Sáng chế vật liệu xử lý hiệu quả nước ô nhiễm kim loại nặng

Quy trình tổng hợp ZSM-5 từ nguồn nguyên liệu bentonite trong nước.

Tận dụng nguồn nguyên liệu bentonite dồi dào

ThS Nguyễn Ngọc An - Trung tâm Phát triển Khoa học và Công nghệ Trẻ (Thành đoàn TPHCM) và cộng sự vừa hoàn thành nhiệm vụ khoa học và công nghệ “Nghiên cứu tổng hợp vật liệu zeolite ZSM-5 từ nguồn nguyên liệu trong nước, ứng dụng hấp phụ Pb (II) trong dung dịch nước”.

ThS Nguyễn Ngọc An cho biết, trên thị trường đã có một số sản phẩm thương mại xử lý kim loại trong nước thải như kết tủa, hấp phụ, phương pháp trao đổi ion hay công nghệ sinh học…, song có giá thành còn cao, chưa chủ động được nguồn nguyên liệu trong nước.

Từ thực tế này, nhóm thực hiện nhiệm vụ đã tổng hợp thành công vật liệu zeolite ZSM-5 từ nguồn nguyên liệu đất sét bentonite tự nhiên trong nước có giá thành thấp, thân thiện với môi trường.

Bột đất sét Bentonite là một loại chất chống oxy hóa tự nhiên, có thành phần chính là khoáng montmorillonite (MMT), mà chủ yếu là nhôm silicat ngậm nước và thêm một số khoáng khác như saponite, notronite, beidellite.

Việt Nam là nước có nguồn bentonite phong phú, đa dạng trong đó có thành phần chính là MMT. Theo một số tài liệu địa chất, hiện nay ở nước ta đã phát hiện được hơn hai chục mỏ và điểm quặng sét bentonite, trữ lượng bentonite ở Việt Nam rất dồi dào.

Trong các mỏ và điểm mỏ bentonite đã phát hiện được ở nước ta thì mỏ Nha Mé – Bình Thuận có hàm lượng kiềm cao hơn cả. Các mỏ có triển vọng và quy mô lớn đều tập trung ở phía Nam Việt Nam (Lâm Đồng, Bình Thuận, TPHCM...).

Ở phía Bắc, bentonite tập trung chủ yếu ở vùng Đồng bằng Bắc Bộ, Thanh Hóa và chủ yếu thuộc nhóm smectit thấp. Mỏ bentonite Cổ Định (Thanh Hóa) nằm trong khu bãi thải của chân Núi Nưa…

Từ vật liệu này, nhóm nghiên cứu đã chế tạo thành sản phẩm có khả năng hấp phụ chì iodide Pb(II) trong dung dịch nước. Kết quả cho thấy, sự hấp phụ Pb(II) trên zeolite ZSM-5 chịu ảnh hưởng mạnh của pH dung dịch.

Quá trình hấp phụ đạt cân bằng sau 480 phút, nhiệt độ 307 K, nồng độ Pb(II) ban đầu = 104,61 mg/L, khối lượng vật liệu = 0,1 gam, pH = 5,5 với dung lượng hấp phụ = 33,62 mg/g.

Hấp phụ chì tốt hơn các vật liệu thương mại

Nguồn nước thải công nghiệp bị nhiễm nhiều kim loại nặng, độc hại như chì, cadimi, niken, crom, thủy ngân, asen… gây ra vấn đề nghiêm trọng đến sức khỏe con người. Chính vì vậy, các chất ô nhiễm nói chung và xử lý kim loại nặng trong nước thải nói riêng là một vấn đề cấp bách và thiết thực.

ThS Nguyễn Ngọc An cho biết, các tính chất đẳng nhiệt và động học của quá trình hấp phụ đã được nghiên cứu bởi các mô hình đẳng nhiệt và các mô hình động học (động học bậc 1, động học bậc 2, khuếch tán nội hạt). Kết quả cho thấy mô hình đẳng nhiệt Sips và mô hình động học khuếch tán nội hạt phù hợp nhất với dữ liệu thực nghiệm.

Kết quả nghiên cứu cung cấp một góc nhìn khác về sự hấp phụ Pb(II) trên ZSM-5 so với các nghiên cứu trước đây, quá trình hấp phụ thường phù hợp với mô hình đẳng nhiệt Langmuir và mô hình động học bậc 1 hoặc bậc 2.

Các kết quả phân tích đặc trưng của vật liệu trước và sau khi hấp phụ ion Pb(II) cho phép dự đoán cơ chế hấp phụ Pb(II) trên vật liệu zeolite ZSM-5 chủ yếu là cơ chế tương tác tĩnh điện và khuếch tán trong lỗ xốp kích thước micro. Vật liệu có khả năng hấp phụ Pb(II) tốt hơn so với một số zeolite

ZSM-5 thương mại và ZSM-5 tổng hợp từ đất sét tự nhiên, có tiềm năng ứng dụng trong lĩnh vực xử lý nước nhiễm ion Pb(II).

Trong những năm gần đây, ô nhiễm kim loại nặng là vấn đề được quan tâm toàn cầu, đặc biệt ở các nước đang phát triển do tác hại đối với sức khỏe và môi trường. Nếu con người sử dụng phải nguồn nước sinh hoạt có chứa kim loại nặng thì có thể mắc các bệnh về da như kích ứng da, viêm da, mẩn ngứa...

Đặc biệt, khi kim loại nặng trong nước vượt quá ngưỡng cho phép, chúng thâm nhập vào cơ thể sẽ làm rối loạn quá trình trao đổi chất, khả năng hấp thụ các chất dinh dưỡng và hoạt động bài tiết; kìm hãm quá trình sinh trưởng và phát triển.

Từ đó, con người dễ gặp phải các hiện tượng như rối loạn tiêu hóa, rối loạn tim mạch và các chức năng hệ thống thần kinh. Nguy hiểm hơn là những căn bệnh ung thư đáng sợ như cổ tử cung, vòm họng, dạ dày…

Thực tế này đòi hỏi công nghệ xử lý nước thải nhiễm kim loại nặng là cấp bách.

ThS Nguyễn Ngọc An chia sẻ, việc hoàn thiện nội dung dự án không chỉ giúp tiết kiệm chi phí nguyên vật liệu, mà còn đưa ra hướng giải quyết vấn đề ô nhiễm môi trường nước bởi kim loại nặng và xây dựng được quy trình tổng hợp vật liệu có giá trị thị trường.

Nhật Phong