NGHIÊN CỨU CẢI TIẾN HỆ QUANG XÚC TÁC TiO2-SiO2

• Tác giả: Võ Ngọc Quốc Duy
• Người hướng dẫn: PGS.TS. Lê Minh Viễn
• Trường học: Đại học Bách Khoa
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Hóa Học
• Đề tài: Nghiên cứu cải tiến hệ quang xúc tác TiO2-SiO2 trên cơ sở vật liệu Monolith để xử lý hợp chất hữu cơ trong môi trường nước
• Loại tài liệu: Luận Văn Thạc Sĩ
• Năm xuất bản: 2021
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

• LỜI CẢM ƠN
• LỜI MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Vai trò của SiO2 trong hoạt tính
• 1.2. Vai trò nano Ag trong hoạt tính
• 1.3. Vai trò monolith trong hoạt tính
• 1.4. Hóa chất và dụng cụ
• 1.5. Quy trình tổng hợp
• 1.5.1. Tổng hợp xúc tác TiO2-SiO2
• 1.5.2. Tổng hợp xúc tác TiO2-SiO2 phủ monolith
• 1.6. Mẫu vật liệu
• 1.7. Phân tích X quang tia X (XRD)
• 1.8. Kính hiển vi quét (SEM)
• 1.9. Kính hiển vi truyền qua (TEM)
• 1.10. Phân tán xạ quang tia X (EDX)
• 1.11. Phân tích khuếch tán (UV-DRS - Band gap - Eg)
• 1.12. Quang phổ TXDQJ tia X (XPS)
• 1.13. Quang phổ hợp thể UV-Vis
• 1.14. Phân tích khí khối phổ (GC-MS)
• 1.15. Nghiên cứu quá trình phân hủy
• 1.16. Đặc tính xúc tác
• 2. CHƯƠNG 2: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN
• 2.1. Các tính chất vật liệu
• 2.1.1. Phân tích X quang (XRD)
• 2.1.2. Kính hiển vi truyền qua (TEM)
• 2.1.3. Phân tích khuếch tán (UV-DRS)
• 2.1.4. Diện tích bề mặt riêng (BET)
• 2.1.5. Quang phổ TXDQJ tia X (XPS)
• 2.2. Đặc tính quang xúc tác của vật liệu TiO2-SiO2 dạng bột
• 2.3. Khảo sát ảnh hưởng các điều kiện
• 2.3.1. Ảnh hưởng nhiệt độ nung
• 2.3.2. Ảnh hưởng pH dung dịch
• 2.3.3. Ảnh hưởng nguồn sáng tự nhiên
• 2.4. Vật liệu composite TiO2-SiO2 tẩm Ag
• 2.5. Đặc tính quang xúc tác phủ trên monolith
• 2.6. Nghiên cứu xúc tác trên monolith
• 2.7. Ảnh hưởng của các lớp xúc tác trên vật liệu cordierit
• 2.8. Ảnh hưởng bề mặt cấu trúc vật liệu
• 2.9. Hiệu suất phân hủy E-naphthol
• 2.10. Ảnh hưởng pH dung dịch đến hiệu suất phân hủy
• 2.11. Hiệu suất phân hủy sau nhiều lần tái sử dụng
• 2.12. Phân tích GC-MS của E-naphthol
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

I. Tổng Quan Nghiên Cứu Cải Tiến Hệ Quang Xúc Tác TiO2 SiO2

Ô nhiễm nước là một trong những vấn đề cấp bách toàn cầu, đặc biệt là sự tồn tại của các hợp chất hữu cơ độc hại, khó phân hủy. Các phương pháp xử lý truyền thống như hấp phụ, clo hóa, ozone hóa bộc lộ nhiều hạn chế. Quá trình oxy hóa nâng cao (AOPs), đặc biệt là xúc tác quang hóa TiO2, nổi lên như một giải pháp tiềm năng nhờ hiệu quả cao và khả năng xử lý triệt để các chất ô nhiễm. Tuy nhiên, TiO2 nguyên chất vẫn còn những nhược điểm cần khắc phục để tăng cường hiệu quả ứng dụng trong thực tế. Việc nghiên cứu cải tiến hệ quang xúc tác TiO2-SiO2 trở nên vô cùng quan trọng, mở ra hướng đi mới trong xử lý ô nhiễm nguồn nước.

