Tổng quan nghiên cứu

Ô nhiễm nguồn nước đang là vấn đề nghiêm trọng toàn cầu, đặc biệt tại các khu công nghiệp với tổng lượng nước thải xả ra khoảng 3.000.000 m³/ngày đêm, trong đó có tới 70% nước thải chưa qua xử lý, gây ảnh hưởng tiêu cực đến môi trường và sức khỏe con người. Các chất ô nhiễm phổ biến gồm anion Cl⁻, SO₄²⁻, PO₄³⁻, kim loại nặng như Hg, Pb, Cd, As, Cr, cùng các hợp chất hữu cơ độc hại. Nhu cầu xử lý nước sạch ngày càng cấp thiết, thúc đẩy nghiên cứu phát triển các công nghệ xử lý hiệu quả, trong đó công nghệ nano và vật liệu xúc tác quang hóa nổi bật với ưu điểm về hiệu suất và tính bền vững.

Vật liệu TiO₂ được biết đến với hoạt tính xúc tác quang cao, ổn định hóa học và không độc hại, tuy nhiên hạn chế bởi năng lượng vùng cấm lớn (~3,2 eV) chỉ hấp thụ tia UV chiếm 3-5% ánh sáng mặt trời, cùng với tốc độ tái kết hợp điện tử - lỗ trống cao làm giảm hiệu quả xúc tác. Việc biến tính TiO₂ bằng các hạt nano bạc (Ag) nhằm thu hẹp vùng cấm, mở rộng phổ hấp thụ sang vùng khả kiến và tăng cường hoạt tính kháng khuẩn, quang xúc tác là hướng nghiên cứu đầy tiềm năng.

Luận văn tập trung chế tạo vật liệu nano tổ hợp TiO₂/Ag bằng phương pháp thủy nhiệt và biến tính bề mặt bằng hạt nano bạc, khảo sát khả năng phân hủy chất hữu cơ Rhodamine B (RhB) và hoạt tính diệt khuẩn E. coli trong môi trường nước. Nghiên cứu thực hiện tại Trường Đại học Quy Nhơn trong năm 2023, nhằm đóng góp giải pháp xử lý môi trường nước hiệu quả, thân thiện và ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp và sinh hoạt.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

  • Cấu trúc và tính chất vật liệu TiO₂: TiO₂ tồn tại chủ yếu ở ba dạng thù hình anatase, rutile và brookite, trong đó anatase có hoạt tính quang xúc tác mạnh nhất do cấu trúc mạng tinh thể và năng lượng vùng cấm phù hợp (~3,82 eV). Quá trình quang xúc tác dựa trên sự kích thích điện tử từ vùng hóa trị lên vùng dẫn khi hấp thụ photon UV, tạo ra các cặp electron - lỗ trống tham gia phản ứng oxy hóa khử phân hủy chất ô nhiễm.

  • Biến tính TiO₂ bằng kim loại nano Ag: Nano bạc có khả năng bẫy electron quang sinh, giảm tái kết hợp electron - lỗ trống, đồng thời tạo hiệu ứng cộng hưởng plasmon bề mặt (SPR) mở rộng phổ hấp thụ sang vùng khả kiến, tăng hiệu quả xúc tác. Ag còn có tính kháng khuẩn mạnh, góp phần nâng cao hoạt tính sinh học của vật liệu.

  • Phản ứng phân hủy Rhodamine B (RhB): RhB là chất hữu cơ ô nhiễm điển hình, có độc tính cao và khả năng phát huỳnh quang, được sử dụng làm chất khảo sát hiệu quả xúc tác quang. Quá trình phân hủy RhB qua xúc tác TiO₂/Ag tạo ra các gốc hydroxyl và superoxide oxy hóa các hợp chất hữu cơ thành CO₂ và H₂O.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Vật liệu TiO₂ thương mại được chế tạo thành ống nano bằng phương pháp thủy nhiệt trong dung dịch NaOH 10 M, nung ở 600°C. Nano bạc được pha tạp lên bề mặt TiO₂ bằng phương pháp chiếu đèn Xenon với dung dịch AgNO₃ 5 mM, tạo các mẫu TiO₂/Ag với thời gian chiếu từ 10 đến 30 phút.

  • Phương pháp phân tích: Đặc trưng vật liệu bằng nhiễu xạ tia X (XRD) xác định pha tinh thể, hiển vi điện tử quét (SEM) và truyền qua (TEM) khảo sát hình thái và kích thước hạt, phổ hấp thụ UV-Vis-DRS đánh giá vùng hấp thụ và hiệu ứng plasmon của Ag. Hoạt tính xúc tác quang được khảo sát qua phân hủy RhB 20 mg/L dưới đèn UV (365 nm) và đèn Xenon (ánh sáng khả kiến). Hoạt tính diệt khuẩn đánh giá bằng phương pháp khuếch tán giếng thạch với vi khuẩn E. coli.

