Quy trình tổng hợp nano TiO₂ từ chiết xuất lá Diệp hạ châu (Phyllanthus urinaria) và lá Sả (Cymbopogon citratus)

Ô nhiễm kim loại nặng, đặc biệt là chì (Pb) trong nguồn nước là một trong những vấn đề nghiêm trọng và cấp bách hiện nay. Chì được biết đến như một chất độc mạnh có khả năng tích tụ trong cơ thể, gây ra nhiều hệ lụy cho sức khỏe con người, như tổn thương thần kinh, suy thận, rối loạn máu và các bệnh mãn tính khác (Collin et al., 2022). Trong đó, trẻ em và phụ nữ mang thai là nhóm đối tượng dễ bị ảnh hưởng nặng nề nhất khi tiếp xúc với chì, với khả năng gây ra các rối loạn phát triển và giảm trí tuệ (Edwards, 2014). Ngoài những hậu quả về sức khỏe, chì còn gây ảnh hưởng tiêu cực đến hệ sinh thái nước, làm suy giảm chất lượng nước, ảnh hưởng đến đa dạng sinh học và làm gia tăng nguy cơ suy thoái môi trường (Collin et al., 2022). Ở các quốc gia đang phát triển, nơi quy trình xử lý nước thải công nghiệp và quản lý ô nhiễm môi trường còn hạn chế, tình trạng nhiễm chì trong nước đang trở nên phổ biến và khó kiểm soát  (Nguyen et al., 2018).

Trước những thách thức này, việc tìm kiếm các giải pháp xử lý nước ô nhiễm chì hiệu quả, thân thiện với môi trường và chi phí thấp đã trở thành một hướng nghiên cứu quan trọng. Một trong những phương pháp tiềm năng đang được nhiều nhà khoa học quan tâm là sử dụng vật liệu hấp phụ, trong đó TiO₂ (Titanium dioxide) là một trong những chất hấp phụ hiệu quả. TiO₂ được biết đến với các đặc tính ưu việt như ổn định hóa học, bền vững và không gây độc hại (Tran et al., 2021). Đặc biệt, khả năng quang xúc tác dưới ánh sáng tia cực tím của TiO₂ đã được ứng dụng rộng rãi trong việc xử lý các chất ô nhiễm hữu cơ và diệt khuẩn trong nước (Ahmad et al., 2020). Tuy nhiên, hiệu quả hấp phụ các ion kim loại nặng, đặc biệt là chì của TiO₂ vẫn còn hạn chế, chủ yếu do khả năng tương tác của bề mặt vật liệu chưa đủ mạnh.

Nhằm tăng cường khả năng hấp phụ chì, một số nghiên cứu gần đây đã được thử nghiệm kết hợp TiO₂ với các phụ gia hữu cơ hoặc chiết xuất từ thực vật. Các chiết xuất từ thực vật không chỉ giúp tăng khả năng hấp phụ mà còn mang lại lợi ích về mặt bền vững môi trường, do các hợp chất tự nhiên dễ phân hủy sinh học và không gây ô nhiễm thứ cấp (Panneerselvam et al., 2021). Trong các loại thực vật, lá sả (Cymbopogon citratus) chứa nhiều hợp chất hữu cơ như flavonoid và phenol, có khả năng tạo liên kết với các ion kim loại, từ đó gia tăng hiệu quả hấp phụ (Oladeji et al., 2019). Ngoài ra, lá diệp hạ châu (Phyllanthus urinaria) cũng được chứng minh có chứa các hợp chất chống oxy hóa mạnh, giúp tăng khả năng tương tác và giữ lại ion kim loại nặng trên bề mặt vật liệu (Panneerselvam et al., 2021). 

Nghiên cứu này được thực hiện nhằm đánh giá khả năng hấp phụ ion chì (Pb) của hai loại dịch chiết từ lá sả (Cymbopogon citratus) và lá diệp hạ châu (Phyllanthus urinaria) kết hợp với titanium isopropoxide dưới các điều kiện thí nghiệm theo mẻ. Các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ của các vật liệu này, bao gồm pH, thời gian tiếp xúc, nồng độ Pb và liều lượng vật liệu, được đánh giá một cách chi tiết. Kết quả thí nghiệm được phân tích và so sánh dựa trên các mô hình động học hấp phụ và đẳng nhiệt, nhằm làm rõ hơn cơ chế và hiệu quả hấp phụ của các vật liệu chiết xuất từ lá sả và lá diệp hạ châu kết hợp với titanium isopropoxide.

