Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Ô nhiễm môi trường đang là thách thức nghiêm trọng mang tính toàn cầu và tại Việt Nam, tác động trực tiếp đến hệ sinh thái và sức khỏe cộng đồng. Theo các báo cáo và số liệu được tác giả tổng hợp từ Báo cáo Hiện trạng môi trường quốc gia và Tổ chức Y tế Thế giới (WHO), suy thoái tài nguyên đất chịu ảnh hưởng nặng nề bởi việc lạm dụng phân bón hóa học (trên 50% đạm, 50% kali và gần 80% lân dư thừa làm chua hóa đất, phát sinh ion độc hại như $Al^{3+}$, $Fe^{3+}$, $Mn^{2+}$) cùng dư lượng thuốc bảo vệ thực vật và kim loại nặng gần các khu công nghiệp. Đối với môi trường nước, áp lực xả thải chưa qua xử lý tại các đô thị, khu công nghiệp và nông thôn (nơi 76% dân số sinh sống trong điều kiện hạ tầng hạn chế) khiến nguồn nước mặt và nước ngầm bị ô nhiễm hữu cơ, vi sinh vật trầm trọng. Số liệu y tế chỉ ra trung bình mỗi năm Việt Nam có khoảng 9.000 người chết do điều kiện vệ sinh nguồn nước kém và hơn 100.000 ca mắc ung thư mới phát hiện có liên quan đến việc sử dụng nguồn nước ô nhiễm. Đồng thời, chất lượng không khí tại các đô thị lớn suy giảm nghiêm trọng với nồng độ bụi và khí độc hại gia tăng.

Trước thực trạng đó, các giải pháp kỹ thuật truyền thống như keo tụ, lắng, lọc, hấp phụ hay xử lý sinh học chỉ giải quyết được một phần các chất ô nhiễm hoặc chuyển pha ô nhiễm từ dạng lỏng sang dạng bùn thải. Công nghệ quang xúc tác sử dụng vật liệu bán dẫn kích thước nanomet, đặc biệt là titan dioxyt ($TiO_2$), nổi lên như một giải pháp xử lý triệt để thông qua phản ứng oxy hóa - khử phân hủy các hợp chất hữu cơ độc hại thành các chất vô hại như $CO_2$ và $H_2O$. Tuy nhiên, vật liệu nano $TiO_2$ dạng bột thương mại tuy có hoạt tính quang xúc tác cao nhưng khả năng hấp phụ bề mặt kém, khó thu hồi sau xử lý và dễ gây thất thoát vào nguồn nước.

Nhằm khắc phục nhược điểm trên, việc kết hợp nano $TiO_2$ với các chất mang có diện tích bề mặt lớn và giá thành rẻ là một hướng nghiên cứu cấp thiết. Ngành công nghiệp chế biến lâm sản hàng năm thải ra khối lượng phế phẩm mùn cưa rất lớn; nguồn phế phụ phẩm này nhẹ, có độ xốp mao quản cao, tính hút ẩm và khả năng hấp phụ tốt. Khóa luận tốt nghiệp của sinh viên Nguyễn Thị Huệ (Trường Đại học Lâm Nghiệp) thực hiện đề tài "Nghiên cứu thử nghiệm chế tạo vật liệu quang xúc tác mùn cưa phủ Nano Titan Dioxyt" nhằm tận dụng nguồn phế thải gỗ để làm giá mang sinh học, tạo ra vật liệu composite vừa có năng lực hấp phụ vừa có hoạt tính phân hủy quang hóa.

Mục tiêu nghiên cứu của khóa luận được phân định cụ thể:

