Phốt pho là một nguyên tố cần thiết, ở dạng phốt phát nó là thành phần phổ biến có trong phân bón, được sử dụng nhằm tăng năng suất cây trồng. Trong các ngành công nghiệp, phốt phát có mặt trong 2 nhiều sản phẩm được ứng dụng rộng rãi như: chất tẩy rửa, chất khử cứng, kem đánh răng, bật lửa, công nghiệp dệt may, chất kìm hãm ăn mòn, phụ gia trong công nghiệp thực phẩm,... Việc lạm dụng sử dụng phân bón cũng như các sản phẩm chứa phốt phát khiến một lượng lớn phốt phát sẽ tích tụ trong đất hoặc bị rửa trôi ra sông, suối, ao, hồ và có mặt trong nước thải góp phần gây ô nhiễm phốt phát đáng kể.

Trong môi trường nước, khi lượng phốt phát quá dư sẽ gây nên hiện tượng phú dưỡng khiến các loài sinh vật thủy sinh như rong, bèo, tảo…phát triển ồ ạt, mạnh mẽ. Sự phát triển quá mạnh mẽ đó sẽ gây nên sự thay đổi hệ sinh thái và điều kiện môi trường. Với mật độ dày đặc, chúng ngăn cản ánh sáng đi sâu vào lòng nước. Khi chết đi, quá trình phân hủy xác của chúng cần một lượng oxi lớn, làm cạn kiệt oxi trong nước và làm tăng các chất ô nhiễm trong nước, do các sản phẩm phân hủy không hoàn toàn. Các xác chết cùng sản phẩm phân hủy tạo nên lớp bùn dày ở đáy hồ. Cứ như vậy, sau một thời gian, quá trình phân hủy hiếu khí chuyển thành phân hủy yếm khí tạo ra nhiều sản phẩm có tính khử, càng làm ô nhiễm môi trường nước, tạo ra các khí độc, các khí có mùi khó chịu. Hậu quả làm sinh vật sống trong nước bị chết, ở mức độ nhẹ hơn đối với các lưu vực có dòng chảy, hiện tượng phú dưỡng có thể làm nghẽn dòng chảy do sự phát triển của bèo, làm nông cạn các lưu vực do bùn tạo thành quá dày, trở thành môi trường sống của các vi sinh vật có hại. Để giảm mức độ phú dưỡng, nồng độ phốt phat cho phép tối đa trong nước thải đô thị nên giảm từ 1 đến 2 mg P/L xuống 0,1 mg P/L theo Quy định về chất lượng nước ở Châu Âu và cần giảm xuống dưới 0,025 mg P/L trong hầu hết các môi trường thủy sinh theo tiêu chuẩn chất lượng nước ở Úc và New Zealand.

Mặt khác, dân số thế giới ngày một tăng sẽ kéo theo nhu cầu lương thực và các sản phẩm có sử dụng phốt phát cũng ngày một tăng. Tuy nhiên, nguồn cung cấp phốt phát tự nhiên từ quặng chứa phốt phát là không thể tái tạo, không có nguyên liệu nào có thể thay thế vai trò của phốt pho trong sản xuất phân bón, nhiều tổ chức khác nhau cũng đã đưa ra những dự báo về đỉnh sản lượng phốt phát của thế giới và ước tính tài nguyên quặng phốt phát sẽ cạn kiệt vào cuối thế kỷ 21. Tốc độ suy giảm nguồn tài nguyên phốt phát do tiêu thụ quá nhiều, những lo ngại về xu hướng thất thoát phốt phát đang ngày càng tăng do chu kỳ chuyển hóa phốt phát là một trong những chu kỳ chuyển hóa chậm nhất trong thế giới sinh vật. Do đó dẫn tới nhu cầu thu hồi và tái chế các hợp chất phốt phát nhằm mục đích quản lý có hiệu quả nguồn cung nguyên liệu quan trọng và không thể thay thế này đối với sản xuất nông nghiệp. Nước thải chăn nuôi, nước thải từ nhà máy sản xuất phân lân, hay nước thải và bùn thải từ hệ thống xử lý nước thải đô thị là các nguồn thải giàu phốt phát đầy tiềm năng để thu hồi phốt phát. Theo Viện Quản lý nước và môi trường CIWEM, việc tái sử dụng nguồn phốt phát thu hồi từ nước thải và bùn thải làm phân bón là cách tốt nhất để bảo tồn và tuần hoàn phốt phát. CIWEM cho rằng, hoạt động xử lý nước thải có thể thu hồi 95% phốt phát từ nước thải đô thị, đây là một trong những tỉ lệ thu hồi cao nhất đối với các chất trong phế thải. Trong xử lý nước thải đô thị thông thường, khoảng 90% tải lượng P ban đầu được cho rằng tập trung trong bùn thải.

