Tổng quan nghiên cứu

Sự phát triển mạnh mẽ của ngành công nghiệp chế biến và đô thị hóa nhanh chóng đang tạo ra áp lực nặng nề lên môi trường nước tại Việt Nam. Điển hình trong ngành chế biến thủy sản, lượng nước thải phát sinh dao động từ 20 đến 35 mét khối trên một tấn sản phẩm, mang theo hàm lượng chất ô nhiễm hữu cơ rất lớn với chỉ số nhu cầu oxy sinh học (BOD5) từ 800 đến 2000 mg/L và nhu cầu oxy hóa học (COD) từ 1000 đến 2500 mg/L. Vấn đề nan giải nhất hiện nay là sự hiện diện của các hợp chất hữu cơ khó phân hủy (POPs) và các cấu trúc vòng thơm bền vững như axit cinnamic (CA), phenol hay n-Lauryl diethanol amin. Các phương pháp xử lý truyền thống như cơ học hay sinh học thông thường không thể bẻ gãy hoàn toàn các liên kết hóa học bền vững này.

Trước thách thức trên, đề tài luận văn tập trung vào mục tiêu chế tạo vật liệu xúc tác quang hóa titanium dioxide (TiO2) và TiO2 biến tính sắt (Fe) cố định trên đế mang zirconia (đường kính 49 mm, chiều cao 23,5 mm) bằng kỹ thuật sol-gel nhúng phủ. Nghiên cứu xác lập các thông số tối ưu cho phản ứng quang oxy hóa phân hủy axit cinnamic trong môi trường nước, đồng thời đánh giá độ bền xúc tác và thử nghiệm xử lý nguồn nước thải thực tế thu thập từ Công ty Cổ phần Sài Gòn Food vào tháng 11/2016. Nghiên cứu được triển khai thực nghiệm từ tháng 02/2017 đến tháng 06/2017 tại Viện Công nghệ Hóa học thuộc Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam.

Kết quả đạt được mang ý nghĩa khoa học và thực tiễn sâu sắc khi giải quyết triệt để nhược điểm thu hồi xúc tác của hệ huyền phù, đạt độ chuyển hóa axit cinnamic 67,4% sau 90 phút phản ứng và hiệu suất khử COD trong nước thải thực tế đạt 56,4% sau 12 giờ. Nguồn nước sau xử lý xuất sắc đạt tiêu chuẩn loại A theo QCVN 11-MT:2015/BTNMT đối với nước thải chế biến thủy sản và đáp ứng ngưỡng an toàn để tái sử dụng theo QCVN 08-MT:2015/BTNMT.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu vận dụng lý thuyết các quá trình oxy hóa nâng cao (Advanced Oxidation Processes - AOPs) kết hợp với lý thuyết quang xúc tác dị thể trên chất bán dẫn. Cơ chế cốt lõi của AOPs dựa trên sự hình thành các gốc tự do hydroxyl (OH*) có thế oxy hóa cực cao đạt 2,80 eV, vượt trội hoàn toàn so với các chất oxy hóa truyền thống như ozone (2,07 eV), hydro peroxide (1,78 eV) hay permanganate (1,68 eV). Gốc hydroxyl có khả năng bẻ gãy không chọn lọc các phân tử hữu cơ phức tạp thành carbon dioxide và nước.

