Hydrothermal preparation of Ag/Fe3O4/Cellulose nanocrystals nanocomposite and its application in methylene blue removal | VNUHCM Journal of Advanced Research in Natural Sciences

Một trong số những hệ lụy từ việc gia tăng dân số cùng các hoạt động công nghiệp của con người đó chính là vấn nạn ô nhiễm môi trường, nhất là ô nhiễm môi trường nước. Nguồn nước bị ô nhiễm xuất phát từ nhiều nguyên nhân khác nhau. Một trong số nguyên nhân chính là lượng chất thải phẩm nhuộm và chất màu hữu cơ bắt nguồn từ các ngành công nghiệp in ấn, dệt, sơn, thực phẩm và mỹ phẩm 1 , 2 . Ước tính hàng năm, một lượng lớn xấp xỉ 50.000 tấn của hơn 10.000 loại thuốc nhuộm tổng hợp được thải ra môi trường, hòa lẫn vào trong các hồ chứa nước ngọt 3 , 4 . Điều đáng báo động là trong số các phẩm nhuộm này, phẩm nhuộm azo chiếm khoảng 50%. Đây là loại phẩm nhuộm gây ra rất nhiều loại bệnh nguy hiểm cho con người. Thí dụ khi tiếp xúc, phơi nhiễm với methylene blue (MB), một loại phẩm nhuộm azo gốc cation, sẽ bị bỏng mắt, khó thở, buồn nôn, ói mửa, đổ mồ hôi trộm, rối loạn tâm thần cùng các bệnh lý về thần kinh khác 5 . Không những gây hại cho con người, thuốc nhuộm cation còn gây nguy hiểm cho môi trường sống của các loài thủy sản và nhiều chủng loại thủy sinh khác. Do đó, việc xử lý và loại bỏ các hóa chất độc hại này là vô cùng cần thiết, cần có những giải pháp hiệu quả và nhanh chóng 3 , 6 .

Trong vài thập kỷ qua, một số phương pháp vật lý, hóa học và sinh học đã được phát triển để loại bỏ thuốc nhuộm được thải ra môi trường nước, như phương pháp hấp phụ 7 , phân hủy sinh học 8 , keo tụ 9 , 10 , thẩm thấu ngược 11 , quá trình oxy hóa do nhiệt trong điều kiện không khí ẩm 12 và siêu lọc 13 . Tuy nhiên, các phương pháp trên vẫn còn tồn tại một số hạn chế, như quá trình phân hủy sinh học không phù hợp để xử lý hóa chất công nghiệp do sẽ gây ngộ độc nguồn sinh khối. Quá trình oxy hóa do nhiệt trong điều kiện không khí ẩm, khi xảy ra ở nhu cầu oxy hóa học > 100 g/L sẽ sinh ra các sản phẩm phụ độc hại có nồng độ cao như dioxin và furan 14 . Phương pháp hóa lý (như hấp phụ, keo tụ và thẩm thấu ngược) thường đòi hỏi thêm các quy trình xử lý tiếp theo để ngăn ngừa các nguồn ô nhiễm thứ cấp phát sinh. Quan trọng hơn, giá thành của các thiết bị màng lọc có hiệu năng tốt khá cao, một số công nghệ chế tạo phức tạp và không thân thiện với môi trường nên do đó không phù hợp để ứng dụng trên quy mô công nghiệp. Ngoài ra, một số chất hấp phụ chỉ có thể hấp phụ chọn lọc một số thuốc nhuộm cụ thể 15 . Gần đây, các kim loại quý cho hiệu quả cao trong lĩnh vực xúc tác được sử dụng rộng rãi trong các phản ứng phân hủy các loại phẩm nhuộm độc hại trong nước. Trong số này, hạt nano Ag (Ag NPs) với các đặc tính độc đáo như chi phí sản xuất thấp, cấu trúc chặt chẽ với các mặt tinh thể khác nhau và tỷ lệ giữa bề mặt và thể tích lớn được sử dụng rộng rãi làm chất xúc tác cho các ứng dụng công nghiệp. Tuy nhiên, do bản chất không bền về mặt nhiệt động học nên Ag NPs có xu hướng tái tụ tập lại, dẫn đến việc phục hồi khó khăn làm giảm khả năng tái sử dụng trong các ứng dụng xử lý nước thải có quy mô lớn. Do đó, việc sử dụng giá mang tốt sẽ hỗ trợ cho Ag NPs khắc phục các vấn đề này, hơn nữa còn hiệu quả về mặt kinh tế 16 , 17 , 18 . Tuy nhiên, việc cố định trực tiếp Ag NPs trên các vật liệu hoạt tính khác như Fe 3 O 4 ngoài việc thu được cấu trúc lý tưởng để sử dụng làm chất xúc tác còn có nhược điểm là làm phát sinh lực đẩy giữa hai hợp phần trên, khiến chúng trở nên kém ổn định. Để giải quyết trường hợp này, một giá mang hữu cơ được đưa thêm vào không những hạn chế được tương tác đẩy mà còn tạo hiệu ứng đồng vận tốt trong cấu trúc lai hóa giúp cho hoạt tính xúc tác hiệu quả 19 , 20 , 21 , 22 .