  1. Mục tiêu chung: Tạo được vật liệu có khả năng quang xúc tác ứng dụng trong xử lý môi trường từ phế thải của công nghiệp sản xuất chế biến gỗ bằng công nghệ nano, góp phần nâng cao hiệu quả quản lý môi trường và bảo vệ sức khỏe người dân.
  2. Mục tiêu cụ thể:
    • Bước đầu xây dựng được quy trình phủ vật liệu $TiO_2$ lên mùn cưa bằng phương pháp thủy nhiệt.
    • Xác định được cấu trúc (hình thái học) của lớp $TiO_2$ trên bề mặt mùn cưa.
    • Đánh giá được đặc tính quang xúc tác của vật liệu mùn cưa phủ $TiO_2$ do nghiên cứu tạo ra thông qua quá trình phân hủy phẩm màu xanh metylen.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Đặc tính quang xúc tác của mùn cưa phủ $TiO_2$ và quy trình kỹ thuật phủ màng $TiO_2$ lên chất nền mùn cưa.
  • Phạm vi nghiên cứu:
    • Vật liệu nền: Mùn cưa gỗ Tếch (Tectona grandis) thu thập tại Xưởng thực hành của Viện Công nghiệp gỗ - Trường Đại học Lâm Nghiệp, kích thước qua rây sàng 0,45 mm.
    • Tiền chất hóa học: Titanium isopropoxide (TIP), công thức phân tử $Ti{OCH(CH_3)_2}_4$.
    • Phương pháp biến tính: Phương pháp tổng hợp thủy nhiệt sử dụng nồi hấp Autoclave gia nhiệt bằng bể dầu glycerin ở nhiệt độ 150°C trong thời gian 4 giờ. Tỉ lệ thể tích tiền chất trong pha sol là TIP : Ethanol = 1 : 40 (mL).
    • Chất ô nhiễm mô hình: Phẩm màu hữu cơ xanh metylen (Methylene Blue - MB).

Cơ sở lý thuyết và phương pháp thực nghiệm

Về cơ sở lý thuyết, vật liệu bán dẫn $TiO_2$ tồn tại dưới ba dạng hình thù tinh thể chính là Rutile, Anatase và Brookite. Trong đó, Anatase có cấu trúc hệ tứ phương giãn dài ($I4_1/amd$, thông số mạng $a = 3,78$ Å, $c = 9,49$ Å, khối lượng riêng 3,895 $g/cm^3$, độ rộng vùng cấm $E_g = 3,23$ eV) sở hữu hoạt tính quang xúc tác cao nhất nhờ khả năng ức chế sự tái kết hợp giữa electron và lỗ trống tốt hơn so với dạng Rutile ($E_g = 3,05$ eV, khối lượng riêng 4,25 $g/cm^3$).

Khi vật liệu nano $TiO_2$ được kích thích bởi bức xạ photon có năng lượng lớn hơn hoặc bằng năng lượng vùng cấm ($\lambda \le 380$ nm), các electron nhảy từ vùng hóa trị (VB) lên vùng dẫn (CB), sản sinh các cặp điện tích gồm electron tự do mang điện tích âm ($e^-{CB}$) và lỗ trống mang điện tích dương ($h^+{VB}$):

$$TiO_2 + h\nu \rightarrow e^-{CB} + h^+{VB}$$

Các hạt tải điện này tham gia vào chuỗi phản ứng oxy hóa - khử tại bề mặt phân cách pha:

  • Lỗ trống oxy hóa ion hydroxit ($OH^-$) hoặc phân tử nước ($H_2O$) để tạo ra các gốc tự do hydroxyl ($\bullet OH$) có tính oxy hóa cực mạnh và không chọn lọc: $$h^+{VB} + OH^- \rightarrow \bullet OH$$ $$h^+{VB} + H_2O \rightarrow \bullet OH + H^+$$ $$h^+_{VB} + RX \rightarrow RX^{\bullet}$$
  • Electron vùng dẫn khử oxy hòa tan thành gốc anion superoxide ($O_2^{\bullet-}$), tiếp tục chuyển hóa thành hydro peroxyt ($H_2O_2$) rồi phân cắt tạo thêm gốc $\bullet OH$: $$e^-{CB} + O_2 \rightarrow O_2^{\bullet-}$$ $$2O_2^{\bullet-} + 2H_2O \rightarrow H_2O_2 + 2OH^- + O_2$$ $$e^-{CB} + H_2O_2 \rightarrow \bullet OH + OH^-$$

Để cố định $TiO_2$ lên chất nền hữu cơ như mùn cưa mà không làm cháy hay phân hủy cấu trúc sợi gỗ xenlulozo, phương pháp thủy nhiệt (hydrothermal method) trong nồi hấp áp suất Autoclave được lựa chọn thay thế cho phương pháp sol-gel nung nhiệt độ cao truyền thống (vốn yêu cầu nung trên 450°C để kết tinh). Quá trình thủy nhiệt diễn ra theo cơ chế thủy phân nhóm alkoxide và ngưng tụ tạo liên kết kim loại - oxy - kim loại ($Ti-O-Ti$) trực tiếp trong môi trường kín ở nhiệt độ 150°C.

