Tổng hợp vật liệu hấp phụ khung cơ kim (mofs) trên nền polymer ứng dụng tách loại hợp chất màu trong nước thải

BỘ CÔNG THƯƠNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KHOA HỌC
KẾT QUẢ THỰC HIỆN ĐỀ TÀI
NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP TRƯỜNG

Tên đề tài

TỔNG HỢP VẬT LIỆU HẤP PHỤ KHUNG CƠ - KIM (MOFs)
TRÊN NỀN POLYMER ỨNG DỤNG TÁCH LOẠI HỢP CHẤT
MÀU TRONG NƯỚC THẢI

Mã số đề tài:

20/1.5CNH01

Chủ nhiệm đề tài:

TS. Cao Xuân Thắng

Đơn vị thực hiện:

Khoa Cơng nghệ Hóa Học

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 03 năm 2021


LỜI CÁM ƠN
Để thực hiện được báo cáo đề tài nghiên cứu khoa học này, tôi xin chân thành cảm
ơn Quỹ nghiên cứu khoa học của Trường Đại học Công nghiệp TP. Hồ Chí Minh,

lãnh đạo Khoa Cơng nghệ Hóa học, Phịng thí nghiệm Khoa Cơng nghệ Hóa học, các
thành viên tham gia giúp đỡ tôi trong suốt thời gian qua. Đặc biệt tôi xin cảm ơn các
đồng nghiệp cùng làm nghiên cứu tại phòng nghiên cứu vật liệu nano D14 đã động
viên giúp đỡ tôi về mặt tinh thần để hồn thành cơng trình nghiên cứu này.

1


DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
MOFs: Metal-organic frameworks
PSMA: Poly(styrene-alt-maleic anhydride)
MO: Methyl orange
MB: Methylene blue
XRD: X-ray diffraction
FT-IR: Fourier transform infrared spectroscopy
SEM: Scanning electron microscope
XPS: X-ray photoelectron spectroscopy
TGA: Thermogravimetric analysis
CA: Contact angle
PWF: Pure water flux

2


MỤC LỤC
LỜI CÁM ƠN.........................................................................................................................................................1
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT.............................................................................................................................2
MỤC LỤC................................................................................................................................................................3
DANH MỤC BẢNG BIỂU................................................................................................................................5
DANH MỤC HÌNH ẢNH...................................................................................................................................6

PHẦN I. THƠNG TIN CHUNG......................................................................................................................7
PHẦN II. BÁO CÁO CHI TIẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC.......................................14
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN..........................................................................................................................14
1.1 Tổng quan về ô nhiễm môi trường nước bởi hợp chất màu................................14
1.2. Tổng quan về vật liệu khung cơ-kim (MOFs).................................................................14
1.3. Tổng quan về tình hình nước thải ngành dệt nhuộm ...............................................16
CHƯƠNG 2. THỰC NGHIỆM.....................................................................................................................20
2.1. Hóa chất, thiết bị, dụng cụ.........................................................................................................20
2.2. Quy trình tiến hành.........................................................................................................................21
2.3. Các phương pháp phân tích hóa lý......................................................................................23
2.4. Khảo sát thơng lượng nước qua màng.............................................................................23
2.5. Khảo sát khả năng hấp phụ tách loại hợp chất màu của màng MOFs/PSMA
...............................................................................................................................................................................24
2.6. Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ của màng .................24
CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN............................................................................................26
3.1. Tổng hợp và xác định cấu trúc của màng MOFs/PSMA..........................................26
3.2. Kết quả phân tích góc thấm ướt (CA) và thơng lượng nước qua màng (PWF)
...............................................................................................................................................................................31

3.3. Kết quả khảo sát khả năng hấp phụ hợp chất màu....................................................32
3.4. Kết quả khảo sát khả năng tái sử dụng của màng MOFs/PSMA .......................35
3.5. Kết quả khảo sát nhiễu xạ tia X của màng MOFs/PSMA sau khi tái sử dụng
...............................................................................................................................................................................36

CHƯƠNG 4. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ.............................................................................................37
4.1. Kết luận..................................................................................................................................................37
4.2. Kiến nghị...............................................................................................................................................37


3

TÀI LIỆU THAM KHẢO.................................................................................................................................38
PHẦN III. PHỤ LỤC ĐÍNH KÈM................................................................................................................43

4


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 2.1. Các loại hóa chất sử dụng trong nghiên cứu........................................................20
Bảng 2.2. Dụng cụ thiết bị thực nghiệm...........................................................................................20

5


DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1.1. Vật liệu MOFs với các ứng dụng khác nhau ................................................................ 15
Hình 1.2. Tổng hợp màng MOFs/PSMA bằng liên kết hóa học của UiO-66-NH 2 và PSMA ..... 19
Hình 2.1. Sơ đồ quy trình tổng hợp PSMA .................................................................................. 22
Hình 2.2. Sơ đồ quy trình tạo màng MOFs/polymer ................................................................... 23
Hình 2.3. Tách loại chất màu của màng MOFs/PSMA sử dụng đầu trợ lọc Swinnex ................ 24
Hình 3.1. Phổ FT-IR của UiO-66-NH2 (a), màng PSMA (b) và MOFs/PSMA với các hàm lượng

