Ảnh minh họa: Internet

Hexavalent chromium (Cr(VI)) là một trong những kim loại nặng độc hại phổ biến trong nước thải công nghiệp, có độc tính cao, khả năng gây ung thư và tích lũy sinh học, ảnh hưởng nghiêm trọng đến môi trường và sức khỏe con người. Các phương pháp xử lý Cr(VI) truyền thống như kết tủa hóa học, trao đổi ion, điện hóa và xử lý sinh học tuy có hiệu quả nhất định nhưng thường đi kèm với chi phí cao, quy trình phức tạp và khó triển khai trên quy mô lớn.

Trong bối cảnh đó, việc nghiên cứu và phát triển các phương pháp xử lý nước thải bằng vật liệu hấp phụ thân thiện với môi trường, hiệu quả và chi phí thấp trở nên cấp thiết. Đặc biệt, việc sử dụng các vật liệu hấp phụ có nguồn gốc tự nhiên như tro trấu, vỏcủ ấu, lõi ngô hoặc lá sen đang thu hút sự quan tâm rộng rãi nhờ tính sẵn có, giá thành thấp và khả năng tái sử dụng cao (Krstić & cs., 2018; Kanamarlapudi & cs., 2018). Trong số các phương pháp xử lý kim loại nặng, hấp phụ được xem là giải pháp ưu việt nhờ hiệu suất loại bỏ cao, điều kiện vận hành đơn giản và ít phát sinh chất thải thứ cấp (Fu & cs., 2011).

Manganese dioxide (MnO₂) là một vật liệu hấp phụ tiềm năng với diện tích bề mặt lớn, độ hoạt hóa hóa học cao và khả năng oxy hóa mạnh. Các nghiên cứu trước đây đã cho thấy hiệu quả cao trong xử lý Cr(VI) khi kết hợp MnO₂ với nền sinh khối tự nhiên như biochar hoặc các chất hấp phụ nguồn gốc sinh học khác (Ge & cs., 2023; Li & cs., 2020).Một số nghiên cứu gần đây đã bước đầu khai thác tiềm năng xửlý kim loại nặng của vỏ ốc nước ngọt –loại sinh khối tự nhiên giàu canxi cacbonat –trong đó có ứng dụng trực tiếp để loại bỏ Cr(VI) trong môi trường nước (Vu & cs., 2019). Ngoài ra, hiệu quả hấp phụ Cr(VI) còn được cải thiện khi kết hợp vỏ ốc hoặc vỏs ò với hạt từ tính như Fe₃O₄ nhằm tăng khả năng tái sử dụng và tách pha sau xử lý (Nguyen & cs., 2020; Mohagheghian & cs., 2017). Tuy nhiên, cho đến nay, chưa có công trình nào sử dụng vật liệu tổ hợp giữa vỏ ốc và MnO₂ để xử lý Cr(VI). Trong khi đó, MnO₂ có khả năng tạo hiệu ứng cộng hưởng nhờ đặc tính oxy hóa mạnh, khi kết hợp với nền sinh khối giàu khoáng như vỏ ốc có thể tạo ra vật liệu hấp phụ có tính năng vượt trội. Bên cạnh đó, cơ chế tương tác giữa MnO₂ và thành phần khoáng tự nhiên có trong vỏ ốc trong quá trình hấp phụ Cr(VI) cũng chưa được làm rõ.

Xuất phát từ mục tiêu khai thác hiệu quả nguồn sinh khối bản địa có sẵn, chi phí thấp và thân thiện với môi trường, nghiên cứu này đề xuất phương pháp biến tính vỏ ốc nước ngọt bằng cách kết hợp với MnO₂ thông qua quy trình thủy nhiệt đơn giản, có khả năng áp dụng trong việc phát triển vật liệu hấp phụ. Vật liệu thu được được đặc trưng bằng các kỹ thuật phân tích hiện đại như nhiễu xạ tia X (XRD), phổhồng ngoại biến đổi Fourier (FT-IR), phổ tán xạ năng lượng tia X (EDS), kính hiển vi điện tử quét (SEM) và phân tích hấp phụ–khử hấp phụ N₂ (BET), nhằm làm rõ cấu trúc cũng như đặc tính bề mặt của vật liệu. Đồng thời, nghiên cứu tiến hành khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả hấp phụ Cr(VI), bao gồm pH dung dịch, thời gian đạt cân bằng hấp phụ, nồng độ ban đầu của Cr(VI) và lượng chất hấp phụ, từ đó đánh giá hiệu suất và cơ chế hấp phụ của vật liệu tổng hợp. Kết quả thu được kỳ vọng sẽ góp phần phát triển các vật liệu hấp phụ có chi phí hợp lý, thân thiện với môi trường và đạt hiệu quả cao trong xử lý ô nhiễm kim loại nặng, đặc biệt là ion Cr(VI).

Trong nghiên cứu này, vật liệu hấp phụ tổ hợp VO-MnO₂ đã được tổng hợp thành công từ vỏ ốc bươu đen (Pila polita) thông qua phương pháp thủy nhiệt sử dụng KMnO₄ trong môi trường axit HCl. Phân tích đặc trưng cho thấy sự hình thành MnO₂ trên nền CaCO₃ tự nhiên với cấu trúc xốp và diện tích bề mặt lớn. Vật liệu thể hiện hiệu quả hấp phụ Cr(VI) cao, với dung lượng cực đại đạt 47,39 mg/g, mô tả tốt theo mô hình đẳng nhiệt Langmuir (R² = 0,9992), cho thấy cơ chế hấp phụ đơn lớp.Quá trình động học tuân theo mô hình biểu kiến bậc hai, cho thấy cơ chế hấp phụ chủ yếu diễn ra thông qua tương tác hóa học giữa chất hấp phụ và ion kim loại. Các điều kiện ảnh hưởng như pH, thời gian, nồng độ và liều lượng chất hấp phụ đều đã được tối ưu, trong đó pH = 3 và thời gian cân bằng 90 phút là điều kiện tối ưu. Với hiệu suất cao, nguyên liệu sẵn có, giá thành thấp và thân thiện với môi trường, vật liệu VO-MnO₂ cho thấy tiềm năng ứng dụng thực tiễn trong xử lý nước thải ô nhiễm Cr(VI) và các kim loại nặng khác.