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 vai trò quan trọng với hàm lượng chất ô nhiễm cao. Theo số liệu khảo sát, nước thải dệt nhuộm có các chỉ số như pH dao động từ 7,0 đến 9,0, BOD5 từ 80 đến 6000 mg/L, COD từ 150 đến 12.000 mg/L, tổng chất rắn lơ lửng (TSS) từ 15 đến 8000 mg/L và tổng chất rắn hòa tan (TDS) khoảng 2900 – 3100 mg/L. Tỉ lệ BOD/COD chỉ khoảng 0,25 cho thấy nước thải chứa nhiều hợp chất hữu cơ khó phân hủy sinh học. Metylen xanh (MB) là một trong những chất màu phổ biến trong nước thải dệt nhuộm, có tính độc nhẹ nhưng ảnh hưởng tiêu cực đến môi trường và sức khỏe con người.

Luận văn tập trung vào tổng hợp và nghiên cứu đặc trưng cấu trúc của vật liệu Fe-Ti-hydrotanxit, một loại vật liệu hydroxit lớp kép biến tính đồng thời bởi ion Fe3+ và Ti4+, nhằm ứng dụng làm xúc tác quang phân hủy MB trong môi trường nước. Nghiên cứu được thực hiện trong phạm vi tổng hợp vật liệu tại phòng thí nghiệm Trường Đại học Sư phạm – Đại học Thái Nguyên, khảo sát hoạt tính xúc tác dưới ánh sáng khả kiến của đèn LED 30 W, và ứng dụng xử lý nước thải thực tế từ làng nghề dệt chiếu cói tại Thái Bình. Mục tiêu chính là phát triển vật liệu xúc tác có hiệu suất cao, ổn định, thân thiện môi trường, góp phần nâng cao hiệu quả xử lý nước thải dệt nhuộm, giảm thiểu ô nhiễm và bảo vệ sức khỏe cộng đồng.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên lý thuyết về hydrotanxit (hydrotalcite) – 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 cấu trúc lớp kép đặc trưng, diện tích bề mặt lớn (có thể lên đến 800 m2/g), tính bazơ, khả năng tái tạo cấu trúc và ổn định nhiệt cao. Các vật liệu hydroxit lớp kép (LDHs) có thể được biến tính bằng cách thay thế các ion kim loại trong mạng tinh thể để điều chỉnh tính chất vật lý – hóa học, từ đó nâng cao hiệu quả ứng dụng trong xúc tác, hấp phụ và xử lý môi trường.

Mô hình nghiên cứu tập trung vào ảnh hưởng của tỉ lệ Fe3+ và Ti4+ trong vật liệu Fe-Ti-hydrotanxit đến cấu trúc tinh thể, diện tích bề mặt, năng lượng vùng cấm (Eg) và hoạt tính quang xúc tác phân hủy MB dưới ánh sáng khả kiến. Các khái niệm chính bao gồm: hydrotanxit, vật liệu biến tính Fe-Ti, quang xúc tác, hấp phụ MB, và xử lý nước thải dệt nhuộm.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính là các mẫu vật liệu Fe-Ti-hydrotanxit được tổng hợp bằng phương pháp đồng kết tủa với các tỉ lệ mol Fe : Ti khác nhau, từ 0,5 đến 6,0. Quá trình tổng hợp gồm hòa tan tiền chất muối Al(NO3)3.9H2O, Fe(NO3)3.9H2O, TIOT (tetraisopropyl orthotitanat) trong nước khử ion, điều chỉnh pH gel thu được về 9,5, già hóa gel ở 120oC trong 24 giờ, rửa sạch và sấy khô. Cỡ mẫu gồm 8 mẫu vật liệu với các tỉ lệ Fe-Ti khác nhau.

Phương pháp phân tích đặc trưng cấu trúc vật liệu gồm: nhiễu xạ tia X (XRD) để xác định pha tinh thể và khoảng cách lớp hydroxit; kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) để quan sát hình thái học và kích thước hạt; phương pháp đẳng nhiệt hấp phụ-giải hấp phụ nitơ (BET) để đo diện tích bề mặt và kích thước mao quản; phổ hấp thụ mẫu rắn UV-Vis DRS để xác định vùng hấp thụ ánh sáng và năng lượng vùng cấm Eg.