UiO-66-NH2: 5 (c), 9 (d), 15 (e), và 30 (f) % .............................................................................. 26
Hình 3.2. Kết quả TGA của màng PSMA (a) và MOFs/PSMA với các hàm lượng UiO-66-NH2:

5 (b), 9 (c), 15 (d), 30 (e), và 100 (f) % ....................................................................................... 27
Hình 3.3. Nhiễu xạ XRD của UiO-66-NH2 (a) mô phỏng, UiO-66-NH2 (b) được tổng hợp,
màng PSMA (c) và MOFs/PSMA với các hàm lượng UiO-66-NH2:5 (d), 9 (e), 15 (f) và 30 (g)

% .................................................................................................................................................. 28
Hình 3.4. Hình ảnh SEM của màng PSMA (a) và MOFs phân tán trên PSMA ở hàm lượng UiO-

66-NH2: 5 (b), 9 (c), 15 (d) và 30 (e, f) % ................................................................................... 29
Hình 3.5. Độ xốp màng của màng PMSA và MOFs/PSMA........................................................ 30
Hình 3.6. Phổ quét XPS của màng PSMA (a) và MOFs/PSMA (b) ............................................ 30
Hình 3.7. Phổ XPS độ phân giải cao của màng PSMA (a, b) và MOFs/PSMA (c, d) ................. 31
Hình 3.8. Góc thấm ướt CA và thơng lượng nước PWF của màng PSMA và MOFs/PSMA ..... 32
Hình 3.9. Phổ UV-vis của dung dịch MB (a) và MO (b) sau lọc và khả năng tách loại (c) của
màng MOFs/PSMA...................................................................................................................... 33
Hình 3.10. Phổ UV-vis của chất màu sau lọc và hiệu quả hấp phụ MB (a) và MO (b) của màng

PSMA và MOFs/PSMA ............................................................................................................... 33
Hình 3.11. Phổ UV-vis của dung dịch MB (a) và hiệu quả tách loại của màng PSMA (b) và
MOFs/PSMA (c) ở các giá trị pH và nồng độ MB ban đầu khác nhau ....................................... 34
Hình 3.12. Phổ UV-vis của các dung dịch MO (a) và hiệu quả tách loại của màng PSMA........ 35
Hình 3.13. Phổ UV-vis của dung dịch MB (a) và MO (b) sau lọc và hiệu quả tách loại (c) sau
bốn lần sử dụng màng MOFs/PSMA ........................................................................................... 36
Hình 3.14. Nhiễu xạ XRD của màng MOFs/PSMA trước (a) và sau bốn chu kỳ hấp phụ- giải
hấp đối với chất màu MB (b) và MO (c) ..................................................................................... 36

6


PHẦN I. THƠNG TIN CHUNG
I. Thơng tin tổng qt
1.1. Tên đề tài
Tổng hợp vật liệu hấp phụ khung cơ- kim (MOFs) trên nền polymer ứng
dụng tách loại hợp chất màu trong nước thải
1.2. Mã số: 20/1.5CNH01

1.3. Danh sách chủ trì, thành viên tham gia thực hiện đề tài
Họ và tên
TT
1
2

Đơn vị công tác

(học hàm, học vị)
Cao Xuân Thắng, Tiến sĩ Trường Đại học Công nghiệp TP. HCM
Võ Thế Kỳ, Tiến sĩ
Trường Đại học Cơng nghiệp TP. HCM

Vai trị thực
hiện đề tài

Chủ trì
Thành viên

1.4. Đơn vị chủ trì: Khoa Cơng nghệ Hóa học, Đại học Cơng nghiệp Tp.HCM

1.5. Thời gian thực hiện:
1.5.1 Theo hợp đồng: từ tháng 03 năm 2020 đến tháng 02 năm 2021.

1.5.2. Gia hạn (nếu có): Khơng
1.5.3. Thực hiện thực tế: từ tháng 03 năm 2020 đến tháng 02 năm 2021.

1.6. Những thay đổi so với thuyết minh ban đầu (nếu có):
1.7. Tổng kinh phí được phê duyệt của đề tài: 50,000,000 đồng.
II. Kết quả nghiên cứu

