Tổng quan nghiên cứu

Ô nhiễm môi trường nước do các hợp chất hữu cơ là một vấn đề nghiêm trọng toàn cầu, đặc biệt trong bối cảnh phát triển công nghiệp và đô thị hóa mạnh mẽ. Theo ước tính, hàng triệu tấn chất hữu cơ được thải ra môi trường mỗi năm, trong đó nhiều hợp chất khó phân hủy gây ảnh hưởng tiêu cực đến hệ sinh thái và sức khỏe con người. Việc xử lý các chất ô nhiễm này đòi hỏi các giải pháp hiệu quả, thân thiện với môi trường và kinh tế. Trong đó, vật liệu xúc tác quang TiO2 được xem là một trong những ứng dụng tiềm năng nhờ khả năng phân hủy các chất hữu cơ độc hại thành CO2 và H2O dưới tác động của ánh sáng.

Tuy nhiên, TiO2 truyền thống chỉ hoạt động hiệu quả dưới ánh sáng tử ngoại, chiếm chưa tới 5% năng lượng ánh sáng mặt trời, làm hạn chế khả năng ứng dụng rộng rãi. Do đó, nghiên cứu tập trung vào việc biến tính TiO2 để mở rộng phổ hoạt động sang vùng ánh sáng khả kiến, nâng cao hiệu suất quang xúc tác. Luận văn này nhằm mục tiêu chế tạo vật liệu xúc tác quang TiO2/WO3/Ag bằng các phương pháp tẩm ướt và sol-gel, đồng thời đánh giá hiệu quả xử lý một số hợp chất hữu cơ ô nhiễm trong nước như Methylene Blue (MB) và Rhodamine B (RhB). Nghiên cứu được thực hiện tại Trường Đại học Phenikaa trong năm 2023-2024, góp phần phát triển vật liệu xúc tác quang hiệu quả, thân thiện môi trường, phù hợp với các hệ thống xử lý nước quy mô nhỏ.

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 vùng năng lượng trong chất bán dẫn: TiO2 có vùng cấm năng lượng (band gap) khoảng 3,2 eV (anatase) và 3,0 eV (rutile), tạo điều kiện cho quá trình kích thích quang xúc tác khi hấp thụ photon có năng lượng tương ứng. Sự tạo thành cặp electron - lỗ trống (e⁻, h⁺) dẫn đến các phản ứng oxi hóa - khử trên bề mặt vật liệu.

  • Cơ chế quang xúc tác TiO2: Khi chiếu sáng, electron từ vùng hóa trị nhảy lên vùng dẫn, tạo ra các gốc tự do như •OH và O2⁻• có khả năng phân hủy các hợp chất hữu cơ thành CO2 và H2O.

  • Biến tính TiO2: Pha tạp kim loại (Ag, W) và phi kim nhằm thu hẹp vùng cấm năng lượng, giảm tái kết hợp electron-lỗ trống, tăng hiệu suất quang xúc tác. Đồng pha tạp kim loại và phi kim giúp hạn chế trung tâm tái hợp, nâng cao hoạt tính xúc tác.

  • Mô hình hấp phụ và phân hủy: Sử dụng các mô hình hấp phụ Langmuir và Freundlich để đánh giá khả năng hấp phụ của vật liệu đối với các chất ô nhiễm.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Nghiên cứu sử dụng các mẫu vật liệu TiO2 biến tính với Ag và WO3 được tổng hợp bằng hai phương pháp: tẩm ướt và sol-gel. Các hợp chất hữu cơ ô nhiễm được khảo sát là Methylene Blue (MB) và Rhodamine B (RhB) với nồng độ chuẩn 10 ppm.

  • Phương pháp phân tích:

    • Kính hiển vi điện tử quét (SEM) và truyền qua (TEM) để quan sát hình thái, kích thước hạt.
    • Phổ tán xạ năng lượng tia X (EDS) để xác định thành phần nguyên tố.
    • Nhiễu xạ tia X (XRD) để phân tích cấu trúc tinh thể và tỷ lệ pha anatase/rutile.
    • Quang phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FT-IR) để nhận diện nhóm chức.
    • Quang phổ phản xạ khuếch tán tử ngoại – khả kiến (UV-Vis DRS) để xác định năng lượng vùng cấm.
    • Quang phổ hấp phụ phân tử UV-Vis để xây dựng đường chuẩn và xác định nồng độ MB, RhB trong dung dịch.

  • Timeline nghiên cứu:

    • Tổng hợp vật liệu và chuẩn bị mẫu: 3 tháng.
    • Phân tích đặc tính vật liệu: 2 tháng.
    • Thử nghiệm xử lý ô nhiễm và khảo sát cơ chế: 3 tháng.
    • Tổng hợp kết quả và hoàn thiện luận văn: 2 tháng.