Khảo sát hoạt tính xúc tác được thực hiện bằng cách đo khả năng hấp phụ và phân hủy MB trong dung dịch nước dưới ánh sáng đèn LED 30 W. Nồng độ MB khảo sát từ 10 đến 50 ppm, với lượng vật liệu xúc tác 0,2 g trong 250 mL dung dịch. Thời gian hấp phụ trong bóng tối từ 15 đến 105 phút, sau đó chiếu sáng và lấy mẫu định kỳ để đo độ hấp thụ quang phân tử tại bước sóng 664 nm. Ngoài ra, khảo sát ảnh hưởng của pH môi trường (2,0 – 10,0) đến hiệu suất phân hủy MB và ứng dụng xử lý nước thải thực tế từ làng nghề dệt chiếu cói tại Thái Bình.

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 có cấu trúc hydrotanxit rõ ràng với khoảng cách lớp d003 khoảng 7,6 Å, anion xen kẽ là CO32-. Khi tăng tỉ lệ Ti4+ từ 0,5 đến 3,0, độ kết tinh hydrotanxit giảm nhẹ, và khi tỉ lệ Ti4+ vượt 3,0, cấu trúc lớp kép không còn xuất hiện, cho thấy sự phá vỡ cấu trúc hydrotanxit. (Hình 3.1, Bảng 2.1)

  2. Diện tích bề mặt và mao quản: Diện tích bề mặt BET tăng mạnh từ 16,08 m2/g (mẫu M1) lên đến 301,53 m2/g (mẫu M1.7) khi tăng tỉ lệ Ti4+. Thể tích mao quản cũng tăng từ 0,098 cm3/g lên 0,1753 cm3/g, trong khi đường kính mao quản giảm từ 28,92 nm xuống 3,24 nm. Điều này cho thấy vật liệu trở nên xốp hơn và có khả năng hấp phụ cao hơn. (Hình 3.3)

  3. Phổ UV-Vis DRS: Bước sóng hấp thụ cực đại dịch chuyển từ 405 nm (Eg = 3,06 eV) ở mẫu M1 sang vùng ánh sáng khả kiến 510 – 590 nm (Eg giảm xuống 2,10 eV) ở mẫu M1.7, cho thấy vật liệu có khả năng hấp thụ ánh sáng khả kiến và tiềm năng quang xúc tác cao. (Hình 3.4)

  4. Khả năng hấp phụ MB: Các mẫu vật liệu có tỉ lệ Ti4+ cao (3,0 – 6,0) có hiệu suất hấp phụ MB 20 ppm lên đến 91% sau 60 phút, trong khi các mẫu có tỉ lệ Ti thấp hấp phụ MB rất kém (<10%). Hiệu suất hấp phụ giảm khi tăng nồng độ MB từ 35 đến 50 ppm do cạnh tranh hấp phụ. (Bảng 3.3, Hình 3.7)

  5. Khả năng phân hủy MB dưới ánh sáng LED: Mẫu M1.2 (tỉ lệ Ti ~1,2) có hoạt tính quang xúc tác tốt nhất, đạt độ chuyển hóa MB 10 ppm khoảng 50% sau 240 phút chiếu sáng. Hoạt tính xúc tác phụ thuộc rõ rệt vào tỉ lệ Fe : Ti và pH môi trường, với pH tối ưu là 8,0, đạt hiệu suất phân hủy 78%. (Bảng 3.4, Bảng 3.5, Hình 3.10)

  6. 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, cần kết hợp phương pháp xử lý khác để xử lý triệt để. (Hình 3.11, 3.12)

Thảo luận kết quả

Kết quả XRD và TEM cho thấy sự biến tính đồng thời của Fe3+ và Ti4+ ảnh hưởng đến cấu trúc hydrotanxit, làm giảm độ kết tinh khi tỉ lệ Ti tăng cao, đồng thời tạo ra các hạt hydroxit nhỏ bám trên bề mặt, có thể là trung tâm xúc tác hiệu quả. Diện tích bề mặt tăng mạnh khi tăng Ti4+ giúp tăng khả năng hấp phụ MB, phù hợp với kết quả hấp phụ thực nghiệm.