1. Đặt vấn đề
Hiện nay, ô nhiễm môi trường phát sinh từ chất thải và xử lý chất thải đã trở thành một trong những
vấn đề hàng đầu trong hệ sinh thái thủy sinh đơ thị trên tồn thế giới. Những thành phần chất hữu cơ
nguy hiểm hiện có rất đa dạng bao gồm thuốc trừ sâu, thuốc diệt cỏ, các chất thải từ ngành dệt
nhuộm, dược phẩm...Các chất hữu cơ độc hại gây ra các tác động xấu đến môi trường và sức khỏe
con người. Để loại bỏ các chất gây ô nhiễm hữu cơ này, nhiều phương pháp như hấp phụ, quang xúc
tác phân hủy, phân hủy sinh học và màng lọc đã được đề xuất. Trong số đó, hấp phụ bằng vật liệu xốp
và vật liệu nano để loại bỏ các chất hữu cơ khỏi nước thải được xem là thành công nhất bởi hiệu quả
cao, dễ vận hành và thân thiện với môi trường. Gần đây, vật liệu khung cơ kim (metal- organic
frameworks, MOFs) được công nhận là vật liệu thay thế tiềm năng để khắc phục những hạn chế của
vật liệu xốp thông thường và vật liệu nano cho ứng dụng môi trường.

7


Đề tài này tổng hợp màng vật liệu hấp phụ khung cơ kim trên nền polymer
(MOF/polymer) có ưu điểm về độ bền hóa lý và hiệu quả hấp phụ cao cũng như khả năng tái
sử dụng. UiO-66-NH2 và copolymer của styrene-maleic anhydride được tổng hợp và khảo sát
tính chất hóa lý bằng các phương pháp phân tích hiện đại như FT-IR, TGA, SEM, XRD, XPS.
Khả năng hấp phụ các hợp chất màu như methylene blue (MB), methyl orange (MO) trong
nước sẽ được khảo sát nhằm đánh giá khả năng tách loại của màng MOFs/polymer.

2. Mục tiêu
2.1. Mục tiêu tổng quát
Đưa ra giải pháp tách loại hợp chất màu gây ô nhiễm nước bằng
phương pháp hấp phụ bằng màng lọc dựa trên vật liệu MOFs/polymer.
Thông qua công bố quốc tế, đề tài sẽ góp phần vào sự phát triển của cơng
nghệ tách loại chất thải hữu cơ ô nhiễm bằng phương pháp màng hấp phụ.
Đề tài nhằm nâng cao năng lực nghiên cứu khoa học của giảng viên và sinh
viên ngành Cơng nghệ Hóa học- Trường Đại Học Cơng Nghiệp TP. Hồ Chí Minh.

2.2. Mục tiêu cụ thể
Nghiên cứu tổng hợp vật liệu MOFs bằng các linker có chứa nhóm amine
-NH2 sử dụng cho quá trình nối mạng ở những bước tiếp theo:

Tổng hợp copolymer của styrene và maleic anhydride sử dụng chất khơi mào gốc tự do
8


o

AIBN tại 70 C. Poly(styrene-alt-maleic anhydride) có nhóm chức anhydride
được sử dụng cho phản ứng với nhóm amine -NH2 của MOFs:

Tổng hợp vật liệu MOFs/polymer bằng các phản ứng nối mạng (crosslinked) giữa nhóm -NH2 và nhóm anhydride của polymer:

Vật liệu tổng hợp có khả năng hấp phụ cao hợp chất màu trong nước:

Màng vật liệu MOFs/polymer có khả năng tái sử dụng sau khi rửa
giải. Viết bài đăng tạp chí thuộc hệ thống quốc tế ISI: 01 bài
9


Báo cáo tổng kết và nghiệm thu.
3. Phương pháp nghiên cứu
Thu thập tài liệu từ các nguồn khác nhau.
Cập nhật những công bố mới nhất liên quan đến hướng nghiên cứu
tổng hợp màng vật liệu MOFs/polymer đang thực hiện.
Sử dụng phương pháp thực nghiệm.
Phương pháp phân tích hố lý hiện đại như FTIR, SEM, XRD, XPS, TGA.

4. Tổng kết về kết quả nghiên cứu
Đã tổng hợp vật liệu MOFs bằng các linker có chứa nhóm
amine -NH2; Đã tổng hợp poly(styrene-alt-maleic anhydride);

Đã tổng hợp vật liệu màng MOFs/polymer;
Xác định được tính chất, cấu trúc của màng vật liệu MOFs/polymer;
Xác định được khả năng tách loại của màng MOFs/polymer đối với
các loại hợp chất màu methylene blue (MB) và methyl orange (MO);
Đã xác định các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ của màng
MOFs/polymer; Đã khảo sát khả năng tái sử dụng của màng MOFs/polymer.

5. Đánh giá các kết quả đã đạt được và kết luận
Đã tổng hợp thành công vật liệu màng MOFs/polymer;
Đã nghiên cứu, khảo sát, đánh giá khả năng hấp phụ màu MB, MO và xác định thành
công các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ màu của màng MOFs/polymer;

Đã công bố 01 bài quốc tế trên tạp chí thuộc danh mục
SCIE Q2; Đã chuẩn bị hồn tất báo cáo nghiệm thu đề tài.

