CƠ SỞ DỮ LIỆU KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ TỈNH NGHỆ AN
Sử dụng khoáng sét tự nhiên biến tính bởi oxit kim loại để hạn chế quá trình lan truyền của các hoá chất bảo vệ thực vật từ đất mặt ra môi trường nước
Hoá chất bảo vệ thực vật là những hóa chất độc hại, bền vững, khó phân hủy trong môi trường, có thể xâm nhập vào nguồn nước mặt, sông ngòi, ao hồ và lan truyền vào các mạch nước ngầm, gây tổn hại cho các sinh vật thủy sinh, con người và hệ sinh thái.
Theo số liệu thống kê, khoảng 20.000 tấn thuốc trừ sâu thường được sử dụng hàng năm, trung bình tăng khoảng 4 -5 kg/ha/năm. Một số nghiên cứu vẫn cho thấy sự tồn tại của dư lượng một số các loại hoá chất bảo vệ thực vật đã bị cấm sử dụng trong đất, nước sông, nước ngầm và trầm tích sông. Với điều kiện chôn lấp không an toàn và không đúng quy cách như ở nhiều nơi hiện nay, các loại hóa chất bảo vệ thực vật này có thể bị phát tán ra môi trường nước, đi vào chuỗi thức ăn, gây tác hại tới sức khỏe cộng đồng. Các nghiên cứu cũng đã chỉ ra rằng mức độ ô nhiễm thuốc trừ sâu, diệt cỏ tại các khu vực trồng cỏ phục vụ mục đích thể thao, giải trí (sân bóng đá, sân golf, công viên...) thậm chí còn cao hơn so với khu vực hoạt động sản xuất nông nghiệp. Để có bề mặt cỏ tốt phục vụ mục đích thể thao hay vui chơi giải trí đòi hỏi cỏ trồng tại đây phải có chất lượng cao, đồng nhất; đồng thời bắt buộc phải có sự cải tạo, bảo dưỡng thường xuyên. Chính vì vậy, tại những khu vực này, một lượng lớn thuốc trừ sâu, diệt cỏ được sử dụng, tạo ra những mối đe doạ không nhỏ tới môi trường xung quanh và hệ sinh thái. Chính vì vậy, việc xử lý, loại bỏ cũng như hạn chế sự lan truyền của các hợp chất độc hại này trong môi trường là nhiệm vụ được rất nhiều nhà khoa học trên thế giới quan tâm.
Trong những năm gần đây, vật liệu quang xúc tác được quan tâm nghiên cứu nhờ khả năng phân huỷ triệt để các hợp chất độc hại, bền vững với môi trường. Trên thế giới, rất nhiều nghiên cứu đã cho thấy hiệu quả cao của xúc tác quang hóa trong quá trình phân hủy thuốc trừ sâu trong môi trường nước. Một số chất bán dẫn dạng nano đã được nghiên cứu sử dụng làm chất xúc tác quang như như TiO2, ZnO, CdS, Fe2O3,… Khả năng quang xúc tác phân hủy và quá trình chuyển hóa thuốc trừ sâu, diệt cỏ như atrazin, prometron, propectrin, bantazon, DDT, parathion, lindan...bằng TiO2 dạng huyền phù đạt hiệu quả tốt trong điều kiện chiếu sáng và sự có mặt của oxi. Quá trình quang xúc tác dị thể của TiO2 và quang Fenton cũng cho hiệu quả cao, với 90% thuốc trừ sâu được khoáng hóa. Việc sử dụng bentonit làm pha nền cho vật liệu quang xúc tác như ZnO, TiO2 nano vừa có thể tận dụng được khả năng lưu giữ tốt các tác nhân ô nhiễm cũng như tâm hoạt động xúc tác, từ đó giúp nâng cao hiệu quả xúc tác. Bentonit là khoáng sét sẵn có và rẻ tiền ở Việt Nam, có khả năng hấp phụ tốt các hợp chất hữu cơ có kích thước lớn, cồng kềnh. Thêm vào đó, bentonit là một loại khoáng sét tự nhiên, có sẵn trong đất, khi trộn vật liệu vào đất sẽ giảm được sự xáo trộn cấu trúc đất. Zhao và cộng sự (2007) đã nghiên cứu xử lý đất ô nhiễm bởi γ-hexachlorocyclohexane (γ-HCH) sử dụng vật liệu composit của TiO2 và montmorillonite. Kết quả cho thấy vật liệu chứa 30% TiO2 cho hiệu quả phân huỷ γ-HCH tốt nhất.
