THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU
1. Thông tin chung
- Tên đề tài: Nghiên cứu xử lý một số kim loại nặng trong đất (bao gồm cation và anion: Pb, Cd, Cr) bằng vật liệu hấp phụ zeolite lưỡng cực (Mg/Al LDH-zeolite)
- Mã số: B2023-TNA-32
- Chủ nhiệm đề tài: PGS.TS. Văn Hữu Tập
- Tổ chức chủ trì: Đại học Thái Nguyên
- Thời gian thực hiện: Từ tháng 01 năm 2023 đến tháng 12 năm 2024
2. Mục tiêu
- Chế tạo được vật liệu hấp phụ zeolite biến tính Mg/Al LDH-zeolite có khả năng xử lý kim loại nặng trong đất (bao gồm cả cation và anion: Pb, Cd, Cr);
- Đánh giá được hiệu quả hấp phụ kim loại nặng của vật liệu hấp phụ và cây trồng đối với đất nhiễm kim loại nặng sau khi được xử lý bằng vật liệu hấp phụ zeolite lưỡng cực.
3. Tính mới và sáng tạo
- Đánh giá khả năng hấp phụ KLN của vật liệu zeolite lưỡng cực và xác định một số điều kiện môi trường tối ưu (tỷ lệ vật liệu hấp phụ, pH đất, thời gian ủ và ẩm độ đất) để tăng cường hiệu quả hấp phụ KLN của vật liệu Mg/Al LDH-zeolite (MALZ).
- Ứng dụng vật liệu hấp phụ MALZ xử lý mẫu đất xung quanh khu vực khai thác khoáng sản ô nhiễm KLN làm giảm hàm lượng các dạng di động của Pb, Cd và Cr và thử nghiệm được khả năng sinh trưởng của cây ngô trên đất sau hấp phụ.
4. Kết quả nghiên cứu
Qua nghiên cứu đề tài đã đưa ra được một số kết quả chính:
Thứ nhất, vật liệu Mg/Al LDH - zeolite là một vật liệu kết hợp các đặc tính của LDH và cấu trúc lưới của zeolite, tạo ra một vật liệu lai có đặc tính nâng cao về khả năng trao đổi ion, khả năng hấp phụ cao. Mg/Al LDH - zeolite có một số đỉnh khác với zeolite (đỉnh 3460 của nhóm chức –OH, đỉnh 1369 của nhóm chức –C–O, đỉnh 860 và 553 của nhóm chức –C–H). Mg/Al LDH - zeolite có khác biệt zeolite với tỷ lệ Al tăng lên 6,22% và xuất hiện thêm các nguyên tố mới là Mg (10,09%) và Na (1,10%). Mg/Al LDH - zeolite có cấu trúc dị thể với diện tích bề mặt cao (252,6586 m²/g lớn gấp 9,66 lần so với zeolite).
Thứ hai, với ba thí nghiệm (nhóm 1: hấp phụ anion CrO42-, nhóm 2: hấp phụ cation Pb2+ và Cd2+, nhóm 3: CrO42-, Pb2+ và Cd2+) một số yếu tố ảnh hưởng tới hấp phụ CrO42-, Pb2+, Cd2+ của vật liệu MALZ được nghiên cứu là tỷ lệ % khối lượng vật liệu ủ với đất, pH, độ ẩm đất và thời gian ủ. Kết quả nghiên cứu cho thấy:
(1). Tỷ lệ vật liệu hấp phụ 3 % là tỷ lệ tối ưu, khi tăng tỷ lệ lên 5 % hàm lượng các KLN có khả năng trao đổi giảm không đáng kể. Ở 3% tỷ lệ vật liệu hấp phụ thí nghiệm hàm lượng Cr ở nhóm 1 là 8,27 %, nhóm 2 hàm lượng Pb và Cd lần lượt là 28,47 và 25,5 %, nhóm 3 hàm lượng Cr, Pb và Cd lần lượt là 15,1, 14,0, 39,7 %.