  • Cỡ mẫu và chọn mẫu: Các mẫu vật liệu được tổng hợp với tỷ lệ pha tạp Ag và W khác nhau (0,02% đến 1% mol), đánh giá hiệu quả trên dung dịch MB và RhB chuẩn 10 ppm. Phương pháp chọn mẫu ngẫu nhiên trong quá trình tổng hợp nhằm đảm bảo tính đại diện.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Cấu trúc vật liệu: Phổ XRD cho thấy các mẫu TiO2 biến tính giữ được cấu trúc pha anatase và rutile đặc trưng, với tỷ lệ pha anatase chiếm ưu thế từ 86,9% đến 96,2%. Mẫu M2 (0,1% Ag và W) có tỷ lệ anatase cao nhất 96,2%. Không phát hiện peak đặc trưng của Ag và WO3 do tỷ lệ thấp hoặc ion kim loại đã xen kẽ vào mạng tinh thể TiO2.

  2. Hình thái và thành phần: Ảnh SEM và TEM cho thấy kích thước hạt nano đồng đều, phân bố đều các nguyên tố Ag và W trên bề mặt vật liệu. Phổ EDS xác nhận sự hiện diện của Ag và W với tỷ lệ phù hợp theo thiết kế.

  3. Hiệu quả xử lý ô nhiễm:

    • Mẫu TiO2/WO3/Ag biến tính phân hủy MB đạt hiệu suất trên 90% sau 240 phút chiếu sáng, cao hơn đáng kể so với TiO2 nguyên bản chỉ đạt khoảng 72%.
    • Khả năng phân hủy RhB cũng được cải thiện, với mẫu biến tính đạt trên 85% so với dưới 65% của TiO2 nguyên bản.
    • Khả năng hấp phụ MB của vật liệu biến tính tăng khoảng 20% so với TiO2 không biến tính.

  4. Cơ chế xúc tác: Thí nghiệm bắt giữ gốc tự do cho thấy gốc hydroxyl (•OH) và gốc superoxide (O2⁻•) đóng vai trò chủ đạo trong quá trình phân hủy MB. Việc bổ sung chất bắt giữ gốc •OH làm giảm hiệu suất phân hủy tới 40%, chứng tỏ vai trò quan trọng của gốc này.

Thảo luận kết quả

Sự biến tính TiO2 bằng Ag và WO3 đã thành công trong việc mở rộng vùng hấp thụ ánh sáng sang vùng khả kiến, giảm tái kết hợp electron-lỗ trống, từ đó nâng cao hiệu suất quang xúc tác. Kết quả XRD và SEM cho thấy ion Ag+ và WO42- có thể đã xen kẽ vào mạng tinh thể TiO2 hoặc phân bố trên bề mặt, tạo ra các "bẫy điện tích" giúp kéo dài thời gian tồn tại của các hạt tải điện. Điều này phù hợp với các nghiên cứu trước đây về pha tạp kim loại chuyển tiếp.

Hiệu quả phân hủy MB và RhB cao hơn TiO2 nguyên bản chứng tỏ vật liệu biến tính có khả năng ứng dụng thực tiễn trong xử lý nước thải công nghiệp chứa các hợp chất hữu cơ khó phân hủy. Các kết quả này cũng tương đồng với báo cáo của các nghiên cứu trong ngành về vật liệu TiO2 biến tính với Ag và W.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ hiệu suất phân hủy theo thời gian, biểu đồ hấp phụ MB và RhB, cũng như bảng so sánh tỷ lệ pha anatase/rutile và thành phần nguyên tố của các mẫu vật liệu.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Ứng dụng vật liệu TiO2/WO3/Ag trong xử lý nước thải công nghiệp: Khuyến nghị triển khai thử nghiệm quy mô pilot tại các nhà máy dệt nhuộm và sản xuất thuốc nhuộm, nhằm giảm nồng độ MB và RhB trong nước thải xuống dưới ngưỡng cho phép trong vòng 6-12 tháng.

  2. Tối ưu hóa tỷ lệ pha tạp: Tiếp tục nghiên cứu điều chỉnh tỷ lệ Ag và W để đạt hiệu suất quang xúc tác tối ưu, giảm chi phí sản xuất, trong vòng 12 tháng tiếp theo, do các phòng thí nghiệm chuyên ngành thực hiện.

  3. Phát triển công nghệ sản xuất quy mô lớn: Áp dụng phương pháp sol-gel và tẩm ướt đã được chứng minh hiệu quả để sản xuất vật liệu xúc tác với chi phí hợp lý, phục vụ các hệ thống xử lý nước thải quy mô nhỏ và vừa trong 1-2 năm tới.

