Chế tạo xúc tác nano vàng bằng phương pháp xanh mang trên ceria nanorod cho quá trình khử p-nitrophenol trong nước
Nhóm tác giả ở Viện Công nghệ Hóa học (Viện Hàn lâm KH&CN Việt Nam) đã chế tạo xúc tác nano vàng, được dùng để khử chất độc p-nitrophenol có trong nước thải thành tiền chất ứng dụng trong dược phẩm.
Chất thải hữu cơ khó phân hủy sinh học có trong nước thải gây ô nhiễm nguồn nước nghiêm trọng. Đặc biệt là các dẫn xuất nitro của hợp chất phenol với độ bền sinh học cao, thích hợp cho sự phát triển của các vi khuẩn trong nước, dẫn đến các vấn đề ô nhiễm môi trường, suy thoái hệ thống thủy sinh cũng như ảnh hưởng trực tiếp đến sức khỏe con người. Trong đó có p-Nitrophenol (p-NP), một hợp chất phenolic có mặt trong nhiều ngành công nghiệp hiện nay như dược, nhuộm, thuốc trừ sâu,…, vốn được Cơ quan Bảo vệ Môi trường Hoa Kỳ đưa vào danh sách 114 chất ô nhiễm hữu cơ nguy hiểm nhất và có khả năng gây ung thư.
Hiện có hai phương pháp chính để xử lý p-NP là loại bỏ trực tiếp khỏi nước thải bằng phản ứng quang phân hủy, vi sinh hay kỹ thuật Fenton điện hóa và chuyển hóa thành các hợp chất có ích. Trong đó, hướng xử lý thứ hai đang được quan tâm, nghiên cứu bởi có thể thực hiện được hai mục đích là loại bỏ và chuyển hóa p-NP thành p-Aminophenol (p-AP). p-AP thu được có thể làm tiền chất dùng trong dược phẩm, như bào chế thuốc paracetamol.
Hiện trong nước cũng đã có một số nghiên cứu về vấn đề này, tuy nhiên rất ít các công trình có khả năng ứng dụng thực tế vì chi phí còn quá cao. Vì vậy, việc nghiên cứu và phát triển những vật liệu mới, thân thiện với môi trường và giảm chi phí xử lý nước thải, ThS Hồ Gia Thiên Thanh, Viện Công nghệ Hóa học (Viện Hàn Lâm KH&CN Việt Nam), và cộng sự đã thực hiện đề tài “Chế tạo xúc tác nano vàng bằng phương pháp xanh mang trên ceria nanorod cho quá trình khử p-nitrophenol trong nước”.
Theo ThS Thanh, trong số những kim loại được chọn làm chất xúc tác, Au (vàng) được ứng dụng khá nhiều, đặc biệt dưới dạng nano. Hiện có nhiều phương pháp khác nhau để tổng hợp nano vàng, trong đó chủ yếu sử dụng phương pháp hóa học. Tuy nhiên, phương pháp này không thân thiện với môi trường. Ngoài ra, sản phẩm thu được phải tinh sạch, cần loại bỏ những tạp chất có hại, dẫn đến chi phí sản xuất cao. Do đó, một phương pháp đang được nhiều người quan tâm là sử dụng các hợp chất tách chiết từ thực vật làm tác nhân khử ion Au+3, để hình thành nano vàng. Phương pháp này có quy trình và thao tác thực hiện đơn giản, chi phí thấp, giảm được chất độc hại ra môi trường.
Nhận thấy vỏ bưởi có hàm lượng polyphenol lớn, có khả năng khử các ion vàng thành các hạt nano vàng, nhóm nghiên cứu tận dụng phế phẩm luôn sẵn có này, lấy dịch chiết vỏ bưởi làm tác nhân khử ion vàng. Nhóm cũng lựa chọn CeO2 (oxit đất hiếm ceria) là chất mang trong xúc tác, bởi CeO2 có khả năng làm cho hoạt tính của các nano tăng nhanh, ngay ở nhiệt độ thấp.
Để điều chế chất mang CeO2 có kích thước nano, nhóm sử dụng phương pháp thủy nhiệt, từ tiền chất Ce(NO3)3.6H2O. Bột vỏ bưởi được nhóm trích ly lấy phần dung dịch, để làm tác nhân khử ion vàng trong quy trình điều chế chất xúc tác AuNPs/CeO2.
Để điều chế chất xúc tác nano vàng AuNPs, nhóm sử dụng chất mang CeO2 trộn cùng dung dịch HAuCl4, sau đó đánh siêu âm trong vòng 10 phút, để HAuCl4 phân tán đều vào bên trong lỗ xốp và mao quản của chất mang. Tiếp tục cho dịch chiết vỏ bưởi vào hỗn hợp này đánh siêu âm trong 10 phút, sau đó khuấy từ gia nhiệt ở nhiệt độ 55oC. Để hỗn hợp nguội và ổn định rồi đem ly tâm và rửa đến độ pH7, sấy khô ở nhiệt độ 60oC trong vòng 24 giờ, thu được chất xúc tác.
AuNPs sau khi tổng hợp có dạng hình cầu với kích thước khoảng 5-8nm. Các thanh nano CeO2 với chiều dài 33.1±15.0nm và chiều rộng là 7.1±2.1nm.
Thử nghiệm hoạt tính khử p-NP cho thấy, tốc độ chuyển hóa p-NP thành p-AP đạt 100% trong 30 phút. Ngoài ra, quá trình chuyển hóa p-NP sau 5 lần tái sử dụng vẫn giữ được hoạt tính và hiệu suất nên giảm chi phí xử lý. Sau mỗi mẻ xử lý, xúc tác sẽ được tách ra bằng phương pháp ly tâm và sử dụng cho mẻ tiếp theo.
Kết quả của nghiên cứu cho thấy, chế tạo xúc tác nano vàng với hàm lượng thấp (0,1 – 0,3% khối lượng), sử dụng dịch chiết vỏ bưởi làm tác nhân khử, vừa giúp xử lý p-NP, vừa tận dụng được nguồn phế phẩm nông nghiệp, làm tăng giá trị của quả bưởi.
Ngô Thành
