Với sự phát triển nhanh chóng của công nghiệp hóa, các chất ô nhiễm như kim loại nặng, thuốc nhuộm hữu cơ và dư lượng thuốc trừ sâu trong nước và đất ngày càng trở nên nghiêm trọng. Các chất hấp phụ truyền thống (như than hoạt tính và zeolit) gặp phải những hạn chế như khả năng hấp phụ thấp, chọn lọc kém và khó tái sinh. Do đó, việc phát triển các chất hấp phụ mới, hiệu quả cao, thân thiện với môi trường và có thể tái tạo đã trở thành một chủ đề nóng trong nghiên cứu môi trường.
Oxit kẽm nano gồm các tinh thể kẽm oxit có kích thước hạt từ 1 đến 100 nm. Nó có cấu trúc kẽm blende hình lục giác và mang lại những ưu điểm như hiệu ứng bề mặt, hiệu ứng kích thước lượng tử và tính phản ứng hóa học cao. So với kẽm oxit thông thường, diện tích bề mặt riêng của kẽm oxit nano có thể tăng gấp hàng chục lần. Bề mặt của nó giàu các nhóm hoạt động như nhóm hydroxyl (–OH), và điện tích bề mặt có thể được điều chỉnh bằng pH, cho phép hấp phụ hiệu quả nhiều loại chất ô nhiễm khác nhau. Ngoài ra, tính bán dẫn của nó còn mang lại khả năng phân hủy quang xúc tác, cho phép thực hiện quá trình “hấp phụ – phân hủy” tích hợp, có giá trị ứng dụng không thể thay thế trong xử lý môi trường.
Đặc điểm cấu trúc và cơ chế hấp phụ của kẽm oxit nano
(I) Đặc điểm cấu trúc
Những ưu điểm cốt lõi của kẽm oxit nano xuất phát từ các hiệu ứng ở quy mô nano:
Diện tích bề mặt riêng lớn: Kích thước hạt càng nhỏ thì diện tích bề mặt riêng càng lớn. Ví dụ, ZnO NPs có kích thước 30–50 nm có thể đạt diện tích bề mặt riêng từ 12–50 m²/g, cung cấp nhiều vị trí hoạt động cho hấp phụ;
Nhiều vị trí hoạt động trên bề mặt: Các nguyên tử bề mặt chưa bão hòa về phối trí, với số lượng lớn các khuyết tật oxy, khuyết tật kẽm và nhóm hydroxyl (–Zn–OH), có thể tạo liên kết hóa học hoặc liên kết hydro với các chất ô nhiễm;
Điện tích bề mặt có thể điều chỉnh: Điểm trung hòa điện tích (PZC) vào khoảng 9–10. Khi pH PZC, bề mặt mang điện tích âm (–Zn–O⁻), hấp phụ các chất ô nhiễm dương;
Tính hiệp đồng quang xúc tác: Dưới ánh sáng UV, cặp electron – lỗ trống được tạo ra, sản sinh các gốc có tính oxy hóa mạnh như gốc hydroxyl (・OH), có thể phân hủy các chất ô nhiễm hữu cơ hấp phụ thành CO₂ và H₂O, nhờ đó tái tạo các vị trí hấp phụ.
(II) Cơ chế hấp phụ
Sự hấp phụ của các chất ô nhiễm bởi kẽm oxit nano là một quá trình hiệp đồng bao gồm hấp phụ vật lý, hấp phụ hóa học, phức hợp bề mặt, tương tác tĩnh điện và kết hợp quang xúc tác:
Hấp phụ vật lý: Phụ thuộc vào lực van der Waals; các phân tử chất ô nhiễm tích tụ thành một hoặc nhiều lớp trên bề mặt ZnO NP; có tính thuận nghịch cao và chiếm ưu thế ở nhiệt độ thấp;
Hấp phụ hóa học (chiếm ưu thế): Các nhóm hydroxyl bề mặt tạo liên kết hóa học với chất ô nhiễm; ví dụ, các ion kim loại nặng (Cu²⁺, Pb²⁺) tạo phức bề mặt (–Zn–O–M) với nhóm –OH, trong khi thuốc nhuộm hữu cơ liên kết qua tương tác π-π hoặc liên kết hydro, phù hợp với mô hình động học gần bậc hai;
Hấp phụ tĩnh điện: Điện tích bề mặt được điều chỉnh bởi pH, thu hút và hấp phụ các chất ô nhiễm dạng ion thông qua điện tích trái dấu; ví dụ, Cr₂O₇²⁻ được hấp phụ trong điều kiện axit, trong khi Ni²⁺ được hấp phụ trong điều kiện kiềm;
Hấp phụ kết hợp quang xúc tác: Các chất ô nhiễm hữu cơ hấp phụ được quang xúc tác phân hủy, cho phép các vị trí hấp phụ liên tục tái tạo, từ đó nâng cao khả năng hấp phụ và độ ổn định chu kỳ.
Kẽm oxit nano có thể được sử dụng để hấp phụ các ion kim loại nặng. Các kim loại nặng như Pb²⁺, Cu²⁺, Ni²⁺ và Cr⁶⁺ trong nước thải công nghiệp (từ xi mạ, luyện kim và điện tử) rất độc hại và khó phân hủy; ZnO NPs loại bỏ chúng hiệu quả thông qua phức hợp bề mặt, hấp phụ tĩnh điện và trao đổi ion. Kẽm oxit nano cũng có thể ứng dụng để hấp phụ thuốc nhuộm hữu cơ. Nước thải dệt may và nhuộm chứa lượng lớn các thuốc nhuộm azo như đỏ Congo, xanh methylen và tím tinh thể, vốn rất độc hại, có độ màu cao và khó phân hủy sinh học. ZnO NPs hấp phụ các thuốc nhuộm này thông qua tương tác π-π, liên kết hydro và tương tác tĩnh điện, kết hợp với phân hủy quang xúc tác.
Là một chất hấp phụ mới và hiệu quả cao, kẽm oxit nano thể hiện hiệu suất vượt trội trong xử lý các chất ô nhiễm như kim loại nặng, thuốc nhuộm hữu cơ và VOCs, nhờ diện tích bề mặt riêng lớn, nhiều vị trí hoạt động, điện tích bề mặt có thể điều chỉnh và các ưu điểm hiệp đồng giữa hấp phụ và quang xúc tác. Mặc dù vẫn còn những thách thức như an toàn sinh thái và độ ổn định chu kỳ, nhưng thông qua tối ưu hóa quy trình, biến đổi hỗn hợp và thiết kế kỹ thuật, kẽm oxit nano được kỳ vọng sẽ trở thành vật liệu hấp phụ cốt lõi trong lĩnh vực xử lý môi trường, cung cấp hỗ trợ kỹ thuật cho kiểm soát ô nhiễm nước và bảo tồn sinh thái.