Nhằm chế tạo được vật liệu khoáng sét tự nhiên biến tính bởi oxit kim loại có khả năng hấp phụ - xúc tác phân huỷ hoá chất bảo vệ thực vật, ứng dụng để hạn chế quá trình lan truyền của các hợp chất này từ môi trường đất ra môi trường nước, nhóm nghiên cứu thuộc Trường Đại học Khoa học Tự nhiên do TS. Nguyễn Minh Phương đứng đầu đã đề xuất thực hiện đề tài: “Nghiên cứu hạn chế quá trình lan truyền của các hoá chất bảo vệ thực vật từ đất mặt ra môi trường nước sử dụng khoáng sét tự nhiên biến tính bởi oxit kim loại”.
Trong nghiên cứu này, đề tài tiến hành tổng hợp vật liệu dạng nanocomposit của xúc tác oxit kim loại/sét tự nhiên (một thành phần của đất) với mong muốn tạo ra các vật liệu vừa có hoạt tính xúc tác-hấp phụ cao đối với thuốc trừ sâu, vừa thân thiện với môi trường. Vật liệu sau khi được tổng hợp sẽ được áp dụng thử nghiệm để hạn chế khả năng giải phóng thuốc trừ sâu diazinon từ đất mặt ra môi trường nước, đồng thời thúc đẩy tốc độ của quá trình phân huỷ hợp chất này trong môi trường đất mặt. Diazinon được tổng hợp vào đầu những năm 1950 bởi Ciba- Geigy. Diazinon là một hợp chất thuốc bảo vệ thực vật gốc lân hữu cơ, có tên hóa học là O,O-Diethyl O-[4-methyl-6-(propan-2- yl)pyrimidin-2-yl] phosphorothioate và công thức phân tử là C12H21N2O3PS.
Diazinon dạng tinh thể không màu và dạng lỏng có màu vàng nâu, ít hòa tan trong nước, khoảng 40-60mg/L phụ thuộc vào nhiệt độ; hòa tan tốt trong dung môi hữu cơ như cồn, benzene, toluene, hexan, cyclohexan, dichlomethan, acetone và tan hoàn toàn trong dầu hỏa. Diazinon là nhóm thuốc trừ sâu cơ photpho được sử dụng tương đối phổ biến trong nông nghiệp. Diazinon được EPA xếp vào nhóm chất độc nhóm II. Diazinon gây độc cho sinh vật qua cơ chế làm giảm hoạt tính enzym Acetylcholinesteraza (AChE); enzym có chức năng thủy phân Acetylcholine thành Choline và acid acetic. Khi AChE bị ức chế bởi diazinon thì acetylcholine không được thủy phân nên sẽ tích tụ ở các đầu nối thần kinh, dẫn đến nhiều ảnh hưởng khác nhau.
Vật liệu Bentonit đã được biến tính bằng cách trao đổi với ion Fe3+ (Bent-Fe) nhằm làm tăng khoảng cách của các lớp Bentonit. Vật liệu Bent-Fe có dung lượng hấp phụ cực đại cao hơn 2 lần so với của Bentonit ban đầu (Bent). Sau đó vật liệu Bent-Fe được sử dụng để tổng hợp vật liệu nanocomposit Fe-TiO2/Bent-Fe, N-ZnO/Bent-Fe.