6. Tóm tắt kết quả (tiếng Việt và tiếng Anh)
Tỷ lệ nước thải gia tăng đáng kể trong những thập kỷ qua đã thu hút nhiều sự chú ý do sự phát triển
nhanh chóng của cơng nghiệp hóa trên tồn thế giới. Nước thải có chứa các chất ơ nhiễm ở hàm
lượng từ rất thấp đến cao như các sản phẩm chăm sóc cá nhân, thuốc kháng sinh, dược phẩm,
thuốc trừ sâu, estrogen và thuốc nhuộm. Đặc biệt là nước thải dệt nhuộm, chúng tạo ra các chất

ô nhiễm hữu cơ độc hại, không thân thiện với môi trường, gây nguy hiểm nghiêm trọng đến con
người và hệ sinh thái thủy sinh. Methylene xanh (MB) và methyl da cam (MO), hai loại thuốc
nhuộm phổ biến nhất, chủ yếu được sử dụng trong ngành dệt và in do cường độ màu cao của

10

chúng. Trong nghiên cứu này, một màng lọc tích hợp dựa trên liên kết hóa học giữa poly(styrenalt-maleic anhydride) (PSMA) với vật liệu khung hữu cơ-kim loại (MOFs) UiO-66-NH 2 đã được
tổng hợp và ứng dụng trong quá loại bỏ chất màu MB và MO trong dung dịch nước. Các màng
MOFs/PSMA với các hàm lượng khác nhau của UiO-66-NH 2 và PSMA được trộn lẫn trước khi tạo
màng. Màng MOFs/PSMA được tổng hợp với hàm lượng UiO-66-NH 2 từ 0 đến 30% khối lượng.
Sự hình thành màng MOFs/PSMA được phân tích thơng qua các phương pháp phân tích hiện
đại như FT-IR, XRD, TGA, SEM và XPS. Màng MOFs/PSMA có khả năng hấp phụ cao được sử
dụng để tách MB và MO là những loại chất màu hữu cơ thường thấy trong nước thải. Màng
MOFs/PSMA có thể được tái sử dụng và vẫn duy trì 75% và 52% khả năng tách loại tương ứng
với MB và MO sau ba lần tái sử dụng. Các kết quả cho thấy sự kết hợp của MOFs và PSMA tạo
thành một loại màng có ưu điểm hấp phụ vượt trội cho sự phát triển của kỹ thuật lọc để loại bỏ
các thành phần gây ô nhiễm nguồn nước.
The greatly increased rate of wastewater during the past decades has attracted much attention
due to the rapid development of industrialization all over the world. The wastewaters contain
micropollutants such as personal care products, antibiotics, pharmaceuticals, pesticides,
estrogens, and dyes. Especially textile wastewaters, they generate toxic, environmentally
unfriendly organic pollutants which seriously causes the potential risk to human and aquatic
ecosystem. Methylene blue (MB) and methyl orange (MO), the most common dyes, were mainly
used in the textiles and printing industry due to their high color intensity. In this study, a novel
mixed-matrix membrane (MMM) based on covalent incorporation of poly(styrene-alt-maleic
anhydride) (PSMA) with a metal-organic frameworks (MOFs) UiO-66-NH 2 was prepared and
utilized for dye removal from aqueous solution. The fabrication of PSMA and UiO-66-NH 2 was
carried out by the amidation reaction between the maleic anhydride ring and amino functional
group affording crosslinked MOFs/PSMA membrane. The separate UiO-66-NH 2 and PSMA
solutions were mixed before cast films were produced. The MMM was prepared with final UiO-66NH2 wt% content from 0 to 30% in each membrane. The formation of MMM was confirmed with
FT-IR, PXRD, TGA, SEM, and XPS analysis. The MMM having high adsorption capacity was used
for the separation of MB and MO as organic dye pollutants commonly found in wastewater. The
MMM could be recycled and still maintained 75% and 52% retention of MB and MO on the third
reuse cycle, respectively. The results suggest that the MOFs incorporated PSMA was an

outstanding membrane for the development of filtration techniques for

11


decontamination of water resources.
III. Sản phẩm đề tài, công bố và kết quả đào tạo
3.1. Kết quả nghiên cứu (sản phẩm dạng 1,2,3)

Yêu cầu khoa học hoặc/và chỉ tiêu

Tên
TT sản
phẩm

1

kinh tế - kỹ thuật
Đăng ký

Đạt được

Bài

01 SCIE

báo

Enhanced Dye Adsorption of Mixed-Matrix Membrane by

quốc tế

Covalent Incorporation of Metal-Organic Framework with

trên
tạp chí

01 ISI

Poly(styrene-alt-maleic anhydride)
ChemistrySelect, Vol. 6, Issue 19, 2021, Pages 4689-4697.

ISI

/>
3.2. Kết quả đào tạo: Khơng đăng ký
IV. Tình hình sử dụng kinh phí
TT

Nội dung chi

A
1

Chi phí trực tiếp
Th khốn chun mơn

2

Ngun, nhiên vật liệu, cây con..

