I. Giới thiệu về TiO2 và ứng dụng trong xử lý nước
TiO2 là một chất xúc tác quang hóa được sử dụng rộng rãi trong xử lý nước nhờ tính chất ưu việt như giá thành thấp, bền vững trong môi trường, không độc hại và không gây ô nhiễm thứ cấp. Ứng dụng TiO2 trong xử lý hợp chất hữu cơ khó phân hủy đã được nghiên cứu và chứng minh hiệu quả cao. Công nghệ xử lý nước sử dụng TiO2 tập trung vào việc phân hủy các hợp chất hữu cơ độc hại thành các chất vô cơ ít độc hơn. Phân hủy TiO2 dưới tác dụng của ánh sáng tạo ra các gốc tự do có khả năng oxy hóa mạnh, giúp loại bỏ các chất ô nhiễm trong nước.
1.1. Cấu trúc và tính chất của TiO2
TiO2 tồn tại dưới ba dạng thù hình chính: anatase, rutile và brookite. Trong đó, anatase và rutile là hai dạng phổ biến nhất trong xử lý nước. Anatase có hoạt tính quang xúc tác cao hơn nhờ cấu trúc tinh thể và năng lượng vùng cấm phù hợp. Tính chất quang xúc tác của TiO2 cho phép nó hấp thụ ánh sáng tử ngoại, tạo ra các electron và lỗ trống, từ đó kích hoạt quá trình oxy hóa các hợp chất hữu cơ.
1.2. Cơ chế quang xúc tác của TiO2
Cơ chế quang xúc tác của TiO2 bắt đầu bằng việc hấp thụ photon ánh sáng, tạo ra các cặp electron-lỗ trống. Các electron này tham gia vào quá trình khử oxy để tạo ra các gốc hydroxyl (•OH), trong khi lỗ trống oxy hóa các phân tử nước hoặc hợp chất hữu cơ. Các gốc hydroxyl có khả năng oxy hóa mạnh, giúp phân hủy các hợp chất hữu cơ khó phân hủy thành CO2 và H2O.
II. Phương pháp điều chế và tối ưu hóa xúc tác TiO2
Phương pháp sol-gel được sử dụng để điều chế TiO2 trên đế mang, giúp tăng độ bền và hiệu quả của xúc tác. Quá trình này bao gồm việc tạo sol từ các tiền chất của TiO2, sau đó nhúng phủ lên đế mang và nung ở nhiệt độ cao. TiO2 biến tính Fe cũng được nghiên cứu để cải thiện hoạt tính quang xúc tác bằng cách giảm năng lượng vùng cấm và mở rộng phạm vi hấp thụ ánh sáng sang vùng khả kiến.
2.1. Điều chế TiO2 bằng phương pháp sol gel
Quy trình điều chế TiO2 bằng phương pháp sol-gel bao gồm các bước: hòa tan tiền chất, tạo sol, nhúng phủ lên đế mang và nung ở nhiệt độ cao. Phương pháp này cho phép kiểm soát kích thước hạt và diện tích bề mặt của TiO2, từ đó tối ưu hóa hoạt tính quang xúc tác. TiO2 được điều chế bằng phương pháp này có độ bền cao và khả năng tái sử dụng tốt.
2.2. Biến tính TiO2 với Fe
Biến tính TiO2 với Fe giúp giảm năng lượng vùng cấm từ 3,2 eV xuống còn 2,87 eV, mở rộng phạm vi hấp thụ ánh sáng sang vùng khả kiến. Điều này làm tăng hiệu quả quang xúc tác của TiO2 trong việc phân hủy các hợp chất hữu cơ khó phân hủy. TiO2 biến tính Fe cũng cho thấy độ bền cao và khả năng tái sử dụng tốt trong các mẻ phản ứng liên tiếp.
III. Ứng dụng TiO2 trong xử lý nước thải thực tế
Ứng dụng TiO2 trong xử lý nước thải thực tế đã được nghiên cứu và chứng minh hiệu quả cao. TiO2 được sử dụng để phân hủy các hợp chất hữu cơ khó phân hủy như cinnamic acid trong nước thải thủy sản. Kết quả cho thấy, TiO2 có khả năng loại bỏ COD lên đến 56,4% và đạt tiêu chuẩn nước thải loại A theo QCVN 11-MT:2015/BTNMT.
3.1. Phân hủy cinnamic acid bằng TiO2
TiO2 được sử dụng để phân hủy cinnamic acid trong nước thải thủy sản. Kết quả nghiên cứu cho thấy, ở điều kiện tối ưu (tốc độ khuấy 250 vòng/phút, pH 3,8, lượng xúc tác 407 mg), TiO2 đạt hiệu suất chuyển hóa cinnamic acid lên đến 67,4% sau 90 phút phản ứng. TiO2 biến tính Fe cũng cho thấy hiệu quả cao trong việc phân hủy cinnamic acid.
3.2. Đánh giá hiệu quả xử lý nước thải thực
TiO2 được đánh giá hiệu quả trong việc xử lý nước thải thực từ nhà máy chế biến thủy sản. Kết quả cho thấy, TiO2 có khả năng loại bỏ COD lên đến 56,4% và đạt tiêu chuẩn nước thải loại A theo QCVN 11-MT:2015/BTNMT. TiO2 biến tính Fe cũng cho thấy hiệu quả cao trong việc xử lý nước thải thực, đặc biệt là ở pH thấp.
