Ứng dụng than sinh học kỹ thuật trong xử lý ô nhiễm kim loại nặng (loid) từ nước thải: Quan điểm hiện tại hướng tới mục tiêu phát triển bền vững

Quá trình đô thị hóa và các hoạt động công nghiệp đã góp phần quan trọng tác động tiêu cực đến môi trường và xã hội (Wilberforce và cộng sự, 2021). Cụ thể hơn, sản xuất và phát triển công nghiệp đã ảnh hưởng đến hệ sinh thái thông qua việc thải ra các kim loại nặng (loid) (HM) độc hại ở dạng phân tán và hòa tan (Chi-Wei và cộng sự, 2023; Phan và cộng sự, 2020). Người ta tin rằng các ngành công nghiệp và đầu vào do con người tạo ra là những nguồn gây ô nhiễm HM quan trọng trong môi trường nước. Ví dụ, các sản phẩm có chứa HM đã được sử dụng trong các quá trình công nghiệp hóa và phát triển toàn cầu, ví dụ như công nghiệp mạ điện, công nghiệp luyện kim và than đá, công nghiệp hoàn thiện, các lĩnh vực sản xuất thiết bị điện và nhiếp ảnh, quản lý chất thải, lĩnh vực hàng không vũ trụ, khai thác mỏ và vận tải, hộ gia đình, và thậm chí cả lĩnh vực nông nghiệp, v.v. (Kour và cộng sự, 2021). Kết quả là thủy ngân (Hg), asen (As), niken (Ni), kẽm (Zn), đồng (Cu), crom (Cr), cadmium (Cd) và chì (Pb) là những HM phổ biến nhất có liên quan. với các hoạt động của con người (Jaiswal và cộng sự, 2018; Shahjahan và cộng sự, 2022; Yadav và cộng sự, 2019) và chúng có những ảnh hưởng tiêu cực đến môi trường, ví dụ như đất, nước và không khí.

HM chủ yếu sử dụng nguyên liệu thô và sản phẩm phụ của các lĩnh vực công nghiệp đa dạng khác nhau và đã trở thành một vấn đề nghiêm trọng đe dọa đến tính mạng. Ví dụ, thực phẩm thủy sản (ví dụ: cá) đang trở thành nguồn cung cấp HM quan trọng, có liên quan đến những ảnh hưởng không gây ung thư và gây ung thư đối với con người. Do đó, ô nhiễm HM trong hệ sinh thái môi trường và các tác động độc hại của nó có thể xảy ra đối với sức khỏe con người (Briffa và cộng sự, 2020; Mitra và cộng sự, 2022). Theo “Chương trình Chất độc Quốc gia Hoa Kỳ”, sự xuất hiện của các HM này, ngay cả ở mức cực thấp, cũng có thể gây ra chất gây ung thư ở người (Hokkanen và cộng sự, 2016). Ngày nay, ô nhiễm HM trong hệ sinh thái dưới nước đã trở thành vấn đề môi trường toàn cầu. Ngày càng có nhiều sự chú ý về ô nhiễm nước do HM thải ra từ các nhà máy xử lý nước thải công nghiệp (WWTP) do ảnh hưởng độc hại (sinh thái) của các ion kim loại (loid) của chúng lên các dạng sống và sự tích lũy sinh học của nó trong quần thể sinh vật quan trọng. Sự phân bố của các ion HM này trong các vùng nước gây nguy hiểm cho các loài thủy sinh và sức khỏe con người liên quan đến sự xuất hiện/tích lũy của chúng vào lưới thức ăn (Wang và cộng sự, 2012). Ví dụ, phơi nhiễm chất độc liên quan đến chì gây chết não ở trẻ em ở Cộng hòa Dominica (Wongrod và cộng sự, 2018). Theo Tổ chức Y tế Thế giới (WHO), 18–22 triệu người đang bị ảnh hưởng bởi ngộ độc chì trên toàn thế giới (Mahdi và cộng sự, 2018). Ngoài ra, cadmium (Cd) được “Bộ Y tế và Dịch vụ Nhân sinh Hoa Kỳ” tiết lộ là một trong bảy hợp chất nguy hiểm nhất (ATSDR, 2012a). Cadmium có tác động bất lợi đến các vấn đề sức khỏe con người và gây tổn thương gan cũng như gây ung thư (Zhou và cộng sự, 2018). Các bệnh cơ bản bao gồm tổn thương gan, rối loạn chức năng thận, tăng huyết áp, tổn thương phổi và tác động gây quái thai có thể là do sự hiện diện của Cd(II) (S. Zhang và cộng sự, 2019). Theo đó, cần phải loại bỏ tình trạng ô nhiễm này trong môi trường, đặc biệt là từ nước thải, để đạt được các mục tiêu phát triển bền vững (SDGs) được hỗ trợ bởi cách tiếp cận “nền kinh tế tuần hoàn”. Trong các cách tiếp cận nền kinh tế tuần hoàn, việc thu giữ carbon dioxide (CO ₂ ) này sẽ là một cách tuyệt vời để mang lại tính bền vững mới cho các nhà máy xử lý nước thải, như một yếu tố quan trọng trong việc giảm thiểu tác động của biến đổi khí hậu và nỗ lực chuyển sang nền kinh tế khử cacbon (Pahunang và cộng sự, 2021).