Xuất phát từ thực tiễn trên, Chủ nhiệm đề tài Tiến sĩ Phương Thảo cùng nhóm nghiên cứu tại Trường Đại học Khoa học tự nhiên thực hiện “Nghiên cứu tổng hợp hệ vật liệu hydroxit lớp kép (LDHs) nhằm xử lý và thu hồi phốt phát từ một số nguồn thải chứa phốt phát” với mục tiêu tổng hợp thành công vật liệu hydroxit lớp kép để hấp phụ và thu hồi phốt phát có hiệu quả từ nước thải và bùn thải hoạt tính.

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

1. Kết quả nghiên cứu tổng hợp hệ vật liệu hydroxit lớp kép trên cơ sở Mg-Al và Zn-Al

Vật liệu hydroxit lớp kép hệ Mg-Al được tổng hợp theo hai phương pháp: đồng kết tủa từ muối của hai kim loại tương ứng với pH duy trì ở giá trị 10 (± 0,5), ở nhiệt độ phòng và thủy nhiệt ở nhiệt độ 60oC. Từ các kết quả nghiên cứu sơ bộ đã tiến hành trước đây của nhóm nghiên cứu, tỉ lệ mol Mg:Al được lựa chọn là 2:1, với anion xen giữa là CO32- . Kết tủa sau khi già hóa 24h được sấy ở 90oC hoặc nung ở các nhiệt độ khác nhau từ 200-800oC. Vật liệu sau khi tổng hợp được xem xét hình thái, thành phần nguyên tố trên bề mặt, đặc trưng cấu trúc, nhóm chức, hấp phụ, giải hấp nitơ.

Giản đồ XRD của hai mẫu vật liệu LDH Mg-Al/CO3 tổng hợp theo phương pháp đồng kết tủa ở nhiệt độ phòng và thủy nhiệt không có sự khác biệt rõ rệt. Các pic tín hiệu đặc trưng cho vật liệu hydroxit lớp kép Mg-Al tại các góc 2θ = 11,70; 23,59; 34,79; 39,06; 60,92 đều xuất hiện ở cả hai mẫu. Điều này cho thấy vật liệu LDH hệ Mg-Al/CO3 tổng hợp thành công bằng phương pháp đồng kết tủa ở cả hai điều kiện. Tương ứng với mặt mạng (003) và (006) đều xuất hiện pic với cường độ lớn chứng tỏ khoảng cách lớn giữa các lớp xen giữa. Khoảng cách giữa các lớp d003 và d006 của vật liệu được tìm thấy là 7,519 Å và 3,798 Å, d003 gấp đôi so với d006, cho thấy CO3 2- đã đan xen vào giữa hai lớp. Cùng với kết quả khảo sát khả năng hấp phụ phốt phát, phương pháp được lựa 5 chọn để tổng hợp vật liệu LDH là phương pháp đơn giản hơn: đồng kết tủa ở nhiệt độ phòng.

Từ giản đồ XRD của vật liệu LDH nung ở 200oC và 400oC không có sự khác biệt nhiều với mẫu chưa nung. Sau quá trình nung mẫu ở 600oC các pic đặc trưng của pha LDH Mg-Al đã hoàn toàn bị biến mất, đồng thời có sự xuất hiện các vùng tín hiệu rộng ứng với pha periclase (MgO) tại các mặt (111), (200), (220) trong cấu trúc vô định hình, chứng tỏ đã có sự sụp đổ của cấu trúc cũ nhưng các lớp brucite vẫn còn tồn tại. Hơn nữa, việc thiếu vắng các pic nhiễu xạ tương ứng với nhôm cũng khẳng định các cation Al3+ vẫn được phân bố đồng nhất trong khung mạng magnesium oxide sau khi nung.

Trên phổ FTIR của LDH Mg-Al trước và sau hấp phụ có thể thấy các vạch phổ đặc trưng cho hydroxit lớp kép Mg-Al. Dải hấp thụ rộng trong khoảng 3800-2500 cm-1 được gán cho dao động hóa trị của nhóm OH trong phân tử LDH và của các phân tử nước hấp thụ giữa các lớp. Vạch 1638 cm-1 được gán cho dao động biến dạng của liên kết OH và phân tử nước hấp thụ trong vật liệu. Vật liệu sau hấp phụ xuất hiện vạch phổ tại 1380 cm-1 đặc trưng cho anion CO32- với cường độ cao hơn nhiều so với vật liệu trước khi hấp phụ, chứng tỏ mẫu phân tích có sự hấp thụ một phần CO2 từ không khí. Các vạch hấp thụ khác ở vùng dưới 1000 cm-1 đặc trưng cho các dao động của liên kết Mg-O và Al-O trong LDH. Đỉnh mới xuất hiện ở 1043 cm-1 trên vật liệu sau hấp phụ được cho là của liên kết P-O, điều này cho biết thông tin về sự phức hợp bề mặt hình cầu bên trong (M-O-P) giữa phốt phát và LDH. Do đó người ta cho rằng các nhóm hydroxyl bề mặt (M-OH) của LDH có khả năng được trao đổi bằng ion phốt phát, cơ chế chính để hấp phụ phốt phát trên vật liệu LDH.