Các vật liệu thu được có kích thước nano và có khả năng hấp thụ ánh sáng trong vùng khả kiến. Các hạt xúc tác ZnO và TiO2 được phân tán đều lên các lớp Bentonit. Khả năng hấp phụ - xúc tác phân huỷ của các vật liệu đối với diazinon đã được khả sát. Tại điều kiện tối ưu, dung lượng hấp phụ diazinon cực đại của Fe- TiO2/Bent-Fe và N-ZnO/Bent-Fe tương ứng là 27,03 và 24,89 mg/g. Hiệu quả phân huỷ dung dịch diazinon của vật liệu Fe-TiO2/BentFe và N-ZnO/Bent-Fe tương ứng là 80,6 và 87,1% sau 6 giờ chiếu sáng bởi đèn compact.
Khả năng hấp phụ diazinon bởi đất trộn với vật liệu nanocomposit N-ZnO/Bent-Fe theo các tỉ lệ khác nhau đã được khảo sát. Kết quả hệ số hấp phụ K tính từ phương trình Freundlich cho thấy dung lượng hấp phụ diazinon của đất có bổ sung N-ZnO/Bent-Fe tăng lên đáng kể so với đất tự nhiên. Phần trăm diazinon giải phóng ra từ lớp đất mặt đều có xu hướng giảm đi khi tăng hàm lượng vật liệu nanocomposit trộn trong đất.
Mặt khác, lượng mưa cũng là một yếu tố quan trọng ảnh hưởng lớn tới sự giải phóng của diazinon ra khỏi lớp đất mặt. Sự có mặt của vật liệu nanocomposit N-ZnO/BentFe cùng làm tăng đáng kể khả năng phân huỷ diazinon trong lớp đất mặt (tăng khoảng 6 lần với tỉ lệ N-ZnO/Bent-Fe 2 %).
Vật liệu cũng thể hiện hoạt tính xúc tác phân huỷ diazinon trong lớp đất mặt tốt hơn ở điều kiện ánh sáng tự nhiên, hiệu suất phân huỷ diazinon đạt 75,6% trong 5 ngày với hàm lượng vật liệu sử dụng là 2%. Kết quả chỉ ra rằng vật liệu có khả năng hạn chế sự rửa trôi diazinon từ đất ra nước cũng như thúc đẩy quá trình phân huỷ diazinon trong môi trường đất mặt./.
Theo số liệu thống kê, khoảng 20.000 tấn thuốc trừ sâu thường được sử dụng hàng năm, trung bình tăng khoảng 4 -5 kg/ha/năm. Một số nghiên cứu vẫn cho thấy sự tồn tại của dư lượng một số các loại hoá chất bảo vệ thực vật đã bị cấm sử dụng trong đất, nước sông, nước ngầm và trầm tích sông. Với điều kiện chôn lấp không an toàn và không đúng quy cách như ở nhiều nơi hiện nay, các loại hóa chất bảo vệ thực vật này có thể bị phát tán ra môi trường nước, đi vào chuỗi thức ăn, gây tác hại tới sức khỏe cộng đồng. Các nghiên cứu cũng đã chỉ ra rằng mức độ ô nhiễm thuốc trừ sâu, diệt cỏ tại các khu vực trồng cỏ phục vụ mục đích thể thao, giải trí (sân bóng đá, sân golf, công viên...) thậm chí còn cao hơn so với khu vực hoạt động sản xuất nông nghiệp. Để có bề mặt cỏ tốt phục vụ mục đích thể thao hay vui chơi giải trí đòi hỏi cỏ trồng tại đây phải có chất lượng cao, đồng nhất; đồng thời bắt buộc phải có sự cải tạo, bảo dưỡng thường xuyên. Chính vì vậy, tại những khu vực này, một lượng lớn thuốc trừ sâu, diệt cỏ được sử dụng, tạo ra những mối đe doạ không nhỏ tới môi trường xung quanh và hệ sinh thái. Chính vì vậy, việc xử lý, loại bỏ cũng như hạn chế sự lan truyền của các hợp chất độc hại này trong môi trường là nhiệm vụ được rất nhiều nhà khoa học trên thế giới quan tâm.
