Tổng quan nghiên cứu

An ninh nguồn nước là vấn đề cấp thiết toàn cầu, trong đó Việt Nam đang đối mặt với thách thức nghiêm trọng về chất lượng nước sinh hoạt, đặc biệt tại các vùng nông thôn đồng bằng sông Cửu Long. Theo báo cáo môi trường quốc gia giai đoạn 2015 – 2020, nguồn nước sông ngày càng ô nhiễm do vi sinh vật, chất hữu cơ và dư lượng thuốc bảo vệ thực vật, ảnh hưởng trực tiếp đến sức khỏe cộng đồng. Tại Tiền Giang, hơn 20% người dân nông thôn chưa tiếp cận được nước sinh hoạt hợp vệ sinh, trong khi các phương pháp truyền thống như lắng tự nhiên hay keo tụ bằng phèn nhôm chỉ loại bỏ một phần chất ô nhiễm, chưa xử lý triệt để vi sinh và các chất hữu cơ khó phân hủy.

Luận văn tập trung nghiên cứu hiệu quả xử lý nước sông bằng mô hình sử dụng vật liệu nano Ag-TiO2-SiO2 phủ lớp phim mỏng trên hạt kính cường lực, kết hợp ánh sáng mặt trời để kích hoạt phản ứng xúc tác quang. Nghiên cứu được thực hiện trên nguồn nước sông Chà Là và sông Tiền, tỉnh Tiền Giang, trong khoảng thời gian từ tháng 5 đến tháng 11 năm 2019, nhằm xử lý COD và vi khuẩn gây hại, hướng tới cung cấp nguồn nước sạch, an toàn cho sinh hoạt nông thôn. Kết quả nghiên cứu góp phần phát triển công nghệ xử lý nước thân thiện môi trường, chi phí thấp, phù hợp với điều kiện thực tế vùng đồng bằng sông Cửu Long.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên cơ chế xúc tác quang dị thể của vật liệu TiO2, một chất bán dẫn có năng lượng vùng cấm Eg = 3,2 eV, chủ yếu hấp thụ tia UV để tạo ra các cặp electron-lỗ trống kích hoạt phản ứng oxy hóa khử phân hủy chất ô nhiễm. Tuy nhiên, TiO2 truyền thống chỉ hấp thụ được 3-4% năng lượng tia UV từ ánh sáng mặt trời, hạn chế hiệu quả ứng dụng thực tế.

Để khắc phục, vật liệu TiO2 được biến tính bằng pha tạp kim loại bạc (Ag) và phi kim silic dioxide (SiO2), giúp mở rộng vùng hấp thụ ánh sáng khả kiến, tăng diện tích bề mặt và giảm tốc độ tái tổ hợp electron-lỗ trống, nâng cao hiệu quả xúc tác quang. Mô hình nghiên cứu sử dụng vật liệu Ag-TiO2-SiO2 với tỷ lệ TiO2:SiO2 = 90:10, hàm lượng Ag 1%, phủ lớp phim mỏng lên hạt kính cường lực trong suốt để tận dụng ánh sáng mặt trời kích hoạt phản ứng.

Các khái niệm chính bao gồm: xúc tác quang dị thể, phản ứng oxy hóa khử, biến tính vật liệu TiO2, hiệu ứng pha tạp Ag-SiO2, và quá trình xử lý nước bằng ánh sáng mặt trời.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu thu thập gồm mẫu nước sông Chà Là và sông Tiền tại tỉnh Tiền Giang, được lấy mẫu theo quy trình chuẩn, bảo quản lạnh và phân tích các chỉ tiêu hóa lý, vi sinh tại phòng thí nghiệm trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM và Trung tâm Kỹ thuật Tiêu chuẩn Đo lường Chất lượng.

Phương pháp điều chế vật liệu Ag-TiO2-SiO2 sử dụng kỹ thuật sol-gel, phủ lớp phim mỏng lên hạt kính bằng phương pháp nhúng, sau đó nung ổn định cấu trúc anatase ở 550°C. Đặc tính vật liệu được đánh giá bằng phổ XRD, phương pháp BET, kính hiển vi điện tử SEM và TEM, xác định diện tích bề mặt, kích thước hạt và độ tinh thể hóa.

Phương pháp phân tích vi sinh sử dụng kỹ thuật trãi đĩa theo tiêu chuẩn TCVN 9716:2013 – ISO 8199:2005 để xác định số lượng Coliforms và E.coli. Các chỉ tiêu hóa lý như COD, pH, TDS, các ion được phân tích theo tiêu chuẩn quốc gia.

Thiết bị xử lý nước được vận hành với các vận tốc dòng khác nhau (2-7 cm/phút), chạy liên tục trong ngày từ 8 đến 16 giờ, kết hợp đo cường độ ánh sáng mặt trời và bức xạ UV để đánh giá ảnh hưởng đến hiệu quả xử lý. Phương pháp thống kê và đồ thị được sử dụng để xử lý và trực quan hóa dữ liệu.