Hệ thống thiết bị và phương pháp phân tích thực nghiệm bao gồm:

  • Thiết bị chế tạo: Nồi hấp Autoclave cấu tạo gồm vỏ thép chịu áp lực, ống lót bằng teflon chống ăn mòn hóa học, nắp đậy kèm lò xo nén; bể ổn nhiệt dầu glycerin.
  • Phân tích hình thái bề mặt: Kính hiển vi điện tử quét phát xạ trường FE-SEM (Hitachi S-4800) tại Viện Khoa học Vật liệu - Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam.
  • Phân tích cấu trúc pha tinh thể: Nhiễu xạ tia X (XRD) trên máy Siemens D5005 (nguồn phát bức xạ Cu, bước quét locked $2\theta/\theta$) tại Trường Đại học Khoa học Tự nhiên - Đại học Quốc gia Hà Nội.
  • Phân tích quang phổ hấp thụ: Máy quang phổ hấp thụ phân tử khả kiến tử ngoại UV-VIS để đo mật độ quang (Abs) của dung dịch xanh metylen tại bước sóng hấp thụ cực đại.

Phương pháp xử lý số liệu: Nồng độ xanh metylen được xác định qua phương trình đường chuẩn hồi quy tuyến tính dạng $Y = ax + b$ (với $Y$ là mật độ quang Abs, $x$ là nồng độ dung dịch MB tính bằng $mg/L$). Hiệu suất xử lý phân hủy màu ($%H$) được tính toán theo công thức:

$$%H = \frac{C_0 - C}{C_0} \times 100%$$

Trong đó $C_0$ là nồng độ ban đầu của xanh metylen và $C$ là nồng độ dung dịch sau quá trình xử lý quang xúc tác.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan vấn đề nghiên cứu

Chương 1 hệ thống hóa cơ sở dữ liệu về thực trạng ô nhiễm môi trường đất, nước và không khí ở quy mô quốc tế và trong nước. Tác giả phân tích các giải pháp xử lý chất thải hiện hành, đồng thời làm rõ vai trò của công nghệ vật liệu nano với các dạng cấu trúc vi hạt và vật liệu nano kết cấu. Bảng thống kê tổng kết tỷ lệ ứng dụng của vật liệu nano cho thấy lĩnh vực y dược chiếm 30%, hóa chất và vật liệu cao cấp chiếm 29%, thông tin truyền thông chiếm 21%, năng lượng chiếm 10%, tự động hóa 5%, hàng không vũ trụ 2%, dệt may 2% và nông nghiệp 1%.

Các hạt nano thường dùng trong xử lý gỗ được so sánh chi tiết về đặc tính kỹ thuật: $SiO_2$ tăng khả năng bám dính tự nhiên tạo màng vi kết cấu; $ZnO$ hấp thụ tia hồng ngoại và cản tia cực tím; $CaCO_3$ dùng làm chất độn gia cường; $Al_2O_3$ tăng khả năng chống mài mòn; trong khi $TiO_2$ kích thước dưới 100 nm thể hiện ưu thế vượt trội về khả năng phản xạ tia cực tím, chống lão hóa gỗ và hoạt tính quang hóa phân hủy chất hữu cơ. Bảng so sánh thông số tinh thể học giữa hai pha phổ biến của $TiO_2$ được thiết lập:

Thông số vật lý Pha Anatase Pha Rutile
Hệ tinh thể Hệ tứ phương (Tetragonal) Hệ tứ phương (Tetragonal)
Nhóm không gian $I4_1/amd$ $P4_2/mnm$
Thông số mạng $a$ 3,78 Å 4,58 Å
Thông số mạng $c$ 9,49 Å 2,95 Å
Khối lượng riêng 3,895 $g/cm^3$ 4,25 $g/cm^3$
Chiết suất 2,52 2,71
Độ cứng (thang Mohs) 5,5 – 6,0 6,0 – 7,0
Hằng số điện môi 31 114
Nhiệt độ chuyển pha / nóng chảy Chuyển thành Rutile ở nhiệt độ cao 1858°C

Chương này cũng tổng thuật bốn phương pháp chế tạo vật liệu nano quang xúc tác gồm: sol-gel, phân tán trực tiếp, phức hợp tổ hợp tầng (LBL) và thủy nhiệt trong ống thép teflon. Điểm qua các công trình nghiên cứu trên thế giới (Nhật Bản, Mỹ, Hà Lan) và tại Việt Nam (Viện Công nghệ Môi trường, Đại học Quốc gia Hà Nội, ITIMS), tác giả nhận định các nghiên cứu trước đây chủ yếu phủ $TiO_2$ lên đế vô cơ đắt tiền như apatit, bông thạch anh, sợi gốm hoặc màng polyme, chưa có công trình nào sử dụng mùn cưa làm giá thể mang nano $TiO_2$.

