8] cũng đã chế tạo được vật liệu Fe₂O₃ kích thước nanomet và nghiên cứu khả năng hấp phụ của vật liệu này với phẩm màu Congo đỏ và xác định được dung lượng hấp phụ cực đại là 208,33mg/g...

     [1]. F.A. Al-Sagheer, M.I.zaki. (2000), "Suface properties of solgel synthesized 
δ-MnO₂ as assessed by N₂ sortometry, electron microscopy, and X-ray photoelectron spectronscopy". A. Physicochemical and Engineering Aspects, 173, pp 193-204.

    [2]. Lei Juin, Chun hu Chen, Vincent Mark B. Crisotomo, Linping Xu, Young - Chan Son, Steven L. Suib (2009). "γ-MnO₂ octahedral molucular sieve: preparation, characterization, and catalytic activity in the atmospheric oxidation of toluene". Applied Catalysis A: Genenal, 355, pp 169-175.

    [3]. Zhengquan Li, Yue Ding, Yujie and Yi Xie.(2005), “Rational Growth of
α-MnO₂ Hierarchical Structures and β-MnO₂ Nanorods via a Homogeneous Catalytic Route”. Journal Crystal Growth & Design, Vol 5, No 5, pp 1953 - 1958.

     [4]. Lijing Dong, Zhiliang Zhu, Hongmei Ma, YanlingQiu, Jianfu Zhao. (2010) “Simultaneous adsorption of lead and cadmium on MnO₂ - loaded resin”. Journal of Environmental Sciences. Vol 22(2), pp 225-229.

    [5]. Donglin Zhao, Xin Yang, Changlun Chen, Xiangke Wang.(2010), “Effect of environmental conditions on Pb(II) adsorption - MnO₂”. Chemical Engineering Journal, pp 1-7.

     [6]. Sushree Swarupa Tripathy, Jean-Luc Bersillon, Krishna Gopal. (2006),  “Adsorption of Cd²⁺ on hydrous manganese dioxide from aqueous solutions”, Journal Desalination, Vol 194, pp 11-21.

     [7]. Wenshu Tang, Qi li, Shian Gao, Jian Ku Shang (2011). "Arsenic (III, V) removal from aqueous solution by ultrafine α- Fe₂O₃ nanoparticles synthesized from souvent thermal method" Journal of Hazardous Materials 192. pp 131-138.

     [8]. Abbas Afkhami, Razieh Moosavi (2010) "Adsorptive removal of Congo red, a carcinogenic textile dye, from aqueous solution by maghemite nanoparticles" Journal of Hazardous Materials 174 pp 398-403.

1.2. Trong nước

  Ở Việt Nam cũng đã có một số tác giả nghiên cứu về khả năng hấp phụ của các oxit kim loại như Tác giả Vũ Thị Hậu và cộng sự [10] đã nghiên cứu động học hấp phụ chất màu Reactive blue 19 (RB19) trên quặng mangan Cao Bằng với kích thước hạt < 45μm. Kết quả cho thấy quá trình hấp phụ tuân theo mô hình động học bậc hai, còn giải hấp phụ tuân theo mô hình động học bậc một, quá trình hấp phụ là một quá trình thu nhiệt. Tuy nhiên việc sử dụng quặng mangan có nhược điểm là độ tinh khiết không cao, kích thước hạt còn lớn. Tác giả Phạm Thị Hạnh và cộng sự [11] đã điện phân MnO₂ từ quăng tự nhiên pyroluzit kích thước từ 1-5μm. Đã nghiên cứu khả năng hấp phụ của MnO₂ với As(V) và As(III), xử lý nước có nồng độ asen 155ppb giảm xuống tiêu chuẩn cho phép của tổ chức y tế thế giới. Tác giả Lưu Minh Đại và cộng sự [9] cũng đã chế tạo thành công oxit nano β-MnO₂ bằng phương pháp đốt cháy gel, kích thước 24,65 nm, diện tích bề mặt riêng là 49,7 m²/g , đã nghiên cứu khả năng hấp phụ vật liệu này với các ion As, Fe³⁺, Mn²⁺. Kết quả đã xác định dung lượng hấp phụ cực đại với As (V) là 32,79mg/g, với As (III) là 36,32mg/g, Fe³⁺ là 107,64mg/g, Mn²⁺ là 101,37mg/g.... 