Phổ UV-Vis DRS cho thấy sự dịch chuyển vùng hấp thụ sang ánh sáng khả kiến, giảm năng lượng vùng cấm Eg, tạo điều kiện cho hoạt tính quang xúc tác dưới ánh sáng đèn LED 30 W. Mẫu M1.2 có sự cân bằng tốt giữa cấu trúc hydrotanxit và tỉ lệ Fe-Ti, dẫn đến hiệu suất phân hủy MB cao nhất.

Ảnh hưởng của pH môi trường đến hoạt tính xúc tác được giải thích do tính ổn định cấu trúc vật liệu và khả năng sinh gốc hydroxyl OH• quang sinh. pH 8,0 là điều kiện tối ưu, trong khi pH quá thấp làm hòa tan cấu trúc hydrotanxit, pH quá cao làm tăng độ nhớt dung dịch, giảm hiệu quả hấp thụ ánh sáng.

So sánh với các nghiên cứu khác, vật liệu FeTiH có hoạt tính thấp hơn so với CuTiH do khả năng bẫy electron và tính nhạy sáng của ion Cu2+ cao hơn. Kết quả xử lý nước thải thực tế cho thấy vật liệu có tiềm năng ứng dụng thực tiễn, tuy nhiên cần phối hợp với các phương pháp xử lý khác để xử lý triệt để các chất màu phức tạp.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ XRD, phổ UV-Vis DRS, đồ thị hấp phụ MB theo thời gian, và bảng so sánh hiệu suất phân hủy MB ở các điều kiện khác nhau để minh họa rõ ràng các phát hiện.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tối ưu hóa tỉ lệ Fe : Ti trong vật liệu Fe-Ti-hydrotanxit nhằm duy trì cấu trúc hydrotanxit ổn định và tăng diện tích bề mặt, nâng cao hiệu suất quang xúc tác phân hủy MB. Thời gian thực hiện: 6-12 tháng. Chủ thể: các nhóm nghiên cứu hóa vô cơ và vật liệu.

  2. Nghiên cứu điều kiện pH tối ưu và tái sử dụng xúc tác trong quá trình xử lý nước thải để đảm bảo hiệu quả và tính kinh tế. Thời gian: 6 tháng. Chủ thể: phòng thí nghiệm môi trường và công nghệ xử lý nước.

  3. Phát triển quy trình kết hợp xử lý quang xúc tác với phương pháp sinh học hoặc màng lọc để xử lý triệt để các chất màu phức tạp trong nước thải dệt nhuộm. Thời gian: 12-18 tháng. Chủ thể: các viện nghiên cứu môi trường và doanh nghiệp xử lý nước thải.

  4. Ứng dụng thử nghiệm quy mô pilot tại các làng nghề dệt nhuộm nhằm đánh giá hiệu quả thực tế và khả năng nhân rộng công nghệ. Thời gian: 12 tháng. Chủ thể: các cơ quan quản lý môi trường, doanh nghiệp và địa phương.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Hóa học, Vật liệu và Môi trường: Luận văn cung cấp kiến thức chuyên sâu về tổng hợp và đặc trưng vật liệu hydrotanxit biến tính Fe-Ti, phương pháp phân tích cấu trúc và ứng dụng quang xúc tác xử lý ô nhiễm nước.

  2. Chuyên gia và kỹ sư xử lý nước thải công nghiệp: Tham khảo các giải pháp vật liệu xúc tác mới, hiệu quả xử lý thuốc nhuộm trong nước thải dệt nhuộm, giúp cải tiến công nghệ xử lý nước thải.

  3. Doanh nghiệp sản xuất và xử lý nước thải dệt nhuộm: Áp dụng vật liệu xúc tác quang học thân thiện môi trường, tiết kiệm chi phí và nâng cao hiệu quả xử lý, đáp ứng yêu cầu bảo vệ môi trường.