Để loại bỏ các chất ô nhiễm độc hại và xử lý nước thải WTP có nồng độ từ thấp đến trung bình, các phương pháp sinh học như quy trình bùn hoạt tính (ASP), xử lý bằng thực vật và phân hủy kỵ khí (AD) được áp dụng rộng rãi nhờ một số ưu điểm, ví dụ: phương án hiệu quả và chi phí thấp (Huỳnh và cộng sự, 2020; Tran và cộng sự, 2022b). Tuy nhiên, các phương pháp này vẫn còn một số hạn chế như xử lý chưa đạt yêu cầu đối với một số chất ô nhiễm không phân hủy sinh học, trong đó có HM. Mặt khác, than sinh học là vật liệu nổi bật có khả năng loại bỏ một số chất ô nhiễm khỏi dung dịch nước, được coi là công nghệ tiềm năng để xử lý nước. Than sinh học được công nhận là một chất rắn có diện tích bề mặt riêng hiệu dụng (SSA) thay đổi từ 35,4 đến 151,4 m ²  g ⁻¹  và thậm chí lên tới >520 m ²  g ⁻¹ và các nhóm chức năng thiết yếu như –OH, –COOH, C O và C O (Hao và cộng sự, 2021; Minh-Ky và cộng sự, 2022). Ngoài ra, than sinh học giàu khoáng chất vẫn là giải pháp tiết kiệm chi phí để hấp phụ HM (Batool và cộng sự, 2022). Chuyển rơm rạ sang chất hấp phụ than sinh học hữu ích góp phần hấp thụ carbon, giảm lượng khí thải carbon và tránh giải phóng HM (Tan và cộng sự, 2022). Vật liệu than sinh học có thể được áp dụng để tăng cường hoạt động của vi sinh vật và chức năng của chúng trong việc khử độc và cố định HM khỏi nước thải. Ngoài ra, sử dụng phương pháp nhiệt phân thân cây cải dầu với sự hỗ trợ của vi sóng để sản xuất than sinh học nhằm mục đích loại bỏ HM khỏi nước thải (Chen và cộng sự, 2023). Khả năng hấp phụ các ion HM độc hại do nước thải nông nghiệp gây ra bằng than sinh học có nguồn gốc từ vỏ măng đã được nhận xét (Hu và cộng sự, 2022). Cho đến nay, việc sử dụng vật liệu nano để biến đổi bề mặt than sinh học có thể nâng cao đáng kể hiệu suất hấp phụ và loại bỏ của loại than sinh học cải tiến này đối với HM (Ahuja và cộng sự, 2022; Cai và cộng sự, 2023). Tiềm năng quan trọng trong việc thiết kế than sinh học được thiết kế có chứa các đặc tính vật lý và hóa học cụ thể thông qua hoạt hóa đóng vai trò quan trọng trong việc xử lý nước an toàn. Ngoài ra, các phương pháp xử lý hóa lý (ví dụ: hấp phụ), đặc biệt là với vật liệu nano được chế tạo tiên tiến đã được thử nghiệm trong những năm gần đây (Kamali và cộng sự, 2021). Về vấn đề này, xu hướng phát triển của vật liệu cacbon có thể đáp ứng các yêu cầu bền vững để được thiết kế để ứng dụng trên quy mô lớn.