     [9]. Lưu Minh Đại,  Nguyễn Thị Tố Loan (2010). "Nghiên cứu chế tạo vật liệu nano β-MnO₂ hấp phụ asen, sắt và mangan". Tạp chí Khoa học và Công nghệ- Đại học học Thái Nguyên. Tập 80, số 4, Tr149-152.

     [10]. Vũ Thị Hậu, Vũ Ngọc Duy, Cao Thế Hà (2010). “Động học hấp phụ chất màu rective blue 19 (RB19) trên quặng mangan Cao Bằng”. Tạp chí Hóa học. Tập 48(4C). Tr 295-299.

      [11]. Phạm Thị Hạnh, Phạm Văn Tình, Đinh Khắc Tùng. (2010). "Điện phân MnO₂ từ quặng tự nhiên pyroluzit cho sử lý asen trong nước giếng khoan". Tạp chí Hóa học, tập 48, số 4C, tr 290-294.

2. TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI

Hiện nay, loại bỏ kim loại nặng, phẩm nhuộm trong nước là một vấn đề chính trong xử lý môi trường bởi vì tính độc hại của chúng ngay cả khi ở nồng độ thấp. Những chất ô nhiễm này, xuất hiện trong nước là do từ các quá trình sản xuất công nghiệp mà ra, ví dụ khai mỏ, tinh chế và sản suất vải dệt, sơn, thuốc nhuộm...Có rất nhiều cách khác nhau để loại bỏ kim loại khỏi nước như, trao đổi ion, thẩm thấu ngược và lọc nano, kết tủa hoặc hấp phụ...Trong đó hấp phụ là một trong những phương pháp có nhiều ưu điểm so với các phương pháp khác, vì các vật liệu sử dụng làm chất hấp phụ tương đối phong phú, dễ điều chế, không đắt tiền, thân thiện với môi trường. Chính vì vậy, đây là vấn đề đang và được nhiều nhà khoa học quan tâm, nghiên cứu. Do vậy việc tìm kiếm và nghiên cứu chế tạo vật liệu hấp phụ có khả năng xử lí các ion kim loại gây ô nhiễm nước là rất cần thiết. Ngày nay vật liệu hấp phụ kim loại oxit kích thước nanomet đã và đang thu hút được sự quan tâm của nhiều nhà khoa học vì khả năng hấp phụ vượt trội của nó so với các vật liệu tự nhiên. Trên thế giới đã có một số công trình nghiên cứu  sự hấp phụ kim loại nặng bởi các oxit kích thước nanomet như TiO₂, TiO₂-CeO₂, MnO₂, γ-Fe₂O₃, Fe₃O₄.... Kết quả công bố cho thấy, chúng là vật liệu xử lí kim loại nặng có hiệu quả cao. Ở Việt Nam nguồn nguyên liệu quặng mangan, quặng sắt sẵn có. Tuy nhiên, việc biến tính các nguyên liệu này thành vật liệu có kích thước nanomet để hấp phụ kim loại nặng còn rất ít được quan tâm, nghiên cứu. Tỉnh Thái Nguyên là một tỉnh có nhiều khu công nghiệp, lượng khoáng sản nhiều, vấn đề sau khi khai thác mỏ kim loại, xử lý môi trường nước ô nhiễm nhằm giảm thiểu mức độ ô nhiễm cho người dân sinh sống trong vùng khai thác vẫn còn chưa được quan tâm, nghiên cứu và đầu tư đúng mức. Nếu đề tài được triển khai sẽ tiến hành xử lý nước sinh hoạt, góp phần cải thiện môi trường nước sinh hoạt, tăng sức khỏe cho cộng đồng dân cư ở những khu vực bị ô nhiễm.