1.1. Tình Hình Ô Nhiễm Nước và Sự Cần Thiết Xử Lý

Nguồn nước ngọt ngày càng khan hiếm do nhiều yếu tố như biến đổi khí hậu và ô nhiễm. Các hoạt động xả thải không kiểm soát vào sông ngòi, ao hồ góp phần làm suy giảm chất lượng nguồn nước, đe dọa đến đời sống của động thực vật và sức khỏe con người. Sự tồn tại của các chất hữu cơ khó phân hủy như phenol, thuốc trừ sâu, dược phẩm đặt ra yêu cầu cấp thiết về các giải pháp xử lý hiệu quả. Các phương pháp xử lý nước tiên tiến là vô cùng cần thiết.

1.2. Giới Thiệu Về Phương Pháp Quang Xúc Tác và Ưu Điểm

Phương pháp oxy hóa nâng cao (AOPs), đặc biệt là xúc tác quang hóa, đã chứng minh được tiềm năng lớn trong việc xử lý các chất ô nhiễm trong nước. So với các phương pháp truyền thống, AOPs có nhiều ưu điểm vượt trội như hiệu quả cao, chi phí hợp lý, quy trình đơn giản và khả năng phân hủy hoàn toàn các chất ô nhiễm thành các chất vô hại. Trong đó, TiO2 được xem là vật liệu xúc tác quang lý tưởng.

II. Thách Thức Hạn Chế Của TiO2 Trong Xử Lý Nước Hiện Nay

Mặc dù có nhiều ưu điểm, TiO2 nguyên chất vẫn tồn tại một số hạn chế làm giảm hiệu quả ứng dụng thực tế. Diện tích bề mặt riêng thấp, khả năng hấp thụ ánh sáng nhìn thấy kém, khó thu hồi và tái sử dụng là những vấn đề cần được giải quyết. Các nghiên cứu hiện nay tập trung vào việc cải tiến TiO2 bằng cách biến tính vật liệu, kết hợp với các vật liệu khác hoặc cố định trên các chất mang để khắc phục các nhược điểm này. Theo tài liệu gốc, TiO2 có diện tích bề mặt riêng khá thấp (28,4 m2/g).

2.1. Diện Tích Bề Mặt Riêng Thấp và Khả Năng Hấp Phụ Kém

Diện tích bề mặt riêng thấp của TiO2 hạn chế khả năng hấp phụ các chất ô nhiễm lên bề mặt vật liệu, từ đó làm giảm hiệu quả phân hủy quang hóa. Việc tăng diện tích bề mặt riêng là một trong những mục tiêu quan trọng trong quá trình cải tiến vật liệu xúc tác TiO2. Cần có những phương pháp hiệu quả để tăng cường khả năng hấp phụ.

2.2. Khả Năng Hấp Thụ Ánh Sáng Nhìn Thấy Hạn Chế

TiO2 có năng lượng vùng cấm lớn (3.2eV), tương ứng với vùng ánh sáng cực tím. Điều này làm giảm hiệu quả sử dụng ánh sáng mặt trời, một nguồn năng lượng tái tạo vô tận. Việc dịch chuyển vùng hấp thụ của TiO2 sang vùng ánh sáng nhìn thấy là một hướng nghiên cứu đầy tiềm năng. Đây là một trong những hạn chế lớn cần cải thiện để nâng cao hiệu quả của TiO2.

2.3. Vấn Đề Thu Hồi và Tái Sử Dụng Vật Liệu TiO2

Do kích thước hạt nano, việc thu hồi và tái sử dụng vật liệu TiO2 gặp nhiều khó khăn và tốn kém. Việc thất thoát xúc tác trong quá trình thu hồi làm tăng chi phí và giảm hiệu quả kinh tế. Cố định TiO2 trên các chất mang là một giải pháp hiệu quả để giải quyết vấn đề này. Theo tài liệu gốc, điều này gây ra nhiều khó khăn cho quá trình tái sử dụng TiO2

III. Giải Pháp 1 Biến Tính TiO2 Bằng SiO2 Bí Quyết Tăng Diện Tích Bề Mặt

Việc kết hợp SiO2 vào cấu trúc TiO2 là một phương pháp hiệu quả để tăng diện tích bề mặt riêng và cải thiện khả năng hấp phụ của vật liệu. Cấu trúc xốp của SiO2 giúp tăng cường sự tiếp xúc giữa xúc tác và chất ô nhiễm, từ đó nâng cao hiệu quả phân hủy quang hóa. Nhiều nghiên cứu đã chứng minh rằng vật liệu TiO2-SiO2 có diện tích bề mặt riêng lớn hơn nhiều so với TiO2 nguyên chất. Theo nghiên cứu của Zou, vật liệu nano TiO2-SiO2 có BET lớn hơn 8 lần so với P25.