3

Thiết bị, dụng cụ

4
5
6

Cơng tác phí
Dịch vụ thuê ngoài
Hội nghị, hội thảo, thù lao nghiệm

7
8

thu giữa kỳ
In ấn, Văn phịng phẩm
Chi phí khác

B

Chi phí gián tiếp

1
2

Quản lý phí
Chi phí điện, nước
Tổng số

Kinh phí được
duyệt (đồng)
50,000,000
23,274,000

Kinh phí thực Ghi chú
hiện (đồng)
50,000,000
23,274,000

26,726,000

26,726,000

50,000,000

50,000,000

12


V. Kiến nghị (về phát triển các kết quả nghiên cứu của đề tài)
Kết quả đạt được là một thành cơng đối với chúng tơi trong q trình nghiên cứu
vì nó cho thấy khả năng ứng dụng của màng tích hợp giữa vật liệu khung cơ kim
và polymer trong hấp phụ xử lý được chất màu hữu cơ trong nước, giảm tác
động ô nhiễm môi trường nước. Trong tương lai, cần tiến hành khảo sát khả
năng hấp phụ của màng vật liệu đối với nước thải chứa kim loại nặng.

VI. Phụ lục sản phẩm (liệt kê minh chứng các sản phẩm nêu ở Phần III)

Xuan Thang Cao, The Ky Vo, Tran Nguyen Minh An, Trinh Duy Nguyen, Daniel
Manaye Kabtamu, Subodh Kumar. Enhanced Dye Adsorption of Mixed-Matrix
Membrane by Covalent Incorporation of Metal-Organic Framework with
Poly(styrene-alt-maleic anhydride). ChemistrySelect, Volume 6, Issue 19,
2021, Pages 4689-4697, />
Tp. HCM, ngày 20 tháng 04 năm 2021

i

Phòng QLKH&HTQT KHOA CƠNG NGHỆ HĨA HỌC
Trưởng khoa

TS. CAO XN THẮNG

PGS.TS.TRỊNH NGỌC NAM

PGS.TS.NGUYẾN VĂN CƯỜNG

13


PHẦN II. BÁO CÁO CHI TIẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN
1.1 Tổng quan về ô nhiễm môi trường nước bởi hợp chất màu
Tỷ lệ nước thải gia tăng đáng kể trong những thập kỷ qua đã thu hút nhiều sự chú ý do sự phát
triển nhanh chóng của cơng nghiệp hóa trên tồn thế giới [1,2]. Nước thải có thể chứa các chất
ơ nhiễm ở nồng độ rất thấp như các sản phẩm chăm sóc cá nhân, kháng sinh, dược phẩm,
thuốc trừ sâu, estrogen, và thuốc nhuộm [3,4]. Đặc biệt là nước thải dệt nhuộm, chúng tạo ra
các chất ô nhiễm hữu cơ độc hại, không thân thiện với môi trường, gây ra nguy cơ nghiêm
trọng cho con người và hệ sinh thái thủy sinh [5-8]. Trong số đó, methylene xanh (MB) và

methyl da cam (MO), thành phần phổ biến nhất trong thuốc nhuộm, được sử dụng chủ yếu
trong ngành dệt và in do cường độ màu cao của chúng [9]. Những thành phần nhuộm này có
thể hịa tan trong nước đã được báo cáo là nguyên nhân gây ra ung thư và gây đột biến ở
người vì chúng khơng dễ bị phân hủy sinh học [10]. Do đó, việc loại bỏ các chất nhuộm hữu cơ
này trước khi thải vào hệ thống nguồn nước mặt là hết sức cần thiết [11]. Một loạt các công
nghệ đã được phát triển để loại bỏ các thành phần nhuộm này bao gồm phân hủy quang xúc
tác [12], xử lý sinh học [13,14], lọc [15], oxy hóa nâng cao [16], keo tụ [17], hấp phụ [18], và tích
hợp của các q trình này [19,20]. Trong số đó, màng lọc hấp phụ được xem là giải pháp hoàn
hảo trong tương lai [21-24]. Ưu điểm lớn của việc sử dụng màng hấp phụ là tiết kiệm chi phí,
hiệu quả cao và ứng dụng trên quy mô lớn [25,26]. Hơn nữa, sự kết hợp giữa chất nền polymer
và vật liệu nano xốp có thể tạo ra màng tích hợp với hiệu suất phân tách cực cao [27-29]. Các
thành phần độn nano kết hợp được sử dụng phổ biến nhất để tăng cường hiệu quả của màng
polymer cho ứng dụng hấp phụ là silica, alumin, zeolit, cacbon hoạt tính, v.v…

1.2. Tổng quan về vật liệu khung cơ-kim (MOFs)
1.2.1. Giới thiệu chung MOFs [30]
Việc phát hiện ra khung kim loại-hữu cơ (MOFs), là một loại vật liệu xốp mới với diện tích bề mặt
cao, kích thước lỗ có thể điều chỉnh và các thuộc tính có thể thiết kế khác đã mở ra tiềm năng cơ
hội cho các nhà khoa học giải quyết một số vấn đề cấp bách liên quan đến năng lượng bền vững và
môi trường. Tương tự với các công nghệ khác, hoạt động nghiên cứu trong 20 năm đầu đã tập
trung vào giai đoạn khám phá và trong 30 năm tới các mối quan tâm nghiên cứu sẽ chuyển sang
ứng dụng. Đến nay, vật liệu MOFs đã được khám phá cho các ứng dụng tiềm năng khác nhau.

