Lớp vật liệu hấp phụ nano đầu tiên được quan tâm nghiên cứu là các hạt nano. Các hạt nano có bản chất là vật liệu hữu cơ, vô cơ hoặc lai hữu cơ - vô cơ. Cho đến nay các chất hấp phụ nano cơ bản sử dụng trong xử lý nước bao gồm một số nhóm chính: Chất hấp phụ nano trên cơ sở carbon, kim loại và oxit kim loại.
1.2.1.1. Chất hấp phụ nano trên cơ sở carbon
Các chất hấp phụ gốc carbon bao gồm than hoạt tính, vật liệu nano cacbon, chúng thể hiện khả năng hấp phụ và tính bền nhiệt cao [38-40]. Chất hấp phụ nano gốc carbon được đánh giá là chất hấp phụ có nhiều ưu điểm để loại bỏ các chất ô nhiễm vô cơ và hữu cơ. Tuy nhiên, ứng dụng quy mô lớn của ống nano cacbon (CNTs), còn hạn chế vì lý do kinh tế và một số vấn đề kỹ thuật. Cho đến nay, việc thiết kế chất hấp phụ trên cơ sở nhóm vật liệu này với chi phí thấp hơn và sử dụng hiệu quả hơn vẫn là một thách thức lớn. Ngoài CNTs, một dạng thù hình khác của cacbon là graphene cũng được nghiên cứu ứng dụng trong hấp phụ các chất ô nhiễm.
1.2.1.2. Chất hấp phụ nano trên cơ sở hạt nano kim loại
Trong những năm gần đây, nhiều loại hạt nano của các kim loại như Ag, Fe, Zn, Al, ... đã thu hút sự quan tâm nghiên cứu rộng rãi cho mục tiêu xử lý môi trường. Các hạt nano kim loại được nghiên cứu để khử khuẩn và loại bỏ các kim loại nặng
trong nước như As, Pb, Hg, Cr, ... Hạt nano kim loại có thể được sản xuất bằng các phương pháp tương đối đơn giản. Do năng lực hấp phụ cao, chi phí thấp, dễ tách và dễ tái sinh nên chúng có lợi thế xét trên quan điểm công nghệ và kinh tế [41].
Hạt nano bạc (Ag NPs): có tính kháng khuẩn mạnh đối với nhiều loại vi sinh vật, liên
quan đến vi rút, vi khuẩn và nấm [41]. AgNPs đã được ứng dụng rộng rãi như một chất kháng khuẩn tuyệt vời để khử trùng nước. Ngoài ra, AgNPs được coi là một vật liệu xúc tác hấp dẫn vì các đặc tính hóa lý độc đáo của chúng. Các ưu điểm chính của AgNPs bao gồm: Hoạt tính xúc tác có thể dễ dàng điều chỉnh bằng cách điều chỉnh kích thước, hình dạng hạt và nhiệt độ; Hoạt động trong điều kiện êm dịu, thậm chí ở nhiệt độ phòng; Đặc biệt thích hợp cho các ứng dụng thực tế do giá thành tương đối rẻ, thường nhỏ hơn 50 lần so với Au hoặc Pt, và có độc tính thấp [42, 43]. Tuy nhiên hiệu quả khử trùng và hiệu quả xúc tác bị giảm đi đáng kể khi sử dụng trực tiếp AgNPs mà nguyên nhân là do AgNPs dễ bị oxy hóa, dễ bị kết tụ thành hạt lớn trong môi trường nước làm giảm hoạt tính của chúng [44].
Hạt nano nhôm (nZVAl): Có khả năng khử rất cao nhưng khi ở trong nước do hình
thành lớp oxit/hydroxit trên bề mặt (lớp này ngăn chặn sự vận chuyển các electron từ lõi kim loại sang các chất ô nhiễm) mà nZVAl bị mất đi tính năng khử.
Các hạt nano sắt và kẽm (nZVI và nZVZ): có khả năng hoạt động như một chất khử
khi tiếp xúc với các tác nhân ô nhiễm. Mặc dù khả năng khử yếu hơn nZVZ, nZVI có một số ưu điểm lớn hơn nZVZ như khả năng hấp phụ, đặc tính kết tủa và oxy hóa (với sự trợ giúp của oxy hòa tan) và giá thành thấp [45, 46].
1.2.1.3. Chất hấp phụ nano trên cơ sở nano oxit kim loại
Các hạt nano oxit kim loại (metal oxide nanoparticles - MONPs), bao gồm các oxit của Fe, Mn, Al, Ti, ... từ lâu đã được đánh giá là những chất hấp phụ nano có triển vọng để loại bỏ chất ô nhiễm [47-51]. Do hiệu ứng lượng tử hóa kích thước, các hạt nano này có khoảng cách khuếch tán nội hạt nhỏ, diện tích bề mặt riêng cao, có thể nén được mà không làm giảm diện tích bề mặt đáng kể, có nhiều vị trí hấp phụ hơn và dễ tái sử dụng [52]. Gần đây, rất nhiều nghiên cứu cho thấy nhiều MONPs có khả năng hấp phụ các các chất ô nhiễm trong nước và nước thải cao, có ưu thế cả về dung lượng, tốc độ và độ chọn lọc [53]. Với chi phí thấp, dễ tái sinh và khả năng hấp phụ cao, MONPs có lợi thế về mặtcông nghệ và kinh tế.
Trong số MONPs, các hạt nano oxit từ tính rất được quan tâm. Chúng không những có khả năng hấp phụ, xúc tác hấp phụ cao, giá thành rẻ, mà còn có thể dễ dàng tách khỏi nước bằng từ trường ngoài [54].
1.2.1.4. Những hạn chế của hạt nano ứng dụng trong xử lý nước
Mặc dù có hoạt tính cao đối với các tác nhân ô nhiễm, các hạt nano sử dụng trong xử lý nước vẫn có những nhược điểm cố hữu. Ở kích thước nano, hạt dễ bị kết tụ dưới tác động của lực Van der Waals và các tương tác khác. Hiệu ứng này làm giảm diện tích bề mặt cũng như hoạt tính hóa học của hạt, dẫn đến khả năng xúc tác hấp phụ và tính chọn lọc giảm đi đáng kể [55]. Một trong những hạn chế lớn nữa là rất khó tách các hạt nano ra khỏi hệ thống huyền phù để làm sạch nước, cũng như thu gom vật liệu, hoặc hoàn nguyên để tái sử dụng. Chúng cũng có thể bị phát tán vào nước ảnh hưởng đến môi trường và sức khỏe con người [56]. Đây là những rào cản cơ bản trong việc sử dụng các hạt nano trong xử lý nước. Để khắc phục, một cách tiếp cận khả thi là phát triển các vật liệu hấp phụ nanocomposite (NC). Vật liệu hấp phụ NC có thể tận dụng lợi thế của các thành phần có mặt trong nó, bao gồm cả chất mang và hạt nano [57]. Đặc biệt, Trên cơ sở NC có thể chế tạo các vật liệu hấp phụ nano xốp có kích thước lớn theo mong muốn để sử dụng dưới dạng cột nhồi. Việc lựa chọn chất mang và các thành phần phụ trợ cho vật liệu hấp phụ NC là rất quan trọng vì nó trực tiếp chi phối hiệu suất và phương thức sử dụng của vật liệu hấp phụ hình thành. Cho đến nay, NC được đánh giá là con đường khả thi nhất để chuyển tiếp công nghệ nano ứng dụng trong xử lý nước từ phòng thí nghiệm đến các ứng dụng quy mô lớn trong thực tế [58].