Đặt vấn đề Việt Nam đang trong thời kỳ công nghiệp hóa hiện đại hóa đất nước với sự mở rộng sản xuất và phát triển nhanh chóng của các ngành công nghiệp. Bên cạnh những lợi ích to lớn mà sản xuất công nghiệp mang lại, chúng ta không thể phủ nhận những tổn hại môi trường do chất thải công nghiệp gây ra. Một trong những nguồn thải đáng chú ý nhất là nước thải trong ngành công nghiệp dệt nhuộm, giày da chứa nhiều chất rắn lơ lửng, chất hữu cơ khó phân hủy, chất tạo màu thuốc nhuộm…. Với sự phát triển ngày càng mạnh mẽ và đóng vai trò quan trọng trong tăng trưởng tuy nhiên nhiều hóa chất được sử dụng trong ngành dệt may gây ra các vấn đề về môi trường và sức khỏe, đặc biệt thuốc nhuộm được coi là chất gây ô nhiễm nghiêm trọng nhất [2].
Thuốc nhuộm là những chất hữu cơ có màu, có nguồn gốc thiên nhiên hoặc tổng hợp và có khả năng gắn kết vào vật liệu dệt trong những điều kiện quy định. Hiện nay, con người hầu như chỉ sử dụng thuốc nhuộm tổng hợp. Màu sắc của thuốc nhuộm có được là do cấu trúc hóa học của nó: nói một cách chung nhất, thành phần thuốc nhuộm bao gồm nhóm mang màu và nhóm trợ màu. Nhóm mang màu là những nhóm chứa các nối đôi liên hợp với hệ điện tử π không cố định, nhóm trợ màu là những nhóm thế cho hoặc nhận điện tử đóng vai trò tăng cường màu của nhóm mang màu [3].
Các loại thuốc nhuộm hữu cơ được đặc biệt quan tâm vì chúng độc hại và hầu hết là không phân hủy sinh học. Chúng thường là nguồn sinh ra các kim loại, muối và màu trong nước thải gây ra các tác hại đối với môi trường xung quanh và cuộc sống của con người [4]. Tổng quan tình hình nghiên cứu vật liệu quang xúc tác Tình hình nghiên cứu vật liệu quang xúc tác trên thế giới BiOCl đã được nghiên cứu rộng rãi trong lĩnh vực quang hóa học. Tuy nhiên, tốc độ tái hợp của các điện tích được tạo ra trong pha tinh khiết của BiOCl là cao, dẫn đến vấn đề vật liệu chỉ quang xúc tác tốt dưới ánh sáng UV [5].
Cho đến nay, nhiều nhà nghiên cứu đã điều chỉnh hiệu quả phân tách điện tích và khả năng hấp thụ ánh sáng của BiOCl. Liu et al. Các hạt nano BiOCl tổng hợp với nồng độ doping I khác nhau bằng phương pháp thủy nhiệt và nghiên cứu hiệu suất suy giảm của rhodamine B và 2 tetracycline hydrochloride dưới ánh sáng nhìn thấy. Kết quả cho thấy pha tạp không chỉ mở rộng phạm vi hấp thụ ánh sáng của các hạt nano BiOCl, mà còn tăng cường khả năng phân tách của điện tích [6].
Không chỉ mở rộng các đặc tính hấp thụ ánh sáng nhìn thấy của BiOCl, mà còn để tăng cường hoạt động quang xúc tác của nó, các nhà nghiên cứu đã đề xuất nhiều hướng nghiên cứu thay đổi hình thái và cấu trúc. Zang et al. Đã chế tạo được các hợp chất vòng AG/BiOCl/AgIO3 Z−scheme, với các tính chất điện tử phù hợp, cho thấy tốc độ suy giảm Rhodamine B cao hơn so với BiOCl tinh khiết [7]. Trong một nghiên cứu khác, khi pha tạp Ta−BiOCl/Bi cũng cho thấy hoạt động xúc tác được cải thiện để loại bỏ cả rhodamine B và tetracycline so với Ta−BiOCl, BiOCl/Bi và BiOCl [8].
