Tổng quan nghiên cứu

Ô nhiễm nguồn nước bởi các hợp chất hữu cơ độc hại ngày càng trở thành vấn đề cấp bách toàn cầu, ảnh hưởng nghiêm trọng đến sức khỏe con người và hệ sinh thái. Trong đó, các hợp chất như E-naphthol, một sản phẩm phụ trong ngành công nghiệp nhuộm và dược phẩm, có tính độc cao, khó phân hủy sinh học và gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng. Theo ước tính, việc xử lý các chất ô nhiễm này đòi hỏi các công nghệ tiên tiến, hiệu quả và thân thiện với môi trường.

Luận văn tập trung nghiên cứu cải tiến hiệu quả quang xúc tác TiO2-SiO2-Ag trên nền vật liệu Cordierite Honeycomb Monolith (CHM) nhằm xử lý hợp chất E-naphthol trong môi trường nước. Mục tiêu cụ thể là tổng hợp vật liệu composite TiO2-SiO2, phủ kim loại Ag lên bề mặt xúc tác, và ứng dụng trên nền monolith để nâng cao hiệu suất phân hủy hợp chất ô nhiễm dưới ánh sáng UV và ánh sáng nhìn thấy. Nghiên cứu được thực hiện trong giai đoạn từ tháng 9/2020 đến tháng 6/2021 tại TP. Hồ Chí Minh, với phạm vi thí nghiệm quy mô phòng thí nghiệm.

Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển vật liệu xúc tác quang hiệu quả, bền vững, dễ thu hồi và tái sử dụng, góp phần nâng cao hiệu quả xử lý ô nhiễm hữu cơ trong nước, giảm thiểu chi phí và tác động môi trường. Hiệu suất phân hủy E-naphthol đạt tới 97% sau 90 phút chiếu xạ UV, đồng thời vật liệu xúc tác trên monolith duy trì hiệu suất trên 88% sau 5 lần tái sử dụng, cho thấy tiềm năng ứng dụng thực tiễn cao.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

  • Quang xúc tác TiO2: TiO2 là vật liệu xúc tác quang phổ biến với khả năng phân hủy các hợp chất hữu cơ dưới ánh sáng UV nhờ tạo ra các gốc tự do oxy hóa mạnh. Tuy nhiên, TiO2 có hạn chế về diện tích bề mặt riêng thấp (~28,4 m²/g), băng tần rộng (~3,2 eV) và khó thu hồi sau sử dụng.

  • Composite TiO2-SiO2: Việc bổ sung SiO2 vào TiO2 nhằm tăng diện tích bề mặt riêng, cải thiện khả năng hấp phụ và tăng cường độ bền cơ học. SiO2 tạo cấu trúc mesoporous, giúp tăng diện tích tiếp xúc xúc tác với chất ô nhiễm, đồng thời giảm hiện tượng kết tụ hạt TiO2.

  • Phủ kim loại Ag lên TiO2-SiO2: Kim loại Ag có hiệu ứng plasmon bề mặt (LSPR) giúp mở rộng vùng hấp thụ ánh sáng sang vùng nhìn thấy, tăng hiệu quả tách electron-lỗ trống, kéo dài thời gian sống của các cặp electron-lỗ trống, từ đó nâng cao hiệu suất quang xúc tác.

  • Cordierite Honeycomb Monolith (CHM): Là vật liệu nền có cấu trúc kênh song song, giúp tăng diện tích bề mặt xúc tác, dễ dàng thu hồi và tái sử dụng, đồng thời giảm thiểu hiện tượng mất xúc tác trong quá trình xử lý.

Các khái niệm chính bao gồm: diện tích bề mặt riêng (BET), băng tần năng lượng (band gap), hiệu ứng plasmon bề mặt (LSPR), mô hình Langmuir-Hinshelwood (đánh giá động học phân hủy), và pH điểm điện tích (pHIEP).