Trong những năm gần đây, sinh khối đang thu hút được rất nhiều sự quan tâm trong việc sử dụng làm giá mang cho các xúc tác cấu trúc nano dựa trên cấu trúc xốp và số lượng lớn các tâm hoạt tính để cố định các hạt nano kim loại 23 , 24 , 25 , 26 . Đặc biệt, cellulose là sinh khối dồi dào nhất đang được nghiên cứu nhiều để ổn định các hạt xúc tác kim loại 27 , 28 , 29 , 30 , 31 . Li và các cộng sự 27 đã chức năng hóa polydopamine các vi hạt cellulose acetate xốp để làm giá mang tổng hợp các hạt nano Ag-Fe 3 O 4 . Xúc tác nano với hợp kim của Fe-Cu được cố định trên cellulose vi tinh thể đã được tổng hợp. Vật liệu được sử dụng kết hợp với NaBH 4 trong phản ứng khử các dẫn xuất của nitroaren thành arylamine trong nước. Phản ứng xảy ra nhanh trong vòng 5 - 14 phút và có hiệu suất tốt 32 . Hơn nữa, cellulose có thể được chuyển đổi trực tiếp thành các dạng thù hình khác khi sử dụng hỗn hợp thân thiện môi trường là NaOH/Urea 33 , 34 , 35 và có thể, thông qua phản ứng thủy phân bằng acid, loại bỏ các vùng vô định hình trong cấu trúc để thu được nano tinh thể cellulose (CNC) có tính năng cơ lý cao.

Trong nghiên cứu này, nanocomposite Ag/Fe 3 O 4 /CNC được tổng hợp bằng phương pháp thủy nhiệt đơn giản và thân thiện với môi trường. Cấu trúc pha, hình thái, tính chất từ và sự ổn định nhiệt của vật liệu nanocomposite Ag/Fe 3 O 4 /CNC được khảo sát. Ngoài ra, CNC, tổng hợp bằng phản ứng thủy phân acid cellulose, được cô lập từ nguồn phụ phẩm xơ dừa. Đây là một trong những hướng tiếp cận nhằm tận dụng các nguồn phụ phẩm nông nghiệp, vốn rất dồi dào tại Việt Nam, để tạo ra các vật liệu có giá trị kinh tế. Kết quả cho thấy nanocomposite Ag/Fe 3 O 4 /CNC được tổng hợp có khả năng hấp phụ tốt thuốc nhuộm methylene blue. Ngoài ra khi có sự hiện diện của NaBH 4 , vật liệu có khả năng phân hủy methylene blue nhanh, hiệu suất đạt được khoảng gần 90% chỉ trong khoảng 2 phút. Nanocomposite Ag/Fe 3 O 4 /CNC hứa hẹn tiềm năng ứng dụng rất lớn trong lãnh vực xử lý nước thải phẩm nhuộm.