(2). Ở pH 5 Cr được cố định tốt nhất, Pb và Cd được cố định tốt nhất ở pH 7, hàm lượng Cr ở nhóm 1 là 19,96 %, nhóm 2 hàm lượng Pb và Cd lần lượt là 33,41 và 33,1 %, nhóm 3 hàm lượng Cr, Pb và Cd lần lượt là 10,26, 14,78 và 38,92 %.
(3). Ở độ ẩm 70 % Cr, Pb và Cd được cố định tốt nhất. Hàm lượng Cr ở nhóm 1 là 19,82 %, nhóm 2 hàm lượng Pb và Cd lần lượt là 35,24 và 26,36 %, nhóm 3 hàm lượng Cr, Pb và Cd lần lượt là 10,26, 14,77 và 30,02 %.
(4). Với thời gian 30 ngày ủ đất với vật liệu hấp phụ Cr, Pb và Cd được cố định tốt nhất. Hàm lượng Cr ở nhóm 1 là 19,5 %, nhóm 2 hàm lượng Pb và Cd lần lượt là 35,24 và 30,43 %, nhóm 3 hàm lượng Cr, Pb và Cd lần lượt là 10,26, 14,77 và 30,02 %.
So với vật liệu gốc zeolite, vật liệu lưỡng cực Mg/Al LDH - zeolite có khả năng hấp phụ các KLN tối ưu hơn nhiều. Mối tương quan giữa một số yếu tố môi trường ảnh hưởng đến hấp phụ (tỷ lệ vậy liệu, pH, độ ẩm và thời gian) và hàm lượng Cr, Pb và Cd khá chặt chẽ. Cơ chế hấp phụ chủ yếu quá trình đồng kết tủa, tạo phức, lực hút tĩnh điện, làm đầy các lỗ rỗng.
Thứ ba, với thí nghiệm trồng ngô trên đất ô nhiễm KLN gần khu vực khai thác khoáng sản cho kết quả như sau:
(1). Hàm lượng Cr, Pb và Cd ở mẫu đất khu vực khai thác chì - kẽm và khu vực khai thác thiếc sau 30 ngày ủ với vật liệu hấp phụ hàm lượng KLN có khả năng trao đổi (F1) thấp: hàm lượng Pb có khả năng trao đổi trong cả hai mẫu đất là 9%, hàm lượng Cd có khả năng trao đổi mẫu đất mỏ chì - kẽm là 12 %, khu vực khai thác thiếc 8 %, hàm lượng Cr có khả năng trao đổi ở cả hai mẫu đất là 2 %.
(2). Khả năng sinh trưởng và năng suất cây ngô được trồng trên đất gần khu vực khai thác khoáng sản đã xử lý bằng vật liệu hấp phụ cho thấy: Cây ngô trồng trên đất đã xử lý bằng Mg/Al LDH - zeolite có các yếu tố về sinh trưởng và năng suất hạt ngô cao hơn và có sự khác biệt thống kê so với mẫu đối chứng, lần lượt là 126,96 g/cây và 118,68 g/cây với mẫu cây ngô trồng trên đất gần khu vực khai thác chì - kẽm và khu vực khai thác thiếc.
(3). Mg/Al LDH - zeolite có hiệu quả hấp phụ tối ưu nhất đối với các KLN sau 30 ngày ủ. Hàm lượng các ion KLN tích lũy trong các bộ phận của cây ngô như rễ, thân lá ngô và hạt ngô theo thứ tự xử lý của các vật liệu: Mg/Al LDH - zeolite < zeolite < mẫu đất đối chứng. Cây ngô trồng trên đất gần khu vực khai thác thiếc có hàm lượng Pb tích lũy trong rễ, thân lá và hạt lần lượt là: 0,203, 0,130 và 0,104 mg/kg khi ủ với Mg/Al LDH - zeolite. Hàm lượng Cd tích lũy trong rễ, thân lá và hạt lần lượt là: 0,037, 0,026 và 0,021 mg/kg. Hàm lượng Cr tích lũy trong rễ, thân lá và hạt lần lượt là: 0,243, 0,148 và 0,115 mg/kg.