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Dữ liệu thu thập từ các thí nghiệm tổng hợp vật liệu TiO2-SiO2 bằng phương pháp sol-gel, phủ Ag bằng phương pháp photodeposition, và phủ xúc tác lên monolith bằng phương pháp dip-coating. Các mẫu vật liệu được nung ở nhiệt độ 450-550°C với tỷ lệ mol TiO2:SiO2 lần lượt là 95:5 (TS5), 85:15 (TS15), 75:25 (TS25).

  • Phương pháp phân tích: Sử dụng các kỹ thuật phân tích hiện đại như XRD (phân tích cấu trúc tinh thể), SEM và TEM (quan sát hình thái bề mặt và kích thước hạt), BET (đo diện tích bề mặt riêng), UV-DRS (xác định băng tần năng lượng), XPS (phân tích trạng thái hóa học), GC-MS (phân tích sản phẩm phân hủy), và UV-Vis (đo nồng độ E-naphthol còn lại).

  • Thiết kế thí nghiệm: Thí nghiệm phân hủy E-naphthol được thực hiện dưới ánh sáng UV 395 nm và ánh sáng tự nhiên, với điều kiện pH dung dịch được điều chỉnh từ 3 đến 11 để khảo sát ảnh hưởng pH đến hiệu suất phân hủy. Cỡ mẫu xúc tác khoảng 0,2 g trong 400 mL dung dịch E-naphthol 10 ppm. Thời gian chiếu xạ tối đa 120 phút.

  • Timeline nghiên cứu: Tổng thời gian nghiên cứu từ tháng 9/2020 đến tháng 6/2021, bao gồm các giai đoạn tổng hợp vật liệu, khảo sát đặc tính vật lý hóa học, đánh giá hiệu suất quang xúc tác và thử nghiệm tái sử dụng.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Tổng hợp vật liệu TiO2-SiO2 thành công với tỷ lệ mol TiO2:SiO2 tối ưu 95:5 (TS5)

    • Diện tích bề mặt riêng của TS5 đạt 99,3 m²/g, tăng gần 3,5 lần so với TiO2 nguyên chất (28,4 m²/g).
    • Băng tần năng lượng của TS5 là 3,14 eV, thấp hơn so với TS15 (3,16 eV) và TS25 (3,21 eV), cho thấy khả năng hấp thụ ánh sáng tốt hơn.

  2. Phủ Ag lên TiO2-SiO2 tăng hiệu suất quang xúc tác phân hủy E-naphthol

    • Mẫu TS5-5%Ag đạt hiệu suất phân hủy 97% sau 90 phút chiếu xạ UV 395 nm, với hằng số tốc độ phản ứng k = 3,64×10⁻² phút⁻¹, cao hơn nhiều so với TS5 không phủ Ag (k = 1,29×10⁻² phút⁻¹).
    • Hiệu suất giảm khi hàm lượng Ag vượt quá 5%, ví dụ TS5-10%Ag chỉ đạt 68,3% hiệu suất, do hiện tượng che phủ bề mặt xúc tác.

  3. Ứng dụng vật liệu trên nền monolith Cordierite Honeycomb (CHM) duy trì hiệu suất cao và khả năng tái sử dụng

    • Xúc tác TiO2-SiO2-Ag phủ trên CHM (mẫu 2S600-2S-TS5-5%Ag) đạt hiệu suất phân hủy 94,7% sau 90 phút chiếu xạ UV.
    • Sau 5 lần tái sử dụng, hiệu suất vẫn giữ được 88,5%, giảm chỉ 6,2% so với lần đầu, chứng tỏ tính ổn định và khả năng tái sử dụng cao.

  4. Ảnh hưởng của pH dung dịch đến hiệu suất phân hủy

    • Hiệu suất phân hủy E-naphthol cao nhất tại pH ~6, đạt 92,3% sau 120 phút.
    • Ở pH thấp hơn hoặc cao hơn, hiệu suất giảm đáng kể (pH 3: 61,3%; pH 11: 39,4%), do ảnh hưởng của điện tích bề mặt xúc tác và dạng ion hóa của E-naphthol.

Thảo luận kết quả

Việc bổ sung SiO2 vào TiO2 giúp tăng diện tích bề mặt riêng và tạo cấu trúc mesoporous, làm tăng khả năng hấp phụ và tiếp xúc giữa xúc tác và chất ô nhiễm. Kết quả XRD và TEM cho thấy kích thước hạt TiO2 giảm khi có SiO2, phù hợp với lý thuyết về hạn chế sự kết tụ hạt.