  4. Cơ quan quản lý môi trường và chính sách: Cung cấp cơ sở khoa học để xây dựng các tiêu chuẩn, quy định về xử lý nước thải dệt nhuộm và khuyến khích ứng dụng công nghệ xanh, bền vững.

Câu hỏi thường gặp

  1. Vật liệu Fe-Ti-hydrotanxit là gì và tại sao được chọn để xử lý MB?
    Fe-Ti-hydrotanxit là vật liệu hydroxit lớp kép biến tính đồng thời bởi Fe3+ và Ti4+, có cấu trúc lớp kép đặc trưng, diện tích bề mặt lớn và khả năng hấp thụ ánh sáng khả kiến. Vật liệu này được chọn vì có hoạt tính quang xúc tác tốt dưới ánh sáng LED, giúp phân hủy hiệu quả MB trong nước.

  2. Phương pháp tổng hợp vật liệu Fe-Ti-hydrotanxit như thế nào?
    Phương pháp đồng kết tủa được sử dụng, trong đó các muối kim loại được hòa tan, điều chỉnh pH và già hóa gel ở nhiệt độ cao để tạo thành vật liệu hydrotanxit biến tính. Phương pháp này cho phép kiểm soát kích thước hạt, độ đồng nhất và diện tích bề mặt vật liệu.

  3. Ảnh hưởng của tỉ lệ Fe : Ti đến hoạt tính xúc tác ra sao?
    Tỉ lệ Fe : Ti ảnh hưởng đến cấu trúc tinh thể và diện tích bề mặt vật liệu. Tỉ lệ Ti quá cao phá vỡ cấu trúc hydrotanxit nhưng tăng diện tích bề mặt và khả năng hấp phụ MB. Tỉ lệ Fe và Ti cân bằng giúp duy trì cấu trúc và nâng cao hoạt tính quang xúc tác.

  4. Điều kiện pH nào tối ưu cho quá trình phân hủy MB?
    pH môi trường tối ưu là khoảng 8,0, tại đó vật liệu có hoạt tính xúc tác cao nhất do cấu trúc vật liệu ổn định và khả năng sinh gốc hydroxyl OH• mạnh. pH quá thấp hoặc quá cao làm giảm hiệu quả phân hủy.

  5. Vật liệu có thể tái sử dụng và ứng dụng trong xử lý nước thải thực tế không?
    Nghiên cứu hiện tại chưa khảo sát tái sử dụng xúc tác, tuy nhiên vật liệu đã chứng minh hiệu quả xử lý nước thải thực tế từ làng nghề dệt chiếu cói. Việc tái sử dụng và ứng dụng quy mô lớn cần nghiên cứu tiếp theo để đánh giá tính bền vững và kinh tế.

Kết luận

  • Đã tổng hợp thành công 8 mẫu vật liệu Fe-Ti-hydrotanxit bằng phương pháp đồng kết tủa với đặc trưng cấu trúc và diện tích bề mặt khác nhau tùy tỉ lệ Fe : Ti.
  • Vật liệu có khả năng hấp phụ MB cao, đặc biệt với tỉ lệ Ti lớn, đạt hiệu suất hấp phụ đến 91% với MB 20 ppm sau 60 phút.
  • 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.
  • Ứng dụng xử lý nước thải thực tế cho thấy vật liệu phân hủy nhanh các chất màu xanh trong nước thải dệt chiếu cói, đạt hiệu suất 95% chỉ sau 30 phút.
  • Nghiên cứu tiếp theo cần tập trung vào tối ưu hóa điều kiện phản ứng, tái sử dụng xúc tác và kết hợp công nghệ xử lý để xử lý triệt để các chất màu phức tạp.

Hành động tiếp theo: Khuyến khích các nhóm nghiên cứu và doanh nghiệp triển khai thử nghiệm quy mô lớn, đồng thời phát triển công nghệ xử lý nước thải dệt nhuộm dựa trên vật liệu Fe-Ti-hydrotanxit để bảo vệ môi trường và sức khỏe cộng đồng.