Hướng dẫn xử lý đất ô nhiễm kim loại nặng cũng đã được xây dựng. Phương pháp xử lý đất ô nhiễm kim loại nặng tại chỗ bằng vật liệu hấp phụ zeolite lưỡng cực (Mg/Al LDH-zeolite) là một giải pháp hiệu quả và thực tiễn, giúp loại bỏ kim loại nặng từ đất mà không cần vận chuyển.
5. Sản phẩm
5.1. Sản phẩm khoa học
Đã công bố 02 bài báo trong danh mục WoS, xếp hạng Q1 (trong đó có 01 bài đã đăng chính thức (tạp chí Heliyon) và 01 bài chấp nhận đăng (tạp chí Environmental Research Communications); 02 bài báo trong nước được Hội đồng GSNN tính điểm (tạp chí khí tượng thuỷ văn và tạp chí Khoa học công nghệ Đại học Thái Nguyên).
Thi Bich Hanh Nguyen, Huu-Tap Van, Van Minh Dang, Van Hung Hoang, Thu Huong Nguyen and Trung Kien Hoang, (2024). Immobilization of Pb, Cd, and Cr in contaminated soil around mining areas using Mg/Al LDH-zeolite and evaluation of maize growth. Environmental Research Communications, 6(10), 105001. https://doi.org/10.1088/2515-7620/ad7d74. (WoS, SCIE, Q1, IF: 2.5).
Thị Bich Hanh Nguyen, Huu-Tap Van, Thi Ngoc Ha Tran, Thi Tuyet Nguyen, Trung Kien Hoang, (2024). Insight into chromium adsorption from contaminated soil using Mg/Al LDH-zeolite. Heliyon, 10(10), e31084. https://doi.org/10.1016/j.heliyon.2024. (WoS, SCIE, Q1, IF: 3.4)
Nguyễn Thị Bích Hạnh, Văn Hữu Tập, Đặng Văn Minh, Tạ Minh Phương, (2024). Ảnh hưởng của một số yếu tố môi trường đến khả năng cố định đồng thời Pb, Cd và Cr trong đất ô nhiễm bằng vật liệu Mg/Al LDH-zeolite. Tạp chí Khí tượng Thủy văn, số 763, 01-12.
Nguyễn Thị Bích Hạnh, Văn Hữu Tập, Đặng Văn Minh, (2024). Ảnh hưởng của pH đến khả năng hấp phụ đồng thời Pb, Cd và Cr trong môi trường đất ô nhiễm bằng zeolite, Tạp chí Khoa học và Công nghệ, Đại học Thái Nguyên, 299(10), 51-60.
5.2. Sản phẩm đào tạo
- Hỗ trợ đào tạo 01 nghiên cứu sinh theo hướng của đề tài: NCS. Nguyễn Thị Bích Hạnh, tên luận án: “Nghiên cứu khả năng cố định một số kim loại nặng trong đất bằng vật liệu Zeolite lưỡng cực”.
- Hỗ trợ đào tạo 01 thạc sĩ đã được cấp bằng: ThS. Nguyễn Thị Ngọc Thuý.
5.3. Sản phẩm ứng dụng
- 01 hướng dẫn xử lý một số kim loại nặng trong đất (bao gồm cả cation và anion: Pb, Cd, Cr) bằng vật liệu hấp phụ zeolite lưỡng cực (Mg/Al LDH-zeolite).
- 01 báo cáo đánh giả khả năng sinh trưởng và hiệu quả hấp thụ kim loại nặng của cây trồng đối với đất nhiễm kim loại nặng sau khi được xử lý bằng vật liệu hấp phụ zeolite lưỡng cực.
6. Phương thức chuyển giao, địa chỉ ứng dụng, tác động và lợi ích mang lại của kết quả nghiên cứu
- Kết quả của nghiên cứu được công bố qua các bài báo khoa học trên các tạp chí quốc tế trong danh mục WoS và tạp chí khoa học trong nước được hội đồng GSNN tính điểm. Đây là tài liệu tham khảo hữu ích cho các cán bộ, giảng viên, học viên và sinh viên, phục vụ công tác nghiên cứu, giảng dạy và học tập đại học, sau đại học về hoá học, môi trường và vật liệu.