Trong những năm gần đây, vật liệu quang xúc tác được quan tâm nghiên cứu nhờ khả năng phân huỷ triệt để các hợp chất độc hại, bền vững với môi trường. Trên thế giới, rất nhiều nghiên cứu đã cho thấy hiệu quả cao của xúc tác quang hóa trong quá trình phân hủy thuốc trừ sâu trong môi trường nước. Một số chất bán dẫn dạng nano đã được nghiên cứu sử dụng làm chất xúc tác quang như như TiO2, ZnO, CdS, Fe2O3,… Khả năng quang xúc tác phân hủy và quá trình chuyển hóa thuốc trừ sâu, diệt cỏ như atrazin, prometron, propectrin, bantazon, DDT, parathion, lindan...bằng TiO2 dạng huyền phù đạt hiệu quả tốt trong điều kiện chiếu sáng và sự có mặt của oxi. Quá trình quang xúc tác dị thể của TiO2 và quang Fenton cũng cho hiệu quả cao, với 90% thuốc trừ sâu được khoáng hóa. Việc sử dụng bentonit làm pha nền cho vật liệu quang xúc tác như ZnO, TiO2 nano vừa có thể tận dụng được khả năng lưu giữ tốt các tác nhân ô nhiễm cũng như tâm hoạt động xúc tác, từ đó giúp nâng cao hiệu quả xúc tác. Bentonit là khoáng sét sẵn có và rẻ tiền ở Việt Nam, có khả năng hấp phụ tốt các hợp chất hữu cơ có kích thước lớn, cồng kềnh. Thêm vào đó, bentonit là một loại khoáng sét tự nhiên, có sẵn trong đất, khi trộn vật liệu vào đất sẽ giảm được sự xáo trộn cấu trúc đất. Zhao và cộng sự (2007) đã nghiên cứu xử lý đất ô nhiễm bởi γ-hexachlorocyclohexane (γ-HCH) sử dụng vật liệu composit của TiO2 và montmorillonite. Kết quả cho thấy vật liệu chứa 30% TiO2 cho hiệu quả phân huỷ γ-HCH tốt nhất.
Nhằm chế tạo được vật liệu khoáng sét tự nhiên biến tính bởi oxit kim loại có khả năng hấp phụ - xúc tác phân huỷ hoá chất bảo vệ thực vật, ứng dụng để hạn chế quá trình lan truyền của các hợp chất này từ môi trường đất ra môi trường nước, nhóm nghiên cứu thuộc Trường Đại học Khoa học Tự nhiên do TS. Nguyễn Minh Phương đứng đầu đã đề xuất thực hiện đề tài: “Nghiên cứu hạn chế quá trình lan truyền của các hoá chất bảo vệ thực vật từ đất mặt ra môi trường nước sử dụng khoáng sét tự nhiên biến tính bởi oxit kim loại”.
Trong nghiên cứu này, đề tài tiến hành tổng hợp vật liệu dạng nanocomposit của xúc tác oxit kim loại/sét tự nhiên (một thành phần của đất) với mong muốn tạo ra các vật liệu vừa có hoạt tính xúc tác-hấp phụ cao đối với thuốc trừ sâu, vừa thân thiện với môi trường. Vật liệu sau khi được tổng hợp sẽ được áp dụng thử nghiệm để hạn chế khả năng giải phóng thuốc trừ sâu diazinon từ đất mặt ra môi trường nước, đồng thời thúc đẩy tốc độ của quá trình phân huỷ hợp chất này trong môi trường đất mặt. Diazinon được tổng hợp vào đầu những năm 1950 bởi Ciba- Geigy. Diazinon là một hợp chất thuốc bảo vệ thực vật gốc lân hữu cơ, có tên hóa học là O,O-Diethyl O-[4-methyl-6-(propan-2- yl)pyrimidin-2-yl] phosphorothioate và công thức phân tử là C12H21N2O3PS.