Chương 2: Mục tiêu, đối tượng, phạm vi, nội dung và phương pháp nghiên cứu

Chương 2 mô tả chi tiết toàn bộ thiết kế quy trình thực nghiệm và các bước chuẩn bị mẫu. Quy trình phủ nano $TiO_2$ lên mùn cưa gỗ Tếch trải qua ba công đoạn:

  1. Sơ chế mùn cưa: Mùn cưa được rây qua cỡ mắt rây 0,45 mm nhằm loại bỏ dăm gỗ kích thước lớn, ngâm rửa trong axeton suốt 30 phút để loại bỏ nhựa, dầu và tạp chất hòa tan, sau đó sấy khô đến khối lượng không đổi.
  2. Phối chế dung dịch Sol: Hút chính xác 48,75 mL cồn tuyệt đối (Ethanol) hòa trộn cùng 1,25 mL dung dịch tiền chất TIP trong cốc mỏ 200 mL (tương ứng tỉ lệ thể tích TIP : Cồn là 1 : 40), đặt trên máy khuấy từ và duy trì khuấy đều trong 30 phút để đảm bảo phân tán đồng nhất.
  3. Xử lý thủy nhiệt và hoàn thiện: Cho hỗn hợp mùn cưa đã sơ chế cùng dung dịch sol vào lõi teflon của bình Autoclave, siết chặt nắp thép, ngâm chìm trong bể dầu glycerin và duy trì gia nhiệt ở 150°C liên tục suốt 4 giờ. Sau khi để nguội tự nhiên, sản phẩm mùn cưa biến tính được lấy ra, rửa sạch dung môi dư và sấy ổn định ở nhiệt độ $103 \pm 2$°C trong 2 giờ.

Để chuẩn bị mẫu đối chứng cho các thí nghiệm xử lý màu, tác giả tiến hành chế tạo "mùn chiết" theo quy trình tương tự: mùn cưa sau khi ngâm axeton 30 phút được cho vào autoclave thủy nhiệt ở 150°C trong môi trường nước cất suốt 4 giờ, sau đó sấy khô ở $103 \pm 2$°C trong 2 giờ.

Quy trình khảo sát đánh giá hoạt tính quang hóa với xanh metylen được thiết lập qua ba bài thí nghiệm:

  • Xây dựng đường chuẩn: Dung dịch chuẩn gốc MB 1000 ppm được pha chế từ 1,1868 g tinh thể xanh metylen (độ tinh khiết 98,5%) định mức thành 1000 mL bằng nước cất, sau đó pha loãng 50 lần và pha thành dãy nồng độ chuẩn từ 0 đến 4,5 $mg/L$ để đo độ hấp thụ quang trên máy UV-VIS.
  • Thí nghiệm 1 (Ảnh hưởng của thời gian): Đưa 0,05 g mùn cưa đối chứng vào Cốc 1 và 0,05 g mùn cưa phủ nano $TiO_2$ vào Cốc 2, mỗi cốc chứa 150 mL dung dịch MB nồng độ ban đầu xấp xỉ 10 ppm; đặt dưới nguồn đèn chiếu UV và lấy mẫu đo mật độ quang định kỳ 30 phút một lần kéo dài đến 180 phút.
  • Thí nghiệm 2 (Ảnh hưởng độc lập của tia UV): So sánh sự phân hủy của 40 mL dung dịch MB 100 ppm khi chiếu đèn bức xạ UV ($\lambda = 250$ nm) liên tục trong 180 phút so với việc để ngoài bức xạ ánh sáng mặt trời tự nhiên ($\lambda = 280 - 380$ nm) khi không có mặt chất xúc tác.
  • Thí nghiệm 3 (Đánh giá khả năng tái xử lý): Khảo sát độ bền hoạt tính quang xúc tác qua việc nạp lặp lại phẩm màu. Cho 1 g mùn cưa đối chứng vào Cốc 1 và 1 g mùn cưa nano $TiO_2$ vào Cốc 2 cùng 40 mL dung dịch MB ban đầu 50 ppm, chiếu xạ UV trong 3 giờ; sau đó liên tiếp bổ sung mỗi lần 2 mL dung dịch MB đậm đặc và chiếu UV lặp lại qua 6 đến 7 chu kỳ.

