Sử dụng vật liệu nano và ánh sáng mặt trời để khử nước ô nhiễm thuốc trừ sâu

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 được cung cấp bởi Giáo sư Ali El Khakani (INRS)

Atrazine là một trong những loại thuốc trừ sâu được sử dụng rộng rãi nhất ở Bắc Mỹ. Hoạt chất này có mặt ở khắp mọi nơi, ngay cả trong nước uống của hàng triệu người. Việc xử lý nước thông thường không mang lại hiệu quả trong việc làm giảm hay loại trừ thuốc trừ sâu này. Các quy trình mới có hiệu quả hơn, nhưng việc sử dụng nhiều loại hóa chất có thể để lại các sản phẩm phụ độc hại trong môi trường.

Trước thực trạng đó, Giáo sư Ali El Khakani và Patrick Drogui của INRS đã phát triển một phương pháp mới: kết hợp một vật liệu cấu trúc nanô mới và ánh sáng mặt trời để làm suy giảm atrazine.

Theo đó, Giáo sư My Ali El Khakani, một chuyên gia về vật liệu cấu trúc nanô (Trung tâm EMT) và Giáo sư Patrick Drogui, chuyên gia về công nghệ điện và xử lý nước (Center-ETE) đã phát triển được một quá trình suy thoái sinh thái mới cho atrazine mà không dùng đến hóa chất.

“Bằng cách làm này, nhóm nghiên cứu đã có thể phát triển một quy trình xử lý nước mới. Nếu lnghiên cứu riêng biệt, chúng tôi sẽ không thể đạt được kết quả này. Đây là một trong những giá trị gia tăng liên ngành trong nghiên cứu”, Giáo sư Ali El Khakani - tác giả chính của nghiên cứu cho biết.

Kết quả nghiên cứu được công bố trên tạp chí Catalysis Today ngày 15 tháng 1 năm 2020.

Giáo sư My Ali El Khakani (trái) một nhà nghiên cứu và chuyên gia về vật liệu cấu trúc nanô tại INRS và Giáo sư Patrick Drogui (phải), một nhà nghiên cứu và chuyên gia về công nghệ điện và xử lý nước tại INRS. Ảnh: Christian Fleury

Các nhà nghiên cứu sử dụng một quá trình hiện có, được gọi là xúc tác quang điện tử hoặc PEC, mà họ đã tối ưu hóa cho sự thoái hóa của atrazine. Quá trình này hoạt động với hai quang điện tử (điện cực nhạy sáng) của các điện tích trái dấu.

Dưới tác dụng của ánh sáng và điện tích, quá trình này tạo ra các gốc tự do trên bề mặt của các quang điện tử. Những gốc đó tương tác với các phân tử atrazine và làm suy giảm chúng.

Việc sử dụng các gốc tự do là thuận lợi vì nó không để lại các sản phẩm phụ độc hại như việc sử dụng clo. Vì thời gian sống của chúng rất ngắn nên chúng có xu hướng biến mất nhanh chóng, Giáo sư Drogui, đồng tác giả của nghiên cứu giải thích.

Những thách thức của vật liệu

Để tạo ra quang điện tử (điện cực nhạy với ánh sáng), Giáo sư El Khakani đã chọn titan oxit (TiO₂), một 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 UV thành các điện tích hoạt động.

Để tận dụng toàn bộ phổ mặt trời, tức là ánh sáng khả kiến ​​ngoài tia cực tím, Giáo sư El Khakani đã phải làm cho các màng TiO₂ nhạy cảm với ánh sáng khả kiến. Cuối cùng, nhóm của ông đã điều chỉnh 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 thiết để kích hoạt PEC trong các quang điện tử mới này.

Giáo sư El Khakani cũng phải đối mặt với thách thức xử lý lượng nước lớn. Do quá trình PEC thực sự là một hiện tượng bề mặt, nên việc xử lý khối lượng lớn đòi hỏi diện tích bề mặt lớn của các quang điện tử. Đối với điều này, nhóm của Giáo sư El Khakani đã khai thác những lợi thế của cấu trúc nano trên bề mặt của các quang điện tử.

Thay vì có một bề mặt phẳng, hãy tưởng tượng việc chúng ta điêu khắc chúng trên quy mô nano để tạo ra các thung lũng và núi. Điều này làm tăng bề mặt hoạt động có sẵn mà không thay đổi bề mặt vật lý. Bằng cách đó, bề mặt hoạt động được tăng lên một cách nhân tạo vài nghìn lần so với bề mặt vật lý. Với 1g vật liệu, diện tích bề mặt hoạt động trong khoảng từ 50 đến 100 m² có thể đạt được mục tiêu đó là về bề mặt của một căn hộ! Giáo sư El Khakani nói.

Hiệu quả và giới hạn của nó

Sau khi các quang điện tử được phát triển và tích hợp vào lò phản ứng PEC, nhóm của Giáo sư Drogui đã tối ưu hóa quy trình PEC.

Đầu tiên, các nhà khoa học đã sử dụng mẫu nước khử khoáng được bổ sung atrazine. PEC với photoelectrode đã loại bỏ khoảng 60% thuốc trừ sâu sau 300 phút. Sau đó, nhóm nghiên cứu đã chuyển sang các mẫu nước thực được thu thập từ sông Nicolet (QC, Canada) gần các khu vực trồng ngô và đậu tương thâm canh, nơi sử dụng nhiều thuốc diệt cỏ.

Khi thí nghiệm với các mẫu nước thực tế, chỉ có 8% atrazine bị biến chất ban đầu. Tỷ lệ thấp này là do sự hiện diện của các hạt lơ lửng ngăn cản phần lớn ánh sáng chiếu tới quang điện tử.

Ngoài ra, các loài và các hạt có trong dung dịch có thể gắn vào điện cực do đó làm giảm diện tích hoạt động của nó.

Với kiến thức chuyên môn về khử nhiễm nước, nhóm của Giáo sư Drogui đã tiến hành tiền xử lý dựa trên sự đông tụ và lọc của một số loài trước khi áp dụng phương pháp PEC một lần nữa. Sau đó, họ đã thành công trong việc khử 38 đến 40% atrazine có trong các mẫu nước thực tế.

Tuy nhiên, hiệu quả xử lý vẫn tương đối thấp so với nước tổng hợp vì nước thực có chứa bicarbonat và phốt phát có nguồn gốc tự do và ngăn chúng phản ứng với atrazine. Xử lý trước bằng phương pháp hóa học giúp loại bỏ phốt phát, nhưng không loại bỏ bicacbonat. Canxi có thể được thêm vào để kết tủa chúng, nhưng chúng tôi muốn giảm thiểu việc sử dụng hóa chất, giáo sư Drogui nói.

Theo các nhà nghiên cứu, quy trình PEC được tối ưu hóa của họ có thể được sử dụng như một phương pháp xử lý cấp ba, sau khi loại bỏ các hạt lơ lửng và các loài khác.

Để có thể ứng dụng công nghệ này trên quy mô lớn, các nhà khoa học sẽ tiến hành trình diễn trên quy mô tiền công nghiệp. Tuy PEC đã được sử dụng để làm giảm atrazine, nhưng đây là tiền đề để các nhà khoa học tiếp tục hợp tác, tìm biện pháp giải quyết các chất ô nhiễm khác trong môi trường nước, điển hình như dư lượng kháng sinh trong nước.

(V.H) Nguồn: https://scitechdaily.com/using-an-engineered-nanomaterial-and-sunlight-to-decontaminate-pesticide-polluted-water/