Tổng quan nghiên cứu

Ô nhiễm nguồn nước do nước thải dệt nhuộm là một trong những vấn đề môi trường nghiêm trọng hiện nay, đặc biệt tại các khu công nghiệp và đô thị lớn. Trung bình, một nhà máy dệt nhuộm sử dụng lượng nước chiếm tới 72,3% trong các công đoạn sản xuất, chủ yếu là nhuộm và hoàn tất sản phẩm. Thuốc nhuộm chiếm 60-70% thị phần là loại azo không tan, khó phân hủy, tồn tại lâu trong môi trường nước thải, gây ô nhiễm nghiêm trọng. Lượng thuốc nhuộm dư thừa trong nước thải có thể lên đến 50% tổng lượng sử dụng ban đầu, làm tăng độ màu và nồng độ chất ô nhiễm, ảnh hưởng xấu đến sinh vật thủy sinh và sức khỏe con người.

Mục tiêu nghiên cứu là tổng hợp và đánh giá hoạt tính quang xúc tác của vật liệu composite dựa trên graphitic carbon nitride (g-C3N4) biến tính với Cu2O nhằm nâng cao hiệu quả xử lý ô nhiễm hữu cơ trong nước thải, đặc biệt là phân hủy thuốc nhuộm methylen xanh. Nghiên cứu được thực hiện tại Việt Nam trong giai đoạn 2017-2018, tập trung vào tổng hợp vật liệu, khảo sát cấu trúc và tính chất quang học, cũng như đánh giá hoạt tính xúc tác quang trong điều kiện ánh sáng khả kiến.

Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển vật liệu xúc tác quang hiệu quả, thân thiện môi trường, góp phần xử lý ô nhiễm nước thải công nghiệp, giảm thiểu tác động tiêu cực đến hệ sinh thái và sức khỏe cộng đồng.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên lý thuyết về vật liệu bán dẫn xúc tác quang, trong đó g-C3N4 là vật liệu bán dẫn không kim loại có cấu trúc dạng lớp, năng lượng vùng cấm khoảng 2,7 eV, cho phép hoạt động dưới ánh sáng khả kiến (bước sóng ≤ 460 nm). Tuy nhiên, g-C3N4 nguyên chất có nhược điểm là dễ tái tổ hợp electron và lỗ trống quang sinh, làm giảm hiệu suất xúc tác.

Việc biến tính g-C3N4 bằng cách kết hợp với Cu2O - một chất bán dẫn có năng lượng vùng cấm khoảng 2,03 eV, hấp thụ ánh sáng bước sóng tới 610 nm - giúp mở rộng vùng hấp thụ ánh sáng, giảm tái tổ hợp điện tử-lỗ trống, tăng hiệu quả quang xúc tác. Mô hình composite Cu2O/g-C3N4 được xây dựng dựa trên cơ chế chuyển điện tử hiệu quả giữa hai pha, tạo ra các gốc oxy hóa mạnh như OH* và O2- phân hủy các hợp chất hữu cơ.

Các khái niệm chính bao gồm:

  • Vùng cấm năng lượng (band gap)
  • Quang xúc tác dị thể (heterogeneous photocatalysis)
  • Tái tổ hợp electron-lỗ trống (electron-hole recombination)
  • Hiệu suất lượng tử (quantum efficiency)
  • Phân hủy quang xúc tác methylen xanh (photocatalytic degradation of methylene blue)

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu thu thập từ các mẫu vật liệu tổng hợp trong phòng thí nghiệm, sử dụng các hóa chất chuẩn và thiết bị hiện đại tại Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội và Viện Khoa học hình sự.

Phương pháp tổng hợp:

  • g-C3N4 được tổng hợp bằng phương pháp nung melamin ở 500°C dưới khí N2 trong 2 giờ 30 phút.
  • Composite Cu2O/g-C3N4 được tổng hợp bằng phương pháp kết tủa hóa học, với các tỷ lệ Cu2O/g-C3N4 khác nhau (1:4, 3:7, 1:9, 1:19).

Phương pháp phân tích:

  • Cấu trúc tinh thể xác định bằng nhiễu xạ tia X (XRD) với bước quét 2θ từ 5° đến 80°.
  • Phổ hồng ngoại (FT-IR) để xác định các nhóm chức và liên kết hóa học.
  • Phân tích bề mặt và kích thước lỗ bằng phương pháp hấp phụ-giải hấp phụ nitơ (BET).
  • Phổ hấp thụ UV-Vis để xác định vùng hấp thụ ánh sáng và năng lượng vùng cấm.
  • Hình ảnh bề mặt và phân bố pha bằng kính hiển vi điện tử quét (SEM).
  • Đánh giá hoạt tính xúc tác quang bằng phản ứng phân hủy methylen xanh trong dung dịch 30 ppm, sử dụng đèn chiếu sáng 150W và bổ sung H2O2 30%.