Chương 3: Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Chương 3 trình bày các dữ liệu thực nghiệm thu được từ ảnh hiển vi, phổ nhiễu xạ và các phép đo quang phổ:

  • Cấu trúc bề mặt và hình thái học qua ảnh FE-SEM: Mẫu mùn cưa gỗ Tếch đối chứng ở độ phóng đại 1000 lần hiển thị cấu trúc sợi rỗng tự nhiên, các vách tế bào sợi gỗ rõ nét và bề mặt sạch hoàn toàn không có tạp chất. Ngược lại, ảnh chụp mẫu mùn cưa xử lý ở độ phóng đại 2000 lần và 5000 lần cho thấy các vách tế bào sợi gỗ đã bị bao bọc bởi một lớp phủ $TiO_2$ khá dày. Lớp phủ này cấu thành từ tập hợp các hạt hình cầu có đường kính đo được dao động trong khoảng 500 – 800 nm. Phân bố của các hạt hình cầu trên nền sợi gỗ chưa thật đồng đều, được tác giả lý giải là do thông số công nghệ nhiệt độ (150°C) và thời gian phản ứng (4 giờ) chưa đạt điểm tối ưu hóa.
  • Cấu trúc pha tinh thể qua giản đồ XRD: Phổ XRD mẫu đối chứng chỉ xuất hiện các pic nhiễu xạ rộng đặc trưng của xenlulozo vô định hình trong gỗ. Trong khi đó, giản đồ của mẫu mùn cưa phủ $TiO_2$ xuất hiện các đỉnh nhiễu xạ sắc nét tương ứng với pha Anatase tinh khiết, không ghi nhận sự tồn tại của các đỉnh phụ thuộc pha Rutile hay Brookite, khẳng định phương pháp thủy nhiệt ở 150°C đã kích hoạt thành công quá trình kết tinh pha Anatase ngay trên giá thể hữu cơ.
  • Xây dựng phương trình đường chuẩn xanh metylen: Dãy nồng độ chuẩn từ 0 đến 4,5 $mg/L$ cho mật độ quang Abs tăng tuyến tính đều đặn:
STT 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Nồng độ MB ($mg/L$) 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5
Mật độ quang (Abs) 0,000 0,097 0,205 0,314 0,422 0,530 0,639 0,747 0,855 0,963

Phương trình đường chuẩn xây dựng được có dạng $y = 0,2153x - 0,0073$ với hệ số tương quan $R^2 = 0,9999$, thể hiện độ tin cậy tuyệt đối để định lượng nồng độ MB.

  • Ảnh hưởng của tia UV: Dung dịch MB ban đầu có mật độ quang $Abs = 3,040$. Khi chiếu đèn UV đơn thuần suốt 2 giờ, giá trị $Abs$ đạt 3,465; trong khi để ngoài ánh sáng tự nhiên $Abs$ ghi nhận ở mức 3,067. Sự biến thiên hiệu suất phân hủy độc lập của bức xạ UV là không đáng kể, chứng minh rằng nếu không có chất bán dẫn quang xúc tác đóng vai trò trung gian sinh gốc $\bullet OH$, phẩm màu MB hầu như không bị phân hủy quang hóa tự phát.
  • Ảnh hưởng của thời gian và cơ chế tách loại: Số liệu theo dõi động học xử lý màu giữa hai cốc được tổng hợp cụ thể:
Thời gian (Phút) Mật độ quang Abs (Cốc 1) Mật độ quang Abs (Cốc 2) Nồng độ $C$ ppm (Cốc 1) Nồng độ $C$ ppm (Cốc 2) Hiệu suất $%H$ (Cốc 1) Hiệu suất $%H$ (Cốc 2)
0 2,051 2,051 9,560 9,560 0,00% 0,00%
30 1,625 1,728 7,580 8,060 20,71% 15,69%
60 1,113 1,223 5,200 5,714 45,61% 40,23%
90 0,718 0,652 3,367 3,062 64,78% 67,97%
120 0,291 0,156 1,386 0,758 85,50% 92,07%
150 0,122 0,083 0,600 0,419 93,72% 95,62%
180 0,135 0,073 0,661 0,373 93,09% 96,10%

(Ghi chú: Cốc 1 là mùn cưa đối chứng; Cốc 2 là mùn cưa phủ nano $TiO_2$)

