I. Tổng quan về vật liệu Cu Ti Hydrotanxit xúc tác xử lý nước thải
Vật liệu Cu-Ti-Hydrotanxit là hợp chất composit tiên tiến. Vật liệu này kết hợp ba thành phần chính. Đó là hydrotanxit, TiO2 và ion đồng Cu2+. Hydrotanxit đóng vai trò chất nền mang. Cấu trúc lớp của hydrotanxit tạo diện tích bề mặt lớn. TiO2 được phân tán trong mạng tinh thể. Ion Cu2+ được doping vào cấu trúc. Sự kết hợp này tạo ra vật liệu có tính chất kép. Vừa có khả năng hấp phụ cao. Vừa có hoạt tính quang xúc tác mạnh. Vật liệu hoạt động hiệu quả dưới ánh sáng khả kiến. Đèn LED công suất 30W đủ để kích hoạt. Nghiên cứu được thực hiện tại Đại học Thái Nguyên năm 2019. Kết quả cho thấy khả năng phân hủy thuốc nhuộm vượt trội. Metylen Xanh và Rhodamin-B bị phân hủy gần như hoàn toàn. Đây là hướng nghiên cứu mới cho xử lý ô nhiễm nước.
1.1. Cấu trúc và tính chất cơ bản của Hydrotanxit
Hydrotanxit là vật liệu có cấu trúc lớp dạng kép. Công thức giả định là Zn0,7Al0,3(OH)2(CO3)0,15.mH2O. Cấu trúc bao gồm các lớp hydroxide kim loại. Các lớp này chứa cation Zn2+ và Al3+. Giữa các lớp là anion carbonate và phân tử nước. Hydrotanxit có diện tích bề mặt riêng rất lớn. Khả năng trao đổi ion cao. Tính chất này giúp hấp phụ hiệu quả các chất ô nhiễm. Phương pháp tổng hợp phổ biến là đồng kết tủa. Tỉ lệ mol Zn2+:Al3+ được điều chỉnh ở mức 0,7:0,3. Quá trình già hóa gel ở 120°C trong 24 giờ. Sau đó lọc rửa và sấy khô sản phẩm.
1.2. Vai trò của TiO2 và ion Cu2 trong vật liệu composit
TiO2 là chất bán dẫn quang xúc tác nổi tiếng. Dải năng lượng cấm của TiO2 là 3,2 eV. TiO2 chỉ hấp thụ ánh sáng trong vùng tia UV. Khi kết hợp với hydrotanxit, TiO2 được phân tán đều. Diện tích tiếp xúc với ánh sáng tăng lên. Ion Cu2+ đóng vai trò doping quan trọng. Cu2+ giúp thu hẹp dải cấm của TiO2. Phạm vi hấp thụ ánh sáng mở rộng sang vùng khả kiến. Sự kết hợp Cu-Ti trên nền hydrotanxit tạo hiệu ứng cộng hưởng. Hoạt tính quang xúc tác tăng lên đáng kể. Vật liệu hoạt động tốt dưới ánh sáng đèn LED.
II. Vấn đề ô nhiễm nước thải dệt nhuộm và thuốc nhuộm độc hại
Ngành dệt nhuộm là ngành gây ô nhiễm nặng. Nước thải dệt nhuộm chứa nhiều chất độc hại. Các loại thuốc nhuộm hữu cơ là thành phần chính. Metylen Xanh và Rhodamin-B là hai loại thường gặp. Chúng có màu sắc đậm và khó phân hủy tự nhiên. Nồng độ thuốc nhuộm trong nước thải rất cao. Có thể lên tới hàng chục mg/L. Các chất này cản trở quá trình quang hợp của thủy sinh vật. Chúng gây ngộ độc cho cá và sinh vật dưới nước. Một số thuốc nhuộm có tính gây ung thư. Xử lý nước thải dệt nhuộm là vấn đề cấp bách. Các phương pháp truyền thống có nhiều hạn chế. Phương pháp sinh học kém hiệu quả với thuốc nhuộm kháng khuẩn. Phương pháp hóa học tạo ra nhiều bùn thải. Cần có giải pháp xử lý hiệu quả hơn.
