Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển kinh tế - xã hội tại Việt Nam, nhu cầu tiêu thụ thực phẩm ngày càng tăng kéo theo sự gia tăng sử dụng các loại chất bảo vệ thực vật (BVTV) trong nông nghiệp. Theo báo cáo của ngành, việc sử dụng BVTV không kiểm soát đã gây ra ô nhiễm môi trường nghiêm trọng, đặc biệt là ô nhiễm nguồn nước do tồn dư các hóa chất khó phân hủy như Chlorpyrifos. Chlorpyrifos là một loại thuốc trừ sâu hữu cơ có độc tính cao, tồn tại lâu dài trong môi trường nước, gây ảnh hưởng tiêu cực đến sức khỏe con người và hệ sinh thái. Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là tổng hợp vật liệu nano MOFs (Metal-Organic Frameworks) kết hợp với graphen oxit (GO) để ứng dụng làm chất xúc tác trong phản ứng quang Fenton nhằm xử lý hiệu quả Chlorpyrifos trong môi trường nước. Nghiên cứu được thực hiện trong phạm vi phòng thí nghiệm tại Việt Nam, với các điều kiện phản ứng được kiểm soát chặt chẽ nhằm đánh giá ảnh hưởng của các yếu tố như pH, nồng độ H2O2, hàm lượng chất xúc tác và thời gian phản ứng đến hiệu quả phân hủy Chlorpyrifos. Ý nghĩa của nghiên cứu thể hiện qua việc phát triển một phương pháp xử lý ô nhiễm môi trường nước nhanh chóng, hiệu quả và thân thiện với môi trường, góp phần giảm thiểu tác động tiêu cực của BVTV trong nông nghiệp, đồng thời mở rộng ứng dụng vật liệu nano MOFs trong lĩnh vực kỹ thuật môi trường.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai lý thuyết chính: phản ứng quang Fenton và vật liệu khung cơ kim MOFs. Phản ứng quang Fenton là quá trình oxy hóa tiên tiến sử dụng H2O2 làm chất oxy hóa và ion Fe2+ làm chất xúc tác để tạo ra gốc hydroxyl •OH có khả năng phân hủy các hợp chất hữu cơ khó phân hủy như Chlorpyrifos. Phản ứng này được tăng cường dưới tác động của bức xạ tử ngoại, giúp tái tạo Fe2+ từ Fe3+ và duy trì vòng tuần hoàn xúc tác. Vật liệu MOFs là các cấu trúc tổ hợp gồm ion kim loại và phối tử hữu cơ tạo thành mạng lưới ba chiều với diện tích bề mặt lớn và cấu trúc xốp, giúp tăng hiệu quả xúc tác quang hóa. Việc kết hợp MOFs với graphen oxit (GO) tạo ra vật liệu tổ hợp Fe-BTC/GO có khả năng hấp thụ ánh sáng tốt hơn, tăng diện tích bề mặt và giảm tái kết hợp electron-hốc trống, từ đó nâng cao hiệu quả xúc tác.

Ba khái niệm chính được sử dụng trong nghiên cứu gồm:

  • Gốc hydroxyl •OH trong phản ứng quang Fenton
  • Cấu trúc và tính chất của vật liệu MOFs
  • Tác động của các điều kiện phản ứng (pH, nồng độ H2O2, hàm lượng chất xúc tác) đến hiệu quả phân hủy chất ô nhiễm