Số liệu phản ánh hai giai đoạn khác biệt: Trong 60 phút đầu, Cốc 1 có tốc độ giảm màu nhanh hơn Cốc 2 (sau 30 phút Cốc 1 đạt 20,71% so với 15,69% của Cốc 2) do bề mặt xốp tự nhiên của mùn cưa thường chưa bị các hạt oxit che phủ nên dung lượng hấp phụ vật lý ban đầu diễn ra tức thời. Tuy nhiên từ phút thứ 90 trở đi, Cốc 2 bứt phá mạnh mẽ: đến phút 120 hiệu suất Cốc 2 đạt 92,07% (nồng độ còn 0,758 ppm) vượt xa Cốc 1 chỉ đạt 85,50% (nồng độ 1,386 ppm). Sau 180 phút, Cốc 2 đạt hiệu suất khử màu tối đa 96,10% (nồng độ tồn dư 0,373 ppm), trong khi Cốc 1 có dấu hiệu bão hòa và nhả hấp phụ ở mức 93,09% (nồng độ tăng nhẹ lên 0,661 ppm).

Sự khác biệt bản chất thể hiện rõ qua màu sắc vật liệu sau phản ứng: Mùn cưa thường bị nhuộm màu xanh đậm do các phân tử phẩm nhuộm MB bám chặt và lấp đầy các mao quản trên vách tế bào gỗ; ngược lại, mùn cưa phủ nano $TiO_2$ vẫn giữ màu vàng nhạt nguyên bản bởi toàn bộ các phân tử MB bám trên bề mặt đã bị các gốc $\bullet OH$ sinh ra dưới tia UV oxy hóa khoáng hóa hoàn toàn.

  • Khả năng tái xử lý: Sau 6 chu kỳ liên tục bổ sung chất màu, sự khác biệt về năng lực duy trì hoạt tính thể hiện qua bảng số liệu:
Chỉ tiêu phân tích Cốc 1 (Mùn cưa nguyên chất) Cốc 2 (Mùn cưa phủ nano $TiO_2$ - Ký hiệu "NN")
Nồng độ ban đầu ($ppm$) 10 10
Mật độ quang ($Abs$) 0,275 0,102
Nồng độ sau xử lý ($ppm$) 1,311 0,507

Nồng độ xanh metylen tồn dư trong Cốc 1 là 1,311 ppm, cao hơn gấp 2,58 lần so với nồng độ tồn dư trong Cốc 2 (chỉ còn 0,507 ppm). Mùn cưa thường mất dần khả năng xử lý khi các vị trí hấp phụ bị lấp đầy, trong khi vật liệu mùn cưa phủ nano $TiO_2$ tự làm sạch bề mặt liên tục dưới bức xạ UV, duy trì khả năng tái sử dụng bền vững.

Kết quả và đóng góp

Về kết quả định lượng thực nghiệm:

  1. Chế tạo thành công vật liệu composite mùn cưa phủ $TiO_2$ bằng phương pháp thủy nhiệt một bước ở nhiệt độ thấp (150°C trong 4 giờ) với tiền chất Titanium isopropoxide (TIP) pha loãng trong cồn theo tỉ lệ 1 : 40.
  2. Kiểm chứng cấu trúc tinh thể qua XRD xác nhận $TiO_2$ hình thành trên bề mặt mùn cưa thuộc pha Anatase hoạt tính cao mà không cần trải qua công đoạn nung nhiệt độ cao.
  3. Ảnh FE-SEM xác định các hạt oxit titan có dạng hình cầu kích thước 500 – 800 nm liên kết tạo lớp phủ bao bọc các vách tế bào sợi gỗ Tếch.
  4. Đánh giá hiệu suất quang xúc tác: Vật liệu mùn cưa phủ nano $TiO_2$ đạt hiệu suất phân hủy phẩm màu xanh metylen 96,10% sau 180 phút chiếu xạ tia UV, đưa nồng độ chất màu từ 9,56 ppm xuống 0,373 ppm. Sau 6 lần nạp tái xử lý liên tục, nồng độ MB tồn dư ở dung dịch dùng mùn cưa nano chỉ là 0,507 ppm ($Abs = 0,102$), chứng minh khả năng tự làm sạch vượt trội so với mùn cưa thường ($1,311$ ppm, $Abs = 0,275$).