14


Hiện tại có rất nhiều nghiên cứu cho các ứng dụng khác nhau, trong đó nổi bật là một số các ứng
dụng điển hình của MOFs như: (i) MOFs để lọc khơng khí trong mơi trường hóa chất độc hại; (ii)
MOFs trong tồn trữ năng lượng; (iii) Khả năng điều chỉnh năng lượng vùng cấm; (iv) Kính MOFs;

(v) MOFs làm cảm biến hóa học; (vi) Loại bỏ sulphat từ nước thải hạt nhân; (vii) Hấp
thu năng lượng sóng xung kích; (viii) Các cấu trúc nano cho ứng dụng năng lượng và
mơi trường; (ix) Bộ lọc để kiểm sốt ơ nhiễm khơng khí; (x) MOFs làm chất hấp phụ cho
các ứng dụng sưởi ấm và làm mát ở; (xi) MOFs như những chất mang thuốc; (xii)
MOFs như một chất xúc tác ; (xiii) MOFs như chất xúc tác định hướng ứng dụng; (xiv)
Màng MOFs tách khí, những ứng dụng này được trình bày trong hình 1.1.

Hình 1.1. Vật liệu MOFs với các ứng dụng khác nhau
1.2.2. Ứng dụng vật liệu MOFs trong xử lý môi trường
Gần đây, màng lọc tổng hợp dựa trên cơ sở vật liệu MOFs đã trở nên rất thu hút các nhà nghiên
cứu do các đặc tính tuyệt vời của chúng [31,32]. Trái ngược với các chất độn rắn thông thường, vật
liệu MOFs không chỉ dễ tổng hợp mà cịn có diện tích bề mặt cao, độ xốp lớn, kích thước và hình
dạng lỗ có thể điều chỉnh, và các vị trí kim loại mở [33,34]. Tuy nhiên, có rất ít cơng trình được cơng
bố báo cáo sự hình thành màng tích hợp giữa các hạt MOFs và polymer để hấp phụ và loại bỏ các
thành phần màu hữu cơ từ nguồn thải ngành dệt nhuộm [35-38]. Màng tích hợp

15


này thường được tổng hợp bằng quá trình trộn vật lý giữa vật liệu độn nano với dung dịch
polymer làm ảnh hưởng đến các đặc tính cơ học, lý - hóa và ổn định của màng được chế
tạo [39,40]. Hơn nữa, UiO-66-NH2, một loại MOFs điển hình, được tích hợp vào nền
polymer bằng các liên kết hóa học, đến nay vẫn chưa được báo cáo trong các tài liệu.

1.3. Tổng quan về tình hình nước thải ngành dệt nhuộm
1.3.1. Khái quát về thuốc nhuộm [41]
Ngành dệt may đã và đang là một trong những tác nhân gây ô nhiễm lớn đến nguồn nước mặt và
nước ngầm bởi vì nó sử dụng tới 8.000 loại hóa chất và lượng nước khổng lồ. Một số báo cáo cho
rằng một ngành công nghiệp dệt có quy mơ trung bình tiêu thụ khoảng 1,6 triệu lít nước mỗi ngày
để sản xuất khoảng 8.000 kg vải. Theo Ngân hàng Thế giới, 17% đến 20% của nước thải ô nhiễm