3.1. Vai Trò Của Cấu Trúc Xốp Của SiO2

Cấu trúc xốp của SiO2 tạo ra một mạng lưới các lỗ rỗng, làm tăng đáng kể diện tích bề mặt tiếp xúc của vật liệu. Điều này tạo điều kiện thuận lợi cho việc hấp phụ các chất ô nhiễm, giúp quá trình phân hủy quang hóa diễn ra hiệu quả hơn. SiO2 có vai trò quan trọng trong việc hình thành vật liệu composite hiệu quả.

3.2. Tăng Cường Khả Năng Hấp Phụ Chất Ô Nhiễm

Diện tích bề mặt riêng lớn hơn giúp TiO2-SiO2 có khả năng hấp phụ các chất ô nhiễm cao hơn so với TiO2 nguyên chất. Điều này đặc biệt quan trọng đối với các chất ô nhiễm có nồng độ thấp trong nước. Khả năng hấp phụ được cải thiện giúp tăng cường hiệu quả xử lý nước.

3.3. Ảnh Hưởng Của Tỉ Lệ TiO2 SiO2 Đến Hiệu Quả

Tỉ lệ giữa TiO2 và SiO2 trong vật liệu composite có ảnh hưởng đáng kể đến hiệu quả xúc tác quang hóa. Việc tối ưu hóa tỉ lệ này là rất quan trọng để đạt được hiệu suất cao nhất. Cần thực hiện các nghiên cứu để xác định tỉ lệ TiO2/SiO2 tối ưu cho từng loại chất ô nhiễm cụ thể.

IV. Giải Pháp 2 Tẩm Kim Loại Ag Nâng Cao Hoạt Tính Giảm Năng Lượng Vùng Cấm

Biến tính TiO2 bằng kim loại, đặc biệt là bạc (Ag), là một phương pháp hiệu quả để nâng cao hoạt tính quang hóa và giảm năng lượng vùng cấm của vật liệu. Ag có khả năng tạo ra các electron-hole và kéo dài thời gian tái tổ hợp của chúng, từ đó tăng cường quá trình phân hủy quang hóa. Nhiều nghiên cứu đã chứng minh rằng TiO2 biến tính Ag có hiệu quả cao hơn trong việc xử lý các chất ô nhiễm so với TiO2 nguyên chất. Theo Shirley, mẫu TiO2 biến tính Ag phân hủy 2-chlorophenol với hiệu suất cao hơn.

4.1. Cơ Chế Hoạt Động Của Kim Loại Ag Trong Xúc Tác

Kim loại Ag hoạt động như một trung tâm thu hút các electron, làm giảm tốc độ tái tổ hợp của electron và lỗ trống (electron-hole). Điều này kéo dài thời gian tồn tại của các hạt mang điện, tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình oxy hóa khử diễn ra. Ag có vai trò quan trọng trong việc cải thiện hiệu suất xúc tác.

4.2. Giảm Năng Lượng Vùng Cấm và Tăng Hấp Thụ Ánh Sáng

Việc biến tính TiO2 bằng Ag có thể làm giảm năng lượng vùng cấm của vật liệu, cho phép hấp thụ ánh sáng trong vùng nhìn thấy. Điều này giúp tận dụng tối đa nguồn năng lượng mặt trời, tăng hiệu quả xúc tác quang hóa trong điều kiện thực tế. Ánh sáng nhìn thấy có vai trò quan trọng trong quá trình này.

4.3. Phương Pháp Tẩm Kim Loại Ag Lên Bề Mặt TiO2

Có nhiều phương pháp khác nhau để tẩm kim loại Ag lên bề mặt TiO2, như phương pháp photodeposition, phương pháp hóa học và phương pháp vật lý. Mỗi phương pháp có những ưu nhược điểm riêng, và việc lựa chọn phương pháp phù hợp phụ thuộc vào tính chất của vật liệu và điều kiện thí nghiệm. Theo Rodolfo, phương pháp photodeposition là một phương pháp hiệu quả để tẩm Ag lên xúc tác.

V. Giải Pháp 3 Cố Định Xúc Tác Trên Monolith Thu Hồi Dễ Dàng Tái Sử Dụng Cao

Cố định xúc tác trên các chất mang monolith là một giải pháp hiệu quả để khắc phục nhược điểm khó thu hồi và tái sử dụng của TiO2 dạng bột nano. Monolith có cấu trúc tổ ong với nhiều kênh nhỏ, tạo diện tích bề mặt lớn và cho phép dòng chảy lưu thông dễ dàng. Việc cố định TiO2-SiO2-Ag trên monolith giúp tăng khả năng thu hồi, giảm thất thoát xúc tác và nâng cao hiệu quả kinh tế của quá trình xử lý. Theo Wei Chang, việc sử dụng monolith giúp tăng hiệu quả phân hủy và duy trì hiệu suất sau nhiều lần tái sử dụng.