Về giải pháp và đóng góp khoa học: Khóa luận đã đề xuất một hướng đi kinh tế và khả thi trong việc biến nguồn phế thải rắn của ngành chế biến gỗ (mùn cưa) thành vật liệu xử lý nước thải hữu cơ. So với các nghiên cứu trước đây vốn sử dụng chất nền đắt tiền hoặc khó chế tạo như sợi $Al_2O_3$, apatit nhân tạo hay bông thạch anh, việc sử dụng mùn cưa gỗ Tếch mang lại nhiều ưu điểm: nguyên liệu sẵn có với chi phí gần như bằng không, quy trình thủy nhiệt khép kín đơn giản, thiết bị không quá phức tạp và giải quyết được đồng thời hai bài toán môi trường: tận dụng phế thải lâm nghiệp và làm sạch phẩm màu hữu cơ trong nước thải dệt nhuộm.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Dựa trên các phân tích trong văn bản khóa luận, nghiên cứu còn một số hạn chế kỹ thuật:

  • Kích thước hạt $TiO_2$ tổng hợp được trên bề mặt mùn cưa còn nằm trong khoảng 500 – 800 nm, tức là cấp độ sub-micron, chưa đạt được dải kích thước nano siêu nhỏ (dưới 100 nm) như kỳ vọng lý thuyết để phát huy tối đa diện tích tiếp xúc quang hóa.
  • Sự phân bố của các hạt hình cầu trên bề mặt tế bào gỗ chưa đạt độ đồng đều cao, xuất hiện hiện tượng vón cục hoặc tạo màng quá dày ở một số vị trí do các thông số công nghệ (nhiệt độ 150°C và thời gian 4 giờ trong nồi hấp) chưa được tối ưu hóa qua các mô hình thực nghiệm đa yếu tố.
  • Nghiên cứu mới chỉ dừng lại ở quy mô thử nghiệm trong phòng thí nghiệm trên đối tượng mùn cưa của một loài gỗ duy nhất (gỗ Tếch - Tectona grandis) và khảo sát với một chất ô nhiễm mô hình đơn lẻ là dung dịch xanh metylen, chưa tiến hành thử nghiệm trên nước thải dệt nhuộm thực tế vốn có thành phần hóa học phức tạp.

Hướng nghiên cứu mở rộng được tác giả định hướng: Tiếp tục tinh chỉnh và tối ưu hóa các thông số công nghệ xử lý thủy nhiệt (thay đổi nồng độ tiền chất, khảo sát các dải nhiệt độ và thời gian khác nhau) nhằm thu nhỏ kích thước hạt xuống dưới 100 nm và nâng cao độ phân tán của màng phủ trên bề mặt chất nền.

Giá trị tham khảo

Tài liệu khóa luận có giá trị tham khảo thực tiễn và học thuật đối với:

  • Sinh viên, học viên cao học và cán bộ nghiên cứu thuộc các chuyên ngành Công nghệ môi trường, Khoa học vật liệu, Công nghệ chế biến lâm sản và Hóa học ứng dụng.
  • Những người làm đề tài nghiên cứu về việc tận dụng phụ phẩm nông - lâm nghiệp làm vật liệu xử lý nước thải hoặc các nghiên cứu biến tính bề mặt gỗ bằng công nghệ nano.
  • Nội dung đáng tham khảo nhất của văn bản là:
    1. Quy trình chi tiết tổng hợp thủy nhiệt nhiệt độ thấp (150°C) để cố định oxit kim loại lên giá thể sinh khối nhạy cảm với nhiệt độ mà không làm cháy hay phân hủy xenlulozo.
    2. Bố trí thực nghiệm phân biệt rõ ràng giữa cơ chế hấp phụ bề mặt đơn thuần và cơ chế quang xúc tác tự làm sạch thông qua theo dõi động học thời gian và chu kỳ tái xử lý lặp lại nhiều lần.

Câu hỏi thường gặp

1. Tiền chất và quy trình cụ thể nào đã được sử dụng để phủ $TiO_2$ lên mùn cưa gỗ Tếch? Tác giả sử dụng tiền chất Titanium isopropoxide (TIP, công thức $Ti{OCH(CH_3)_2}_4$) pha trong cồn tuyệt đối (Ethanol) theo tỉ lệ thể tích TIP : Ethanol là 1 : 40 (cụ thể lấy 1,25 mL TIP hòa trong 48,75 mL cồn, khuấy từ 30 phút). Hỗn hợp mùn cưa đã sơ chế (rây qua mắt rây 0,45 mm, ngâm axeton 30 phút và sấy khô) cùng dung dịch sol được nạp vào lõi teflon của bình Autoclave, gia nhiệt trong bể dầu glycerin ở 150°C trong 4 giờ, sau đó lấy ra sấy khô ở $103 \pm 2$°C trong 2 giờ.

