Tổng quan nghiên cứu

Ô nhiễm môi trường nước tại Việt Nam đang trở thành vấn đề nghiêm trọng, trong đó nước thải từ các cơ sở dệt nhuộm đóng góp một phần lớn do chứa nhiều hợp chất màu phức tạp và các chất hữu cơ khó phân hủy sinh học. Theo số liệu khảo sát, nước thải dệt nhuộm có giá trị COD dao động từ 150 đến 12.000 mg/L, BOD5 từ 80 đến 6.000 mg/L, cùng với tổng chất rắn lơ lửng (TSS) lên đến 8.000 mg/L, gây ảnh hưởng tiêu cực đến hệ sinh thái thủy sinh và sức khỏe con người. Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là tổng hợp và đặc trưng cấu trúc vật liệu Fe-Ti-hydrotanxit, đồng thời ứng dụng làm xúc tác quang phân hủy metylen xanh (MB) trong môi trường nước nhằm xử lý nước thải dệt nhuộm. Nghiên cứu tập trung vào việc tổng hợp vật liệu biến tính đồng thời bởi Fe3+ và Ti4+, khảo sát đặc trưng cấu trúc, đánh giá hoạt tính quang xúc tác dưới ánh sáng khả kiến, và xác định điều kiện tối ưu cho quá trình phân hủy MB. Phạm vi nghiên cứu thực hiện tại Trường Đại học Sư phạm - Đại học Thái Nguyên trong năm 2020, với ứng dụng thực tế tại làng nghề dệt chiếu cói thôn Vũ Hạ, xã An Vũ, tỉnh Thái Bình. Kết quả nghiên cứu góp phần phát triển vật liệu xúc tác hiệu quả, thân thiện môi trường, hỗ trợ xử lý nước thải dệt nhuộm, giảm thiểu ô nhiễm và bảo vệ nguồn nước.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên lý thuyết về hydrotanxit - một khoáng chất lớp kép có công thức chung M(II)1-xM’(III)x(OH)2x/n·mH2O, trong đó M(II) và M’(III) là các cation hóa trị hai và ba, còn An- là anion xen kẽ giữa các lớp hydroxit. Hydrotanxit có diện tích bề mặt lớn, tính bazơ và khả năng tái tạo cấu trúc, được ứng dụng rộng rãi trong xúc tác và xử lý nước. Mô hình nghiên cứu tập trung vào biến tính hydrotanxit bằng đồng thời Fe3+ và Ti4+ nhằm tạo ra vật liệu xúc tác quang có hoạt tính cao dưới ánh sáng khả kiến. Các khái niệm chính bao gồm: cấu trúc lớp kép hydrotanxit, hiệu ứng quang xúc tác, hấp phụ và phân hủy chất màu trong dung dịch nước, cũng như ảnh hưởng của pH môi trường đến hoạt tính xúc tác.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu thu thập từ các mẫu vật liệu tổng hợp tại phòng thí nghiệm Hóa học, Trường Đại học Sư phạm - Đại học Thái Nguyên, và mẫu nước thải thực tế lấy từ làng nghề dệt chiếu cói thôn Vũ Hạ, xã An Vũ, tỉnh Thái Bình. Phương pháp tổng hợp vật liệu Fe-Ti/hydrotanxit sử dụng phương pháp đồng kết tủa với các tiền chất muối Al(NO3)3, Fe(NO3)3 và tetraisopropyl orthotitanat (TIOT), điều chỉnh pH và già hóa gel ở 120°C trong 24 giờ. Phân tích đặc trưng cấu trúc vật liệu bằng kỹ thuật nhiễu xạ tia X (XRD), kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM), đẳng nhiệt hấp phụ-giải hấp phụ nitơ (BET) và phổ hấp thụ UV-Vis DRS. Khảo sát khả năng hấp phụ và phân hủy MB trong dung dịch nước bằng phương pháp phổ hấp thụ phân tử UV-Vis, sử dụng đèn LED công suất 30 W làm nguồn sáng khả kiến. Cỡ mẫu vật liệu là 0,2 g cho mỗi thí nghiệm, nồng độ MB từ 10 đến 50 ppm, thời gian khảo sát lên đến 300 phút. Phân tích dữ liệu sử dụng các công thức tính hiệu suất hấp phụ và phân hủy, đồng thời khảo sát ảnh hưởng của pH môi trường và nồng độ MB đến hoạt tính xúc tác.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Đặc trưng cấu trúc vật liệu: Giản đồ XRD cho thấy 4 mẫu vật liệu (M1 đến M1.3) có cấu trúc lớp kép hydrotanxit với khoảng cách lớp ~7,6 Å, anion xen kẽ là CO3^2-. Khi tăng tỉ lệ Ti4+ từ 3,0 đến 6,0, cấu trúc hydrotanxit suy giảm rõ rệt, thậm chí mất hẳn ở mẫu M1.7, đồng thời diện tích bề mặt BET tăng mạnh từ 16,08 m²/g (M1) lên đến 301,53 m²/g (M1.7).