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính là các mẫu dung dịch Chlorpyrifos chuẩn bị từ nhũ tương DURSBAN 4 (nồng độ 480 g/L) pha loãng với nước cất. Vật liệu Fe-BTC/GO được tổng hợp bằng phương pháp thủy nhiệt kết hợp vi sóng với các thời gian kết tinh khác nhau (10, 20, 30, 40 phút) nhằm tối ưu cấu trúc vật liệu. Vật liệu graphen oxit được tổng hợp theo phương pháp Humer cải tiến kết hợp xử lý vi sóng để tách lớp. Phân tích tính chất vật liệu được thực hiện bằng các kỹ thuật: nhiễu xạ tia X (XRD), kính hiển vi điện tử quét (SEM), phổ tán sắc năng lượng tia X (EDX), phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FT-IR), phổ tử ngoại - khả kiến (UV-Vis), và phân tích đẳng nhiệt hấp phụ N2 (BET). Thử nghiệm xúc tác quang Fenton được tiến hành trên hệ thống phản ứng quang tự chế, sử dụng nguồn sáng mô phỏng ánh sáng mặt trời với bước sóng tử ngoại chiếm 4-6%. Các điều kiện phản ứng cơ bản gồm: nồng độ Chlorpyrifos 5 mg/L, hàm lượng chất xúc tác 50 mg/L, nồng độ H2O2 20 mmol/L, pH 3, nhiệt độ 25°C, tốc độ khuấy 200 vòng/phút. Mẫu được lấy định kỳ để phân tích hàm lượng Chlorpyrifos còn lại, chỉ số COD và các sản phẩm phân hủy trung gian bằng sắc ký khí ghép nối khối phổ (GC/MS). Cỡ mẫu thử nghiệm được lặp lại ba lần để đảm bảo độ tin cậy trên 95%. Phương pháp phân tích COD được thực hiện theo quy trình chuẩn với chuẩn độ bằng dung dịch FAS, đồng thời nồng độ H2O2 dư được xác định bằng chuẩn độ permanganat để điều chỉnh kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Ảnh hưởng thời gian kết tinh đến cấu trúc vật liệu Fe-BTC/GO: Giản đồ XRD cho thấy mẫu Fe-BTC/GO-30 (kết tinh 30 phút) có cấu trúc tinh thể Fe-BTC phát triển hoàn thiện nhất với píc đặc trưng tại góc 2θ ~12,74°, cường độ píc cao hơn 15% so với mẫu 20 phút và tăng gấp đôi so với mẫu 10 phút. Tuy nhiên, khi tăng thời gian kết tinh lên 40 phút, cường độ píc giảm khoảng 10%, cho thấy sự quá kết tinh làm giảm chất lượng vật liệu.

  2. Hiệu quả phân hủy Chlorpyrifos theo pH: Ở pH 3, hiệu quả phân hủy đạt khoảng 92% sau 60 phút, cao hơn 25% so với pH 5 và 40% so với pH 7. Điều này phù hợp với cơ chế phản ứng quang Fenton hoạt động tối ưu trong môi trường axit nhẹ.

  3. Ảnh hưởng nồng độ H2O2 ban đầu: Khi tăng nồng độ H2O2 từ 10 mmol/L lên 20 mmol/L, hiệu quả phân hủy tăng từ 75% lên 92% sau 60 phút. Tuy nhiên, khi nồng độ vượt quá 30 mmol/L, hiệu quả giảm nhẹ do phản ứng phụ làm tiêu hao gốc hydroxyl.

  4. Tác động hàm lượng chất xúc tác Fe-BTC/GO: Hàm lượng chất xúc tác 50 mg/L cho hiệu quả phân hủy tối ưu, đạt 92% sau 60 phút. Khi tăng lên 70 mg/L, hiệu quả không tăng đáng kể, thậm chí giảm nhẹ do hiện tượng che phủ bề mặt và tái kết hợp electron.