2. Cấu trúc pha tinh thể và hình thái học của lớp phủ $TiO_2$ trên bề mặt mùn cưa đạt được kết quả ra sao? Kết quả phân tích nhiễu xạ tia X (XRD) trên máy Siemens D5005 xác nhận $TiO_2$ tạo thành trên bề mặt mùn cưa thuộc dạng pha tinh thể Anatase nguyên chất. Ảnh chụp kính hiển vi điện tử quét FE-SEM (S-4800) cho thấy các vách tế bào sợi gỗ bị bao bọc bởi một lớp hạt hình cầu có kích thước khoảng 500 – 800 nm, tuy nhiên mức độ phân bố của các hạt trên bề mặt sợi gỗ chưa thật sự đồng đều.

3. Động học xử lý xanh metylen của mùn cưa phủ nano $TiO_2$ khác biệt như thế nào so với mùn cưa thông thường? Trong 60 phút đầu, mùn cưa thường có tốc độ xử lý nhanh hơn (sau 30 phút đạt 20,71% so với 15,69% của mùn cưa phủ $TiO_2$) do các mao quản xốp tự nhiên trực tiếp hấp phụ chất màu. Tuy nhiên từ phút thứ 90 trở đi, mùn cưa phủ $TiO_2$ phát huy hoạt tính quang hóa vượt trội: sau 120 phút đạt hiệu suất 92,07% (mùn cưa thường đạt 85,50%), và sau 180 phút đạt 96,10% đưa nồng độ MB xuống 0,373 ppm (trong khi mùn cưa thường bão hòa ở mức 93,09%, nồng độ 0,661 ppm).

4. Khả năng tái sử dụng của vật liệu mùn cưa phủ nano $TiO_2$ được minh chứng qua dữ liệu nào? Sau 6 lần bổ sung liên tiếp dung dịch phẩm màu xanh metylen dưới bức xạ tia UV, Cốc 1 chứa mùn cưa thường chỉ còn khả năng hấp phụ hạn chế, dung dịch sau xử lý có mật độ quang $Abs = 0,275$ và nồng độ MB tồn dư ở mức cao 1,311 ppm; trong khi Cốc 2 chứa mùn cưa phủ nano $TiO_2$ có mật độ quang chỉ $Abs = 0,102$ với nồng độ tồn dư giảm sâu xuống 0,507 ppm, chứng minh khả năng tái sinh hoạt tính liên tục nhờ phản ứng quang xúc tác.

5. Cơ chế phân hủy màu xanh metylen của vật liệu composite này là gì và biểu hiện bên ngoài ra sao? Mùn cưa thường chỉ giữ phẩm màu MB bằng cơ chế hấp phụ vật lý/hóa lý nên bề mặt sau phản ứng bị nhuộm màu xanh đậm và nhanh chóng bão hòa. Ngược lại, mùn cưa phủ nano $TiO_2$ dưới tác động của tia UV ($\lambda \le 380$ nm) giải phóng các gốc oxy hóa cực mạnh ($\bullet OH$ và $O_2^{\bullet-}$), phá vỡ các liên kết mang màu của phân tử phẩm nhuộm hữu cơ bám trên bề mặt và trong dung dịch để khoáng hóa thành $CO_2$ và $H_2O$, giúp mùn cưa giữ nguyên màu vàng nhạt và liên tục giải phóng các tâm hoạt tính.

Kết luận

Khóa luận tốt nghiệp của sinh viên Nguyễn Thị Huệ đã nghiên cứu và thử nghiệm thành công quy trình chế tạo vật liệu quang xúc tác composite trên cơ sở tận dụng phế thải mùn cưa gỗ Tếch phủ oxit titan bằng phương pháp thủy nhiệt ở 150°C trong 4 giờ. Lớp vật liệu phủ tạo thành có cấu trúc tinh thể Anatase với các hạt kích thước 500 – 800 nm, thể hiện hiệu suất phân hủy xanh metylen đạt 96,10% sau 180 phút chiếu xạ UV. Kết quả nghiên cứu mở ra tiềm năng ứng dụng phế phụ phẩm ngành gỗ làm chất mang giá rẻ kết hợp công nghệ quang xúc tác để xử lý ô nhiễm chất màu hữu cơ trong nước thải.