Về mặt cấu trúc bán dẫn, titanium dioxide ở dạng thù hình anatase sở hữu năng lượng vùng cấm (Eg) là 3,20 eV, tương ứng bước sóng kích hoạt dưới 388 nm thuộc vùng tử ngoại (UV). Khi chiếu bức xạ có năng lượng bằng hoặc lớn hơn Eg, các electron (e-) sẽ nhảy từ vùng hóa trị lên vùng dẫn, để lại các lỗ trống mang điện tích dương (h+). Lỗ trống oxy hóa trực tiếp các phân tử nước tạo gốc OH*, trong khi electron tại vùng dẫn khử oxy hòa tan thành gốc superoxide (O2-). Để giải quyết bài toán ánh sáng mặt trời chỉ chứa khoảng 3% đến 5% tia UV, lý thuyết biến tính mạng tinh thể bằng ion kim loại chuyển tiếp Fe3+ được áp dụng. Kỹ thuật này đưa Fe3+ vào đóng vai trò tâm bẫy electron, ức chế quá trình tái kết hợp giữa electron và lỗ trống, đồng thời thu hẹp vùng cấm để dịch chuyển phổ hấp thụ quang sang vùng ánh sáng khả kiến (400 đến 600 nm). Bên cạnh đó, lý thuyết cố định màng sol-gel trên đế mang xốp zirconia giúp khắc phục triệt để hiện tượng tổn thất xúc tác và tắc nghẽn dòng chảy trong thiết bị phản ứng liên tục.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu thực nghiệm được xây dựng từ quy trình tổng hợp 8 mẫu xúc tác với các biến số về số lần nhúng phủ (3 lớp tương ứng 298 mg, 4 lớp tương ứng 407 mg, 5 lớp tương ứng 496 mg), nhiệt độ nung hoạt hóa (400 °C, 450 °C, 500 °C) và thời gian nung (1 giờ, 1,5 giờ, 2 giờ, 3 giờ). Tiền chất titanium tetraisopropoxide (TTIP) 97% được hòa tan trong 250 mL ethanol và acid hóa bằng HNO3 về khoảng pH từ 3 đến 4, kết hợp dung dịch muối Fe(NO3)3 0,1% để tạo sol. Mẫu nước thải thực tế được thu thập theo phương pháp lấy mẫu tổ hợp tại hệ thống xả thải nhà máy thủy sản.

Các phương pháp phân tích hiện đại được lựa chọn nhằm làm sáng tỏ toàn diện mối quan hệ giữa cấu trúc và hoạt tính:

  • Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD) trên thiết bị D2-PHARSER với bước quét 0,03 độ: Giúp định danh chính xác tỷ lệ pha anatase/rutile và xác định kích thước tinh thể nano theo phương trình Scherrer.
  • Phương pháp đẳng nhiệt hấp phụ - giải hấp khí nitơ (BET) trên thiết bị NOVA 2200 E tại vùng áp suất tương đối P/P0 từ 0,05 đến 0,3: Cho phép tính toán chính xác diện tích bề mặt riêng và phân bố đường kính mao quản xốp.
  • Kính hiển vi điện tử quét phát xạ trường (FE-SEM S4800 Hitachi): Cung cấp hình ảnh ba chiều về hình thái vi cấu trúc và độ bao phủ màng.
  • Phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FTIR Bruker): Xác định các nhóm chức hydroxyl (-OH) và liên kết Ti-O-Si hoặc Ti-O-Zr trên bề mặt.
  • Phổ hấp thụ tử ngoại - khả kiến (UV-Vis Jasco V-550): Đo độ hấp thụ tại bước sóng 272 nm theo đường chuẩn nồng độ axit cinnamic từ 1 đến 10 mg/L (với hệ số R2 đạt trên 0,999) và xác định chính xác giá trị năng lượng vùng cấm Eg.

Lý do lựa chọn chuỗi phương pháp này là nhằm đảm bảo tính đồng bộ, khách quan từ khâu kiểm soát hình thái tinh thể đến cơ chế động học phản ứng diễn ra trong suốt mốc thời gian thực hiện đề tài từ đầu năm 2017.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình phân tích đặc trưng lý - hóa và khảo sát thực nghiệm đã ghi nhận bốn phát hiện khoa học quan trọng:

Thứ nhất, việc biến tính ion Fe3+ vào cấu trúc sol-gel đã làm thay đổi rõ rệt tính chất quang học của vật liệu. Năng lượng vùng cấm của TiO2 biến tính sắt giảm từ mức 3,20 eV xuống còn 2,87 eV. Điều này giúp bước sóng hấp thụ photon chuyển dịch mạnh mẽ từ vùng tử ngoại sang vùng ánh sáng khả kiến (bước sóng đạt trên 430 nm), làm tăng độ nhạy sáng của vật liệu dưới nguồn bức xạ thông thường.

Thứ hai, nghiên cứu xác lập được bộ thông số tối ưu cho phản ứng quang oxy hóa axit cinnamic trên xúc tác TiO2/Scaffold: tốc độ khuấy đạt 250 vòng/phút; độ pH ban đầu của dung dịch đạt 3,8; lượng xúc tác phủ trên đế mang đạt 407 mg (tương ứng 4 lần nhúng phủ); nhiệt độ nung hoạt hóa 450 °C và thời gian nung 1,5 giờ. Tại điều kiện tối ưu này, độ chuyển hóa axit cinnamic đạt 67,4% chỉ sau 90 phút chiếu xạ, cao hơn 26,7% so với mẫu phủ 3 lớp (đạt 40,7%) và vượt trội so với mẫu phủ 5 lớp do hạn chế được hiện tượng cản trở truyền khối.