Cỡ mẫu nghiên cứu gồm nhiều mẫu nước lấy tại các thời điểm khác nhau trong ngày và qua các giai đoạn xử lý sơ bộ, keo tụ, lọc và xử lý xúc tác quang.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Đặc tính vật liệu Ag-TiO2-SiO2: Phổ XRD xác định cấu trúc anatase TiO2 với các đỉnh đặc trưng tại 2𝜃 = 25,3°, 37,8°, 48,1°, đồng thời phát hiện sự hiện diện của Ag và SiO2. Diện tích bề mặt riêng của vật liệu đạt 147,3 m²/g theo phương pháp BET, kích thước hạt nhỏ, kết tụ thành chùm hạt cầu rời rạc theo ảnh TEM. Lớp phim mỏng phủ lên hạt kính có độ dày từ 0,919 đến 1,17 µm, khối lượng vật liệu bám trên 1 ml kính là 0,9335 mg.

  2. Hiệu quả xử lý sơ bộ nước sông Chà Là: Sau keo tụ và lọc, COD giảm từ 80 mg/l xuống còn 56 mg/l, Coliforms giảm từ 230.000 CFU/100 ml xuống còn 84.000 CFU/100 ml. Màu sắc và độ đục giảm đáng kể, thể hiện hiệu quả loại bỏ chất hữu cơ và vi sinh ban đầu.

  3. Ảnh hưởng cường độ ánh sáng mặt trời: Cường độ ánh sáng mặt trời tại Cai Lậy duy trì trên 60 Klux từ 8 đến 15 giờ, bức xạ UV đạt cực đại khoảng 1 W/m² vào 12 giờ, tạo điều kiện thuận lợi cho phản ứng xúc tác quang.

  4. Hiệu quả xử lý nước sông Chà Là bằng thiết bị xúc tác quang: Ở vận tốc 2 cm/phút, COD giảm từ 56 ± 5 mg/l xuống 16 ± 8 mg/l, Coliforms giảm từ (5 ± 2) × 10⁴ CFU/100 ml xuống 23 ± 5 CFU/100 ml. Tuy nhiên, nồng độ Coliforms đầu ra vẫn chưa đạt tiêu chuẩn nước uống (0 CFU/100 ml).

  5. Xử lý nước sông Tiền: Sau xử lý sơ bộ, các chỉ tiêu như màu sắc, TDS, nitrat, sắt đều nằm trong giới hạn QCVN 01-2009/BYT. Coliforms giảm từ 2.781 xuống 320 CFU/100 ml, TOC còn 5,24 mg/l, vượt quy chuẩn nhưng được xử lý tiếp trong thiết bị xúc tác quang.

Thảo luận kết quả

Hiệu quả xử lý COD và vi sinh của vật liệu Ag-TiO2-SiO2 phủ lớp phim mỏng được kích hoạt bởi ánh sáng mặt trời cho thấy tiềm năng ứng dụng trong xử lý nước sông ô nhiễm. Việc biến tính TiO2 bằng Ag và SiO2 giúp mở rộng vùng hấp thụ ánh sáng khả kiến, giảm tái tổ hợp electron-lỗ trống, tăng diện tích bề mặt xúc tác, phù hợp với điều kiện ánh sáng tự nhiên tại vùng nghiên cứu.

So sánh với các nghiên cứu trước, hiệu quả xử lý Coliforms đạt mức giảm trên 99% ở vận tốc thấp, tương đồng với các kết quả nghiên cứu về vật liệu Ag-TiO2 biến tính. Tuy nhiên, do dạng lớp phim mỏng cố định, thời gian tiếp xúc vi sinh với vật liệu cần được tối ưu để đạt tiêu chuẩn nước uống. Các ion trong nước như SO4²⁻ tăng nhẹ do keo tụ phèn chua nhưng không ảnh hưởng đáng kể đến hiệu quả xúc tác.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ giảm nồng độ COD và Coliforms qua các giai đoạn xử lý, biểu đồ cường độ ánh sáng và bức xạ UV theo thời gian trong ngày, giúp minh họa mối quan hệ giữa điều kiện môi trường và hiệu quả xử lý.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tối ưu vận tốc dòng chảy: Điều chỉnh vận tốc dòng nước trong thiết bị xử lý ở mức 2-3 cm/phút để tăng thời gian tiếp xúc, nâng cao hiệu quả loại bỏ vi sinh và COD, đảm bảo nước đầu ra đạt tiêu chuẩn QCVN 01-2009/BYT. Thời gian thực hiện: 6 tháng, chủ thể: đơn vị vận hành thiết bị.

  2. Nâng cấp thiết bị xử lý: Phát triển thiết bị với diện tích bề mặt xúc tác lớn hơn hoặc thiết kế đa tầng để tăng khả năng tiếp xúc giữa nước và vật liệu xúc tác, giảm nồng độ vi sinh còn lại. Thời gian: 1 năm, chủ thể: nhóm nghiên cứu và nhà sản xuất thiết bị.