Diện tích bề mặt BET của LDH Mg-Al trước và sau khi hấp phụ được xác định thông qua biểu đồ Brunauer-Emmett-Teller được trình bày. Diện tích bề mặt riêng của LDH Mg-Al trước khi hấp phụ tương tự như sản phẩm hydrotalcite Mg-Al của Sigma-Aldrich (78m2 /g) và cao hơn các giá trị điển hình của diện tích bề mặt riêng đo bằng BET nằm trong khoảng từ 24,6 đến 69 m2/g của vật liệu này. Sau khi hấp phụ, sự chiếm chỗ của phốt phát trên bề mặt gây ra sự giảm thể tích lỗ xốp, kích thước lỗ xốp tăng nhẹ và diện tích bề mặt riêng giảm đáng kể.

2. Kết quả nghiên cứu khả năng hấp phụ phốt phát trong môi trường nước trên vật liệu LDHs Mg-Al và Zn-Al

Vật liệu hydroxit lớp kép tổng hợp theo phương pháp đồng kết tủa ở hai điều kiện khác nhau: tại nhiệt độ phòng và thủy nhiệt ở nhiệt độ 60oC được khảo sát sơ bộ khả năng hấp phụ phốt phát. Kết quả cho thấy không có sự khác biệt rõ rệt giữa khả năng hấp phụ phốt phát của hai loại vật liệu. Do đó, vật liệu LDH Mg-Al với anion CO32- xen giữa chỉ cần được tổng hợp theo phương pháp đồng kết tủa thông thường với cách tổng hợp đơn giản hơn phương pháp thủy nhiệt, cũng giúp vật liệu đạt được khả năng hấp phụ tương đương. Kết quả trên hình 8 cũng cho thấy quá trình hấp phụ đạt cân bằng sau 4 giờ.

Để đánh giá ảnh hưởng của nhiệt độ nung, vật liệu LDH thu được sau khi đồng kết tủa được nung ở các nhiệt độ 200oC, 400oC, 600oC, 800oC và so sánh với vật liệu sấy ở nhiệt độ 90oC. Kết quả biểu diễn trên hình 9 cho thấy vật liệu sấy ở 90oC và sau khi nung tại 200oC chưa có gì khác biệt rõ rệt về dung lượng hấp phụ, nhưng đã tăng lên rõ rệt sau khi nung từ 400oC. Vật liệu sau khi nung tại 600oC có dung lượng hấp phụ cao nhất và giảm khả năng hấp phụ sau khi nung tại 800oC.

Kết quả ảnh hưởng của pH cho thấy vật liệu có dung lượng hấp phụ ổn định trong khoảng pH từ 4- 10, tại pH bằng 2 và 12, khả năng hấp phụ của vật liệu bị giảm xuống. Do pH của dung dịch phản ứng càng thấp, tương tác giữa các lớp và anion ở lớp xen giữa càng yếu. Vì vậy, một giá trị pH thấp 9 thuận lợi cho sự giải phóng của anion “chủ” là một axit liên hợp và sự kết hợp các anion bazơ yếu từ dung dịch. Tuy nhiên, giá trị pH không nên thấp hơn 4 vì khi đó các lớp HT bắt đầu bị hòa tan. pH của nước thải thông thường nằm trong khoảng 5-9, do đó không cần phải điều chỉnh điều kiện pH của nước thải trước khi cho vật liệu vào hấp phụ.

3. Kết quả nghiên cứu điều kiện hấp phụ phốt phát trong môi trường nước trên vật liệu LDH Zn-Al

Dung lượng hấp phụ phốt phát lớn nhất 11,12 mg/g được quan sát khi vật liệu được nung ở 200oC. Khả năng hấp phụ cao hơn 1,16 lần so với vật liệu chưa nung ở 90oC. Ngoài nhiệt độ này, khả năng hấp phụ của vật liệu giảm nhẹ ở nhiệt độ 400oC, giảm mạnh sau khi nung ở 600 đến 800oC.

Thời gian hấp phụ có ảnh hưởng rất lớn tới dung lượng hấp phụ của vật liệu. Sau khi tiến hành hấp phụ phốt phát trên vật liệu LDH Zn-Al-200 tại các khoảng thời gian khác nhau cho thấy quá trình hấp phụ đạt cân bằng sau 240 phút.

Có thể tìm đọc toàn văn báo cáo kết quả nghiên cứu (mã số 21023/2022) tại Cục Thông tin, Thống kê.

Đ.T.V (NASTIS)