Thuốc nhuộm tổng hợp là các hợp chất hữu cơ rất phức tạp được sử dụng để tạo màu cho các chất nền khác nhau, bao gồm giấy, da, cao su, dệt may, mỹ phẩm hoặc thậm chí cả thực phẩm. Trên toàn cầu có hơn 10.000 loại thuốc nhuộm tổng hợp khác nhau với hơn 7×105 tấn thuốc nhuộm tổng hợp được sản xuất hàng năm và sử dụng trong các ngành công nghiệp khác nhau (Robinson et al., 2001; Ogugbue & Sawidis, 2011). Dệt nhuộm lại là một trong những ngành công nghiệp mũi nhọn ở Việt Nam. Điều này có thể gây ra vấn đề nan giải cho môi trường vì thành phần nước thải dệt nhuộm chứa một lượng lớn các hợp chất hữu cơ độc hại như thuốc nhuộm, kim loại, muối, các hợp chất hữu cơ bền (WWF, 2019; Yaseen & Scholz, 2019). Do đó, khi xả nước thải có chứa thuốc nhuộm tổng hợp vào môi trường tựnhiên, thuốc nhuộm được giải phóng và các sản phẩm phân hủy của thuốc nhuộm có khả năng gâyđột biến, ung thư do sự hiện diện của các tác nhân như naphthalene, benzamine và các hợp chất thơm khác (Forgacs et al., 2004; Saini 2017). Nếu không được xử lý, thuốc nhuộm này sẽ tồn tại trong môi trường một thời gian dài (Forgacs et al., 2004; Saini, 2017). Hầu hết các loại thuốc nhuộm tổng hợp phức tạp có thể tồn tại như một chất ô nhiễm thủy sinh bền vững trong môi trường, cản trở hoạt động quang hợp của tảo, làm cạn kiệt oxy hòa tan trong các thủy vực và do đó gây ra mối đe dọa cho các loài thủy sinh (Yusuf, 2019). Chúng cũng được xếp vào nhóm có thể gây đột biến và gây ung thư cho con người (Lellis et al., 2019). Methyl orange (MO, hay còn gọi là metyl da cam) là một loại thuốc nhuộm azo phổ biến và hòa tan trong nước (thường được gọi là chất chỉ thị pH), là một trong những loại thuốc nhuộm phổ biến sử dụng trong ngành dệt nhuộm trên toàn thế giới (Malviya et al., 2015). Phân tử MO có cấu tạo mạch cacbon khá phức tạp và cồng kềnh, chứa liên kết -N=N- và vòng benzen khá bền vững nên rất khó bị phân huỷ và rất độc, có khả năng gây ung thư và gây quái thai (Bai et al., 2020; Haque et al., 2021), đồng thời có hại cho môi trường và sinh vật (Kant 2012; Mittal 2020). Do đó, việc xử lý nước thải có chứa MO trước khi thải vào các nguồn nước tự nhiên là cần thiết.

Trên thực tế, các phương pháp vật lý, hóa học và sinh học khác nhau đã được sử dụng để xử lý các loại nước thải dệt nhuộm, chẳng hạn như quá trình oxy hóa nâng cao (Soares et al., 2014), lọc màng (Marszałek & Żyłła, 2021), quá trình oxy hóa điện hóa (Wang et al., 2020), ozon hóa (Tehrani-Bagha et al., 2010) và các phương pháp dựa trên sự keo tụ/tạo bông (Gadekar & Ahammed, 2020). Tuy nhiên, các phương pháp này còn tồn tại một số hạn chế như thiết kế phức tạp, khả năng xử lý không cao, chi phí vận hành và bảo trì cao. Trong thời gian gần đây, phương pháp hấp phụ được chấp nhận rộng rãi do tính hiệu quả cao, dễ vận hành, chi phí thấp và có khả năng mở rộng quy mô công nghiệp (Alguacil &Lopez, 2021). Tuy nhiên, hiệu quả của quá trình hấp phụ phần lớn phụ thuộc vào nhiều yếu tố, ví dụ như pH, nhiệt độ, tốc độ khuấy, nồng độ chất ô nhiễm; ngoài ra, chất hấp phụ được sử dụng trong quá trình hấp phụ cũng đóng một vai trò rất quan trọng (Rápó & Tonk, 2021). Nhiều loại chất hấp phụ đã được phát triển và sử dụng để loại bỏ thuốc nhuộm, bao gồm chất thải nông nghiệp (Ramaraju et al., 2014), vật liệu tự nhiên (Salman et al., 2015), đất sét (Kausar et al., 2018), than hoạt tính (Kheddo et al. 2020), zeolite (Hammood et al., 2021), khung kim loại - hữu cơ (Uddin et al., 2021), than sinh học (Sutar et al., 2022), và các sản phẩm tổng hợp (Pai et al., 2022).