Mặt khác, thay đổi cấu trúc bề mặt hoặc tạo các chỗ trống oxy đã được coi là những hướng nghiên cứu tiềm năng, tạo ra những bước tiến trong phản ứng quang xúc tác vì sự hấp thụ của các phản ứng ánh sáng và quang xúc tác thường xảy ra trên bề mặt của vật liệu [9]. Ye et al. được báo cáo sử dụng phương pháp thủy phân tiền chất phân tử giống như hoa phân cấp (Bin (Tu)xCl3n, Tu = thiourea) để chế tạo BiOCl dạng tấm, cho thấy tốc độ suy giảm của rhodamine B (RhB) rất cao (giảm 81% trong 32 phút). Gần đây, việc kết hợp biến đổi ở cấp độ phân tử của các vật liệu bán dẫn nhiều lớp để cải thiện sự hấp thụ ánh sáng nhìn thấy đang dần trở thành xu hướng mới [10].
Tình hình nghiên cứu vật liệu quang xúc tác ở Việt Nam Các nghiên cứu tập trung vào giảm độ rộng vùng cấm của TiO2 nhằm tăng hiệu quả quang xúc tác. Nhờ tiến bộ khoa học công nghệ mà các nhà nghiên cứu đã có thể chế tạo và khảo sát 1 cách rõ ràng các tính chất và cơ chế quang xúc tác trong vật liệu từ đó hướng đến các ứng dụng trong xử lý nước thải và bảo vệ môi trường nước. Nhóm tác giả Nguyễn Văn Thắng thuộc đại học Quy Nhơn đã chế tạo được vật liệu quang xúc tác SO42−/TiO2 từ quặng ilmenite ở Bình định bằng cách thủy phân quặng ilmenite trong axit flohydric. Nhóm tác giả Trần Thị Mỹ Hằng thuộc khoa Khoa học môi trường, ĐH Khoa học Tự nhiên, Đại Học Quốc gia Hà Nội đã tổng hợp được vật liệu quang xúc tác vonfram đồng CuWO4 có thể xúc tác được dưới ánh sáng khả kiến [12].
3 Nhóm tác giả Nguyễn Đức Vũ Quyền trường Đại học Khoa học Huế đã tổng hợp được vật liệu quang xúc tác TiO2/CNTs từ tiền chất tetraisopropyl−orthotitanate Ti[OCH(CH3)2]4 (TPOT) và CNTs đã được oxi hóa [13]. Nội dung nghiên cứu 1. Mục tiêu Đề xuất quy trình sản xuất đơn giản hơn cho hợp chất BiOCl với mong muốn quy trình có thể áp dụng trên quy mô công nghiệp. Quy trình đơn giản có thể giảm chi phí sản phẩm và chi phí đầu tư cho dây chuyền sản xuất.
Chế tạo được vật liệu quang xúc tác và có hiệu quả cao trong điều kiện ánh sáng mặt trời. Từ đó tận dụng được tối đa nguồn năng lượng khổng lồ từ mặt trời, điều mà các vật liệu như TiO2 và các vật liệu có chứa TiO2 chưa làm được. Giảm thiểu chi phí và đơn giản hóa quy trình xử lý nước thải. Giảm thời gian xử lý các chất độc hại và tăng cường hiệu quả xử lý nước thải trong các nhà máy xử lý nước thải.
Tất cả vì mục tiêu chung của toàn xã hội là giảm thiểu ô nhiễm môi trường và đặc biệt là vấn đề ô nhiễm nước. Tính mới của nghiên cứu Đề xuất phương pháp chế tạo đơn giản dễ thực hiện và chi phí thấp. Kiểm tra được sự ảnh hưởng của các yếu tố như chất hoạt động bề mặt, phương pháp tổng hợp, nguồn tiền chất ban đầu đến cấu trúc phân tử và độ rộng vùng cấm của vật liệu tạo thành. Chế tạo được vật liệu có độ rộng vùng cấm thuận lợi (2.56 eV) cho quá trình phân huỷ RhB trong môi trường ánh sáng nhìn thấy nhằm tận dụng tối đa nguồn năng lượng mặt trời có sẵn và nâng cao hiệu quả quang xúc tác của vật liệu 95.
