Oxit sắt từ nano được coi là vật liệu cĩ tiềm năng to lớn ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Thời gian gần đây vật liệu nano từ được nghiên cứu phát triển rất mạnh mẽ trong lĩnh vực xử lý mơi trường nhờ cĩ các ưu điểm vượt trội: bề mặt riêng lớn, hiệu quả xử lý tốt, giá thành hợp lý, thân thiện mơi trường và đặc biệt là dễ dàng thu hồi, tách loại sau khi xử lý với sự hỗ trợ của từ trường. Các nghiên cứu chủ yếu hướng đến ứng dụng làm vật liệu hấp phụ kim loại nặng và các chất ơ nhiễm hữu cơ.
Nhiều cơng bố cho rằng oxit sắt từ nano cĩ khả năng hấp phụ tốt kim loại nặng. Năm 2010 Nassar và cộng sự đã nghiên cứu quá trình hấp phụ ion Pb (II) của Fe3O4 nano và thu được kết quả dung lượng hấp phụ cực đại đạt tới 36 mg/g [39]. Kích thước nhỏ của vật liệu hấp phụ đã làm tăng quá trình khuếch tán ion kim loại từ dung dịch tới các trung tâm hoạt tính của bề mặt chất hấp phụ.
Trong một nghiên cứu khác, Shen và cộng sự đã nghiên cứu ứng dụng Fe3O4 nano để xử lý nước cĩ chứa các ion Cd2+, Cr6+, Cu2+ và Ni2+. Các kết quả đã chỉ ra rằng cơ chế hấp phụ chủ yếu là tương tác tĩnh điện, và diện tích bề mặt hạt Fe3O4, pH và nhiệt độ ảnh hưởng rất lớn tới dung lượng hấp phụ. Tại nhiệt độ phịng, pH = 4, kích thước trung bình của Fe3O4 là 8 nm cho kết quả hấp phụ cĩ dung lượng lớn hơn cỡ 6 lần so với loại hạt micro [40].
Gautam và cộng sự mới cơng bố gần đây, rằng vật liệu nano siêu thuận từ Fe3O4 cĩ khả năng tách loại rất hiệu quả ion Ni(II) trong mơi trường nước. Quá trình hấp phụ phụ thuộc vào pH và đạt hiệu suất cao nhất tại pH = 8 [41].
Sắt từ nano cũng được cơng bố cĩ thể ứng dụng để tách loại và thu hồi Cr(VI) với giá trị dung lượng hấp phụ tương đương các vật liệu hấp phụ truyền thống như than hoạt tính và khống sét [42].
Năm 2018, Nguyễn Thị Luyến và cộng sự đã nghiên cứu tổ hợp Fe3O4 – than sinh học ứng dụng để xử lý nguồn nước bị ơ nhiễm bằng phương pháp đồng kết tủa. Nghiên cứu cho thấy, vật liệu tổ hợp khơng những cho hiệu quả hấp phụ các ion
kim loại nặng và chất màu hữu cơ cao, mà cịn cĩ thể dễ dàng tái sử dụng [43]. Oxit sắt từ nano cũng được nghiên cứu hấp phụ các chất ơ nhiễm hữu cơ trong nước. Năm 2010, Iram và cộng sự đã cơng bố kết quả khảo sát khả năng hấp phụ chất màu của Fe3O4 nano, dung lượng hấp phụ cực đại đạt 90 mg/g [44]. Vật liệu cĩ từ độ bão hịa là 42 emu/g, đủ để tách loại bằng từ trường ngồi (chỉ cần 16,3 emu/g [45]).
Theo các tài liệu đã cơng bố, hạt oxit sắt từ nano thường cĩ xu hướng kết tụ lại với nhau, do đĩ làm giảm hiệu ứng kích thước nano của vật liệu [46]. Rất nhiều nghiên cứu cải thiện yếu điểm này bằng cách biến tính sắt từ nano với các chất ổn định, chất hoạt động bề mặt, các hợp chất cao phân tử, hoặc các nhĩm chức năng thích hợp. Biến tính bề mặt vật liệu khơng những cĩ tác dụng ổn định các hạt nano, ngăn chặn quá trình oxy hĩa Fe3O4, mà cịn tạo cho vật liệu khả năng tương tác một cách chọn lọc với các chất bị hấp phụ. Tác nhân biến tính, ổn định hạt Fe3O4 nano được sử dụng phổ biến là các hợp chất polyme như polyvinyl alcohol (PVA), poly(-caprolacton) (PCL), polyetylen glycol (PEG)..., gần đây các hợp chất polysaccarid tự nhiên như chitosan, alginat cũng được nghiên cứu mạnh mẽ nhờ tính tương thích sinh học và khả năng phân hủy sinh học tốt [47].
