Tối ưu xử lý PFOS bằng lớp vỏ titan dioxide quang xúc tác
Các hợp chất Per polyfluoroalkyl (PFAS) đang là một mối lo ngại toàn cầu về nguy cơ rủi ro cho môi trường và sức khỏe con người. Các nhà nghiên cứu ở ĐH Bách khoa Hà Nội và Phòng thí nghiệm trọng điểm quốc gia Lọc hóa dầu đã đi tìm một giải pháp góp phần hóa giải điều đó thông qua hợp chất Titanium Dioxide.
Kết quả nghiên cứu được trình bày chi tiết trong bài báo “Study on the Application of a Photocatalytic Titanium Dioxide Coating on Glass Beads for the Treatment of Perfluorooctane Sulfonic Acid” (Nghiên cứu về ứng dụng lớp vỏ titan Dioxide quang xúc tác trên hạt thủy tinh để xử lý Perfluorooctane Sulfonic Acid), được xuất bản trên tạp chí Journal of Chemistry của NXB Willey. Nghiên cứu này là kết quả của một đề tài độc lập cấp nhà nước do Bộ KH&CN tài trợ (ĐTĐL.CN-67/19).
Các nhà nghiên cứu cho rằng PFAS là nhóm hóa chất do con người tạo ra, nổi tiếng bởi độ bền bỉ trong môi trường, với khoảng 3.000 loại khác nhau. Các hợp chất này được sử dụng trong nhiều loại sản phẩm tiêu dùng và công nghiêp bởi các đặc tính độc đáo của chúng. Các liên kết carbon-fluorine vô cùng mạnh ở PFAS trở thành thách thức với các phương pháp xử lý truyền thống, dẫn đến việc nó tồn tại bền bỉ trong môi trường và gây ra những mỗi lo ngại về tích tụ sinh học. Perfluorooctanesulfonic (PFOS) acid, là một hợp chất PFAS nổi tiếng, được sử dụng roogj rãi trong các ngành công nghiệp do chất lượng hoạt động bề mặt siêu việt của chúng. Tương tự với các hợp chất khác trong nhóm PFAS, PFOS là chất ô nhiễm môi trường tồn tại lâu dài và có thể gây ra những hệ quả tiêu cực với sức khỏe con người. Công ước Stockholm đã phân loại PFOS như một hợp chất hữu cơ khó phân hủy và đưa vào danh sách cấm sử dụng từ năm 2009; tuy nhiên, sự khó phân hủy và dễ tích tụ của PFOS trong môi trường chỉ dấu có một lượng lớn PFOS vẫn tồn tại và tác động đến môi trường, đặc biệt qua nguồn nước.
Nhiều nghiên cứu về các kỹ thuật mới về việc loại bỏ hiệu quả (PFOS) khỏi nước thải đã được mở rộng và đưa vào các chiến lược toàn diện với các phương pháp vật lý, hóa học và kết hợp khác. Các phương pháp vật lý bao gồm trao đổi ion, lọc, hấp thụ, kết đông… Một số nghiên cứu khác sử dụng carbon hoạt hóa, carbon hoạt hóa dẫn xuất polyacrylonitrile và carbon hoạt hóa chứa tre (GAC)…. Dẫu phương pháp vật lý phân tách hiệu quả PFOS khỏi pha lỏng đến pha rắn nhưng lại không hiệu quả trong xử lý toàn diện, cần nhiều bước khác để phân rã PFOS thành các hợp chất không độc, do đó gia tăng chi phí xử lý.
Do đó, các nhà nghiên cứu nhận diện xúc tác quang hóa là một cách tăng cường phân rã hiệu quả PFOS. Sự kết hợp của các ion sắt (Fe3+) và không khí để xử lý ô nhiễm nước chứa PFOS tại nồng độ 20 μM cũng chứng tỏ hiệu quả. Quá trình này bao gồm chiếu 400 mL nước có 100 μM ion sắt bằng đèn 23W trong vòng 48 giờ, đạt hiệu quả 100% trong loại bỏ PFOS và giảm 58,2% chuỗi fluorine, hiệu quả gấp 50 lần so với quang trực tiếp. Năm 2021, các nhà khoa học quốc tế cho biết ứng dụng các chất xúc tác quang hóa TiO2 để xử lý PFOS trong nước chứa 100 μg/L PFOS bằng 1,45 g/L TiO2 tại mức pH 4, đạt hiệu quả 83% trong vòng 8 giờ và nhiệt độ 25°C. Sau đó, các nhà khoa học khác đã phát triển phương pháp này một cách hiệu quả hơn.