5.1. Ưu Điểm Của Chất Mang Monolith

Monolith có nhiều ưu điểm vượt trội so với các loại chất mang khác, như diện tích bề mặt lớn, khả năng chịu nhiệt cao, độ bền cơ học tốt và khả năng phân bố dòng chảy đồng đều. Cấu trúc tổ ong của monolith tạo điều kiện thuận lợi cho sự tiếp xúc giữa xúc tác và chất ô nhiễm. Điều này giúp tăng hiệu quả xử lý nước.

5.2. Quá Trình Phủ Xúc Tác Lên Chất Mang Monolith

Quá trình phủ xúc tác lên chất mang monolith cần đảm bảo sự phân bố đồng đều của xúc tác trên bề mặt chất mang. Các phương pháp phủ phổ biến bao gồm phương pháp nhúng, phương pháp phun và phương pháp lắng đọng. Việc lựa chọn phương pháp phù hợp phụ thuộc vào tính chất của xúc tác và chất mang.

5.3. Tăng Khả Năng Thu Hồi và Tái Sử Dụng Xúc Tác

Việc cố định xúc tác trên chất mang monolith giúp tăng khả năng thu hồi và tái sử dụng xúc tác một cách dễ dàng. Điều này làm giảm chi phí và tăng hiệu quả kinh tế của quá trình xử lý nước. Khả năng tái sử dụng là một yếu tố quan trọng trong việc đánh giá tính bền vững của hệ thống xúc tác.

VI. Kết Quả Hiệu Quả Hệ TiO2 SiO2 Ag Monolith Trong Xử Lý Nước

Nghiên cứu đã chứng minh rằng hệ quang xúc tác TiO2-SiO2-Ag cố định trên monolith có hiệu quả cao trong việc xử lý các hợp chất hữu cơ trong nước. Vật liệu TS5-5%Ag dạng bột cho thấy khả năng phân hủy E-naphthol hiệu quả với hiệu suất lên đến 97% sau 90 phút chiếu xạ UV. Hệ thống 2S600-2S-TS5-5%Ag/Monolith đạt hiệu suất 94,7% sau 90 phút. Khả năng tái sử dụng của hệ monolith đạt hiệu quả cao, giảm 6,2% sau 5 lần tái sử dụng.

6.1. Khảo Sát Ảnh Hưởng Tỷ Lệ TiO2 SiO2 Nhiệt Độ Nung

Nghiên cứu đã chỉ ra rằng tỷ lệ TiO2/SiO2 và nhiệt độ nung có ảnh hưởng đáng kể đến hoạt tính xúc tác. Tối ưu hóa các thông số này là cần thiết để đạt được hiệu suất phân hủy cao nhất. Các điều kiện thí nghiệm khác cũng cần được điều chỉnh để tăng hiệu quả phản ứng xúc tác.

6.2. Đánh Giá Khả Năng Phân Hủy Các Hợp Chất Hữu Cơ Khác Nhau

Cần tiến hành các nghiên cứu để đánh giá khả năng phân hủy các hợp chất hữu cơ khác nhau bằng hệ quang xúc tác TiO2-SiO2-Ag/Monolith. Điều này giúp xác định phạm vi ứng dụng của hệ thống và khả năng xử lý các loại nước thải khác nhau.

6.3. Nghiên Cứu Độ Bền và Ổn Định Của Vật Liệu Xúc Tác

Độ bền và ổn định của vật liệu xúc tác là một yếu tố quan trọng trong việc đánh giá tính khả thi của hệ thống. Cần tiến hành các thí nghiệm để đánh giá khả năng hoạt động của xúc tác trong thời gian dài và khả năng chịu được các điều kiện khắc nghiệt trong môi trường thực tế.

VII. Kết Luận Triển Vọng Của Hệ TiO2 SiO2 Ag Monolith Trong Tương Lai

Nghiên cứu đã thành công trong việc cải tiến hệ quang xúc tác TiO2 bằng cách kết hợp SiO2, tẩm kim loại Ag và cố định trên chất mang monolith. Hệ thống mới cho thấy tiềm năng lớn trong việc xử lý các hợp chất hữu cơ trong nước. Các nghiên cứu trong tương lai nên tập trung vào việc tối ưu hóa các thông số, đánh giá hiệu quả xử lý các loại nước thải khác nhau và nghiên cứu độ bền của vật liệu trong điều kiện thực tế.