Nội dung chính Tổng quan tài liệu liên quan đến đề tài. Nghiên cứu tổng hợp vật liệu BiOCl, khảo sát ảnh hưởng của các điều kiện tổng hợp (chất hoạt động bề mặt Tu; phương pháp tổng hợp sol-gel và chiếu xạ vi sóng; tiền chất clorua sử dụng KCl, MgCl2, HCl) đến tính chất và khả năng ứng dụng của vật liệu. 4 Đánh giá các tính chất đặc trưng của vật liệu BiOCl bằng các phương pháp quan sát cấu trúc: kính hiển vi điện tử quét phát xạ trường (FE−SEM), phương pháp phân tích cấu trúc như: phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD), phổ hấp thụ khả kiến (UV−Vis), phổ hồng ngoại biến đổi (FT−IR). Khảo sát hoạt tính quang xúc tác của vật liệu BiOCl bằng phản ứng phân hủy Rhodamine B ở điều kiện ánh sáng nhìn thấy trong 90 phút.
Giới thiệu về vật liệu quang xúc tác 2. Vật liệu quang xúc tác Vật liệu quang xúc tác là những vật liệu xúc tác hoạt động dưới tác dụng khi có ánh sáng chiếu vào. Các vật liệu xúc tác quang hóa là những vật liệu bán dẫn, trong suốt quá trình phản ứng chất xúc tác không bị biến đổi cũng như không cung cấp năng lượng khác cho hệ. Khi có ánh sáng chiếu vào, vật liệu quang xúc tác sinh ra các cặp điện tử − lỗ trống, các cặp điện tử lỗ trống này chính là nhân tố giúp cho các vật liệu này có các đặc tính xúc tác.
Cơ chế của phản ứng quang xúc tác trong chất lỏng Tùy thuộc vào bản chất của vật liệu quang xúc tác nên sẽ có nhiều cơ chế và phản ứng khác nhau nhưng tất cả đều có chung một cơ chế [14]. Quá trình xúc tác quang dị thể có thể được tiến hành ở pha lỏng và được chia thành những giai đoạn sau: − Các chất ô nhiễm được khuếch tán từ pha lỏng đến bề mặt xúc tác; − Các chất tham gia phản ứng được hấp phụ lên bề mặt xúc tác; − Chất xúc tác hấp phụ photon, từ đó các electron trong vùng hóa trị chuyển từ trạng thái cơ bản sang trạng thái kích. − Phản ứng quang hóa, bao gồm hai giai đoạn: + Trong giai đoạn phản ứng quang hóa sơ cấp, các phân tử bán dẫn bị kích thích tham gia trực tiếp vào phản ứng với các chất bị hấp phụ; + Trong giai đoạn phản ứng quang hóa thứ cấp, còn gọi là giai đoạn phản ứng “tối” hay phản ứng nhiệt [15]. − Nhả hấp phụ các sản phẩm; − Khuếch tán các sản phẩm vào pha lỏng.
Trường hợp, các phân tử chất hữu cơ và vô cơ bị hấp phụ trước lên bề mặt chất xúc tác bán dẫn sẽ tạo điều kiện cho quá trình luân chuyển điện tử diễn ra dễ dàng hơn. Khi đó các điện tử sinh ra ở vùng dẫn sẽ chuyển đến nơi có các phân tử có khả năng nhận 6 electron và quá trình khử xảy ra, còn các lỗ trống sẽ chuyển đến nơi có các phân tử có khả năng cho electron để thực hiện phản ứng oxy hóa [16]. Các bước trong quy trình phản ứng quang xúc tác Với R− – sản phẩm của phản ứng khử, O− – sản phẩm của phản ứng oxi hóa, (I) – sự hấp thụ ánh sáng để tạo ra các cặp electron−lỗ trống, (II) – tách các điện tích kích thích, (III) – chuyển electron và lỗ trống đến bề mặt của chất xúc tác quang, (III′) – sự tái tổ hợp của các electron và lỗ trống, (IV) – sử dụng các điện tích trên bề mặt cho các phản ứng oxy hóa khử. Phản ứng quang xúc tác thuốc nhuộm hữu cơ Sự phân hủy quang học của các chất ô nhiễm đã trở nên phổ biến rộng rãi.
Phản ứng quang xúc không đồng nhất, trong đó chất xúc tác quang hấp thụ ánh sáng mặt trời 7 để phân hủy các chất ô nhiễm môi trường khác nhau, bao gồm cả các chất ô nhiễm hữu cơ trong nước và khí quyển.