Thứ ba, khi so sánh hoạt tính giữa các hệ vật liệu ở cùng điều kiện chiếu xạ UV chuẩn, xúc tác TiO2 trên đế mang đạt hiệu quả phân hủy axit cinnamic cao hơn hẳn so với mẫu thương mại TiO2-P25 và mẫu TiO2 biến tính Fe (với độ chuyển hóa ghi nhận lần lượt đạt 49,0% so với khoảng 35% đến 42%).

Thứ tư, trong thử nghiệm xử lý mẫu nước thải chế biến thủy sản thực tế với nồng độ chất hữu cơ cao, hệ xúc tác TiO2/Scaffold đạt hiệu suất loại bỏ COD lên đến 56,4% tại môi trường pH = 4 sau 12 giờ phản ứng liên tục.

Thảo luận kết quả

Cơ chế quang phân hủy được giải thích thông qua sự tương tác bề mặt giữa chất ô nhiễm và xúc tác. Tại giá trị pH = 3,8, bề mặt TiO2 mang điện tích dương chiếm ưu thế, tạo lực hút tĩnh điện mạnh mẽ với các phân tử axit cinnamic phân ly trong dung dịch, từ đó đẩy nhanh tốc độ truyền điện tử và phản ứng gốc tự do. Tuy nhiên, khi pH tăng lên môi trường kiềm (pH từ 7 đến 9), các ion OH- dư thừa cạnh tranh hấp phụ hoặc cản trở quang phổ, làm giảm đáng kể hiệu suất phân hủy.

Diễn biến động học của phản ứng quang hóa có thể được biểu diễn trực quan qua biểu đồ đường cong suy giảm nồng độ theo thời gian (C/C0 theo các mốc 0, 15, 30, 45, 60, 75 và 90 phút). Tốc độ phản ứng tuân theo mô hình động học bậc một biểu kiến Langmuir-Hinshelwood. Bên cạnh đó, hiệu quả xử lý COD trong nước thải thực tế tại các mức pH khác nhau (pH = 3, pH = 4, pH = 6, pH = 8) có thể được minh họa qua biểu đồ cột so sánh, làm nổi bật đỉnh hiệu suất 56,4% tại pH = 4.

So sánh với các nghiên cứu trong nước về vật liệu TiO2 cố định trên than hoạt tính hay nhôm oxit xốp (vốn đạt hiệu suất phân hủy phenol hoặc phẩm nhuộm từ 50% đến 70%), việc sử dụng đế mang zirconia mang lại độ bền cơ học cao, không bị mục rửa và duy trì liên kết bám dính Ti-O-Zr vững chắc. Đánh giá độ bền qua các chu kỳ tái sử dụng liên tiếp cho thấy: hiệu suất chuyển hóa axit cinnamic sau 90 phút ở mẻ 1 đạt 67,4%, mẻ 2 đạt 40,7% và mẻ 3 đạt 29,8%. Nguyên nhân suy giảm hoạt tính được xác định là do sự tích tụ các hợp chất trung gian mạch vòng che phủ các tâm hoạt tính bề mặt, đòi hỏi quá trình tái sinh nhiệt nhẹ sau 3 chu kỳ vận hành.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên các phát hiện thực nghiệm, luận văn đưa ra bốn nhóm giải pháp kỹ thuật nhằm ứng dụng và thương mại hóa công nghệ:

  1. Thiết lập quy trình tái sinh định kỳ cho hệ xúc tác cố định: Tiến hành rửa giải bề mặt đế mang bằng sóng siêu âm trong dung dịch cồn 50% kết hợp nung nhẹ ở 300 °C trong 60 phút sau mỗi 3 chu kỳ vận hành. Giải pháp này giúp loại bỏ hoàn toàn cặn bám hữu cơ, khôi phục hoạt tính quang xúc tác đạt trên 85% so với ban đầu, thực hiện bởi đội ngũ kỹ thuật vận hành trạm xử lý nước thải trong khung thời gian 1 tháng.

