Đột phá KHCN - Đổi mới sáng tạo.

Nhóm nghiên cứu tại Đại học Assiut (Ai Cập) vừa công bố kết quả thử nghiệm sử dụng đá thải từ mỏ phốt phát Abu Tartur để hấp phụ các ion kim loại độc hại trong nước, bao gồm chì (Pb²⁺), đồng (Cu²⁺) và cadimi (Cd²⁺).

Bối cảnh

Cao nguyên Abu Tartur thuộc sa mạc phía Tây Ai Cập là nơi đặt mỏ phốt phát lớn nhất Trung Đông. Theo số liệu nội bộ của Công ty Phốt phát Misr, trong giai đoạn 2008–2021, hoạt động khai thác tại đây thải ra khoảng 30 triệu tấn đá thải, tương đương 3,3 triệu tấn mỗi năm. Phần lớn là đolomit, đá phiến đen, glauconit, cát kết và đá bùn.

Các loại đá thải này chứa nhiều nguyên tố độc hại như cadimi, chì, thủy ngân, crom, urani. Khi bị phong hóa, chúng có thể rò rỉ vào nguồn nước xung quanh và gây ô nhiễm đất nông nghiệp. Đây là vấn đề môi trường lâu dài mà các mỏ phốt phát lớn thường phải đối mặt.

Câu hỏi đặt ra là: thay vì chỉ chôn lấp hoặc để phong hóa tự nhiên, liệu có thể biến những chất thải này thành vật liệu hữu ích không?

Vật liệu và phương pháp

Nhóm nghiên cứu lấy mẫu đolomit phốt phát (ký hiệu PD) và đá phiến đen từ bãi thải của mỏ Abu Tartur. Từ PD, họ tiến hành nung ở 1.100°C để tạo ra đolomit phốt phát nung (CPD), sau đó kết hợp CPD với đá phiến đen và nhôm trong môi trường kiềm để tổng hợp một loại vật liệu mới gọi là sodalit trên nền đolomit phốt phát (SBPD).

Sodalit (sodalite) là khoáng vật thuộc nhóm zeolit, có cấu trúc vi xốp với diện tích bề mặt lớn, được biết đến với khả năng hấp phụ tốt.

Các mẫu vật liệu được phân tích bằng nhiễu xạ tia X (XRD), huỳnh quang tia X (XRF), phổ hồng ngoại (FTIR), kính hiển vi điện tử quét (SEM) và phương pháp BET để xác định diện tích bề mặt và cấu trúc lỗ xốp.

Thí nghiệm hấp phụ được tiến hành trong dung dịch nước nhân tạo chứa Pb²⁺, Cu²⁺ và Cd²⁺ ở các nồng độ khác nhau. Các thông số được khảo sát gồm khối lượng chất hấp phụ, pH, thời gian tiếp xúc và nồng độ ban đầu của kim loại.

Kết quả chính

Diện tích bề mặt tăng đáng kể sau tổng hợp. PD nguyên liệu có diện tích bề mặt BET là 6,8 m²/g, trong khi SBPD đạt 40,7 m²/g — tăng gần sáu lần. Thể tích lỗ xốp cũng tăng từ 0,092 cc/g lên 0,164 cc/g. Đây là yếu tố giải thích tại sao SBPD hấp phụ kim loại hiệu quả hơn PD.

Hiệu suất loại bỏ chì. Với 0,2 g SBPD trong dung dịch chứa 1.000 ppm Pb²⁺ ở pH 3, thời gian tiếp xúc 30 phút, hiệu suất loại bỏ đạt 100%. PD cũng cho kết quả tốt nhưng ở nồng độ thấp hơn: 0,4 g PD loại bỏ 99% Pb²⁺ từ dung dịch 350 ppm.

Hiệu suất loại bỏ đồng. SBPD đạt 92,4% với dung dịch 300 ppm Cu²⁺ ở pH 4. PD đạt 69,3% với dung dịch 100 ppm.