2.1. Nguồn gốc và đặc điểm nước thải dệt nhuộm công nghiệp
Nước thải dệt nhuộm phát sinh từ nhiều công đoạn. Công đoạn nhuộm tạo ra lượng nước thải lớn nhất. Công đoạn tẩy trắng và hoàn thiện cũng góp phần. Nước thải có pH thay đổi tùy loại thuốc nhuộm. Hàm lượng chất hữu cơ rất cao. COD và BOD thường vượt tiêu chuẩn cho phép. Màu sắc đậm là đặc điểm dễ nhận thấy nhất. Nước thải chứa kim loại nặng như Cr, Cu, Pb. Các chất phụ gia hóa học cũng có mặt. Nhiệt độ nước thải thường cao. Khả năng phân hủy sinh học thấp. Điều này gây khó khăn cho xử lý.
2.2. Tác hại của Metylen Xanh và Rhodamin B đối với môi trường
Metylen Xanh là thuốc nhuộm cationic. Công thức phân tử là C16H18ClN3S. Rhodamin-B là thuốc nhuộm huỳnh quang. Công thức phân tử là C28H31ClN2O3. Cả hai đều tan tốt trong nước. Chúng tồn tại lâu trong môi trường tự nhiên. Metylen Xanh gây kích ứng da và mắt. Ở nồng độ cao gây khó thở. Rhodamin-B có khả năng gây ung thư. Cả hai chất cản trở ánh sáng xuyên qua nước. Quá trình quang hợp của tảo bị ảnh hưởng. Hệ sinh thái thủy sinh bị suy thoái. Nồng độ 10-35 ppm đã gây hại cho sinh vật.
III. Phương pháp tổng hợp và cơ chế quang xúc tác của Cu Ti Hydrotanxit
Tổng hợp Cu-Ti-Hydrotanxit trải qua nhiều bước. Bước đầu tiên là tổng hợp chất mang hydrotanxit. Dung dịch muối kẽm và nhôm được hòa tan. Na2CO3 được nhỏ từ từ vào dung dịch. pH được điều chỉnh đến 9,5 bằng NaOH. Gel hình thành và được già hóa ở 120°C. Tiếp theo là quá trình tải TiO2 và Cu2+. TiO2 được phân tán trong gel trước khi già hóa. Ion Cu2+ được引入 vào cấu trúc bằng phương pháp ngâm tẩm. Sau đó vật liệu được nung ở nhiệt độ thích hợp. Nhiệt độ nung ảnh hưởng đến cấu trúc tinh thể. Mẫu vật liệu được ký hiệu CuTiH-x với x là tỉ lệ mol Ti4+. Cơ chế quang xúc tác dựa trên việc tạo cặp electron-lỗ trống. Các gốc tự do hydroxyl và superoxide được sinh ra. Chúng oxy hóa phân tử thuốc nhuộm thành CO2 và H2O.
3.1. Quy trình tổng hợp vật liệu xúc tác từng bước
Quy trình tổng hợp gồm ba giai đoạn chính. Giai đoạn một là tổng hợp hydrotanxit. Zn(NO3)2 và Al(NO3)3 được hòa tan với tỉ lệ mol 0,7:0,3. Dung dịch Na2CO3 0,6M được nhỏ vào từ từ. Hỗn hợp được khuấy 30 phút ở nhiệt độ phòng. pH được điều chỉnh đến 9,5 bằng NaOH 2M. Gel được già hóa trong bình Teflon ở 120°C trong 24 giờ. Giai đoạn hai là tải TiO2 lên nền hydrotanxit. Giai đoạn ba là引入 ion Cu2+ bằng phương pháp ngâm tẩm. Sản phẩm cuối được sấy khô và đặc trưng.