Kết quả thí nghiệm cho thấy TiO₂@Cymbopogon citratus hấp phụ tốt hơn ở pH 6, với thời gian hấp phụ 120 phút, liều lượng 0,01 g và nồng độ Pb 50 mg/L. Động học hấp phụ phù hợp với mô hình bậc hai và Elovich. Quá trình hấp phụ của TiO₂@Cymbopogon citratus tuân theo mô hình đẳng nhiệt Langmuir (hấp phụ đơn lớp), trong khi TiO₂@Phyllanthus urinaria theo mô hình Freundlich (hấp phụ đa lớp). Bên cạnh đó, khả năng hấp phụ tối đa (qmax) của TiO₂@Cymbopogon citratus (qmax = 467 mg/g) cao hơn so với TiO₂@Phyllanthus urinaria (qmax = 362,7 mg/g).  

Qua thời gian thực hiện, kết quả được đưa ra từ nghiên cứu này đã giúp chứng minh rằng vật liệu tổng hợp từ hỗn hợp chiết xuất của lá sả (TiO₂@Cymbopogon citratus) và lá diệp hạ châu (TiO₂@Phyllanthus urinaria) kết hợp với titanium isopropoxide có khả năng hấp phụ Pb hiệu quả nhất ở pH = 6, khối lượng 0,01 g, nồng độ 50 mg/L và thời gian 120 phút. Ở cả hai loại vật liệu, mô hình động học hấp phụ phù hợp là mô hình biểu kiến bậc 2, cho thấy cơ chế hấp phụ hóa học. Mô hình đẳng nhiệt Freundlich phù hợp với cả 2 loại vật liệu, cho thấy quá trình hấp phụ đa lớp trên bề mặt chất hấp phụ. Mô hình Langmuir được phân tích và kết quả cho thấy, khả năng hấp phụ tối đa (q_max) của TiO₂@Cymbopogon citratus (467 mg/g) cao hơn khoảng 1,3 lần so với TiO₂@Phyllanthus urinaria (362,7 mg/g), chứng tỏ rằng khả năng hấp phụ Pb của TiO₂@Cymbopogon citratus vượt trội hơn. Tuy nhiên, cả hai vật liệu đều có khả năng xử lý Pb hiệu quả trong dung dịch, mở ra cơ hội ứng dụng để khắc phục ô nhiễm kim loại nặng trong môi trường nước. 

Tuy nhiên, đặc tính lý hóa của vật liệu cần được tiến hành phân tích thêm trong nghiên cứu để khẳng định sự tổng hợp thành công của vật liệu TiO₂@Phyllanthus urinaria và TiO₂@Cymbopogon citratus. Các phương pháp như X-ray diffraction (XRD), scanning electron microscopy (SEM) và Fourier-transform infrared spectroscopy (FTIR) có thể được sử dụng để xác định cấu trúc tinh thể, hình dạng bề mặt, và các nhóm chức hóa học có mặt trên vật liệu. Việc phân tích này sẽ cung cấp thông tin chi tiết về đặc tính cấu trúc, sự phân bố kích thước hạt, cũng như sự tương tác giữa TiO₂ và các thành phần khác trong vật liệu từ dịch chiết lá sả và lá diệp hạ châu. Bên cạnh đó, các nghiệm thức đánh giá khả năng hấp phụ Pb của dịch chiết từ lá sả và lá diệp hạ châu cần được tiến hành thêm trong nghiên cứu, làm cơ sở để so sánh với vật liệu TiO2@Cymbopogon citratus và TiO₂@Phyllanthus urinaria. Điều này sẽ giúp làm rõ hiệu quả của các dịch chiết từ thực vật khi kết hợp với titanium isopropoxide trong việc loại bỏ kim loại nặng, đặc biệt là Pb, từ môi trường nước.

Tạp chí Khoa học Đại học Cần Thơ. Tập 61, Số chuyên đề: Môi trường và Biến đổi khí hậu (2025) (nthang)