Diazinon dạng tinh thể không màu và dạng lỏng có màu vàng nâu, ít hòa tan trong nước, khoảng 40-60mg/L phụ thuộc vào nhiệt độ; hòa tan tốt trong dung môi hữu cơ như cồn, benzene, toluene, hexan, cyclohexan, dichlomethan, acetone và tan hoàn toàn trong dầu hỏa. Diazinon là nhóm thuốc trừ sâu cơ photpho được sử dụng tương đối phổ biến trong nông nghiệp. Diazinon được EPA xếp vào nhóm chất độc nhóm II. Diazinon gây độc cho sinh vật qua cơ chế làm giảm hoạt tính enzym Acetylcholinesteraza (AChE); enzym có chức năng thủy phân Acetylcholine thành Choline và acid acetic. Khi AChE bị ức chế bởi diazinon thì acetylcholine không được thủy phân nên sẽ tích tụ ở các đầu nối thần kinh, dẫn đến nhiều ảnh hưởng khác nhau.
Vật liệu Bentonit đã được biến tính bằng cách trao đổi với ion Fe3+ (Bent-Fe) nhằm làm tăng khoảng cách của các lớp Bentonit. Vật liệu Bent-Fe có dung lượng hấp phụ cực đại cao hơn 2 lần so với của Bentonit ban đầu (Bent). Sau đó vật liệu Bent-Fe được sử dụng để tổng hợp vật liệu nanocomposit Fe-TiO2/Bent-Fe, N-ZnO/Bent-Fe.
Các vật liệu thu được có kích thước nano và có khả năng hấp thụ ánh sáng trong vùng khả kiến. Các hạt xúc tác ZnO và TiO2 được phân tán đều lên các lớp Bentonit. Khả năng hấp phụ - xúc tác phân huỷ của các vật liệu đối với diazinon đã được khả sát. Tại điều kiện tối ưu, dung lượng hấp phụ diazinon cực đại của Fe- TiO2/Bent-Fe và N-ZnO/Bent-Fe tương ứng là 27,03 và 24,89 mg/g. Hiệu quả phân huỷ dung dịch diazinon của vật liệu Fe-TiO2/BentFe và N-ZnO/Bent-Fe tương ứng là 80,6 và 87,1% sau 6 giờ chiếu sáng bởi đèn compact.
Khả năng hấp phụ diazinon bởi đất trộn với vật liệu nanocomposit N-ZnO/Bent-Fe theo các tỉ lệ khác nhau đã được khảo sát. Kết quả hệ số hấp phụ K tính từ phương trình Freundlich cho thấy dung lượng hấp phụ diazinon của đất có bổ sung N-ZnO/Bent-Fe tăng lên đáng kể so với đất tự nhiên. Phần trăm diazinon giải phóng ra từ lớp đất mặt đều có xu hướng giảm đi khi tăng hàm lượng vật liệu nanocomposit trộn trong đất.
Mặt khác, lượng mưa cũng là một yếu tố quan trọng ảnh hưởng lớn tới sự giải phóng của diazinon ra khỏi lớp đất mặt. Sự có mặt của vật liệu nanocomposit N-ZnO/BentFe cùng làm tăng đáng kể khả năng phân huỷ diazinon trong lớp đất mặt (tăng khoảng 6 lần với tỉ lệ N-ZnO/Bent-Fe 2 %).
Vật liệu cũng thể hiện hoạt tính xúc tác phân huỷ diazinon trong lớp đất mặt tốt hơn ở điều kiện ánh sáng tự nhiên, hiệu suất phân huỷ diazinon đạt 75,6% trong 5 ngày với hàm lượng vật liệu sử dụng là 2%. Kết quả chỉ ra rằng vật liệu có khả năng hạn chế sự rửa trôi diazinon từ đất ra nước cũng như thúc đẩy quá trình phân huỷ diazinon trong môi trường đất mặt./.
Ý kiến bạn đọc
Bạn cần đăng nhập với tư cách là Thành viên chính thức để có thể bình luận