Điều quan trọng là phải tập trung vào SDG, cùng với việc khắc phục nhằm mục đích đóng góp tích cực cho việc bảo vệ môi trường. Sử dụng sự hấp phụ liên quan đến vật liệu thân thiện với môi trường đã được quan tâm đáng kể. Gần đây, than sinh học đã được sử dụng trong xử lý nước thải trong công nghệ kỹ thuật sinh học (Gupta và cộng sự, 2022). Nhờ cấu trúc SSA và micropore khổng lồ, than sinh học có thể được sử dụng cho một số ứng dụng về môi trường. Ví dụ, SSA của than sinh học được nhiệt phân ở nhiệt độ 400 °C–600 °C thay đổi từ 10 m ²  g ⁻¹  đến 400 m ²  g ⁻¹  (Brown, 2012). Khả năng loại bỏ vượt trội được báo cáo bởi than sinh học được sản xuất từ ​​rơm rạ hạt cải (Pb – 100%), vỏ dừa (Cr – 99,9%) và lá tía tô (As – 100%) (Berslin và cộng sự, 2022). Nói chung, xử lý nước bằng than sinh học là một giải pháp thay thế tiềm năng, chi phí thấp, thân thiện với môi trường và bền vững (Gwenzi và cộng sự, 2017). Các đặc tính của than sinh học là chìa khóa quan trọng trong việc loại bỏ HM khỏi nước thải (Biswal và Balasubramanian, 2023; Wang và cộng sự, 2017). Như vậy có thể thấy chất hấp phụ sinh học có tính sẵn có cao và thân thiện với môi trường.

Thế giới hiện đang cố gắng đạt được các mục tiêu phát triển bền vững (SDGs) (Chi-Wei và cộng sự, 2023; Obaideen và cộng sự, 2022). Để đạt được SDG, cần phải tiến hành một cuộc điều tra quan trọng đối với xã hội và môi trường cụ thể. Về phát triển bền vững, các nguồn nước thải cho thấy tiềm năng được tái chế và tái sử dụng cho các mục đích thiết yếu, ví dụ như cung cấp nước uống an toàn và thúc đẩy các điều kiện vệ sinh để hỗ trợ SDG (Malik và cộng sự, 2015; Obaideen và cộng sự, 2022). Than sinh học, như một chất hấp phụ xanh và chi phí thấp, góp phần thay thế bền vững cho các giải pháp xử lý nước thải (Lalmalsawmdawngliani và cộng sự, 2024; Masud và cộng sự, 2023). Nghiên cứu này tập trung vào các ứng dụng rộng rãi của chúng trong xử lý nước thải để loại bỏ các chất gây ô nhiễm, tức là các HM độc hại. Nỗ lực này nhận xét về các cơ chế quan trọng trong việc xử lý HM từ nước thải và lợi ích môi trường của chất hấp phụ than sinh học đối với SDG. Hơn nữa, nghiên cứu này cung cấp sự hiểu biết sâu sắc về tầm quan trọng và vai trò của than sinh học trong các nhà máy xử lý nước thải. Các ứng dụng khác cũng được thực hiện như các giải pháp thay thế dựa trên nền kinh tế tuần hoàn. Cuối cùng, những khoảng trống nghiên cứu và đề xuất cho những quan điểm trong tương lai cũng được thảo luận kỹ lưỡng.