Khoa học kỹ thuật và công nghệ

Sử dụng vật liệu nano và ánh nắng mặt trời để xử lý nước ô nhiễm thuốc trừ sâu (17/02/2020)

Hai nhóm nghiên cứu tại Viện Nghiên cứu khoa học quốc gia (INRS) đã phối hợp phát triển một quy trình sinh thái mới để khử atrazine. Atrazine là một trong những loại thuốc trừ sâu phổ biến ở Bắc Mỹ. Các giáo sư My Ali El Khakani và Patrick Drogui tại INRS đã đưa ra một phương pháp mới để làm suy giảm atrazine bằng cách kết hợp vật liệu cấu trúc nano mới và ánh nắng mặt trời.

Lò phản ứng plasma dựa trên Magnetron được sử dụng để điều chế các quang điện tử của oxit titan kết hợp với nitơ và vonfram. Ảnh: My Ali El Khakani, INRS.

Atrazine được tìm thấy phổ biến trong môi trường, ngay cả trong nước uống của hàng triệu người. Xử lý nước theo phương pháp thông thường không hiệu quả trong việc làm giảm loại thuốc trừ sâu này. Các quy trình mới hiệu quả hơn, nhưng sử dụng các hóa chất có thể để lại các sản phẩm phụ độc hại trong môi trường.

Nhóm nghiên cứu đã sử dụng quy trình hiện có, được gọi là xúc tác quang điện tử hoặc PEC, mà họ đã tối ưu hóa để khử atrazine. Quá trình này hoạt động với hai quang điện cực (điện cực nhạy sáng) của các điện tích trái dấu. Quá trình này sử dụng hiệu ứng của ánh sáng và điện thế để tạo ra các gốc tự do trên bề mặt của các quang điện cực. Các gốc đó tương tác với các phân tử atrazine và làm suy giảm chúng. ''Việc sử dụng các gốc tự do có lợi vì nó không để lại các sản phẩm phụ độc hại như clo. Vì thời gian tồn tại của chúng rất ngắn nên có xu hướng biến mất nhanh chóng”, GS. Drogui, đồng tác giả nghiên cứu giải thích.

Những thách thức về vật liệu

Để tạo ra quang điện cực (điện cực nhạy sáng), GS. El Khakani đã chọn titan oxit (TiO2), vật liệu rất phong phú, ổn định hóa học và được sử dụng trong nhiều ứng dụng bao gồm sắc tố trắng trong sơn hoặc kem chống nắng. Thông thường, vật liệu bán dẫn này chuyển đổi năng lượng ánh sáng được cung cấp bởi các tia cực tím vào các điện tích hoạt động. Để khai thác toàn bộ phổ mặt trời, tức là ánh sáng nhìn thấy ngoài tia cực tím, GS. El Khakani đã phải làm cho các màng TiO2 nhạy với ánh sáng nhìn thấy. Cuối cùng, nhóm nghiên cứu đã biến đổi oxit titan ở quy mô nguyên tử bằng cách kết hợp các nguyên tử nitơ và vonfram bằng quy trình plasma. Sự pha tạp này làm giảm năng lượng photon cần để kích hoạt PEC trong các quang điện cực mới này.

GS. El Khakani cũng phải đối mặt với thách thức trong việc xử lý khối lượng nước lớn. Do quá trình PEC thực sự là hiện tượng bề mặt, nên việc xử lý khối lượng lớn nước đòi hỏi diện tích bề mặt lớn của quang điện cực. Vì vậy, nhóm nghiên cứu của GS. El Khakani đã khai thác lợi thế cấu trúc nano bề mặt của quang điện cực.

“Thay cho bề mặt phẳng, hãy tưởng việc khắc nó ở kích thước nano để tạo ra các thung lũng và núi. Điều này làm tăng bề mặt hoạt động có sẵn mà không làm thay đổi bề mặt vật lý. Bề mặt hoạt động được tăng lên vài nghìn lần so với bề mặt vật lý. Với 1g vật liệu, diện tích bề mặt hoạt động dao động từ 50 đến 100 m2 có thể đạt được, bằng bề mặt của một căn hộ!”, GS. El Khakani nói.

Hiệu quả và giới hạn

Sau khi các quang điện cực được phát triển và tích hợp vào lò phản ứng PEC, nhóm của GS. Drogui đã tối ưu hóa quy trình PEC. Trước tiên, nhóm nghiên cứu đã sử dụng các mẫu nước khử khoáng đã được bổ sung atrazine. PEC với quang điện cực đã loại bỏ khoảng 60% thuốc trừ sâu sau 300 phút xử lý. Sau đó, các nhà nghiên cứu đã chuyển sang các mẫu nước thực tế được thu gom từ sông Nicolet (QC, Canada) gần các khu vực trồng ngô và đậu tương thâm canh, nơi thường sử dụng thuốc diệt cỏ.

Khi sử dụng các mẫu nước thực tế, ban đầu chỉ có 8% atrazine phân rã. Tỷ lệ phân rã thấp là do sự có mặt của các hạt lơ lửng ngăn không cho nhiều ánh sáng chiếu vào quang điện cực. Ngoài ra, các loài và hạt có trong dung dịch có thể bám vào điện cực làm giảm diện tích hoạt động của nó. Dựa vào chuyên môn trong xử lý nước ô nhiễm, nhóm nghiên cứu đã tiến hành tiền xử lý dựa vào sự đông tụ và lọc một số loài trước khi áp dụng phương pháp PEC một lần nữa. Và nhóm nghiên cứu đã thành công trong việc khử 38 đến 40% atrazine có mặt trong các mẫu nước thực.

Hiệu quả xử lý vẫn còn tương đối thấp vì nước thực tế có chứa bicacbonat và phốt phát bẫy các gốc tự do và ngăn chúng phản ứng với atrazine. Theo các nhà nghiên cứu, quy trình PEC tối ưu hóa có thể được sử dụng.

Theo các nhà nghiên cứu, quy trình PEC được tối ưu hóa có thể được sử dụng như một phương pháp xử lý thứ ba, sau khi loại bỏ các hạt lơ lửng và các loài có thể gây đông tụ. Tuy nhiên, giai đoạn trình diễn tiền công nghiệp là cần thiết trước khi nghĩ đến việc sử dụng trên quy mô lớn. Cuối cùng, PEC đã được sử dụng để khử atrazine, nhưng hai nhóm nghiên cứu tiếp tục hợp tác để xử lý các chất ô nhiễm mới và dư lượng kháng sinh trong nước.

Nguồn: N.P.D (NASATI)/www.vista.gov.vn

Cập nhật: 12/02/2020