  2. Chế tạo module phản ứng quang oxy hóa dạng dòng chảy liên tục quy mô pilot: Thiết kế buồng phản ứng đa tầng chứa các khối đế mang cố định TiO2 với công suất xử lý từ 5 đến 10 mét khối/ngày đêm. Mục tiêu hạ nồng độ COD tổng của nước thải chế biến thủy sản từ 1500 mg/L xuống dưới 100 mg/L, do các kỹ sư môi trường phối hợp cùng doanh nghiệp chế biến thực phẩm triển khai trong vòng 6 đến 9 tháng.

  3. Mở rộng hướng nghiên cứu biến tính đồng thời kim loại và phi kim (Fe-N hoặc Fe-C): Áp dụng phương pháp đồng sol-gel đưa đồng thời Fe3+ và urea/carbon vào mạng tinh thể nhằm hạ sâu năng lượng vùng cấm xuống dưới 2,70 eV. Hướng đi này giúp tận dụng tối đa 45% năng lượng từ ánh sáng mặt trời tự nhiên, do các nhóm nghiên cứu tại viện chuyên ngành thực hiện trong 12 tháng.

  4. Tích hợp công nghệ quang xúc tác TiO2/Scaffold vào công đoạn xử lý bậc ba: Lắp đặt hệ thống quang oxy hóa nâng cao ngay sau bể sinh học hiếu khí để triệt tiêu toàn bộ các chất hoạt động bề mặt và hợp chất phenolic khó phân hủy. Giải pháp hướng tới mục tiêu đưa 100% nước thải sau xử lý đạt chuẩn xả thải loại A theo QCVN 11-MT:2015/BTNMT và tái sử dụng cho mục đích tưới tiêu hoặc rửa sàn nhà xưởng trong vòng 6 tháng.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nội dung và kết quả của công trình nghiên cứu là tài liệu tham khảo giá trị cho bốn nhóm đối tượng chuyên môn:

  1. Học viên cao học, nghiên cứu sinh và nhà khoa học chuyên ngành Kỹ thuật Hóa học, Hóa dầu, Công nghệ Vật liệu: Cung cấp quy trình thực nghiệm chuẩn xác về tổng hợp sol-gel, kỹ thuật cố định màng oxit kim loại lên đế mang xốp zirconia và phương pháp phân tích cấu trúc tinh thể qua XRD, BET, UV-Vis.

  2. Kỹ sư công nghệ môi trường và cán bộ quản lý trạm xử lý nước thải công nghiệp: Ứng dụng mô hình oxy hóa nâng cao AOPs để giải quyết bài toán xử lý sâu chỉ số COD (1000 đến 2500 mg/L) và các độc chất hữu cơ mạch vòng khó phân hủy sinh học trong các ngành chế biến thủy hải sản, dệt nhuộm, sản xuất giấy.

  3. Ban lãnh đạo và cán bộ kỹ thuật tại các doanh nghiệp chế biến thủy hải sản: Nắm bắt giải pháp công nghệ tiên tiến để nâng cấp hệ thống xử lý nước thải hiện hữu, đảm bảo chất lượng nước thải đầu ra đạt chuẩn loại A theo QCVN 11-MT:2015/BTNMT, giảm thiểu rủi ro pháp lý về môi trường và hiện thực hóa mục tiêu kinh tế tuần hoàn tái sử dụng nước.

  4. Giảng viên và sinh viên các trường đại học khối kỹ thuật: Sử dụng làm tài liệu giảng dạy, học tập chuyên khảo cho các môn học Quang xúc tác dị thể, Quá trình và thiết bị công nghệ hóa học, Công nghệ xử lý nước thải bậc cao.

Câu hỏi thường gặp

  1. Việc cố định hạt nano TiO2 lên đế mang xốp zirconia mang lại ưu điểm vượt trội gì so với sử dụng TiO2 dạng bột huyền phù? Trong hệ huyền phù, các hạt nano TiO2 gây đục dòng nước và cực kỳ khó thu hồi sau phản ứng, dẫn đến thất thoát vật liệu và nguy cơ ô nhiễm thứ cấp. Cố định TiO2 lên đế mang zirconia giải quyết triệt để khâu lọc tách cặn, giảm áp suất dòng chảy và cho phép vận hành hệ thống xử lý liên tục với độ ổn định cơ học rất cao.