Phủ Ag lên bề mặt xúc tác tạo ra hiệu ứng plasmon bề mặt, mở rộng vùng hấp thụ ánh sáng sang vùng nhìn thấy, đồng thời tăng hiệu quả tách electron-lỗ trống, kéo dài thời gian sống của các cặp điện tử, từ đó nâng cao hiệu suất quang xúc tác. Tuy nhiên, hàm lượng Ag quá cao gây che phủ bề mặt xúc tác, làm giảm hiệu quả.

Việc ứng dụng vật liệu trên nền monolith Cordierite giúp khắc phục nhược điểm khó thu hồi và tái sử dụng của xúc tác dạng bột. Cấu trúc kênh song song của CHM tăng diện tích bề mặt xúc tác tiếp xúc với dung dịch, đồng thời dễ dàng thu hồi sau xử lý. Hiệu suất duy trì cao sau nhiều lần tái sử dụng chứng tỏ tính ổn định cơ học và hóa học của hệ xúc tác.

Ảnh hưởng của pH dung dịch phù hợp với điểm điện tích bề mặt (pHIEP ~5,24) của vật liệu composite, khi pH gần pHIEP, sự tương tác giữa xúc tác và E-naphthol tối ưu, dẫn đến hiệu suất phân hủy cao nhất. Ở pH quá thấp hoặc quá cao, sự tương tác bị giảm do điện tích bề mặt và dạng ion hóa của chất ô nhiễm thay đổi.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ hiệu suất phân hủy theo thời gian, biểu đồ so sánh hiệu suất giữa các mẫu xúc tác với tỷ lệ Ag khác nhau, và bảng tổng hợp các thông số động học phân hủy E-naphthol.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tối ưu hóa tỷ lệ mol TiO2:SiO2 và hàm lượng Ag phủ trên xúc tác

    • Động từ hành động: Điều chỉnh, kiểm soát
    • Mục tiêu: Đạt hiệu suất phân hủy E-naphthol trên 95%
    • Timeline: 3-6 tháng
    • Chủ thể thực hiện: Các nhóm nghiên cứu vật liệu và công nghệ môi trường

  2. Phát triển quy trình phủ xúc tác trên monolith quy mô lớn

    • Động từ hành động: Mở rộng, chuẩn hóa
    • Mục tiêu: Ứng dụng trong xử lý nước thải công nghiệp
    • Timeline: 6-12 tháng
    • Chủ thể thực hiện: Doanh nghiệp công nghệ môi trường, viện nghiên cứu

  3. Nghiên cứu ảnh hưởng của các điều kiện vận hành (pH, nhiệt độ, nồng độ ô nhiễm)

    • Động từ hành động: Khảo sát, đánh giá
    • Mục tiêu: Tối ưu hóa điều kiện xử lý thực tế
    • Timeline: 6 tháng
    • Chủ thể thực hiện: Các phòng thí nghiệm môi trường

  4. Thiết kế hệ thống xử lý nước thải tích hợp xúc tác TiO2-SiO2-Ag/CHM

    • Động từ hành động: Thiết kế, thử nghiệm
    • Mục tiêu: Hệ thống xử lý hiệu quả, bền vững, dễ vận hành
    • Timeline: 12-18 tháng
    • Chủ thể thực hiện: Các công ty xử lý nước thải, viện nghiên cứu

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Kỹ thuật Hóa học, Môi trường

    • Lợi ích: Hiểu rõ về vật liệu xúc tác quang, phương pháp tổng hợp và ứng dụng xử lý ô nhiễm hữu cơ.
    • Use case: Phát triển đề tài nghiên cứu, luận văn thạc sĩ, tiến sĩ.

  2. Doanh nghiệp công nghệ môi trường và xử lý nước thải

    • Lợi ích: Áp dụng công nghệ xúc tác quang tiên tiến, nâng cao hiệu quả xử lý nước thải công nghiệp.
    • Use case: Thiết kế, vận hành hệ thống xử lý nước thải thân thiện môi trường.