Trong số các vật liệu hấp phụ kể trên, vật liệu cao phân tử có nguồn gốc từ tự nhiên như chitosan đã thu hút sự chú ý đáng kể vì chúng có khả năng phân hủy sinh học, không độc hại và thân thiện với môi trường (Enescu & Olteanu, 2008; Begum et al., 2021). Theo định nghĩa, chitosan là một polysaccharide mạch thẳng, một dẫn xuất Ndeacetyl hóa của chitin, được tạo ra từ quá trình khử oxy hóa chitin (Zia et al., 2019). Chitin xuất hiện trong tự nhiên dưới dạng các vi sợi tinh thể có trật tự tạo thành các thành phần cấu trúc bộ xương ngoài của động vật chân đốt, như động vật giáp xác, hoặc trong thành tế bào của nấm và nấm men (Shepherd et al., 1997). Chitosan cấu tạo bởi các phân tử Dglucosamine (đơn vị đã deacetyl hóa) và N-acetylD Glucosamine (đơn vị chứa nhóm acetyl) liên kết với nhau tại vị trí β-(1-4). Do tính không độc, tính tương hợp sinh học, khả năng phân hủy sinh học và sự phong phú, hợp chất cao phân tử này được xem là một chất hấp phụ hiệu quả, bền vững và chi phí thấp (Jiménez-Gómez & Cecilia, 2020; Sowmya et al., 2021; Omer et al., 2022). Ngoài ra, do chitosan có chứa các nhóm hydroxyl (−OH) và nhóm amino (−NH2) có khả năng liên kết với các ion kim loại nặng và các phân tử thuốc nhuộm, cho phép loại bỏ các chất ô nhiễm thông qua sự hình thành liên kết hydro, lực hút tĩnh điện và lực van der Waals (Nandanwar et al., 2022). Trên thực tế, chitosan thường được nghiên cứu và ứng dụng trong xử lý các ion kim loại nặng trong nước thải (Zia et al., 2019; Begum et al., 2021).

Động vật giáp xác có tầm quan trọng trực tiếp và gián tiếp lớn đối với con người. Các loài giáp xác lớn hơn (như tôm sú, tôm hùm và cua) được sử dụng làm thực phẩm trên khắp thế giới và do đó rất quan trọng đối với nền kinh tế của nhiều quốc gia. Tuy nhiên, ngành chế biến thủy sản thải ra một lượng lớn chất thải từ động vật có vỏ giáp xác; bộ xương ngoài được chuyển đổi thành chất thải rắn, tích tụ trong các bãi chôn lấp trở thành chất gây ô nhiễm môi trường. Các ngành công nghiệp chế biến giáp xác trên thế giới tạo ra hơn 60.000 tấn chất thải mỗi năm (Thirunavukkarasu & Shanmugam 2009). Bộ xương ngoài của động vật giáp xác chiếm khoảng 50–60% tổng trọng lượng ở cua và từ 35 đến 50% ở tôm (Dima et al., 2017). Những chất thải giáp xác này chứa khoảng 10–25% chitin tính theo trọng lượng khô, tùy thuộc vào loài (Dima et al., 2017). Việc sử dụng hợp lý các chất thải vỏ này không chỉ giải quyết vấn đề xử lý chúng mà còn tạo cơ sở cho nhiều sản phẩm tiềm năng được sử dụng trong các lĩnh vực khác nhau như y học hay nông nghiệp. Cho đến nay, các nguồn chitin thương mại chính là cua và vỏ tôm (Rinaudo, 2006).

Cho đến nay, hấp phụ thuốc nhuộm tổng hợp như MO sử dụng vật liệu hấp phụ chitosan từ vỏ tôm sú hiện còn rất hạn chế. Do đó, trong nghiên cứu này, chitosan chiết xuất từ vỏ tôm sú được chế tạo làm vật liệu hấp phụ MO trong dung dịch. Trên lý thuyết, quá trình hấp phụ sẽ phụ thuộc chủ yếu vào pH dung dịch, thời gian tiếp xúc, khối lượng vật liệu hấp phụ và nồng độ chất hấp phụ ban đầu (Samoila et al., 2019). Do đó, các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hấp phụ này sẽ được nghiên cứu chi tiết. Các kết quả thích hợp thu được sau đó sẽ được sử dụng cho các nghiên cứu động học và đẳng nhiệt nhằm dự đoán cơ chế của quá trình hấp phụ, đồng thời đánh giá khả năng hấp phụ MO bởi chitosan, làm cơ sở ứng dụng chitosan để loại bỏ MO ra khỏi nước thải từ việc tận dụng nguồn phế phẩm từ vỏ tôm sú.

Qua quá trình nghiên cứu kết quả thu được như sau, các yếu tố bao gồm pH dung dịch, khối lượng chitosan, thời gian tiếp xúc và nồng độ dung dịch MO ban đầu đều có ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ MO của chitosan. Lượng hấp phụ tối đa (Qmax) cho MO trên bề mặt đơn lớp của vật liệu chitosan được tính dựa trên mô hình Langmuir là 23,1 mg/g. Kết quả trên có thể ước tính khả năng hấp phụ tối ưu là 1 kg chitosan có khả năng hấp phụ 23.100 mg/kg MO. Tuy nhiên, số liệu này được ước tính cho điều kiện các thông số thí nghiệm cần đảm bảo là pH=3, thời gian hấp phụ là 240 phút, khối lượng chitosan là 0,2 g và nồng độ MO là 50 mg/L. Tóm lại, nguồn vỏ tôm sú dồi dào có thể được tận dụng để tạo ra một polyme sinh học tự nhiên là chitosan, và có tiềm năng ứng dụng trong việc loại bỏ hợp chất màu hữu cơ MO trong dung dịch.