công nghiệp dệt may đến từ quá trình xử lý nhuộm và cơng đoạn hồn tất vải. Nước thải từ ngành
dệt nhuộm có tổng cộng khoảng 72 loại chất độc hại trong đó có 30 loại hóa chất khơng loại bỏ
được bằng các quy trình xử lý nước thải thông thường. Các loại thuốc dệt nhuộm chủ yếu dựa trên
các loại hóa chất do tính hiệu quả về chi phí, độ ổn định cao của nhiều yếu tố như nhiệt độ và độ
sáng so với với thuốc nhuộm tự nhiên, do đó chúng ngày càng được sử dụng nhiều hơn trong
ngành công nghiệp dệt và nhuộm. Điều này dẫn đến việc thải ra một lượng lớn chất gây ơ nhiễm.
Những loại thuốc dệt nhuộm này dễ hịa tan trong nước có và gây tác động tiêu cực đến hệ sinh
thái và tác động một cách nghiêm trọng đến các vấn đề môi trường. Nước thải dệt may thường
ngăn chặn ánh sáng mặt trời do màu tối của nó, làm cản trở sự sống của các sinh vật dưới nước.
Phần lớn thuốc nhuộm hiện nay được sử dụng trong ngành công nghiệp dệt may số lượng lên đến
mười nghìn, trong đó thuốc nhuộm azo là loại thuốc nhuộm phổ biến lớn nhất trên một quy mô
thương mại. Việc thải ra các thuốc nhuộm azo tổng hợp này vào mơi trường đã gây bất lợi đến mọi
q trình sống. Quy trình in và dệt nhuộm bao gồm tiền xử lý vải, nhuộm bằng thuốc nhuộm tổng
hợp, in ấn và cuối cùng là các bước hoàn thiện, với mỗi bước đều thải ra nguồn nước ô nhiễm.
Vật liệu rắn hữu cơ và vô cơ, acid và bazơ, chất tạo màu là những chất chính gây ơ nhiễm trong
nước thải. Tannin và lignin là những chất tạo màu cho màu sắc của vải. Quá trình nhuộm về cơ bản
bao gồm việc sử dụng các loại thuốc nhuộm dưới điều kiện phù hợp, để tạo màu cho vải. Ngược
lại, quá trình in bao gồm việc sử dụng thuốc nhuộm chỉ áp dụng giới hạn trong vùng thiết kế trên vải
được chọn đã được thiết kế trước. Các quy trình kết thúc bao gồm làm mềm, tạo liên kết ngang và
chống thấm nước nhưng tất cả các bước này đều dẫn đến việc xả thải nước ô nhiễm. Thuốc nhuộm
tổng hợp đặt ra mối nguy hiểm cho sức khỏe khi chúng phản ứng với các hóa chất khác và tạo
thành các sản phẩm phụ không phân hủy được. Sự hiện diện của lưu huỳnh, naphthol,

16


nitrat, acid axetic, xà phòng, enzym, hợp chất crom và kim loại nặng như đồng, asen, chì, cadmium,
thủy ngân, niken, coban và một số hóa chất phụ trợ đã được các nhà nghiên cứu báo cáo là có thể
gây ra các ảnh hưởng độc hại. Các vật liệu hữu cơ như chất cố định thuốc nhuộm gốc
formaldehyde, chất tẩy gốc clo, chất làm mềm gốc hydrocacbon, hóa chất nhuộm khơng phân hủy

sinh học là những chất gây ung thư. Nước thải từ các nhà máy dệt nhuộm không chỉ độc hại mà
còn được làm giàu bởi sự hiện diện của các hóa chất gây đột biến, gây quái thai cũng như gây ung
thư. Ví dụ, chất gây ung thư phổ biến, benzidine, là thành phần chính của hầu hết các loại thuốc
nhuộm azo, gây ra một mối đe dọa đối với các sinh vật sống. Các nghiên cứu thử nghiệm trên mơ
hình động vật cho thấy rằng loại thuốc nhuộm dệt chính, tức là thuốc nhuộm azo sẽ liên kết trực tiếp
với bàng quang gây ung thư ở người; hoặc quá trình làm sai lệch nhiễm sắc thể trong tế bào động
vật có vú là nguyên nhân gây ra ung thư gan [42]. Sudova và cộng sự báo cáo rằng thuốc nhuộm
malachite green, một tác nhân quan trọng gây ung thư, đã được chứng minh là gây ảnh hưởng
nghiêm trọng đến hệ thống sinh sản và hệ thống miễn dịch con người [43]. Thuốc nhuộm Blue 291
đã được báo cáo là gây ra sự thay thế nucleotide trong DNA và thêm hoặc bớt một số cặp nhiễm
sắc thể dẫn tới một số lỗi trong mã di truyền [44]. Do tính ổn định nhiệt và quang khá cao của thuốc
nhuộm, chúng có thể tồn tại trong mơi trường nước trong một thời gian dài nếu khơng được xử lý.
Ví dụ, thuốc nhuộm Blue-19 ở dạng thủy phân, có chu kỳ bán rã khoảng 46 năm ở 25 °C và pH 7.0,
có thể tồn tại trong vùng nước ô nhiễm trong nhiều năm.

1.3.2. Phân loại và tính chất của thuốc nhuộm
Tổng cộng có khoảng 10.000 loại thuốc nhuộm và bột màu khác nhau được sử dụng trong ngành
5