  2. Khả năng hấp phụ MB: Các mẫu vật liệu có tỉ lệ Ti cao (M1.6, M1.7) thể hiện hiệu suất hấp phụ MB 20 ppm đạt tới 91% sau 60 phút, trong khi các mẫu có tỉ lệ Ti thấp hấp phụ dưới 10%. Hiệu suất hấp phụ giảm khi tăng nồng độ MB từ 35 ppm xuống 50 ppm do cạnh tranh hấp phụ trên bề mặt vật liệu.

  3. Hoạt tính quang xúc tác: Mẫu M1.2 có khả năng phân hủy MB 10 ppm dưới ánh sáng LED 30 W đạt khoảng 50% sau 240 phút, cao hơn các mẫu khác. Hoạt tính xúc tác phụ thuộc vào tỉ lệ Fe:Ti và pH môi trường, với pH tối ưu là 8,0, đạt hiệu suất phân hủy MB lên đến 78%.

  4. Xử lý nước thải thực tế: Mẫu vật liệu M1.2 xử lý nước thải dệt chiếu cói pha loãng 10 lần đạt hiệu suất phân hủy chất màu xanh lên đến 95% chỉ sau 30 phút chiếu sáng. Tuy nhiên, vật liệu không phân hủy được các chất màu vàng có trong nước thải, cho thấy cần kết hợp phương pháp xử lý khác để đạt hiệu quả toàn diện.

Thảo luận kết quả

Sự suy giảm cấu trúc hydrotanxit khi tăng tỉ lệ Ti4+ có thể do mất cân bằng tỉ lệ cation M2+/M3+ trong lớp hydroxit, ảnh hưởng đến độ kết tinh. Diện tích bề mặt tăng mạnh khi biến tính bằng Ti4+ và Fe3+ tạo điều kiện thuận lợi cho hấp phụ MB, đặc biệt do MB là phẩm màu cation tương tác mạnh với nhóm –OH trên bề mặt vật liệu. Hoạt tính quang xúc tác của mẫu M1.2 phù hợp với phổ UV-Vis DRS cho thấy bờ hấp thụ dịch chuyển sang vùng khả kiến, giảm năng lượng vùng cấm Eg, giúp vật liệu hoạt động hiệu quả dưới ánh sáng LED. Kết quả xử lý nước thải thực tế chứng minh tính ứng dụng cao của vật liệu trong môi trường phức tạp, tuy nhiên hạn chế trong phân hủy một số hợp chất màu khác nhau đòi hỏi nghiên cứu bổ sung. So sánh với các nghiên cứu khác, vật liệu FeTiH có hoạt tính thấp hơn so với CuTiH do khả năng bẫy electron và nhạy sáng của ion Cu2+ cao hơn, mở ra hướng phát triển vật liệu xúc tác mới.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tối ưu hóa tỉ lệ Fe:Ti trong vật liệu: Tiến hành nghiên cứu sâu hơn để xác định tỉ lệ Fe3+ và Ti4+ tối ưu nhằm cân bằng giữa cấu trúc hydrotanxit và diện tích bề mặt, nâng cao hiệu suất quang xúc tác, dự kiến hoàn thành trong 6 tháng tới, do nhóm nghiên cứu tại phòng thí nghiệm Hóa học thực hiện.

  2. Khảo sát điều kiện pH và nồng độ MB: Mở rộng phạm vi khảo sát pH và nồng độ chất màu để xác định điều kiện tối ưu cho các loại nước thải khác nhau, nhằm tăng hiệu quả xử lý, thời gian thực hiện 3 tháng, phối hợp với các cơ sở xử lý nước thải.

  3. Nghiên cứu tái sử dụng vật liệu xúc tác: Đánh giá khả năng tái sử dụng và độ bền của vật liệu Fe-Ti-hydrotanxit qua nhiều chu kỳ xử lý để đảm bảo tính kinh tế và bền vững, dự kiến thực hiện trong 1 năm.

  4. Kết hợp phương pháp xử lý: Đề xuất kết hợp quang xúc tác với các phương pháp sinh học hoặc hóa học khác để xử lý triệt để các chất màu khó phân hủy trong nước thải dệt nhuộm, đặc biệt các chất màu vàng, nhằm nâng cao hiệu quả tổng thể, thời gian nghiên cứu 9 tháng.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Hóa học: Có thể áp dụng phương pháp tổng hợp và phân tích vật liệu hydrotanxit biến tính, cũng như hiểu rõ cơ chế quang xúc tác trong xử lý môi trường.