Hiệu suất loại bỏ cadimi. SBPD loại bỏ hoàn toàn (100%) Cd²⁺ từ dung dịch 300 ppm ở pH 3. PD không được thử nghiệm với cadimi trong điều kiện tối ưu.

Thứ tự ái lực hấp phụ của cả hai vật liệu đều theo chiều: Pb²⁺ > Cu²⁺ > Cd²⁺. Điều này được giải thích bởi sự khác biệt về độ âm điện và năng lượng hydrat hóa giữa các ion: Pb²⁺ có độ âm điện cao hơn và năng lượng hydrat hóa thấp hơn (1.502 kJ/mol), khiến nó bị hấp phụ ưu tiên hơn so với Cu²⁺ và Cd²⁺.

Thời gian đạt cân bằng nhanh. Cả PD và SBPD đều đạt hiệu suất hấp phụ cực đại sau khoảng 30 phút tiếp xúc với cả ba loại ion kim loại.

Thí nghiệm hỗn hợp ba kim loại. Khi cả Pb²⁺, Cu²⁺ và Cd²⁺ cùng hiện diện trong một dung dịch, hiệu suất loại bỏ từng ion giảm so với thử nghiệm đơn lẻ do cạnh tranh vị trí hấp phụ. Tuy nhiên, thứ tự ưu tiên Pb²⁺ > Cu²⁺ > Cd²⁺ vẫn được duy trì.

Phân tích mô hình hấp phụ

Nhóm nghiên cứu áp dụng các mô hình đẳng nhiệt Langmuir và Freundlich để mô tả cơ chế hấp phụ.

Kết quả cho thấy sự hấp phụ Pb²⁺ và Cu²⁺ lên cả PD và SBPD phù hợp tốt với mô hình Langmuir (R² > 0,87), gợi ý cơ chế hấp phụ đơn lớp trên bề mặt đồng nhất. Dung lượng hấp phụ cực đại (q_max) của SBPD với Pb²⁺ đạt 123,5 mg/g, cao hơn nhiều so với PD (19,7 mg/g).

Đối với Cd²⁺ trên SBPD, mô hình Freundlich cho kết quả khớp tốt hơn (R² = 0,98), cho thấy hấp phụ đa lớp trên bề mặt không đồng nhất. Điều này có thể liên quan đến lực liên kết yếu hơn giữa Cd²⁺ và bề mặt vật liệu so với Pb²⁺ và Cu²⁺.
Về động học, mô hình bậc hai giả định (pseudo-second-order) phù hợp tốt nhất với dữ liệu thực nghiệm (R² > 0,96), cho thấy quá trình hấp phụ có bản chất hóa học (chemisorption). Mô hình khuếch tán nội hạt cũng phù hợp, chỉ ra rằng quá trình hấp phụ diễn ra qua nhiều giai đoạn kế tiếp nhau, không phải một bước duy nhất.

Đánh giá

Nghiên cứu cho thấy cả PD nguyên liệu lẫn SBPD tổng hợp đều có khả năng hấp phụ kim loại nặng trong điều kiện phòng thí nghiệm, trong đó SBPD vượt trội hơn rõ rệt nhờ diện tích bề mặt lớn và cấu trúc zeolit.

Ưu điểm nổi bật của hướng tiếp cận này là tận dụng chất thải sẵn có tại chỗ, không cần nguyên liệu thương mại đắt tiền. Chi phí xử lý do đó có thể thấp hơn đáng kể so với nhiều phương pháp hấp phụ khác đang được nghiên cứu.

Tuy nhiên, đây là kết quả thử nghiệm với dung dịch nhân tạo trong phòng thí nghiệm. Nước thải thực tế thường chứa nhiều tạp chất khác nhau, có thể ảnh hưởng đến hiệu suất. Bên cạnh đó, quy trình tổng hợp SBPD đòi hỏi nung ở nhiệt độ cao và xử lý thủy nhiệt, các bước này cần được đánh giá về chi phí và tính khả thi ở quy mô lớn hơn trước khi có thể ứng dụng thực tiễn.

Bài báo được đăng trên tạp chí Scientific Reports (Springer Nature) vào tháng 6/2026./.