dệt may và hơn 7x10 tấn thuốc nhuộm tổng hợp được sản xuất trên toàn thế giới hàng năm. Thuốc
nhuộm được sử dụng để truyền màu sắc cho vải vì sự hiện diện của các nhóm mang màu trong cấu
trúc của chúng. Khả năng hịa tan của các loại thuốc nhuộm này trong nước cũng được sử dụng để
phân biệt chúng với nhau. Thuốc nhuộm chủ yếu được phân loại trên cơ sở các sợi mà nó sẽ được
in dấu và bản chất hóa học/vật lý của các loại thuốc nhuộm này. Nhóm mang màu chủ yếu bao gồm
một nhóm nguyên tử mang lại màu sắc khác biệt của thuốc nhuộm trong khi chất tăng cường màu
hay được gọi là chất trợ màu có được bởi sự thay thế điện tử hoặc bằng cách loại bỏ hoặc hỗ trợ
điện tử. Chất mang màu chứa các nhóm chức như -N=N-,-C=O,-NO 2, và O=(C6H4)=O trong khi các
nhóm chức hiện diện trong các nhóm trợ màu là –NH 3, –COOH, –OH và - SO3H. Các nhóm sulfonat
của các chất trợ màu đã được báo cáo là làm tăng khả năng hòa tan thuốc nhuộm. Welham [45] đã
nghiên cứu các chất trợ màu khác nhau và phân loại chúng thành các nhóm khác

17


nhau, có thể là dạng acid hoặc bazơ, dạng anion hoặc ở dạng hạt, và cũng có thể ở dạng
hịa tan hoặc khơng hịa tan. Thuốc nhuộm cũng được phân loại trên cơ sở các nhóm hoạt
tính kết hợp với nhóm -OH và -SH thơng qua sự hình thành liên kết cộng hóa trị, sau đó
được sử dụng trên các loại sợi khác nhau như bông, tơ tằm, nylon và len.

1.3.3. Một số phương pháp xử lý nước thải dệt nhuộm [46] và hướng nghiên cứu
Ngày nay, mối quan tâm chủ yếu tập trung vào việc phát triển các phương pháp tiết kiệm và hiệu
quả để xử lý nước thải công nghiệp dệt nhuộm để bảo vệ hệ thống nguồn nước mặt. Các phương
pháp đã được sử dụng là hóa lý, sinh hóa hoặc sự kết hợp của cả hai đều có thể cung cấp các
cơng nghệ hiệu quả trong việc loại bỏ các chất gây ô nhiễm nước thải từ các ngành công nghiệp dệt
nhuộm. Tuy nhiên, các nghiên cứu đã chỉ ra rằng các phương pháp vật lý và hóa học có thể tiết
kiệm chi phí nhưng chúng khơng đảm bảo loại bỏ hồn tồn các chất gây ô nhiễm.
Trong hai thập kỷ qua, một số nhà nghiên cứu đã tìm cách xử lý nước thải ơ nhiễm từ công nghiệp
dệt nhuộm thông qua các phương pháp xử lý khác nhau như kết tủa hóa học, đơng tụ, tạo bơng và
nổi. Tuy nhiên, vấn đề nan giải chính là việc phải đối mặt với quy trình áp dụng rộng rãi các phương
pháp xử lý thông thường dẫn đến vấn đề về kinh tế, tiềm năng oxy hóa, chất lượng thấp của nước
thải, khả năng chống phân hủy hiếu khí hoặc xu hướng cao tạo thành các sản phẩm phụ có hại,
dẫn đến việc chuyển của các chất ơ nhiễm từ pha nước sang pha khác mà chúng không bị phân
hủy. Những vấn đề này có thể gặp phải khi áp dụng kỹ thuật hấp phụ. Công nghệ hấp phụ có nhiều
điểm hấp dẫn để xử lý nước thải chứa hợp chất màu như tính kinh tế, thân thiện với mơi trường,
đơn giản và có thể tái sử dụng tạo chất hấp phụ dễ dàng. Nhiều chất hấp phụ đã được sử dụng để
loại bỏ hoặc làm giảm nồng độ thuốc nhuộm từ các dung dịch nước thải như cacbon hoạt tính,
zeolit, đất sét, hạt silica, chất hấp phụ chi phí thấp (phụ phẩm cơng nghiệp, chất thải nơng nghiệp,
sinh khối) và vật liệu polymer (nhựa polymer hữu cơ, polymer xốp siêu liên kết). Để xử lý nước thải,
sử dụng chất hấp phụ dưới dạng bột có một nhược điểm lớn là khó tách vật liệu hấp phụ để tái sử
dụng. Tóm lại, đối với việc xử lý các nguồn nước thải, đặc biệt là nước thải dệt nhuộm, các phương

pháp đã được sử dụng bao gồm phương pháp hoá lý, sinh hoá, lọc, và hấp phụ bằng vật liệu xốp.
Trong đó, sử dụng cơng nghệ màng là một giải pháp tốt có thể khắc phục những nhược điểm của
các phương pháp khác. Ngồi ra, sử dụng màng cịn đem lại sự đơn giản, tiết kiệm chi phí, an tồn
với mơi trường và hiệu quả tương đối cao. Như đã biết, quy trình pha trộn, bao phủ bề mặt, biến
tính, và electrospining là các phương pháp hiện đại để chế tạo màng lọc cho hiệu quả tách mong
muốn. Trong số đó, phương pháp pha trộn là đơn giản nhất và hiệu quả nhất. Do

18