  2. Tại sao việc pha tạp ion Fe3+ lại làm giảm năng lượng vùng cấm của vật liệu TiO2? Sự thâm nhập của ion kim loại chuyển tiếp Fe3+ vào mạng tinh thể TiO2 tạo ra các mức năng lượng tạp chất trung gian nằm giữa vùng hóa trị và vùng dẫn. Điều này làm giảm năng lượng kích hoạt photon cần thiết từ 3,20 eV xuống 2,87 eV, giúp xúc tác hấp thụ hiệu quả bức xạ trong vùng ánh sáng nhìn thấy.

  3. Vì sao môi trường pH = 3,8 lại cho hiệu quả phân hủy axit cinnamic tối ưu nhất? Ở giá trị pH = 3,8, bề mặt vật liệu TiO2 tích điện dương mạnh, tạo lực tương tác tĩnh điện tối đa với các phân tử axit cinnamic. Điều này thúc đẩy quá trình hấp phụ chất ô nhiễm lên bề mặt xúc tác, giúp các gốc tự do OH* sinh ra tại chỗ tấn công và bẻ gãy liên kết phân tử nhanh nhất.

  4. Nước thải sau khi xử lý bằng xúc tác TiO2 trên đế mang đáp ứng được những tiêu chuẩn chất lượng nào? Sau 12 giờ phản ứng quang xúc tác, hiệu suất loại bỏ COD trong nước thải thực tế đạt 56,4%, đưa nồng độ ô nhiễm về ngưỡng an toàn. Nguồn nước xả thải chính thức đạt tiêu chuẩn chất lượng loại A theo QCVN 11-MT:2015/BTNMT và thỏa mãn điều kiện tái sử dụng nguồn nước theo QCVN 08-MT:2015/BTNMT.

  5. Độ bền hoạt tính của xúc tác thay đổi ra sao qua các chu kỳ tái sử dụng và cách khắc phục là gì? Hiệu suất phân hủy axit cinnamic giảm từ 67,4% ở mẻ thứ nhất xuống 40,7% ở mẻ thứ hai và 29,8% ở mẻ thứ ba do sản phẩm trung gian bám dính đầu độc tâm xúc tác. Hoạt tính bề mặt có thể được phục hồi trên 85% thông qua việc rửa siêu âm kết hợp xử lý nhiệt nhẹ ở 300 °C trong 60 phút.

Kết luận

  • Luận văn đã tổng hợp thành công màng xúc tác TiO2 và TiO2 biến tính sắt trên đế mang zirconia xốp bằng phương pháp sol-gel nhúng phủ với cấu trúc đồng đều và độ bám dính cao.
  • Quá trình biến tính sắt đã thu hẹp hiệu quả năng lượng vùng cấm từ 3,20 eV xuống 2,87 eV, mở rộng vùng hấp thu photon sang dải ánh sáng khả kiến.
  • Xác lập điều kiện phản ứng tối ưu gồm tốc độ khuấy 250 vòng/phút, pH ban đầu 3,8, khối lượng xúc tác 407 mg, nhiệt độ nung 450 °C trong 1,5 giờ, mang lại hiệu suất chuyển hóa axit cinnamic đạt 67,4% sau 90 phút.
  • Ứng dụng thành công trên nước thải chế biến thủy sản thực tế với hiệu suất khử COD đạt 56,4% sau 12 giờ, đạt quy chuẩn xả thải loại A theo QCVN 11-MT:2015/BTNMT và tiêu chuẩn tái sử dụng QCVN 08-MT:2015/BTNMT.
  • Kế hoạch tiếp theo cần tập trung chế tạo module pilot dòng chảy liên tục trong vòng 6 tháng và nghiên cứu biến tính đa nguyên tố Fe-N trong 12 tháng tới.

Các tổ chức nghiên cứu và doanh nghiệp quan tâm đến việc nhận chuyển giao công nghệ hoặc hợp tác thử nghiệm hệ module quang xúc tác xử lý nước thải công nghiệp vui lòng liên hệ trực tiếp với nhóm tác giả tại Bộ môn Kỹ thuật Hóa dầu, Trường Đại học Bách Khoa - Đại học Quốc gia TP.HCM để cùng phát triển các giải pháp bảo vệ môi trường bền vững.