Cỡ mẫu: Mỗi tỷ lệ composite được tổng hợp và khảo sát ít nhất 3 lần để đảm bảo tính lặp lại. Phân tích số liệu sử dụng phần mềm chuyên dụng, so sánh hiệu suất phân hủy theo thời gian.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Cấu trúc vật liệu:

    • XRD cho thấy mẫu g-C3N4 có pic đặc trưng ở 2θ = 28°, biểu thị cấu trúc dạng lớp.
    • Composite Cu2O/g-C3N4 xuất hiện thêm các pic tại 2θ = 36,5° và 42,5°, đặc trưng cho pha Cu2O, chứng tỏ Cu2O được phân tán thành công trên bề mặt g-C3N4.
    • Cường độ pic Cu2O tăng theo hàm lượng Cu2O trong composite.

  2. Tính chất bề mặt và kích thước lỗ:

    • Diện tích bề mặt riêng của g-C3N4 đo bằng BET đạt 7,24 m²/g.
    • Kích thước lỗ trung bình khoảng 33 nm, thuộc loại mao quản trung bình.
    • Đường cong hấp phụ-giải hấp thể hiện vật liệu có cấu trúc mao quản trung bình và rộng.

  3. Tính chất quang học:

    • Phổ UV-Vis cho thấy g-C3N4 hấp thụ ánh sáng với bước sóng ≤ 460 nm (Eg ≈ 2,7 eV).
    • Cu2O hấp thụ ánh sáng tới 610 nm (Eg ≈ 2,03 eV).
    • Composite Cu2O/g-C3N4 có vùng hấp thụ mở rộng, năng lượng vùng cấm giảm dần khi tăng hàm lượng Cu2O, cải thiện khả năng sử dụng ánh sáng khả kiến.

  4. Hoạt tính quang xúc tác phân hủy methylen xanh:

    • Mẫu composite tỷ lệ 3:7 (Cu2O/g-C3N4) đạt hiệu suất phân hủy methylen xanh cao nhất, với 80% chuyển hóa sau 5 phút và 85% sau 15 phút.
    • Hiệu suất của mẫu này vượt trội so với g-C3N4 nguyên chất và Cu2O đơn pha.
    • Các mẫu tỷ lệ khác có hiệu suất giảm dần theo thứ tự: 3:7 > 1:4 > 1:9 > 1:19.

Thảo luận kết quả

Hiệu quả xúc tác quang của composite Cu2O/g-C3N4 được cải thiện rõ rệt nhờ sự kết hợp giữa hai pha bán dẫn với vùng cấm năng lượng khác nhau, tạo điều kiện thuận lợi cho sự chuyển điện tử và giảm tái tổ hợp electron-lỗ trống. Kết quả XRD và IR khẳng định sự tồn tại đồng thời của hai pha, trong khi SEM cho thấy phân bố đồng đều các hạt Cu2O trên nền g-C3N4.

Diện tích bề mặt và kích thước lỗ phù hợp giúp tăng diện tích tiếp xúc giữa xúc tác và chất ô nhiễm, nâng cao hiệu quả phân hủy. Phổ UV-Vis mở rộng vùng hấp thụ ánh sáng khả kiến giúp tận dụng tốt hơn nguồn năng lượng mặt trời.

So với các nghiên cứu trước đây về g-C3N4 và các vật liệu xúc tác quang khác như TiO2, ZnO, composite Cu2O/g-C3N4 thể hiện ưu thế vượt trội về khả năng hoạt động dưới ánh sáng khả kiến và hiệu suất phân hủy nhanh chóng. Điều này có ý nghĩa quan trọng trong ứng dụng xử lý nước thải dệt nhuộm, góp phần giảm thiểu ô nhiễm môi trường.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ XRD thể hiện các pic đặc trưng, đồ thị hấp phụ-giải hấp BET, phổ UV-Vis so sánh vùng hấp thụ, và đồ thị chuyển hóa methylen xanh theo thời gian cho các mẫu khác nhau.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tối ưu tỷ lệ Cu2O/g-C3N4: Khuyến nghị sử dụng tỷ lệ 3:7 để đạt hiệu suất quang xúc tác tối ưu, áp dụng trong xử lý nước thải công nghiệp. Thời gian thực hiện: 6-12 tháng để triển khai quy mô pilot.

  2. Phát triển công nghệ xử lý nước thải quy mô lớn: Áp dụng vật liệu composite trong hệ thống xử lý nước thải dệt nhuộm tại các khu công nghiệp, nhằm giảm nồng độ thuốc nhuộm và các hợp chất hữu cơ độc hại. Chủ thể thực hiện: các doanh nghiệp và cơ quan quản lý môi trường.