  • Cỡ mẫu và timeline: Các mẫu TiO₂/Ag được tổng hợp và khảo sát trong khoảng thời gian 6 giờ xử lý RhB, với các bước chuẩn bị, xử lý và phân tích diễn ra trong năm 2023 tại phòng thí nghiệm Trường Đại học Quy Nhơn.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Cấu trúc và hình thái vật liệu: XRD cho thấy vật liệu TiO₂ thu được có pha anatase tinh khiết, không thay đổi khi biến tính bằng Ag. SEM và TEM ghi nhận cấu trúc ống nano TiO₂ đường kính ~8 nm, chiều dài vài trăm nm, với các hạt Ag kích thước ~10 nm bám trên bề mặt ống nano. Phổ EDX xác nhận sự hiện diện của Ti, O và Ag trong mẫu TiO₂/Ag20.

  2. Phổ hấp thụ UV-Vis-DRS: Mẫu TiO₂ có bờ hấp thụ tại ~390 nm tương ứng vùng UV. Sau biến tính Ag, xuất hiện đỉnh hấp thụ plasmon bề mặt ở vùng khả kiến (~500 nm), tăng cường hấp thụ ánh sáng khả kiến, đặc biệt rõ ở mẫu TiO₂/Ag20 và TiO₂/Ag30.

  3. Hiệu suất phân hủy RhB dưới đèn UV: Tất cả mẫu TiO₂/Ag đều có khả năng phân hủy RhB, với hiệu suất tăng theo thời gian xử lý. Mẫu TiO₂/Ag20 đạt hiệu suất cao nhất 90,15% sau 6 giờ, vượt trội so với TiO₂ nguyên bản (khoảng 11,44% sau 1 giờ). Hiệu suất tăng khoảng 8 lần khi có Ag.

  4. Hiệu suất phân hủy RhB dưới đèn Xenon (ánh sáng khả kiến): Mẫu TiO₂/Ag20 xử lý RhB đạt 76,65% sau 6 giờ, chứng minh khả năng hoạt động hiệu quả dưới ánh sáng mặt trời giả lập, mở rộng ứng dụng thực tế.

  5. Hoạt tính sinh học diệt khuẩn E. coli: Phương pháp khuếch tán giếng thạch cho thấy TiO₂/Ag20 có vùng ức chế vi khuẩn rộng 18 mm, lớn hơn TiO₂ nguyên bản (15 mm), thể hiện khả năng diệt khuẩn được cải thiện nhờ Ag. Mẫu Ag nano đơn lẻ có vùng ức chế 22 mm, cho thấy TiO₂/Ag20 kết hợp ưu điểm xúc tác và kháng khuẩn.

Thảo luận kết quả

Sự kết hợp nano bạc trên bề mặt TiO₂ tạo ra các vị trí bẫy electron, giảm tái kết hợp electron - lỗ trống, đồng thời hiệu ứng plasmon bề mặt của Ag mở rộng phổ hấp thụ sang vùng khả kiến, giúp vật liệu hoạt động hiệu quả hơn dưới ánh sáng mặt trời. Kết quả phân hủy RhB và diệt khuẩn E. coli cho thấy vật liệu TiO₂/Ag20 là mẫu tối ưu với hiệu suất xúc tác và sinh học cao nhất.

So với các nghiên cứu trước đây, hiệu suất phân hủy RhB của TiO₂/Ag20 (90,15% dưới UV, 76,65% dưới ánh sáng khả kiến) tương đương hoặc vượt trội, khẳng định tính khả thi của phương pháp chế tạo và biến tính. Việc giữ nguyên cấu trúc anatase và hình thái ống nano giúp duy trì diện tích bề mặt lớn, tăng khả năng hấp phụ và phản ứng bề mặt.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ hiệu suất phân hủy RhB theo thời gian, phổ UV-Vis-DRS thể hiện vùng hấp thụ, ảnh SEM/TEM minh họa cấu trúc vật liệu, và bảng so sánh kích thước vùng ức chế vi khuẩn giữa các mẫu.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tối ưu quy trình chế tạo TiO₂/Ag: Áp dụng phương pháp thủy nhiệt kết hợp chiếu đèn Xenon với thời gian chiếu 20 phút để đạt hiệu suất xúc tác và kháng khuẩn tối ưu. Thời gian thực hiện: 6-12 tháng. Chủ thể: các phòng thí nghiệm nghiên cứu vật liệu nano.

  2. Phát triển ứng dụng xử lý nước thải công nghiệp: Triển khai thử nghiệm quy mô pilot sử dụng TiO₂/Ag20 trong xử lý nước thải chứa chất hữu cơ và vi khuẩn gây hại, nhằm giảm COD, BOD và vi sinh vật. Thời gian: 12-18 tháng. Chủ thể: doanh nghiệp xử lý môi trường, viện nghiên cứu.

