Ô nhiễm môi trường nước đang là thách thức lớn đối với nước ta trong những năm gần đây, đặc biệt là tại các khu công nghiệp và đô thị. Ở khu vực nông thôn, tình trạng ô nhiễm nguồn nước cũng không ngừng gia tăng. Việc lạm dụng hóa chất bảo vệ thực vật, phân bón trong sản xuất nông nghiệp, nước thải nuôi trồng thủy sản (NTTS), nước thải chăn nuôi làm cho các nguồn nước sông, hồ, kênh, mương bị ô nhiễm nghiêm trọng, ảnh hưởng trực tiếp đến môi trường, vẻ đẹp mỹ quan và sức khỏe của con người.

Hiện nay, nhiều mô hình đã được áp dụng để xử lý nước thải NTTS như sử dụng như phương pháp sinh học; phương pháp oxy hóa nâng cao; phương pháp nuôi trồng kết hợp thực vật thủy sinh; sử dụng mô hình đất ngập nước kiến tạo chảy ngang, hoặc chảy đứng. Các phương pháp này đã phát huy được tác dụng, làm giảm thiểu đáng kể tình trạng ô nhiễm nguồn nước do hoạt động NTTS gây ra. Mỗi phương pháp xử lý đều có những ưu và nhược điểm riêng, nhưng nhìn chung, chưa thể đáp ứng được yêu cầu.

Hấp phụ là một trong những phương pháp xử lý nước thải hiệu quả, chi phí vận hành thấp, thân thiện với môi trường. Chất hấp phụ rất phong phú, đa dạng như: vật liệu tổng hợp; biến tính từ khoáng sét tự nhiên; tận dụng phế, phụ phẩm trong nông nghiệp.

Với hệ thống lỗ xốp phát triển, chứa nhiều nhóm chức trên bề mặt nên than bùn có khả năng hấp phụ cao, có thể sử dụng để xử lý các chất ô nhiễm trong môi trường nước. Nếu được hoạt hóa và xử lý trong điều kiện thích hợp thì độ xốp, hệ thống mao quản, hoạt tính bề mặt, diện tích bề mặt riêng sẽ tăng lên rất nhiều. Khả năng xử lý chất ô nhiễm sẽ tăng lên, nhất là các chất hữu cơ, dinh dưỡng trong nước thải nuôi trồng thủy sản.

Xuất phát từ những lý do trên, Cơ quan chủ trì Trường Đại học Đồng Tháp cùng phối hợp với Chủ nhiệm đề tài PGS.TS. Hồ Sỹ Thắng cùng thực hiện “Nghiên cứu chế tạo vật liệu hấp phụ từ than bùn để xử lý nước thải ao nuôi cá tra”. Với mục tiêu: Chế tạo được vật liệu hấp phụ từ than bùn và đánh giá khả năng loại bỏ một số chất gây ô nhiễm trong nước thải ao nuôi cá tra.

Thời gian gần đây, vật liệu hấp phụ, xúc tác thu hút được rất nhiều sự quan tâm, nghiên cứu của các nhà khoa học bởi những ứng dụng trong hóa dầu, tổng hợp hữu cơ, xử lý môi trường,... Các dòng vật liệu có thể kể đến như họ MCM (MCM-41, MCM48, MCM-50); họ SBA (SBA-1, SBA-15, SBA-16); vật liệu khung hữu cơ; vật liệu có nguồn gốc từ khoáng sét như zeolite, diatomite, bentonite, đá ong, vật liệu có nguồn gốc từ phế, phụ phẩm nông nghiệp.

Vật liệu mao quản trung bình (MQTB) MCM-41: Thành (hay tường mao quản) của vật liệu này được cấu tạo từ dioxide silic vô định hình nhưng hệ thống MQTB sắp xếp trật tự theo kiểu lục lăng, diện tích bề mặt riêng cao. Tính chất này làm cho vật liệu MCM-41 trở thành chất mang rất quan trọng đối với các quá trình hấp phụ, xúc tác dị thể. Hơn thế nữa, do MCM-41 có hệ thống MQTB nên dễ dàng cho phép các phân tử lớn đi vào mao quản, khắc phục được sự cản trở do khuếch tán mà vật liệu zeolite thường gặp. Đây là vấn đề giới hạn đối với vật liệu mao quản nhỏ như là zeolite hoặc các hệ vật liệu rây phân tử khác. Tuy nhiên, bản chất một chiều của hệ mao quản cũng như độ dài tương đối lớn của ống MQTB (thường hàng trăm nanomet) có thể giới hạn về sự di chuyển các tác nhân phản ứng. Điểm hạn chế lớn nhất của họ vật liệu MCM là thành mao quản chỉ bao gồm dioxide silic nên hoạt tính bề mặt và khả năng ứng dụng không cao, vì thế, người ta thường biến tính bề mặt bằng các kim loại chuyển tiếp hoặc các nhóm chức hữu cơ.