  4. Nâng cao hiệu quả xử lý bằng kết hợp với các phương pháp khác: Đề xuất phối hợp vật liệu TiO2/WO3/Ag với các công nghệ xử lý sinh học hoặc hấp phụ để tăng cường khả năng loại bỏ các hợp chất hữu cơ phức tạp, thực hiện trong giai đoạn nghiên cứu tiếp theo.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Kỹ thuật Hóa học, Môi trường: Luận văn cung cấp cơ sở lý thuyết và thực nghiệm chi tiết về vật liệu xúc tác quang, phương pháp biến tính TiO2, giúp phát triển các đề tài nghiên cứu liên quan.

  2. Doanh nghiệp xử lý nước thải công nghiệp: Thông tin về vật liệu xúc tác quang TiO2/WO3/Ag và hiệu quả xử lý MB, RhB có thể ứng dụng trong thiết kế và vận hành các hệ thống xử lý nước thải dệt nhuộm, sản xuất thuốc nhuộm.

  3. Cơ quan quản lý môi trường: Cung cấp dữ liệu khoa học về các giải pháp công nghệ thân thiện môi trường, hỗ trợ xây dựng chính sách và quy chuẩn xử lý nước thải công nghiệp.

  4. Các nhà sản xuất vật liệu xúc tác: Tham khảo quy trình tổng hợp, đặc tính vật liệu và hiệu quả ứng dụng để phát triển sản phẩm mới, mở rộng thị trường vật liệu quang xúc tác.

Câu hỏi thường gặp

  1. Vật liệu TiO2/WO3/Ag có ưu điểm gì so với TiO2 nguyên bản?
    Vật liệu biến tính mở rộng vùng hấp thụ ánh sáng sang vùng khả kiến, giảm tái kết hợp electron-lỗ trống, nâng cao hiệu suất phân hủy các hợp chất hữu cơ như MB và RhB, giúp xử lý nước thải hiệu quả hơn.

  2. Phương pháp sol-gel và tẩm ướt khác nhau thế nào trong tổng hợp vật liệu?
    Sol-gel tạo ra vật liệu đồng nhất, kiểm soát kích thước hạt tốt, phù hợp sản xuất quy mô nhỏ; tẩm ướt đơn giản, chi phí thấp, thích hợp cho sản xuất quy mô lớn với hiệu quả biến tính cao.

  3. Hiệu suất phân hủy MB và RhB được đánh giá như thế nào?
    Hiệu suất được tính dựa trên sự giảm nồng độ chất ô nhiễm theo thời gian chiếu sáng, sử dụng quang phổ UV-Vis để đo độ hấp thụ, từ đó xác định phần trăm phân hủy so với nồng độ ban đầu.

  4. Vai trò của Ag và WO3 trong vật liệu xúc tác là gì?
    Ag giúp tạo bẫy điện tử, giảm tái kết hợp electron-lỗ trống; WO3 mở rộng vùng hấp thụ ánh sáng, tăng khả năng hoạt động dưới ánh sáng khả kiến, phối hợp nâng cao hiệu quả quang xúc tác.

  5. Vật liệu này có thể ứng dụng trong xử lý nước thải quy mô lớn không?
    Hiện tại phù hợp với quy mô nhỏ và vừa do chi phí và hiệu quả; cần nghiên cứu thêm để tối ưu hóa quy trình sản xuất và tích hợp công nghệ nhằm mở rộng ứng dụng quy mô lớn.

Kết luận

  • Đã thành công trong việc tổng hợp vật liệu xúc tác quang TiO2/WO3/Ag bằng phương pháp tẩm ướt và sol-gel với tỷ lệ pha tạp Ag và W khác nhau.
  • Vật liệu biến tính giữ được cấu trúc pha anatase ưu thế, kích thước hạt nano đồng đều, phân bố nguyên tố Ag và W hợp lý.
  • Hiệu suất phân hủy Methylene Blue và Rhodamine B được cải thiện đáng kể so với TiO2 nguyên bản, đạt trên 90% và 85% tương ứng sau 240 phút chiếu sáng.
  • Cơ chế xúc tác chủ yếu dựa trên sự tạo thành và hoạt động của các gốc hydroxyl và superoxide, giảm tái kết hợp electron-lỗ trống nhờ sự pha tạp Ag và WO3.
  • Đề xuất tiếp tục nghiên cứu tối ưu hóa tỷ lệ pha tạp, mở rộng ứng dụng thực tiễn và phối hợp công nghệ xử lý để nâng cao hiệu quả xử lý ô nhiễm nước.

Luận văn mở ra hướng phát triển vật liệu xúc tác quang hiệu quả, thân thiện môi trường, góp phần giải quyết vấn đề ô nhiễm nước do các hợp chất hữu cơ. Các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp được khuyến khích áp dụng và phát triển tiếp theo trong thực tiễn.