3.2. Cơ chế quang xúc tác phân hủy thuốc nhuộm dưới ánh sáng
Cơ chế quang xúc tác dựa trên nguyên lý bán dẫn. Khi hấp thụ photon, electron bị kích thích từ vùng hóa trị. Electron chuyển sang vùng dẫn tạo lỗ trống. Lỗ trống phản ứng với nước tạo gốc •OH. Electron phản ứng với oxy tạo gốc •O2-. Các gốc tự do này có tính oxi hóa rất mạnh. Chúng tấn công liên kết hóa học trong phân tử thuốc nhuộm. Metylen Xanh bị phân hủy thành sản phẩm đơn giản. Rhodamin-B cũng bị phân hủy tương tự. Cu2+ giúp thu hẹp dải cấm TiO2. Nhờ đó vật liệu hấp thụ ánh sáng khả kiến tốt hơn. Đèn LED 30W đủ để kích hoạt quá trình.
IV. Kết quả xử lý và triển vọng ứng dụng vật liệu Cu Ti Hydrotanxit
Kết quả nghiên cứu rất khả quan. Mẫu CuTiH-0,5 và CuTiH-0,6 cho hiệu suất cao nhất. Độ chuyển hóa Metylen Xanh 35ppm đạt trên 96% chỉ trong 180 phút. Mẫu CuTiH-0,3 và CuTiH500-0,3 cũng cho kết quả tốt. Hiệu suất đạt 97,40% và 97,99% sau 180 phút. Sự kết hợp hấp phụ và quang xúc tác tạo hiệu quả vượt trội. Nồng độ Metylen Xanh 10-20ppm được xử lý nhanh hơn. Mẫu có tỉ lệ Ti4+ từ 0,3-0,6 có khả năng hấp phụ tốt. Ánh sáng đèn LED Rạng Đông 30W đủ kích hoạt xúc tác. Bước sóng hấp thụ cực đại là 625nm. Vật liệu có triển vọng ứng dụng rộng rãi. Chi phí sản xuất thấp. Quy trình đơn giản. Có thể mở rộng quy mô sản xuất.
4.1. Hiệu quả phân hủy Metylen Xanh trên các mẫu xúc tác
Bảng kết quả cho thấy sự khác biệt rõ ràng giữa các mẫu. Mẫu CuTiH-0,05 và CuTiH-0,1 có hiệu suất thấp. Độ chuyển hóa chỉ đạt 55-63% sau 270 phút. Mẫu CuTiH-0,2 cải thiện hơn với 92% sau 240 phút. Đột phá nằm ở nhóm mẫu CuTiH-0,3 đến CuTiH-0,6. Mẫu CuTiH-0,5 đạt 95,59% chỉ sau 60 phút. Mẫu CuTiH-0,6 đạt 95,90% sau cùng thời gian. Sau 240 phút, hiệu suất đạt 96-97%. Nhiệt độ nung 500°C tạo mẫu CuTiH500 cho kết quả tương tự. Sự kết hợp hấp phụ và quang xúc tác là chìa khóa thành công.
4.2. Triển vọng ứng dụng trong xử lý nước thải thực tế
Vật liệu Cu-Ti-Hydrotanxit có nhiều ưu điểm nổi bật. Chi phí nguyên liệu thấp và dễ kiếm. Zn, Al, Ti, Cu đều là kim loại phổ biến. Quy trình tổng hợp đơn giản, dễ thực hiện. Vật liệu hoạt động dưới ánh sáng đèn LED. Điều này tiết kiệm năng lượng đáng kể. Ánh sáng tự nhiên cũng có thể sử dụng. Vật liệu có thể thu hồi và tái sử dụng. Tuy nhiên cần nghiên cứu thêm về độ bền. Hiệu quả với nước thải thực tế cần được kiểm chứng. Nên thử nghiệm với nhiều loại thuốc nhuộm khác. Quy trình sản xuất cần được tối ưu hóa cho quy mô công nghiệp.
