Nghiên cứu vai trò của chất hữu cơ tự nhiên trong môi trường

Posted on March 1, 2010

0


Bằng cách nghiên cứu các cơ chế phân tử của tính chất phức tạp của chất hữu cơ tự nhiên, các nhà nghiên cứu thuộc trường Đại học Illinois ở Urbana-Champaign tìm thấy các phương pháp mới để phòng tránh các hợp chất làm ô nhiễm thiết bị lọc và khử mặn nước.

Chất hữu cơ tự nhiên có mặt ở khắp nơi trong đất, nước và trầm tích. Trong nông nghiệp, chất hữu cơ tự nhiên quan trọng vì có tác dụng tích cực đến cấu trúc, khả năng lưu giữ nước và tính chất dinh dưỡng của đất. Chất hữu cơ tự nhiên cũng tương tác với các ion kim loại và khoáng chất để hình thành các phức chất có bản chất sinh học và hóa học rất khác nhau. Độ hòa tan, khả năng lưu động và độc tính của nhiều kim loại đánh dấu liên quan chặt chẽ với nồng độ chất hữu cơ tự nhiên trong đất và nước.

Tuy nhiên, chất hữu cơ tự nhiên gây ra một số vấn đề trong ngành cung cấp nước, đòi hỏi phải khử để giảm thiểu màu của nước và chúng làm tăng các sản phẩm phụ hóa học có tiềm năng gây hại như là kết quả của sự clo hóa. Thông qua quá trình gọi là “Ô nhiễm-sinh học” (bio-fouling), chất hữu cơ tự nhiên cũng là nguyên nhân chính làm hỏng các hệ thống màng lọc sử dụng trong lọc và khử mặn cho nước.

Andrey Kalinichev, nhà nghiên cứu thuộc trường Đại học Illinois và Giáo sư địa chất James Kirkpatrick đã sử dụng phương pháp mô phỏng bằng máy tính và kính hiển vi cộng hưởng từ hạt nhân để nghiên cứu một số yếu tố góp phần vào tính chất phức tạp của chất hữu cơ tự nhiên hòa tan. Nghiên cứu này đã được đăng trên Tạp chí Khoa học Đất của châu Âu (European Journal of Soil Science).

Theo Kalinichev, ô nhiễm-sinh học là vấn đề quan trọng nhất trong phát triển công nghệ màng tiên tiến để lọc và khử mặn cho nước. Ô nhiễm-sinh học gây ra những sự phức tạp lớn cho ngành công nghiệp này. Do bản chất axit, chất hữu cơ tự nhiên có thể tạo ra các phức chất với các ion kim loại hòa tan. Liên kết của các ion như cađimi, natri, magiê và xêzi với chất hữu cơ tự nhiên và ảnh hưởng tiềm năng của chúng đến sự làm ô nhiễm–sinh học đã được Kalinichev nghiên cứu bằng các mô phỏng động lực học phân tử trên máy tính và thực hiện các phép đo bằng cộng hưởng từ hạt nhân.

Bằng cách sử dụng các mô hình phân tử đơn giản, song rất thực tiễn, về sự hòa tan của các chất hữu cơ tự nhiên trong các dung dịch ion, Kalinichev và Kirkpatrick nhận thấy các ion natri và magiê tương tác rất yếu với chất hữu cơ tự nhiên. Xêzi tương tác mạnh hơn, còn canxi tương tác mạnh nhất với chất hữu cơ tự nhiên. Theo Kalinichev, mức độ tương tác của ion với chất hữu cơ tự nhiên phụ thuộc vào nhiều yếu tố, như kích thước ion, điện tích và năng lượng ion sử dụng để phá vỡ vỏ hydrat hóa của các phân tử nước xung quanh ion.

Các ion kim loại trong nước thường bị hydrat hóa, có nghĩa là chúng bị bao quanh bởi các phân tử nước. Để các ion này có thể hình thành các phức chất bền vững với chất hữu cơ tự nhiên, các phân tử nước bao quanh cần được loại bỏ. Khi điều này xảy ra, nhiều phân tử tích điện âm của chất hữu cơ tự nhiên có thể đồng thời gắn vào cùng một loại ion, tạo ra các chất kết tụ lớn hơn rất nhiều. Các chất kết tụ này là nguyên nhân tạo ra các lớp ô nhiễm-sinh học ở bề mặt của màng.

Ngoài tác động làm tắc chi tiết lọc, chất hữu cơ tự nhiên có thể làm thay đổi khả năng lưu động của một số kim loại độc hại trong đất và nước.

Các nhà nghiên cứu thực hiện các thí nghiệm và mô phỏng trên máy tính với các ion như natri và canxi vì tính chất của chúng trong nước đã được nghiên cứu rõ. Bước tiếp theo sẽ là sử dụng các mô hình này để nghiên cứu tác dụng của mối tương tác của chất hữu cơ tự nhiên với các kim loại ít phổ biến, nhưng độc hại hơn, như stronti, chì, thủy ngân, kẽm và niken.

Công trình nghiên cứu này được Quỹ Khoa học Quốc gia và Bộ Năng lượng Mỹ tài trợ.

Theo University of Illinois, 3/2007

Advertisements