Thảo luận kết quả

Kết quả XRD và SEM cho thấy phương pháp thủy nhiệt kết hợp vi sóng giúp tạo ra vật liệu Fe-BTC/GO có cấu trúc tinh thể tốt và phân bố hạt đồng đều, tăng diện tích bề mặt xúc tác. Hiệu quả phân hủy Chlorpyrifos cao nhất ở pH 3 phù hợp với các nghiên cứu quốc tế về phản ứng quang Fenton, do pH thấp giúp duy trì ion Fe2+ ổn định và hạn chế tạo phức Fe3+ không hoạt động. Nồng độ H2O2 và hàm lượng chất xúc tác có ảnh hưởng rõ rệt đến hiệu quả phân hủy, nhưng vượt quá ngưỡng tối ưu sẽ gây phản ứng phụ làm giảm hiệu quả. So sánh với các nghiên cứu trước đây, vật liệu Fe-BTC/GO tổng hợp trong nghiên cứu này cho hiệu quả phân hủy Chlorpyrifos tương đương hoặc cao hơn khoảng 5-10%, đồng thời thời gian phản ứng ngắn hơn. Biểu đồ thể hiện mối quan hệ giữa pH, nồng độ H2O2, hàm lượng chất xúc tác và hiệu quả phân hủy có thể minh họa rõ ràng xu hướng tối ưu hóa điều kiện phản ứng. Các sản phẩm phân hủy trung gian được xác định qua GC/MS cho thấy quá trình phân hủy diễn ra theo cơ chế tách nhóm phosphorothioate và oxy hóa vòng thơm, phù hợp với cơ chế đề xuất trong phản ứng quang Fenton.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tối ưu hóa điều kiện phản ứng quang Fenton: Khuyến nghị duy trì pH trong khoảng 3-4, nồng độ H2O2 khoảng 20 mmol/L và hàm lượng chất xúc tác Fe-BTC/GO 50 mg/L để đạt hiệu quả phân hủy Chlorpyrifos tối ưu trong vòng 60 phút. Thời gian thực hiện có thể điều chỉnh tùy theo mức độ ô nhiễm thực tế.

  2. Ứng dụng vật liệu Fe-BTC/GO trong xử lý nước thải nông nghiệp: Đề xuất triển khai thử nghiệm quy mô pilot tại các vùng nông nghiệp có sử dụng Chlorpyrifos để đánh giá hiệu quả xử lý thực tế, đồng thời khảo sát khả năng tái sử dụng chất xúc tác qua nhiều chu kỳ nhằm giảm chi phí vận hành.

  3. Phát triển quy trình tổng hợp vật liệu thân thiện môi trường: Khuyến khích nghiên cứu mở rộng phương pháp tổng hợp thủy nhiệt – vi sóng nhằm giảm thiểu sử dụng dung môi hữu cơ, tăng độ ổn định và khả năng tái sinh của vật liệu Fe-BTC/GO.

  4. Đào tạo và nâng cao nhận thức cho người nông dân: Tổ chức các chương trình tập huấn về sử dụng BVTV hợp lý và các biện pháp xử lý ô nhiễm môi trường nhằm giảm thiểu tác động tiêu cực của Chlorpyrifos và các hóa chất tương tự.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật môi trường: Luận văn cung cấp cơ sở lý thuyết và phương pháp tổng hợp vật liệu nano MOFs ứng dụng trong xử lý ô nhiễm nước, giúp mở rộng kiến thức và phát triển các đề tài nghiên cứu liên quan.

  2. Chuyên gia và kỹ sư xử lý nước thải nông nghiệp: Tham khảo để áp dụng công nghệ quang Fenton với vật liệu xúc tác mới nhằm nâng cao hiệu quả xử lý các chất ô nhiễm hữu cơ khó phân hủy trong nước thải.

  3. Cơ quan quản lý môi trường và chính sách: Cung cấp dữ liệu khoa học và giải pháp kỹ thuật hỗ trợ xây dựng các chính sách quản lý sử dụng BVTV và xử lý ô nhiễm môi trường nước.

  4. Doanh nghiệp sản xuất và cung cấp vật liệu xúc tác: Tham khảo quy trình tổng hợp và đặc tính vật liệu Fe-BTC/GO để phát triển sản phẩm xúc tác quang hóa thân thiện môi trường, đáp ứng nhu cầu thị trường xử lý nước thải.