  3. Giám sát và kiểm soát chất lượng nước đầu vào: Thực hiện xử lý sơ bộ hiệu quả bằng keo tụ và lọc để giảm tải ô nhiễm trước khi qua thiết bị xúc tác quang, đảm bảo hiệu quả xử lý cuối cùng. Thời gian: liên tục, chủ thể: các cơ quan quản lý môi trường địa phương.

  4. Đào tạo và nâng cao nhận thức cộng đồng: Tổ chức các chương trình hướng dẫn sử dụng thiết bị xử lý nước, bảo quản nước sạch và vệ sinh nguồn nước cho người dân vùng nông thôn, tăng cường tiếp cận nguồn nước an toàn. Thời gian: 12 tháng, chủ thể: chính quyền địa phương và tổ chức phi chính phủ.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Môi trường: Nghiên cứu cung cấp cơ sở lý thuyết và thực nghiệm về vật liệu xúc tác quang biến tính, phương pháp điều chế sol-gel và ứng dụng xử lý nước ô nhiễm, hỗ trợ phát triển đề tài liên quan.

  2. Cơ quan quản lý môi trường và y tế công cộng: Tham khảo kết quả đánh giá hiệu quả xử lý nước sông, làm cơ sở xây dựng chính sách, quy chuẩn và chương trình cải thiện chất lượng nước sinh hoạt vùng nông thôn.

  3. Doanh nghiệp sản xuất thiết bị xử lý nước: Áp dụng công nghệ vật liệu nano Ag-TiO2-SiO2 và thiết kế thiết bị xử lý nước thân thiện môi trường, chi phí thấp, phù hợp với điều kiện thực tế tại các vùng nông thôn.

  4. Cộng đồng dân cư vùng đồng bằng sông Cửu Long: Hiểu rõ về công nghệ xử lý nước mới, lợi ích và cách sử dụng thiết bị xử lý nước để cải thiện chất lượng nước sinh hoạt, giảm nguy cơ bệnh tật liên quan đến nguồn nước.

Câu hỏi thường gặp

  1. Vật liệu Ag-TiO2-SiO2 có ưu điểm gì so với TiO2 truyền thống?
    Vật liệu Ag-TiO2-SiO2 mở rộng vùng hấp thụ ánh sáng khả kiến, tăng diện tích bề mặt và giảm tái tổ hợp electron-lỗ trống, nâng cao hiệu quả xúc tác quang dưới ánh sáng mặt trời, phù hợp với điều kiện tự nhiên.

  2. Thời gian lưu nước tối ưu trong thiết bị xử lý là bao lâu?
    Thời gian lưu nước khoảng 20 phút (tương ứng vận tốc 2 cm/phút) được xác định là tối ưu để giảm đáng kể COD và Coliforms, đảm bảo hiệu quả xử lý cao.

  3. Thiết bị có thể xử lý được vi sinh vật gây bệnh như thế nào?
    Thiết bị giảm Coliforms từ hàng trăm nghìn CFU/100 ml xuống còn vài chục CFU/100 ml, tương đương giảm trên 99%, tuy nhiên cần tối ưu thêm để đạt tiêu chuẩn nước uống.

  4. Ảnh hưởng của cường độ ánh sáng mặt trời đến hiệu quả xử lý?
    Cường độ ánh sáng mặt trời trên 60 Klux và bức xạ UV khoảng 1 W/m² tạo điều kiện thuận lợi cho phản ứng xúc tác quang, tăng hiệu quả xử lý vi sinh và chất hữu cơ.

  5. Có thể áp dụng công nghệ này ở những vùng khác không?
    Công nghệ phù hợp với các vùng có nguồn nước ô nhiễm tương tự và điều kiện ánh sáng mặt trời tốt, đặc biệt vùng nông thôn chưa có hệ thống xử lý nước hiện đại, có thể mở rộng ứng dụng sau khi tối ưu thiết bị.

Kết luận

  • Vật liệu nano Ag-TiO2-SiO2 được điều chế thành công với cấu trúc anatase ổn định, diện tích bề mặt lớn, phù hợp cho xúc tác quang dưới ánh sáng mặt trời.
  • Thiết bị xử lý nước sông sử dụng vật liệu này giảm hiệu quả COD và Coliforms đáng kể, tuy chưa đạt chuẩn nước uống nhưng có tiềm năng cải tiến.
  • Ánh sáng mặt trời và thời gian lưu nước là các yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến hiệu quả xử lý.
  • Nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học và thực nghiệm cho phát triển công nghệ xử lý nước sạch thân thiện môi trường tại vùng nông thôn.
  • Đề xuất tiếp tục tối ưu thiết bị, vận tốc dòng chảy và mở rộng ứng dụng trong thực tế nhằm nâng cao chất lượng nước sinh hoạt.

Tiếp theo, cần triển khai thử nghiệm mở rộng, hoàn thiện thiết bị và đào tạo cộng đồng sử dụng để đưa công nghệ vào ứng dụng thực tiễn. Đề nghị các đơn vị liên quan phối hợp nghiên cứu và phát triển sản phẩm phù hợp với điều kiện địa phương.