7.1. Tóm Tắt Các Kết Quả Nghiên Cứu Chính

Các kết quả nghiên cứu cho thấy việc kết hợp SiO2 vào cấu trúc TiO2 giúp tăng diện tích bề mặt riêng và cải thiện khả năng hấp phụ của vật liệu. Việc tẩm kim loại Ag giúp giảm năng lượng vùng cấm và tăng hoạt tính quang hóa. Việc cố định xúc tác trên chất mang monolith giúp tăng khả năng thu hồi và tái sử dụng xúc tác.

7.2. Hướng Nghiên Cứu Tiềm Năng Trong Tương Lai

Các hướng nghiên cứu tiềm năng trong tương lai bao gồm việc tối ưu hóa tỷ lệ TiO2/SiO2 và hàm lượng Ag, nghiên cứu các phương pháp phủ xúc tác lên chất mang monolith hiệu quả hơn, đánh giá khả năng xử lý các loại nước thải khác nhau và nghiên cứu độ bền của vật liệu trong điều kiện thực tế.

7.3. Ứng Dụng Thực Tiễn và Tính Khả Thi Kinh Tế

Hệ quang xúc tác TiO2-SiO2-Ag/Monolith có tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong các hệ thống xử lý nước thải công nghiệp, nước sinh hoạt và nước uống. Cần tiến hành các nghiên cứu về tính khả thi kinh tế để đánh giá khả năng ứng dụng thực tế của hệ thống. Xử lý nước thải là một ứng dụng tiềm năng lớn.

Tổng quan nghiên cứu

Ô nhiễm nước bởi các hợp chất hữu cơ độc hại ngày càng trở thành vấn đề cấp bách toàn cầu, ảnh hưởng nghiêm trọng đến môi trường và sức khỏe con người. Theo ước tính, các chất ô nhiễm như phenol, naphthol và các dẫn xuất của chúng tồn tại phổ biến trong nước thải công nghiệp, đặc biệt là ngành dệt nhuộm và hóa chất. Việc xử lý các hợp chất này đòi hỏi công nghệ hiệu quả, thân thiện môi trường và chi phí hợp lý. Trong bối cảnh đó, xúc tác quang TiO2 được nghiên cứu rộng rãi nhờ khả năng phân hủy các chất ô nhiễm hữu cơ dưới ánh sáng tia cực tím. Tuy nhiên, TiO2 nguyên chất còn tồn tại nhiều hạn chế như diện tích bề mặt riêng thấp (khoảng 28,4 m²/g), khó thu hồi và tái sử dụng, cùng với hiệu quả sử dụng ánh sáng nhìn thấy thấp do băng năng lượng rộng (~3,2 eV).

Mục tiêu nghiên cứu là cải tiến hiệu quả quang xúc tác TiO2 bằng cách tổng hợp vật liệu composite TiO2-SiO2, kết hợp với việc tẩm kim loại Ag nhằm mở rộng vùng hấp thụ ánh sáng và tăng cường hoạt tính xúc tác. Vật liệu composite này được phủ lên bề mặt vật liệu mang dạng monolith Cordierite Honeycomb (CHM) nhằm tăng diện tích bề mặt xúc tác, cải thiện độ bám dính và khả năng tái sử dụng. Nghiên cứu tập trung đánh giá hiệu quả phân hủy hợp chất E-naphthol trong dung dịch nước dưới điều kiện chiếu sáng tia UV 395 nm và ánh sáng nhìn thấy, đồng thời khảo sát ảnh hưởng của tỷ lệ mol TiO2:SiO2, hàm lượng Ag, nhiệt độ nung và pH dung dịch đến hoạt tính xúc tác.

Phạm vi nghiên cứu thực hiện tại phòng thí nghiệm Trường Đại học Bách Khoa, TP. Hồ Chí Minh trong khoảng thời gian từ tháng 9/2020 đến tháng 6/2021. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển vật liệu xúc tác quang hiệu quả, thân thiện môi trường, góp phần nâng cao hiệu quả xử lý ô nhiễm nước thải công nghiệp.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

• Lý thuyết quang xúc tác TiO2: TiO2 hoạt động như chất xúc tác quang nhờ khả năng tạo ra các cặp electron-lỗ trống khi hấp thụ photon có năng lượng lớn hơn băng năng lượng của nó (~3,2 eV). Các cặp này tham gia vào quá trình oxy hóa khử, phân hủy các hợp chất hữu cơ độc hại.

• Mô hình Langmuir-Hinshelwood (L-H): Mô hình động học bậc một được sử dụng để mô tả quá trình phân hủy E-naphthol trên bề mặt xúc tác, với phương trình:

$$

• \frac{dC}{dt} = \frac{kKC}{1 + KC} $$

Trong đó, $C$ là nồng độ chất phản ứng, $k$ là hằng số tốc độ phản ứng, $K$ là hằng số hấp phụ.