  2. Chuyên gia môi trường và kỹ sư xử lý nước thải: Sử dụng kết quả nghiên cứu để phát triển các công nghệ xử lý nước thải dệt nhuộm hiệu quả, thân thiện môi trường, đặc biệt trong các làng nghề truyền thống.

  3. Doanh nghiệp sản xuất vật liệu xúc tác: Tham khảo quy trình tổng hợp vật liệu Fe-Ti-hydrotanxit và ứng dụng thực tế để phát triển sản phẩm xúc tác quang nâng cao hiệu suất xử lý ô nhiễm.

  4. Cơ quan quản lý môi trường và chính sách: Dựa trên kết quả nghiên cứu để xây dựng các tiêu chuẩn và hướng dẫn xử lý nước thải dệt nhuộm, góp phần bảo vệ nguồn nước và sức khỏe cộng đồng.

Câu hỏi thường gặp

  1. Vật liệu Fe-Ti-hydrotanxit có ưu điểm gì so với các vật liệu xúc tác khác?
    Vật liệu này có diện tích bề mặt lớn, khả năng hấp phụ cao và hoạt tính quang xúc tác dưới ánh sáng khả kiến, giúp xử lý hiệu quả các chất màu trong nước thải với chi phí thấp và thân thiện môi trường.

  2. Tại sao pH môi trường ảnh hưởng đến hiệu suất phân hủy MB?
    pH ảnh hưởng đến cấu trúc vật liệu và sự hình thành gốc hydroxyl quang sinh. pH tối ưu là 8,0 giúp duy trì cấu trúc vật liệu ổn định và tăng hiệu quả phân hủy, trong khi pH quá thấp hoặc cao làm giảm hoạt tính xúc tác.

  3. Khả năng tái sử dụng vật liệu Fe-Ti-hydrotanxit như thế nào?
    Nghiên cứu hiện tại chưa khảo sát đầy đủ khả năng tái sử dụng, tuy nhiên vật liệu có cấu trúc ổn định và diện tích bề mặt lớn hứa hẹn khả năng tái sử dụng tốt, cần nghiên cứu thêm để xác định độ bền qua nhiều chu kỳ.

  4. Vật liệu có thể xử lý các loại thuốc nhuộm khác ngoài MB không?
    Vật liệu hiệu quả với MB và các chất màu xanh trong nước thải thực tế, nhưng không phân hủy được các chất màu vàng, do đó cần kết hợp với các phương pháp xử lý khác để xử lý triệt để các loại thuốc nhuộm khác.

  5. Ánh sáng LED 30 W có đủ để kích hoạt quang xúc tác không?
    Ánh sáng LED 30 W với bước sóng hấp thụ cực đại 625 nm phù hợp để kích hoạt vật liệu Fe-Ti-hydrotanxit, giúp phân hủy MB hiệu quả dưới ánh sáng khả kiến, tiết kiệm năng lượng so với các nguồn sáng truyền thống như đèn thủy ngân.

Kết luận

  • Đã tổng hợp thành công 8 mẫu vật liệu Fe-Ti-hydrotanxit bằng phương pháp đồng kết tủa, với cấu trúc lớp kép hydrotanxit rõ ràng ở các mẫu có tỉ lệ Ti thấp.
  • Diện tích bề mặt BET tăng mạnh khi tăng tỉ lệ Ti, giúp nâng cao khả năng hấp phụ MB, đạt hiệu suất hấp phụ lên đến 91% với MB 20 ppm.
  • Mẫu vật liệu M1.2 có hoạt tính quang xúc tác tốt nhất, phân hủy được khoảng 50% MB 10 ppm dưới ánh sáng LED 30 W sau 240 phút, với pH tối ưu là 8,0.
  • Vật liệu hiệu quả trong xử lý nước thải dệt chiếu cói thực tế, phân hủy nhanh các chất màu xanh nhưng chưa xử lý triệt để các chất màu vàng.
  • Nghiên cứu tiếp theo cần tập trung vào tối ưu hóa điều kiện phản ứng, khảo sát tái sử dụng vật liệu và kết hợp các phương pháp xử lý để nâng cao hiệu quả xử lý nước thải.

Hành động tiếp theo: Khuyến khích các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp ứng dụng kết quả để phát triển công nghệ xử lý nước thải dệt nhuộm bền vững, đồng thời mở rộng nghiên cứu về vật liệu xúc tác mới và các phương pháp xử lý kết hợp.