- Nghiên cứu chế tạo được vật liệu hấp phụ zeolite lưỡng cực (Mg/Al LDH-zeolite) có đặc trưng phù hợp và khả năng hấp phụ tốt một số kim loại nặng trong đất (bao gồm cả cation và anion: Pb2+, Cd2+, CrO42-).
- Đặc biệt, báo cáo hướng dẫn xử lý một số kim loại nặng trong đất (bao gồm cả cation và anion: Pb2+, Cd2+, CrO42-) bằng vật liệu hấp phụ zeolite lưỡng cực (Mg/Al LDH-zeolite) sẽ là tài liệu tham khảo quan trọng, được chuyển giao, ứng dụng trong công tác xử lý môi trường tại một số khu vực đất ô nhiễm kim loại nặng ở tỉnh Thái Nguyên.
- Phương thức chuyển giao: Chuyển giao các kết quả nghiên cứu dưới dạng văn bản (báo cáo, bài báo khoa học).
- Địa chỉ ứng dụng: Đề tài sẽ chuyển giao cho Trung tâm Phát triển Công nghệ mới - Đại học Thái Nguyên làm tài liệu tham khảo cho nghiên cứu và giảng dạy.
- Tác động và lợi ích mang lại của kết quả nghiên cứu: Thông qua việc xây dựng được hướng dẫn xử lý một số kim loại nặng trong đất (bao gồm cả cation và anion: Pb, Cd, Cr) bằng vật liệu hấp phụ zeolite lưỡng cực (Mg/Al LDH-zeolite), kết quả nghiên cứu sẽ góp phần tìm ra giải pháp xử lý ô nhiễm một số kim loại nặng trong đất theo phương pháp thân thiện với môi trường. Qua đó, nâng cao chất lượng đất, bảo vệ hệ sinh thái, cải thiện sức khỏe của cộng đồng.
INFORMATION OF RESEARCH RESULTS
1. General information
Project title: Research on on the treatment of certain heavy metals in soil (including cations and anions: Pb, Cd, Cr) using bipolar zeolite adsorbent material (Mg/Al LDH-zeolite).
Code: B2023-TNA-32
Project Leader: Assoc. Prof. Dr. Van Huu Tap
Hosting Organization: Thai Nguyen University
Duration: From January 2023 to December 2024.
2. Objective(s):
- Successfully synthesized Mg/Al LDH-zeolite modified zeolite adsorbent material with the capability to treat heavy metals in soil (including both cations and anions: Pb, Cd, Cr);
- Evaluated the heavy metal adsorption efficiency of the adsorbent material and plants for heavy metal-contaminated soil after treatment with the bipolar zeolite adsorbent material.
3. Creativeness and innovativeness:
- Evaluated the heavy metal adsorption capacity of bipolar zeolite material and determined several optimal environmental conditions (adsorbent material ratio, soil pH, incubation time, and soil moisture) to enhance the heavy metal adsorption efficiency of Mg/Al LDH-zeolite (MALZ).
- Applied MALZ adsorbent material to treat soil samples from heavy metal-contaminated areas around mining sites, reducing the mobile forms of Pb, Cd, and Cr, and successfully tested the growth potential of maize on soil after adsorption.
4. Research results:
Through the research, several key findings were obtained:
Firstly, the Mg/Al LDH-zeolite material is a hybrid material that combines the properties of LDH and the lattice structure of zeolite, creating an enhanced material with high ion exchange capacity and adsorption capability. Mg/Al LDH-zeolite exhibits several peaks that differ from zeolite (peak 3460 for the –OH functional group, peak 1369 for the –C–O functional group, and peaks 860 and 553 for the –C–H functional group). The Mg/Al LDH-zeolite differs from zeolite with an increased Al content of 6.22% and the appearance of new elements such as Mg (10.09%) and Na (1.10%). The Mg/Al LDH-zeolite possesses a heterogeneous structure with a high surface area (252.6586 m²/g, 9.66 times larger than zeolite).