Mặc dù được coi là “chén thánh” giúp xử lý PFOS nhưng titanium dioxide (TiO2) lại dễ đông kết và khó phục hồi sau xử lý. Vì vậy nhóm các nhà nghiên cứu ở ĐH Bách khoa HN và Phòng thí nghiệm trọng điểm quốc gia Lọc hóa dầu đã cùng thực hiện một nghiên cứu để tổng hợp các hạt thủy tinh có vỏ là Titanium dioxide bằng một phương pháp đơn giản và hiệu quả về chi phí với hàm lượng thấp, dễ dàng phục hồi và tái sử dụng cũng như phù hợp với các ứng dụng ở quy mô công nghiệp. Sự tích hợp của Titanium dioxide vào các hạt thủy tinh làm tăng cường hoạt động xúc tác, tính bền hóa học và độ ổn định. Thứ hai, họ muốn ứng dụng các mẫu để xử lý PFOS và tối ưu liều lượng TiO2@GBs, độ pH, và thời gian chiếu sáng bằng phương pháp phản hồi bề mặt (RSM). Thứ ba họ nhận diện các bước trung gian của quá trình xử lý quang xúc tác và đề xuất cơ chế xúc tác.
Kết quả phân tích sản phẩm mà họ tạo ra cho thấy lượng titanium chiếm 0,2% khối lượng vật liệu TiO2@GBs. Dẫu hàm lượng không cao nhưng sau quá trình tẩy theo ba lần thì titanium vẫn bám chắc vào bề mặt các hạt thủy tinh.
Lớp vỏ bằng vật liệu chứa Titanium dioxide có thể dẫn đến các biến dạng bề mặt và ngăn tái kết hợp các electron qua quá trình quang hóa và các lỗ, làm tăng cường hiệu quả xúc tác quang hóa.
Sau những thí nghiệm ban đầu, các nhà nghiên cứu đã xác định được lượng tối đa Titanium dioxide là ở mức 0,53 g/L bởi nếu liều lượng quá cao thì hiệu quả xử lý giảm xuống do tán xạ ánh sáng, hiệu quả sàng lọc và giảm thiểu năng lực hấp thụ proton; do khối lượng chất xúc tác phải khớp với số lượng PFOS trong dung dịch để đảm bảo thực nghiệm tin cậy.
Thời gian chiếu sáng, theo các nhà khoa học, là từ 4 đến 8 giờ nhằm đảm bảo sự phân rã của PFOS. Trong thời gian chiếu sáng, không khí được đưa vào với tốc độ thông lượng 0,1 L/phút để gia tăng lượng oxy trong dung dịch.
Họ cũng tiến hành tối ưu phương pháp của mình bằng việc thiết lập sự kết hợp các yếu tố độ pH, lượng TiO2@GBs, và thời gian chiếu sáng để xử lý PFOS. Các thí nghiệm của họ đã xử lý hiệu quả 100% PFOS với độ pH là 4,5, liều lượng Titanium dioxide là 0,396 mg/L, thời gian chiếu 6,59 giờ. Thực nghiệm được lặp đi lặp lại ba lần và đạt các mức phân rã PFOS hiệu quả ở mức 99,8%, 100%, và 100%.
Việc xử lý quang xúc tác đã chuyển hóa PFOS thành các hợp chất PFPeA, PFHpA, L-PFBS, và L-PFHxS như sản phẩm trung gian. Các hợp chất này thể hiện khả năng tích tụ sinh học thấp hơn và tính độc cũng thấp hơn so với PFOS. Tuy nhiên, các nhà nghiên cứu cho rằng cần có những nghiên cứu tiếp theo để hiểu một cách đầy đủ cơ chế phân rã PFOS thành các chất trung gian.
Thanh Nhàn
Theo công bố “Study on the Application of a Photocatalytic Titanium Dioxide Coating on Glass Beads for the Treatment of Perfluorooctane Sulfonic Acid” (Nghiên cứu về ứng dụng lớp vỏ titan Dioxide quang xúc tác trên hạt thủy tinh để xử lý Perfluorooctane Sulfonic Acid), được xuất bản trên tạp chí tạp chí Journal of Chemistry của NXB Willey