Câu hỏi thường gặp

  1. Phản ứng quang Fenton là gì và tại sao hiệu quả hơn phản ứng Fenton truyền thống?
    Phản ứng quang Fenton sử dụng ánh sáng tử ngoại để tái tạo ion Fe2+ từ Fe3+, duy trì vòng tuần hoàn xúc tác và tạo thêm gốc hydroxyl •OH, giúp tăng hiệu quả phân hủy các chất ô nhiễm hữu cơ so với phản ứng Fenton truyền thống chỉ dựa vào phản ứng hóa học.

  2. Vật liệu MOFs có ưu điểm gì trong xử lý ô nhiễm?
    MOFs có cấu trúc xốp với diện tích bề mặt lớn, khả năng tùy biến cao về thành phần và kích thước hạt, giúp tăng hiệu quả hấp thụ ánh sáng và xúc tác quang hóa, từ đó nâng cao hiệu quả xử lý các chất ô nhiễm khó phân hủy.

  3. Tại sao cần kết hợp MOFs với graphen oxit (GO)?
    GO giúp tăng khả năng dẫn điện và nhận electron từ MOFs, giảm thiểu tái kết hợp electron-hốc trống, đồng thời tăng diện tích bề mặt và khả năng hấp thụ ánh sáng, làm tăng hiệu quả xúc tác quang hóa của vật liệu tổ hợp.

  4. Điều kiện pH ảnh hưởng thế nào đến phản ứng quang Fenton?
    Phản ứng quang Fenton hoạt động hiệu quả nhất trong môi trường axit nhẹ (pH 3-4) vì pH thấp giúp duy trì ion Fe2+ ổn định, hạn chế tạo phức Fe3+ không hoạt động và tăng tốc độ tạo gốc hydroxyl •OH.

  5. Có thể tái sử dụng vật liệu Fe-BTC/GO trong nhiều chu kỳ không?
    Nghiên cứu cho thấy vật liệu Fe-BTC/GO có khả năng tái sử dụng với hiệu quả phân hủy Chlorpyrifos giảm nhẹ sau nhiều chu kỳ, tuy nhiên cần kiểm soát điều kiện phản ứng và xử lý vật liệu sau mỗi chu kỳ để duy trì hiệu quả.

Kết luận

  • Đã tổng hợp thành công vật liệu nano Fe-BTC/GO bằng phương pháp thủy nhiệt – vi sóng với cấu trúc tinh thể và tính chất xúc tác quang hóa ưu việt.
  • Phản ứng quang Fenton sử dụng vật liệu Fe-BTC/GO đạt hiệu quả phân hủy Chlorpyrifos trên 90% trong điều kiện pH 3, nồng độ H2O2 20 mmol/L và hàm lượng chất xúc tác 50 mg/L.
  • Các yếu tố điều kiện phản ứng như pH, nồng độ H2O2 và hàm lượng chất xúc tác ảnh hưởng rõ rệt đến hiệu quả phân hủy, cần được tối ưu hóa để đạt hiệu quả cao nhất.
  • Sản phẩm phân hủy trung gian được xác định qua GC/MS phù hợp với cơ chế phân hủy gốc hữu cơ trong phản ứng quang Fenton.
  • Đề xuất triển khai ứng dụng thực tế và nghiên cứu mở rộng về tổng hợp vật liệu thân thiện môi trường, đồng thời nâng cao nhận thức sử dụng BVTV hợp lý.

Tiếp theo, nghiên cứu sẽ tập trung vào thử nghiệm quy mô pilot xử lý nước thải thực tế và phát triển quy trình tái sinh vật liệu xúc tác. Đề nghị các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp quan tâm phối hợp để ứng dụng công nghệ vào thực tiễn, góp phần bảo vệ môi trường và phát triển bền vững ngành nông nghiệp.