  3. Nâng cao hiệu quả sử dụng ánh sáng mặt trời: Thiết kế hệ thống chiếu sáng và phản xạ ánh sáng phù hợp để tận dụng tối đa ánh sáng khả kiến, giảm chi phí năng lượng cho quá trình xử lý.

  4. Nghiên cứu mở rộng ứng dụng: Khuyến khích nghiên cứu ứng dụng composite Cu2O/g-C3N4 trong xử lý các loại chất ô nhiễm hữu cơ khác và trong lĩnh vực năng lượng sạch như tách nước tạo hydro.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Hóa học, Hóa dầu, Môi trường: Nắm bắt kiến thức về vật liệu xúc tác quang, phương pháp tổng hợp và đánh giá hoạt tính, phục vụ nghiên cứu và phát triển khoa học.

  2. Doanh nghiệp xử lý nước thải công nghiệp: Áp dụng công nghệ mới, vật liệu xúc tác hiệu quả để nâng cao chất lượng xử lý, giảm chi phí vận hành.

  3. Cơ quan quản lý môi trường và chính sách: Hiểu rõ các giải pháp công nghệ tiên tiến để xây dựng chính sách hỗ trợ phát triển công nghệ xanh, bảo vệ môi trường.

  4. Nhà sản xuất vật liệu xúc tác và thiết bị xử lý nước: Tham khảo quy trình tổng hợp, đặc trưng vật liệu để cải tiến sản phẩm, mở rộng thị trường ứng dụng.

Câu hỏi thường gặp

  1. Vật liệu g-C3N4 có ưu điểm gì so với các chất xúc tác truyền thống?
    g-C3N4 có vùng cấm năng lượng nhỏ (2,7 eV), hoạt động dưới ánh sáng khả kiến, bền nhiệt và hóa học, dễ tổng hợp với chi phí thấp, phù hợp cho xúc tác quang trong xử lý môi trường.

  2. Tại sao cần biến tính g-C3N4 với Cu2O?
    Việc kết hợp Cu2O giúp mở rộng vùng hấp thụ ánh sáng, giảm tái tổ hợp electron-lỗ trống, tăng hiệu suất quang xúc tác, cải thiện khả năng phân hủy các chất ô nhiễm hữu cơ.

  3. Phương pháp tổng hợp composite Cu2O/g-C3N4 như thế nào?
    Sử dụng phương pháp kết tủa hóa học, hòa tan Cu(CH3COO)2 trong ethanol, thêm g-C3N4, sau đó cho glucozơ và NaOH để tạo kết tủa Cu2O trên bề mặt g-C3N4, sấy khô thu sản phẩm.

  4. Hiệu quả phân hủy methylen xanh của composite đạt mức nào?
    Mẫu tỷ lệ 3:7 đạt 80% phân hủy sau 5 phút và 85% sau 15 phút dưới ánh sáng đèn 150W, vượt trội so với g-C3N4 và Cu2O đơn pha.

  5. Có thể ứng dụng vật liệu này trong xử lý nước thải thực tế không?
    Có, vật liệu composite có tiềm năng ứng dụng trong xử lý nước thải dệt nhuộm và các chất ô nhiễm hữu cơ khác, đặc biệt trong các hệ thống sử dụng ánh sáng mặt trời hoặc nguồn sáng khả kiến.

Kết luận

  • Đã tổng hợp thành công vật liệu g-C3N4 và composite Cu2O/g-C3N4 với các tỷ lệ khác nhau bằng phương pháp kết tủa hóa học.
  • Vật liệu g-C3N4 có diện tích bề mặt 7,24 m²/g, kích thước lỗ trung bình 33 nm, vùng hấp thụ ánh sáng khả kiến đến 460 nm.
  • Composite Cu2O/g-C3N4 thể hiện sự kết hợp pha thành công, mở rộng vùng hấp thụ ánh sáng đến 610 nm, giảm năng lượng vùng cấm.
  • Mẫu composite tỷ lệ 3:7 có hoạt tính quang xúc tác phân hủy methylen xanh tốt nhất, đạt 80% chuyển hóa sau 5 phút.
  • Nghiên cứu mở ra hướng phát triển vật liệu xúc tác quang hiệu quả, thân thiện môi trường, ứng dụng trong xử lý ô nhiễm nước thải công nghiệp.

Hành động tiếp theo: Triển khai nghiên cứu mở rộng quy mô, thử nghiệm trong điều kiện thực tế và phát triển công nghệ xử lý nước thải dựa trên composite Cu2O/g-C3N4. Các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp được khuyến khích hợp tác để ứng dụng kết quả nghiên cứu này.