Vật liệu MQTB SBA-15: Năm 1998, các nhà khoa học đã công bố một loại vật liệu mới, ký hiệu là SBA-15 (Santa Barbara Acid). Cấu trúc silica trật tự lục lăng với các mao quản đồng nhất (lên đến 300 Å) được điều chế bằng cách dùng template không ion làm tác nhân định hướng cấu trúc (ĐHCT) trong môi trường acid. SBA-15 có cấu trúc MQTB trật tự hai chiều với tường silica đồng nhất. Vật liệu này có diện tích bề mặt từ 600 đến 1000 m2 /g. Ưu điểm của SBA-15 là thành mao quản dày, bền nhiệt, diện tích bề mặt riêng lớn, thích hợp làm chất mang xúc tác, hấp phụ cho rất nhiều phản ứng hoặc xử lý các chất ô nhiễm trong môi trường.

Vật liệu MQTB SBA-16 là loại vật liệu silica với bộ khung MQTB sắp xếp trong không gian có dạng lập phương tâm khối. Cũng giống như SBA-15, vật liệu này được tổng hợp trong môi trường acid dùng chất ĐHCT Pluronic không ion. Nguồn silic thường dùng là TEOS, TMOS hoặc thủy tinh lỏng, chất ĐHCT là F127 hoặc phối trộn 2 chất ĐHCT là F127 và P123 trong môi trường acid HCl, có mặt butanol hoặc etanol làm chất đồng mixen [40]. Pha MQTB có kích thước tương đối lớn, đồng đều, cấu trúc không gian 3 chiều, kiểu Im3m, diện tích bề mặt riêng lớn, bền nhiệt, làm chất nền xúc tác phù hợp đối với các phân tử lớn, cồng kềnh. Trong vật liệu SBA-16, mỗi mao quản dạng cầu được nối với 8 mao quản dạng cầu lân cận khác.

Diatomite là loại khoáng tự nhiên có cấu trúc mao quản với thành phần chủ yếu là oxide silic và nhiều tạp chất khác. Trong đó, các dạng khoáng sắt tồn tại như là tạp chất chính. Tùy theo mỗi vùng, các loại diatomite có cấu trúc và thành phần khác nhau. Diatomite được sử dụng rộng rãi làm chất cách âm và cách nhiệt. Ngoài ra, diatomite cũng được thử nghiệm như là những chất mang lý tưởng trong các phản ứng hydro hoá, phản ứng oxy hoá, hấp phụ, xúc tác. Ở nước ta, tỉnh Phú Yên có trữ lượng lớn diatomite, đây là nguồn khoáng sét rất quý giá để chế tạo vật liệu hấp phụ, xúc tác. Hiện nay, rất nhiều nhóm nghiên cứu biến tính diatomite bằng các kim loại chuyển tiếp để hấp phụ các ion kim loại nặng trong môi trường nước.

Sau thời gian nghiên cứu, đề tài đã thu được những kết quả như sau:

Đã xác định được điều kiện thích hợp hay quy trình chế tạo vật liệu hấp phụ từ than bùn có khả năng hấp phụ tốt các chất hữu cơ, chất dinh dưỡng trong nước thải. Đó là hoạt hóa than bùn trong acid H2SO4 nồng độ 2,0 M, sấy mẫu ở nhiệt độ 150 độ C.

Đặc trưng tính chất vật liệu bằng các phương pháp hiện đại như phân tích nhiệt, EDX, XRD, SEM, BET và FT - IR. Vật liệu có độ xốp và diện tích bề mặt tương đối cao (Sr = 124,97 m 2/g), hệ thống mao quản phần nào đã được khơi thông và sắp xếp trật tự. Trên bề mặt vật liệu chứa nhiều loại nhóm chức có khả năng hấp phụ cao trong vật liệu như carboxylic, phenol và các nhóm chức khác.

Thực hiện quá trình hấp phụ NH4NO3, kết quả cho thấy, thời gian hấp phụ đạt cân bằng là 120 phút. Dung lượng hấp phụ cân bằng 25 qe = 58,42 mg/g. Động học hấp phụ tuân theo phương trình biểu kiến bậc 2 loại 2, hằng số tốc độ hấp phụ k2.2 = 1,006.10-3 (g.mg-1.phút-1), đẳng nhiệt hấp phụ tuân theo phương trình Freundlich với hệ số tương quan cao, R 2 = 0,9985, hằng số kinh nghiệm KF = 1,0678.

Phân tích nồng độ NH4NO3 và các chỉ tiêu chất lượng nước thải trước và sau hấp phụ để đánh giá khả năng xử lý của vật liệu như: pH, DO, BOD5, COD, TSS, TDS, tổng phosphor, NH4 +, NO3 -, tổng nitơ theo các TCVN hiện hành, so sánh với quy chuẩn QCVN 40:2011/BTNMT.

Thực hiện quá trình hấp phụ các chất ô nhiễm trong nước thải ao nuôi cá tra theo mẻ. Xác định được một số điều kiện hấp phụ xử lý các chất gây ô nhiễm như: thời gian hấp phụ đạt cân bằng là 150 phút; Lượng chất hấp phụ sử dụng là 2,0 gam để xử lý 1,0 lít nước thải ao nuôi cá tra đạt yêu cầu cột A trong QCVN 40:2011/BTNMT.

Có thể tìm đọc báo cáo kết quả nghiên cứu (mã số 17248/2019) tại Cục Thông tin khoa học và công nghệ quốc gia.

Đ.T.V (NASATI)