• Khái niệm vật liệu composite TiO2-SiO2: SiO2 được thêm vào nhằm tăng diện tích bề mặt riêng, cải thiện độ bám dính và ổn định cấu trúc xúc tác, đồng thời giảm sự phát triển tinh thể TiO2 quá lớn.

• Hiệu ứng plasmon bề mặt của Ag: Kim loại Ag khi tẩm lên bề mặt xúc tác tạo ra hiệu ứng plasmon bề mặt, mở rộng vùng hấp thụ ánh sáng sang vùng nhìn thấy, tăng hiệu quả phân tán electron và giảm tái kết hợp electron-lỗ trống.

Phương pháp nghiên cứu

• Nguồn dữ liệu: Dữ liệu thu thập từ các thí nghiệm tổng hợp và đánh giá hoạt tính xúc tác tại phòng thí nghiệm, bao gồm phân tích cấu trúc vật liệu (XRD, SEM, TEM, BET, XPS), đo quang phổ UV-Vis, phân tích thành phần hóa học (EDX, GC-MS), và đánh giá hiệu quả phân hủy E-naphthol.

• Quy trình tổng hợp: Vật liệu TiO2-SiO2 được tổng hợp bằng phương pháp sol-gel với tỷ lệ mol TiO2:SiO2 lần lượt là 95:5 (TS5), 85:15 (TS15), 75:25 (TS25). Sau đó, vật liệu được phủ lên bề mặt monolith Cordierite Honeycomb (CHM) bằng phương pháp nhúng (dip-coating) và nung ở nhiệt độ 500-600°C. Kim loại Ag được tẩm lên bề mặt xúc tác bằng phương pháp photodeposition với hàm lượng Ag từ 1% đến 10%.

• Phương pháp phân tích: Cỡ mẫu vật liệu khoảng 0,2 g cho mỗi thí nghiệm phân hủy E-naphthol. Phân tích cấu trúc tinh thể bằng XRD, hình thái bề mặt bằng SEM và TEM, diện tích bề mặt riêng bằng BET, trạng thái hóa học bằng XPS. Hiệu quả phân hủy E-naphthol được đo bằng quang phổ UV-Vis tại bước sóng 223 nm, đồng thời xác định sản phẩm phân hủy bằng GC-MS.

• Timeline nghiên cứu: Tổng hợp vật liệu và chuẩn bị mẫu trong 3 tháng đầu, đánh giá cấu trúc và tính chất vật liệu trong 3 tháng tiếp theo, thực hiện thí nghiệm phân hủy và phân tích dữ liệu trong 3 tháng cuối.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Ảnh hưởng tỷ lệ mol TiO2:SiO2 và nhiệt độ nung đến cấu trúc và hoạt tính xúc tác

   • Vật liệu TS5 (95:5) nung ở 500°C có diện tích bề mặt riêng đạt 99,3 m²/g, cao hơn gấp 3,5 lần so với TiO2 nguyên chất (28,4 m²/g).
   • Hiệu suất phân hủy E-naphthol của TS5-500 đạt 78,5% sau 120 phút chiếu sáng UV, cao hơn TS15-500 (60,5%) và TS25-500 (62,2%).
   • Tốc độ phản ứng phân hủy E-naphthol của TS5-500 là 1,29×10⁻² phút⁻¹, vượt trội so với các mẫu khác.

2. Tác động của hàm lượng Ag lên hiệu quả xúc tác

   • Xúc tác TS5-5%Ag trên monolith đạt hiệu suất phân hủy E-naphthol 94,7% sau 90 phút chiếu sáng UV 395 nm, cao hơn so với TS5 không tẩm Ag (89,5%).
   • Tốc độ phản ứng của TS5-5%Ag là 3,64×10⁻² phút⁻¹, gấp gần 3 lần so với TS5 nguyên bản.
   • Hàm lượng Ag quá cao (10%) làm giảm hiệu suất phân hủy xuống còn 68,3% do hiện tượng che phủ bề mặt xúc tác.

3. Khả năng tái sử dụng xúc tác trên monolith

   • Sau 5 lần tái sử dụng, hiệu suất phân hủy E-naphthol của xúc tác TS5-5%Ag trên monolith vẫn duy trì ở mức 88,5%, giảm chỉ 6,2% so với lần đầu.
   • Điều này chứng tỏ vật liệu composite TiO2-SiO2-Ag trên monolith có độ bền cơ học và hóa học cao, phù hợp cho ứng dụng thực tế.

