Các tính chất của nanocellulose (ví dụ như tính chất cơ học, tính chất tạo màng, độ nhớt,…) làm cho nó trở thành một vật liệu cho nhiều ứng dụng và tiềm năng cho ngành công nghiệp trị giá hàng tỷ đô la. Nanocellulose trong lĩnh vực sản xuất giấy và bìa; tạo ra một vật liệu để gia cố nhựa; sử dụng như một chất thay thế calo thấp có các chất phụ gia carbohydrate ngày nay được sử dụng làm chất làm đặc, chất mang hương vị và chất ổn định huyền phù trong nhiều loại sản phẩm thực phẩm và rất hữu ích để sản xuất chất độn, nghiền,..các ứng dụng thực phẩm đã sớm được công nhận là một lĩnh vực ứng dụng rất thú vị cho nanocellulose do hoạt động lưu biến của gel nanocellulose; nanocellulose sử dụng cùng với các polymer siêu thấm, sản phẩm không dệt để làm vật liệu siêu thấm nước; sử dụng trong y tế, mỹ phẩm và dược phẩm; xử lý nước thải (làm màng lọc, hấp phụ kim loại nặng…). Từ những ứng dụng ưu việt của nanocellulose nói trên thì trong đề tài nghiên cứu này em xin chọn ứng dụng nanocellulose vào khả năng hấp phụ ion kim loại nặng.
2.6.1 Tình hình hiện nay
Trong những năm gần đây của nước ta, do phát triền kinh tế và gia tăng dân số nên môi trường nước ngày càng ô nhiễm bởi kim loại nặng mà nguồn gốc chủ yếu từ công nghiệp và giao thông vận tải. Các kim loại nặng nói chung lại rất khó loại bỏ bằng các biện pháp xử lý nước thải thông thường và nếu chúng xâm nhập vào các nguồn nước sinh hoạt ở mức cao hơn mức cho phép sẽ là nguồn gốc của nhiều bệnh hiểm nghèo, đe dọa sức khỏe và tính mạng của con người. Vì vậy mà vấn đề
nghiên cứu và bảo vệ môi trường nói chung và môi trường nước nói riêng trở thàng mối quan tâm hàng đầu của nhiều quốc gia và tổ chức trên Thế Giới.
Ô nhiễm kim loại nặng trong nước không chỉ trực tiếp do nước thải công nghiệp và sinh hoạt mà còn có thể từ các nguồn gốc khác…
2.6.2 Các kim loại nặng thường gặp trong nước.
Riêng nước ta, các đường ống dẫn nước và cáp ngầm do đã quá cũ nên có khả năng bị ăn mòn gây ô nhiễm Zn, Pb, Cd… Nhưng chì (Pb) là nguyên tố kim loại nặng được chú ý nhiều nhất về phương diện ô nhiễm môi trường. Nó gây ra hơn một trăm ngàn cái chết hàng năm (WHO 2016), do chì là một chất độc thần kinh trong cơ thể con người, ảnh hưởng đến hệ thần kinh trung ương. Phơi nhiễm chì ở trẻ em có liên quan đến sự phát triển thần kinh, kỹ năng vận động giảm sút, và các vấn đề về hành vi [17]. Ngoài nhiễm độc thần kinh [22], phơi nhiễm chì có thể dẫn đến tăng nguy cơ mắc các vấn đề về tim mạch (ví dụ: tăng huyết áp, đau tim hoặc đột quỵ) [11], tổn thương thận [15], mất cân bằng nội tiết tố (ví dụ như vô sinh)[8], và giảm cơ xương chức năng [20]. Chì cũng có thể gây ra dị tật bẩm sinh [16] và là một chất gây ung thư [21]. Chì thường được sử dụng trong cơ sở hạ tầng của giao thông đường thủy trên toàn thế giới. Nó đang đặt ra một mối đe dọa ngày càng tăng;
sự hòa tan chì tăng theo thời gian do sự ăn mòn cơ sở hạ tầng, dẫn đến làm tăng hàm lượng chì trong việc cung cấp nước uống. Gần đây việc sử dụng Chloramine để tăng cường khử trùng trong các cơ sở xử lý nước đã làm tăng hàm lượng chì trong nước uống do phản ứng giữa clo và đường ống dẫn Error: Reference source not found. Các phương pháp khác nhau để khắc phục thách thức này ngày càng được chú trọng và phát triển; trong số các phương pháp đó thì gần đây vật liệu cấu trúc nano và vật liệu nano được chiết xuất từ thành phần cellulose của sinh khối sử dụng phương pháp xử lý hóa lý kết hợp đã được chứng minh là có hiệu quả trung bình để loại bỏ tạp chất ion kim loại nặng [10].
2.6.3 Phương pháp hấp phụ a . Khái niệm hấp phụ
Hấp phụ, không bị nhằm lẫn với sự hấp thụ, là một quá trình mà chất khí, chất lỏng hoặc chất tan (chất trong dung dịch) liên kết với bề mặt của chất rắn hoặc chất lỏng (gọi là chất hấp phụ), tạo thành một màng gồm các phân tử hoặc nguyên tử. Nó khác với sự hấp thụ, một quá trình mà một chất khuếch tán vào (hoặc thấm) môi trường hấp thụ chất rắn hoặc chất lỏng. Hấp phụ được tìm thấy xảy ra trong nhiều hệ thống vật lý, sinh học, hóa học tự nhiên. Nó được sử dụng rộng rãi trong nghiên cứu phòng thí nghiệm, các ứng dụng công nghiệp và hệ thống lọc nước.
b . Cơ chế hấp phụ
Hấp phụ là kết quả của sự tương tác hấp dẫn giữa bề mặt chất hấp phụ và chất được hấp phụ. Trong phần lớn chất hấp phụ, thường xuất hiện các liên kết có thể là liên kết ion, cộng hóa trị… của các nguyên tử cấu thành của vật liệu được đáp ứng bởi với các nguyên tử khác trong vật liệu.
CNF dưới dạng cellulose, sợi nano nơi bề mặt sợi mang nhiều nhóm carboxylate (COO-) có thể hấp phụ các ion kim loại nặng mang điện tích (+), chẳng hạn như crom, chì, urani…Thông thường, các phương pháp này chỉ hiệu quả khi không có sự hiện diện của lignin và hemiaecellulose, nên đòi hỏi nhiều quá trình xử lý để chiết xuất cellulose từ sinh khối không được xử lý. Nhưng có một phương pháp đơn giản để chuẩn bị CNF trực tiếp từ sinh khối chưa được xử lý (hoặc thô) sử dụng acid nitric (HNO3) hoặc hỗn hợp acid nitric – natri nitrit (NaNO2, được gọi là phương pháp “nitro – oxy hóa”. Các cellulose chiết xuất sợi nano từ phương pháp oxy hóa nitro được viết tắt là NOCNF.
c . Yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hấp phụ
Mức độ hấp phụ bị ảnh hưởng bởi các tính chất nhất định của chất hấp phụ và chất bị hấp phụ, và các điều kiện như nhiệt độ và áp suất. Ngoài ra, diện tích bề mặt của vật liệu hấp phụ, diện tích càng lớn thì khả năng hấp phụ càng cao.