Secondly, in three experiments (group 1: CrO4²⁻ anion adsorption, group 2: Pb²⁺ and Cd²⁺ cation adsorption, and group 3: CrO4²⁻, Pb²⁺, and Cd²⁺), several factors affecting the adsorption of CrO4²⁻, Pb²⁺, and Cd²⁺ by the MALZ material were studied, including the mass ratio of adsorbent material to soil, pH, soil moisture, and incubation time. The results indicated: (1) The optimal adsorbent material ratio was 3%; increasing the ratio to 5% resulted in a negligible reduction in the exchangeable heavy metal content. At a 3% adsorbent material ratio, the heavy metal content for Cr in group 1 was 8.27%, Pb and Cd in group 2 were 28.47% and 25.5%, and for group 3, Cr, Pb, and Cd were 15.1%, 14.0%, and 39.7%, respectively. (2) At pH 5, Cr was best immobilized, while Pb and Cd were best immobilized at pH 7. The Cr content in group 1 was 19.96%, while in group 2, Pb and Cd were 33.41% and 33.1%. In group 3, Cr, Pb, and Cd contents were 10.26%, 14.78%, and 38.92%, respectively. (3) At 70% soil moisture, Cr, Pb, and Cd were best immobilized. The Cr content in group 1 was 19.82%, while Pb and Cd in group 2 were 35.24% and 26.36%. In group 3, Cr, Pb, and Cd were 10.26%, 14.77%, and 30.02%, respectively. (4) After 30 days of soil incubation with the adsorbent, Cr, Pb, and Cd were optimally immobilized. The Cr content in group 1 was 19.5%, while Pb and Cd in group 2 were 35.24% and 30.43%. In group 3, Cr, Pb, and Cd were 10.26%, 14.77%, and 30.02%, respectively.
Compared to unmodified zeolite, the Mg/Al LDH-zeolite bipolar material demonstrated significantly better heavy metal adsorption. The correlation between environmental factors (adsorbent ratio, pH, moisture, and time) and Cr, Pb, and Cd content was quite strong. The primary adsorption mechanisms included co-precipitation, complex formation, electrostatic attraction, and pore filling.
Thirdly, in experiments where maize was grown on heavy metal-contaminated soil near mining areas, the following results were observed: (1) After 30 days of soil incubation with the adsorbent material, the exchangeable heavy metal (F1) content in soil samples from lead-zinc and tin mining areas was low: exchangeable Pb content in both soil samples was 9%, exchangeable Cd content was 12% in the lead-zinc mining area and 8% in the tin mining area, and exchangeable Cr content was 2% in both samples. (2) The growth and yield of maize grown on soil treated with Mg/Al LDH-zeolite were significantly higher compared to the control group. Maize grown on soil near lead-zinc and tin mining areas showed grain yields of 126.96 g/plant and 118.68 g/plant, respectively. (3) Mg/Al LDH-zeolite exhibited optimal adsorption efficiency for heavy metals after 30 days of incubation. The accumulation of heavy metal ions in maize parts (roots, stalks, leaves, and grains) followed the treatment order: Mg/Al LDH-zeolite < zeolite < control soil. Maize grown on soil near the tin mining area showed Pb accumulation in the roots, stalks, and grains at 0.203, 0.130, and 0.104 mg/kg, respectively, when incubated with Mg/Al LDH-zeolite. Cd accumulation in roots, stalks, and grains was 0.037, 0.026, and 0.021 mg/kg, respectively. Cr accumulation in roots, stalks, and grains was 0.243, 0.148, and 0.115 mg/kg, respectively.
A guideline for treating heavy metal-contaminated soil has also been developed. The in-situ treatment method using bipolar zeolite adsorbent material (Mg/Al LDH-zeolite) is an effective and practical solution, helping to remove heavy metals from soil without the need for transportation.