4. Ảnh hưởng của pH dung dịch đến hiệu quả phân hủy

   • Hiệu suất phân hủy E-naphthol cao nhất đạt 92,3% tại pH 6, gần với pH điểm đẳng điện (pHIEP) của vật liệu là 5,24.
   • Ở pH thấp (<4) hoặc cao (>8), hiệu suất giảm đáng kể do tương tác điện tích giữa bề mặt xúc tác và phân tử E-naphthol bị ảnh hưởng, làm giảm khả năng hấp phụ và phản ứng.

Thảo luận kết quả

Kết quả cho thấy việc bổ sung SiO2 vào TiO2 giúp tăng diện tích bề mặt riêng, tạo cấu trúc mesoporous ổn định, hạn chế sự phát triển tinh thể lớn, từ đó nâng cao hiệu quả xúc tác. Nhiệt độ nung 500°C được xác định là điều kiện tối ưu để cân bằng giữa kết tinh TiO2 và duy trì cấu trúc mesoporous.

Việc tẩm Ag lên bề mặt xúc tác tạo ra hiệu ứng plasmon bề mặt, mở rộng vùng hấp thụ ánh sáng sang vùng nhìn thấy, tăng cường sự phân tán electron và giảm tái kết hợp electron-lỗ trống, làm tăng hiệu suất phân hủy E-naphthol. Tuy nhiên, hàm lượng Ag quá cao gây hiện tượng che phủ bề mặt xúc tác, làm giảm diện tích tiếp xúc và hiệu quả phản ứng.

Khả năng tái sử dụng cao của xúc tác trên monolith là điểm mạnh nổi bật, khắc phục được nhược điểm khó thu hồi và tái sử dụng của xúc tác dạng bột nano. Điều này phù hợp với yêu cầu ứng dụng trong xử lý nước thải quy mô lớn.

Ảnh hưởng của pH dung dịch phù hợp với cơ chế hấp phụ và phản ứng quang xúc tác, khi pH gần pHIEP giúp tối ưu hóa tương tác giữa chất ô nhiễm và bề mặt xúc tác, từ đó nâng cao hiệu quả phân hủy.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ hiệu suất phân hủy theo thời gian, tốc độ phản ứng, ảnh SEM/TEM thể hiện cấu trúc vật liệu, và biểu đồ so sánh hiệu suất theo pH và hàm lượng Ag.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Tối ưu quy trình tổng hợp vật liệu composite TiO2-SiO2-Ag

   • Áp dụng tỷ lệ mol TiO2:SiO2 là 95:5 và nhiệt độ nung 500°C để đạt hiệu suất xúc tác cao nhất.
   • Thực hiện tẩm Ag với hàm lượng khoảng 5% để cân bằng giữa hiệu quả quang xúc tác và chi phí nguyên liệu.
   • Thời gian tổng hợp và nung nên được kiểm soát nghiêm ngặt trong vòng 2-3 giờ để đảm bảo cấu trúc vật liệu ổn định.

2. Phát triển hệ xúc tác trên vật liệu monolith Cordierite Honeycomb

   • Sử dụng phương pháp phủ dip-coating để tăng diện tích bề mặt xúc tác và cải thiện độ bám dính.
   • Nâng cao khả năng tái sử dụng xúc tác qua việc kiểm soát nhiệt độ nung và xử lý bề mặt monolith.
   • Thời gian sử dụng xúc tác nên được theo dõi định kỳ sau mỗi 5 chu kỳ sử dụng để đánh giá độ bền.

3. Ứng dụng trong xử lý nước thải công nghiệp

   • Áp dụng xúc tác TiO2-SiO2-Ag/monolith trong các hệ thống xử lý nước thải có chứa hợp chất E-naphthol và các chất hữu cơ tương tự.
   • Thiết kế hệ thống chiếu sáng UV 395 nm phù hợp để tối ưu hóa hiệu quả phân hủy.
   • Thời gian xử lý đề xuất khoảng 90-120 phút để đạt hiệu suất phân hủy trên 90%.

4. Kiểm soát pH dung dịch trong quá trình xử lý

   • Điều chỉnh pH nước thải về khoảng 6 để tối ưu hóa hiệu quả xúc tác.
   • Sử dụng các chất điều chỉnh pH an toàn, thân thiện môi trường.
   • Theo dõi và điều chỉnh pH liên tục trong quá trình vận hành hệ thống xử lý.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Hóa học và Kỹ thuật hóa học

   • Lợi ích: Hiểu rõ về công nghệ tổng hợp vật liệu composite xúc tác quang, phương pháp phân tích cấu trúc và đánh giá hoạt tính xúc tác.
   • Use case: Áp dụng trong nghiên cứu phát triển vật liệu xúc tác mới, cải tiến hiệu quả xử lý ô nhiễm.