  3. Nâng cao khả năng tái sử dụng vật liệu: Nghiên cứu phương pháp cố định TiO₂/Ag trên giá thể như bentonit hoặc polymer để dễ dàng thu hồi và tái sử dụng, giảm chi phí vận hành. Thời gian: 12 tháng. Chủ thể: nhóm nghiên cứu vật liệu và công nghệ môi trường.

  4. Mở rộng khảo sát hoạt tính với các chất ô nhiễm khác: Thử nghiệm phân hủy các hợp chất hữu cơ khác như methylene blue, phenol, thuốc trừ sâu để đánh giá phổ ứng dụng rộng hơn. Thời gian: 6-9 tháng. Chủ thể: các trung tâm nghiên cứu môi trường.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Nhà nghiên cứu vật liệu nano và xúc tác quang: Nghiên cứu cơ chế biến tính TiO₂ bằng kim loại nano, phát triển vật liệu mới cho xử lý môi trường.

  2. Chuyên gia xử lý nước thải công nghiệp: Áp dụng vật liệu TiO₂/Ag trong công nghệ xử lý nước thải, nâng cao hiệu quả phân hủy chất ô nhiễm và diệt khuẩn.

  3. Doanh nghiệp sản xuất vật liệu xúc tác và thiết bị lọc nước: Phát triển sản phẩm xúc tác quang và thiết bị xử lý nước thân thiện, hiệu quả cao.

  4. Sinh viên và học viên cao học ngành Vật lý chất rắn, Hóa học vật liệu, Môi trường: Tham khảo phương pháp tổng hợp, đặc trưng vật liệu và ứng dụng thực tiễn trong xử lý ô nhiễm.

Câu hỏi thường gặp

  1. Vật liệu TiO₂/Ag có ưu điểm gì so với TiO₂ nguyên bản?
    TiO₂/Ag mở rộng phổ hấp thụ sang vùng khả kiến nhờ hiệu ứng plasmon của Ag, giảm tái kết hợp electron - lỗ trống, tăng hiệu quả xúc tác quang và khả năng diệt khuẩn, giúp xử lý ô nhiễm hiệu quả hơn.

  2. Phương pháp chế tạo vật liệu có phức tạp không?
    Phương pháp thủy nhiệt kết hợp chiếu đèn Xenon đơn giản, dễ thực hiện, không đòi hỏi thiết bị quá hiện đại, phù hợp cho sản xuất quy mô phòng thí nghiệm và công nghiệp nhỏ.

  3. Hiệu quả phân hủy RhB của TiO₂/Ag dưới ánh sáng mặt trời như thế nào?
    Mẫu TiO₂/Ag20 đạt hiệu suất phân hủy RhB khoảng 76,65% sau 6 giờ chiếu đèn Xenon mô phỏng ánh sáng mặt trời, cho thấy khả năng ứng dụng thực tế trong xử lý nước thải.

  4. Vật liệu có thể tái sử dụng nhiều lần không?
    Luận văn chưa đề cập chi tiết, tuy nhiên việc cố định vật liệu trên giá thể như bentonit được khuyến nghị để tăng khả năng tái sử dụng và thu hồi vật liệu.

  5. Tiềm năng ứng dụng của vật liệu này trong xử lý môi trường?
    Ngoài xử lý nước thải, TiO₂/Ag còn có thể ứng dụng trong xử lý không khí ô nhiễm, diệt khuẩn trong môi trường y tế, sản xuất sơn tự làm sạch và các thiết bị lọc khí.

Kết luận

  • Đã tổng hợp thành công vật liệu nano tổ hợp TiO₂/Ag với cấu trúc ống nano anatase và hạt Ag ~10 nm bám trên bề mặt.
  • Vật liệu TiO₂/Ag20 thể hiện hiệu suất phân hủy RhB cao nhất 90,15% dưới đèn UV và 76,65% dưới ánh sáng khả kiến.
  • Hiệu ứng plasmon bề mặt của Ag mở rộng phổ hấp thụ và giảm tái kết hợp electron - lỗ trống, nâng cao hoạt tính xúc tác.
  • Vật liệu có hoạt tính diệt khuẩn E. coli được cải thiện rõ rệt so với TiO₂ nguyên bản.
  • Đề xuất tiếp tục tối ưu quy trình chế tạo, phát triển ứng dụng xử lý nước thải và nghiên cứu tái sử dụng vật liệu trong 12-18 tháng tới.

Khuyến khích các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp quan tâm ứng dụng vật liệu TiO₂/Ag trong công nghệ xử lý môi trường để góp phần bảo vệ nguồn nước và sức khỏe cộng đồng.