5. Products:
5.1. Scientific products
Two papers have been published in the WoS-indexed journals, ranked Q1 (including one officially published in Heliyon and one accepted for publication in Environmental Research Communications); two domestic papers have been scored by the National Professorship Council (published in Journal of Meteorology and Hydrology and TNU - Journal of Science and Technology).
Thi Bich Hanh Nguyen, Huu-Tap Van, Van Minh Dang, Van Hung Hoang, Thu Huong Nguyen and Trung Kien Hoang, (2024). Immobilization of Pb, Cd, and Cr in contaminated soil around mining areas using Mg/Al LDH-zeolite and evaluation of maize growth. Environmental Research Communications. 6(10), 105001. https://doi.org/10.1088/2515-7620/ad7d74. (WoS, SCIE, Q1, IF: 2.5).
Thị Bich Hanh Nguyen, Huu-Tap Van, Thi Ngoc Ha Tran, Thi Tuyet Nguyen, Trung Kien Hoang, (2024). Insight into chromium adsorption from contaminated soil using Mg/Al LDH-zeolite. Heliyon, 10(10), e31084. https://doi.org/10.1016/j.heliyon.2024. (WoS, SCIE, Q1, IF: 3.4).
Nguyễn Thị Bích Hạnh, Văn Hữu Tập, Đặng Văn Minh, Tạ Minh Phương, (2024). Influence of Environmental Factors on the Simultaneous Immobilization of Pb, Cd, and Cr in Contaminated Soil Using Mg/Al LDH-Zeolite. Journal of Meteorology and Hydrology, 763, 01-12.
Nguyễn Thị Bích Hạnh, Văn Hữu Tập, Đặng Văn Minh, (2024). Effect of pH on the Simultaneous Adsorption of Pb, Cd, and Cr in Contaminated Soil Using Zeolite. Journal of Science and Technology - Thai Nguyen University, 299(10), 51-60.
5.2. Training products
- Supported the training of one PhD candidate following the direction of the project: PhD candidate Nguyễn Thị Bích Hạnh, dissertation title: “Study on the Immobilization of Certain Heavy Metals in Soil Using Bipolar Zeolite Material.”
- Supported the training of one master's student who has been awarded a degree: MSc. Nguyễn Thị Ngọc Thúy.
5.3. Application products
- One guideline on the treatment of certain heavy metals in soil (including both cations and anions: Pb, Cd, Cr) using the bipolar zeolite adsorbent material (Mg/Al LDH-zeolite).
- One report evaluating the growth potential and heavy metal absorption efficiency of plants in heavy metal-contaminated soil after treatment with the bipolar zeolite adsorbent material.
6. Transfer alternatives, application institution, impacts and benefits of research results:
The results of the research have been published through scientific articles in international journals indexed in WoS and in domestic scientific journals recognized by the GSNN Council. These serve as valuable reference materials for researchers, lecturers, postgraduate and undergraduate students in the fields of chemistry, environment, and materials, supporting research, teaching, and learning activities.
The study successfully synthesized the bipolar zeolite adsorbent material (Mg/Al LDH-zeolite) with appropriate characteristics and an excellent adsorption capacity for certain heavy metals in soil (including both cations and anions: Pb²⁺, Cd²⁺, CrO₄²⁻).
Notably, the report providing guidelines on the treatment of heavy metals in soil (including both cations and anions: Pb²⁺, Cd²⁺, CrO₄²⁻) using the bipolar zeolite adsorbent material (Mg/Al LDH-zeolite) will serve as an important reference document. It will be transferred and applied in environmental remediation efforts at various heavy metal-contaminated sites in Thái Nguyên Province.
Transfer method: Research results will be transferred in the form of documents (reports, scientific articles).
Application site: The study will be transferred to the Center for New Technology Development at Thái Nguyên University as a reference for research and teaching.
Impact and benefits of the research results: By developing guidelines for the treatment of certain heavy metals in soil (including both cations and anions: Pb, Cd, Cr) using the bipolar zeolite adsorbent material (Mg/Al LDH-zeolite), this research contributes to finding environmentally friendly solutions for heavy metal soil contamination. This will enhance soil quality, protect ecosystems, and improve public health.