Chitosan (CS) là dạng đề acetyl hĩa từ chitin, cĩ mặt chủ yếu trong vỏ cứng của các loại giáp xác như tơm, cua, mực, tảo biển. Trong cấu trúc của phân tử CS cĩ các nhĩm chức năng -OH bậc 1, -OH bậc 2 và các nhĩm –NH2, đây là các trung tâm hoạt động hĩa học của CS. Nanocomposit Fe3O4/CS đã được nghiên cứu tổng hợp và ứng dụng chủ yếu trong lĩnh vực y sinh, mang thuốc [48], kỹ thuật liệu pháp nhiệt trị và chẩn đốn bằng chụp ảnh cộng hưởng từ hạt nhân (MRI) [49]. Các nghiên cứu ứng dụng vật liệu này trong xử lý mơi trường cũng bắt đầu được các nhà khoa học quan tâm [50].
Bên cạnh CS, alginat cũng được nghiên cứu nhiều thời gian gần đây để chế tạo nanocomposit từ tính dạng hạt với Fe3O4 (magnetic bead). Natri alginat là một polisaccarit tự nhiên được chiết xuất từ tảo nâu, trong cấu trúc cĩ mặt các nhĩm chức carboxyl và hydroxyl, khi kết hợp với ion kim loại hĩa trị II (Ca2+, Mg2+) sẽ tạo cấu trúc lưới gel. Hạt alginat nano từ tính được tổng hợp bằng cách “gĩi” các hạt Fe3O4 nano trong hạt alginat. Năm 2008, Rocher và cộng sự đã nghiên cứu tổng
natri alginat 1%, khuấy trộn mạnh, sau đĩ dùng xy lanh nhỏ vào dung dịch muối Ca2+ 0,5 M với tốc độ 4,3 mL/phút, thu được các hạt hình cầu cĩ kích thước trung bình 2,8 mm. Kết quả khảo sát tách loại metylen xanh và metyl da cam cho thấy hạt alginat/Fe3O4 hấp phụ tốt chất màu và được tách loại dễ dàng bằng từ trường ngồi [51].Năm 2011, Bée và cộng sự đã tổng hợp hạt alginat/Fe3O4 và khảo sát khả năng xử lý ion Pb (II) trong nước. Các tác giả đã chỉ ra rằng hạt alginat/Fe3O4 hấp phụ ion Pb (II) thuận lợi ở điều kiện pH 2,3 – 6, dung lượng hấp phụ cực đại theo mơ hình đẳng nhiệt Langmuir lên đến 100 mg/g [52]. Gần đây, Germanos và cộng sự đã nghiên cứu rất kỹ lưỡng quá trình hấp phụ ion đồng lên bề mặt hạt alginat/Fe3O4. Kết quả cho thấy Fe3O4 khơng cĩ vai trị đặc biệt trong việc xử lý đồng, chỉ cĩ tác dụng cải thiện khả năng thu hồi và tái sử dụng vật liệu [53].
Với đối tượng nước ơ nhiễm các loại dược phẩm và vi khuẩn khác nhau, oxit sắt từ cĩ thể biến tính với các hợp chất cĩ tác dụng kháng khuẩn hay hấp phụ dược phẩm, các cơng bố khoa học theo hướng nghiên cứu này cĩ xu hướng tăng lên trong những năm gần đây [54]. Ding và cộng sự đã tổng hợp composit oxit sắt từ với polyme in dấu phân tử (molecularly imprinted polymer) P(MAA-St-DVB)-FQs [55] và Fe3O4/P(MAA-EGDA)-CTC [56]. Các tác giả đã chỉ ra rằng composit cĩ thể tách loại hiệu quả oxytetracyclin và các hợp chất fluoroquinolon từ mơi trường nước. Một nhĩm tác giả khác đã tổng hợp composit từ tính BSA/Fe3O4 bằng phương pháp nhũ tương đảo tại nhiệt độ phịng, sử dụng macromonome-albumin huyết thanh bị và tác nhân tạo liên kết chéo glutaraldehyd. Vật liệu hứa hẹn triển vọng ứng dụng tách loại các chất kháng sinh erythromycin, streptomycin, tetracyclin và chloramphenicol, với đặc tính thu hồi và tái sinh vật liệu rất hiệu quả. Dung lượng hấp phụ đối với 4 loại kháng sinh nêu trên dao động trong khoảng từ 69,35 mg/g đến 147,83 mg/g [57].
Hướng nghiên cứu biến tính bề mặt oxit sắt từ nano với các tác nhân kháng khuẩn cho đến nay mới tập trung chủ yếu vào vật liệu hạt bạc nano sẽ được trình bày ở phần tiếp theo.