2. Chuyên gia và kỹ sư môi trường

   • Lợi ích: Nắm bắt công nghệ xử lý nước thải bằng xúc tác quang hiệu quả, thân thiện môi trường.
   • Use case: Thiết kế và vận hành hệ thống xử lý nước thải công nghiệp có chứa hợp chất hữu cơ khó phân hủy.

3. Doanh nghiệp sản xuất vật liệu xúc tác và thiết bị xử lý nước

   • Lợi ích: Tham khảo quy trình tổng hợp vật liệu composite TiO2-SiO2-Ag và ứng dụng trên monolith.
   • Use case: Phát triển sản phẩm xúc tác quang thương mại, nâng cao chất lượng và hiệu quả sản phẩm.

4. Cơ quan quản lý môi trường và chính sách

   • Lợi ích: Hiểu về các giải pháp công nghệ mới trong xử lý ô nhiễm nước, đánh giá tiềm năng ứng dụng thực tế.
   • Use case: Xây dựng chính sách hỗ trợ phát triển công nghệ xanh, thúc đẩy xử lý nước thải hiệu quả.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao cần bổ sung SiO2 vào TiO2 trong vật liệu xúc tác?

   SiO2 giúp tăng diện tích bề mặt riêng, tạo cấu trúc mesoporous ổn định, hạn chế sự phát triển tinh thể lớn của TiO2, từ đó nâng cao hiệu quả xúc tác và độ bền vật liệu.

2. Hàm lượng Ag tối ưu để tẩm lên xúc tác là bao nhiêu?

   Hàm lượng Ag khoảng 5% được xác định là tối ưu, giúp tăng hiệu quả quang xúc tác nhờ hiệu ứng plasmon bề mặt mà không gây che phủ bề mặt xúc tác.

3. Vật liệu xúc tác trên monolith có thể tái sử dụng bao nhiêu lần?

   Nghiên cứu cho thấy sau 5 lần tái sử dụng, hiệu suất phân hủy vẫn duy trì trên 88%, chứng tỏ khả năng tái sử dụng cao và ổn định.

4. Ảnh hưởng của pH dung dịch đến hiệu quả phân hủy E-naphthol như thế nào?

   Hiệu quả phân hủy cao nhất tại pH khoảng 6, gần với pH điểm đẳng điện của vật liệu, do tương tác điện tích thuận lợi giữa bề mặt xúc tác và phân tử E-naphthol.

5. Phương pháp tổng hợp sol-gel có ưu điểm gì trong nghiên cứu này?

   Phương pháp sol-gel cho phép kiểm soát tốt tỷ lệ thành phần, tạo vật liệu có cấu trúc đồng nhất, diện tích bề mặt lớn và khả năng phủ lên monolith hiệu quả.

Kết luận

• Đã tổng hợp thành công vật liệu composite TiO2-SiO2 với tỷ lệ mol 95:5, nung ở 500°C, cho diện tích bề mặt riêng cao và hoạt tính xúc tác vượt trội.
• Việc tẩm kim loại Ag (5%) lên vật liệu composite giúp mở rộng vùng hấp thụ ánh sáng, tăng hiệu quả phân hủy E-naphthol lên đến 94,7% sau 90 phút chiếu sáng UV.
• Vật liệu xúc tác được phủ trên monolith Cordierite Honeycomb có khả năng tái sử dụng cao, duy trì hiệu suất trên 88% sau 5 lần sử dụng.
• Hiệu quả phân hủy phụ thuộc mạnh vào pH dung dịch, tối ưu tại pH 6, phù hợp với điều kiện xử lý nước thải thực tế.
• Nghiên cứu mở ra hướng phát triển vật liệu xúc tác quang hiệu quả, thân thiện môi trường, ứng dụng trong xử lý ô nhiễm nước thải công nghiệp.

Hành động tiếp theo: Áp dụng quy trình tổng hợp và đánh giá xúc tác trong quy mô pilot, mở rộng nghiên cứu xử lý các hợp chất ô nhiễm khác và tối ưu hóa hệ thống chiếu sáng. Đề nghị các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp hợp tác phát triển công nghệ xử lý nước thải dựa trên vật liệu composite TiO2-SiO2-Ag trên monolith.

---

Luận văn này cung cấp nền tảng khoa học và công nghệ quan trọng cho việc phát triển các giải pháp xử lý ô nhiễm nước thải bằng xúc tác quang, góp phần bảo vệ môi trường và phát triển bền vững.