  3. Cơ quan quản lý môi trường và chính sách

    • Lợi ích: Cơ sở khoa học để xây dựng tiêu chuẩn, quy định về xử lý ô nhiễm hữu cơ trong nước.
    • Use case: Đánh giá công nghệ, đề xuất chính sách bảo vệ môi trường.

  4. Các tổ chức phi chính phủ và cộng đồng quan tâm đến bảo vệ môi trường

    • Lợi ích: Nâng cao nhận thức về công nghệ xử lý ô nhiễm hiệu quả và bền vững.
    • Use case: Tổ chức các chương trình giáo dục, truyền thông về môi trường.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao cần bổ sung SiO2 vào TiO2 trong xúc tác quang?
    SiO2 giúp tăng diện tích bề mặt riêng, tạo cấu trúc mesoporous, cải thiện khả năng hấp phụ và độ bền cơ học của xúc tác. Điều này làm tăng hiệu quả phân hủy các chất ô nhiễm hữu cơ so với TiO2 nguyên chất.

  2. Vai trò của kim loại Ag trong xúc tác TiO2-SiO2 là gì?
    Ag tạo hiệu ứng plasmon bề mặt, mở rộng vùng hấp thụ ánh sáng sang vùng nhìn thấy, tăng hiệu quả tách electron-lỗ trống, kéo dài thời gian sống của các cặp điện tử, từ đó nâng cao hiệu suất quang xúc tác.

  3. Tại sao sử dụng monolith Cordierite làm nền xúc tác?
    Monolith Cordierite có cấu trúc kênh song song, giúp tăng diện tích bề mặt xúc tác, dễ dàng thu hồi và tái sử dụng, đồng thời giảm thiểu thất thoát xúc tác trong quá trình xử lý, phù hợp cho ứng dụng quy mô lớn.

  4. Ảnh hưởng của pH đến hiệu suất phân hủy E-naphthol như thế nào?
    Hiệu suất cao nhất tại pH ~6 do sự tương tác tối ưu giữa xúc tác và E-naphthol. Ở pH quá thấp hoặc quá cao, hiệu suất giảm do thay đổi điện tích bề mặt xúc tác và dạng ion hóa của E-naphthol, làm giảm khả năng hấp phụ và phân hủy.

  5. Khả năng tái sử dụng của xúc tác TiO2-SiO2-Ag trên monolith ra sao?
    Sau 5 lần tái sử dụng, hiệu suất phân hủy vẫn giữ trên 88%, giảm chỉ khoảng 6,2% so với lần đầu, cho thấy xúc tác có độ bền cao và phù hợp cho ứng dụng thực tế lâu dài.

Kết luận

  • Đã tổng hợp thành công vật liệu composite TiO2-SiO2 với tỷ lệ mol tối ưu 95:5, tăng diện tích bề mặt riêng và cải thiện hiệu suất quang xúc tác.
  • Phủ kim loại Ag lên xúc tác giúp mở rộng vùng hấp thụ ánh sáng và tăng hiệu quả phân hủy E-naphthol lên đến 97% dưới ánh sáng UV.
  • Ứng dụng xúc tác trên nền monolith Cordierite cho phép duy trì hiệu suất cao và khả năng tái sử dụng bền vững, thuận tiện cho thu hồi và vận hành.
  • Hiệu suất phân hủy phụ thuộc mạnh vào pH dung dịch, với pH ~6 là điều kiện tối ưu.
  • Nghiên cứu mở ra hướng phát triển vật liệu xúc tác quang hiệu quả, thân thiện môi trường, có tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong xử lý ô nhiễm nước.

Next steps: Mở rộng quy mô tổng hợp và thử nghiệm thực tế, tối ưu hóa điều kiện vận hành, phát triển hệ thống xử lý nước thải ứng dụng xúc tác TiO2-SiO2-Ag/CHM.

Call-to-action: Các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp môi trường nên hợp tác để ứng dụng công nghệ này vào thực tiễn, góp phần bảo vệ nguồn nước và phát triển bền vững.