3.  MỤC TIÊU ĐỀ TÀI

- Chế tạo được một số loại vật liệu hấp phụ oxit kích thước nanomet có khả năng hấp phụ một số kim loại nặng.

     - Đánh giá khả năng hấp phụ một số kim loại nặng trên các vật liệu hấp phụ oxit nano chế tạo được.

   - Thử nghiệm khả năng ứng dụng các vật liệu hấp phụ tổng hợp được để xử lý một số ion kim loại nặng trong nguồn nước bị ô nhiễm

4. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 

    - Chế tạo vật liệu hấp phụ oxit MnO₂, oxit Fe₂O₃ kích thước nanomet.

      - Nghiên cứu đặc trưng cấu trúc, hình thái bề mặt, kích thước hạt, diện tích bề mặt riêng, đường kính lỗ xốp... của vật liệu hấp phụ oxit MnO_2­­, oxit Fe₂O₃ kích thước nanomet.

    - Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ các ion kim loại (Cr(IV), Fe³⁺, Cu²⁺, Ni²⁺, ... ) của các vật liệu chế tạo được bằng phương pháp hấp thụ tĩnh.

     - Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ các ion kim loại (Cr(IV), Fe³⁺, Cu²⁺, Ni²⁺, ... ) của các vật liệu chế tạo được bằng phương pháp hấp thụ động.

    - Nghiên cứu khả năng tái sử dụng các vật liệu hấp phụ.

    - Thăm dò khả năng xử lý một số ion kim loại nặng (Cr(IV), Fe³⁺,Cu²⁺, Ni²⁺, ... ) trong một số nguồn nước bị ô nhiễm của các vật liệu hấp phụ đã tổng hợp được.

Tải file Nghiên cứu khả năng hấp phụ một số ion kim loại năng của vật liệu oxit nano MnO2, Fe2O3 và thăm dò xử lý nguồn nước bị ô nhiễm tại đây

5. Phương pháp nghiên cứu

  - Chế tạo vật liệu hấp phụ oxit MnO₂ bằng phản ứng oxy hóa khử, oxit Fe₂O₃ theo phương pháp đồng kết tủa kích thước nanomet...

   - Nghiên cứu đặc trưng cấu trúc, hình thái bề mặt, kích thước hạt, diện tích bề mặt riêng, đường kính lỗ xốp... của vật liệu hấp phụ oxit MnO_2­­, oxit Fe₂O₃ kích thước nanomet bằng các phương pháp vật lý hiện đại như: Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD), hiển vị điện tử quét (SEM), hiển vi điện tử truyền qua (TEM), đo diện tích bề mặt riêng, đường kính lỗ xốp... (BET).

    - Nghiên cứu khả năng hấp phụ một số ion kim loại nặng bằng phương pháp phổ hấp thụ nguyên tử (AAS), phương pháp phổ hấp thụ phân tử (UV-Vis).

6. HIỆU QUẢ (giáo dục và đào tạo, kinh tế - xã hội)

     Nếu đề tài được triển khai sẽ tiến hành xử lý nước sinh hoạt, góp phần cải thiện môi trường nước sinh hoạt, tăng sức khỏe cho cộng đồng dân cư ở những khu vực bị ô nhiễm

       Trên cơ sở những kết quả đã nghiên cứu, đề xuất, nghiên cứu, chế tạo được thiết bị hấp phụ có khả năng xử lý môi trường nước bị ô nhiễm

      Làm tư liệu nghiên cứu, đánh giá sự ô nhiễm nguồn nước tại một số khu vực trên địa bàn tỉnh Thái Nguyên và các tỉnh lân cận.

Khoa Hóa học Trường Đại học Sư phạm - Đại học Thái Nguyên