NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU XÚC TÁC QUANG TiO2/WO3/Ag VÀ ỨNG DỤNG XỬ LÝ MỘT SỐ HỢP CHẤT HỮU CƠ Ô NHIỄM TRONG NƯỚC

Ô nhiễm hữu cơ trong nước là một vấn đề nghiêm trọng, đe dọa sức khỏe con người và hệ sinh thái. Các phương pháp xử lý truyền thống thường tốn kém và không hiệu quả đối với nhiều loại chất ô nhiễm. Vật liệu xúc tác quang cung cấp một giải pháp thay thế hứa hẹn, sử dụng năng lượng ánh sáng mặt trời để phân hủy các chất ô nhiễm một cách hiệu quả và bền vững. Theo nghiên cứu của Fujishima và Honda [2], TiO2 có khả năng phân tách nước bằng quang xúc tác, mở ra một hướng nghiên cứu mới trong lĩnh vực này. Ứng dụng xúc tác quang hứa hẹn sẽ giảm thiểu ô nhiễm nguồn nước.

TiO2 (titanium dioxide) là một chất bán dẫn có nhiều ưu điểm như giá thành rẻ, độ bền hóa học cao và khả năng xúc tác quang tốt. Tuy nhiên, TiO2 chỉ hấp thụ ánh sáng tử ngoại (UV), chiếm một phần nhỏ trong quang phổ ánh sáng mặt trời. Điều này hạn chế hiệu quả xúc tác quang của TiO2 trong điều kiện ánh sáng tự nhiên. Việc cải thiện khả năng hấp thụ ánh sáng nhìn thấy của TiO2 là một thách thức quan trọng trong nghiên cứu vật liệu xúc tác quang.

Để khắc phục hạn chế của TiO2, các nhà khoa học đã nghiên cứu nhiều phương pháp biến tính TiO2, bao gồm pha tạp kim loại và phi kim. Việc biến tính TiO2 bằng WO3 và Ag được kỳ vọng sẽ mở rộng khả năng hấp thụ ánh sáng sang vùng ánh sáng nhìn thấy, tăng cường hiệu quả xúc tác quang và cải thiện khả năng xử lý ô nhiễm hữu cơ trong nước. Các kim loại Ag và W có nhiều ưu điểm về tính an toàn và bảo vệ môi trường [5], [6], vì vậy đề tài này được lựa chọn để nghiên cứu.

Ô nhiễm hữu cơ trong nước thải phát sinh từ nhiều nguồn khác nhau, bao gồm nước thải công nghiệp (dệt nhuộm, hóa chất, thực phẩm), nước thải sinh hoạt và hoạt động nông nghiệp (thuốc trừ sâu, phân bón). Các chất ô nhiễm hữu cơ có thể gây ra nhiều tác động tiêu cực đến môi trường và sức khỏe con người, chẳng hạn như làm suy giảm oxy hòa tan trong nước, gây độc cho sinh vật thủy sinh và ảnh hưởng đến chất lượng nguồn nước sinh hoạt.

Các phương pháp xử lý ô nhiễm hữu cơ truyền thống bao gồm phương pháp vật lý (lọc, lắng), phương pháp hóa học (oxy hóa, khử trùng) và phương pháp sinh học (xử lý bằng vi sinh vật). Tuy nhiên, các phương pháp này thường có chi phí cao, hiệu quả hạn chế đối với một số loại chất ô nhiễm hữu cơ và có thể tạo ra các sản phẩm phụ độc hại. Do đó, cần có các giải pháp xử lý ô nhiễm hữu cơ hiệu quả hơn, thân thiện với môi trường và có chi phí hợp lý.

Vật liệu xúc tác quang TiO2/WO3/Ag nổi lên như một giải pháp tiềm năng cho việc xử lý ô nhiễm hữu cơ trong nước. Với khả năng hấp thụ ánh sáng và tạo ra các gốc tự do có tính oxy hóa mạnh, vật liệu xúc tác quang có thể phân hủy các chất ô nhiễm hữu cơ thành các chất vô hại như CO2 và H2O. Nghiên cứu này tập trung vào việc tối ưu hóa quá trình chế tạo vật liệu xúc tác quang TiO2/WO3/Ag và đánh giá hiệu quả của nó trong việc xử lý ô nhiễm hữu cơ trong nước.

Phương pháp tẩm ướt là một phương pháp đơn giản để điều chế vật liệu xúc tác quang. Trong phương pháp này, TiO2 nano được tẩm ướt bằng dung dịch chứa tiền chất của WO3 (ví dụ: ammonium metatungstate) và Ag (ví dụ: silver nitrate). Sau đó, vật liệu được sấy khô và nung ở nhiệt độ cao để tạo thành vật liệu xúc tác quang TiO2/WO3/Ag. Quá trình nung đóng vai trò quan trọng trong việc tạo ra cấu trúc tinh thể và phân tán các thành phần WO3 và Ag trên bề mặt TiO2.

Phương pháp sol-gel là một phương pháp khác để tổng hợp vật liệu xúc tác quang với khả năng kiểm soát tốt hơn về kích thước hạt và thành phần pha. Trong phương pháp này, các tiền chất của TiO2, WO3 và Ag được hòa tan trong dung môi để tạo thành sol (dung dịch keo). Sau đó, sol được chuyển thành gel thông qua quá trình thủy phân và trùng ngưng. Gel được sấy khô và nung để tạo thành vật liệu xúc tác quang TiO2/WO3/Ag. Kích thước hạt nano và thành phần pha của vật liệu có thể được điều chỉnh bằng cách thay đổi các thông số của quá trình sol-gel.

Nhiệt độ nung là một yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến đặc tính của vật liệu xúc tác quang. Nhiệt độ nung quá thấp có thể dẫn đến sự hình thành cấu trúc tinh thể không hoàn chỉnh, trong khi nhiệt độ nung quá cao có thể gây ra sự kết tụ hạt và làm giảm diện tích bề mặt vật liệu. Nghiên cứu này khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ nung đến khả năng xúc tác quang của vật liệu TiO2/WO3/Ag để tìm ra nhiệt độ nung tối ưu.

Khả năng hấp phụ của vật liệu xúc tác quang đóng vai trò quan trọng trong quá trình xử lý ô nhiễm hữu cơ. Khả năng hấp phụ tốt giúp tăng cường nồng độ chất ô nhiễm trên bề mặt vật liệu, tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình phân hủy chất hữu cơ. Nghiên cứu này sử dụng các mô hình hấp phụ Langmuir và Freundlich để mô tả quá trình hấp phụ của MB và RhB trên vật liệu TiO2/WO3/Ag.

Hiệu quả xúc tác quang của vật liệu TiO2/WO3/Ag được đánh giá bằng cách theo dõi sự giảm nồng độ của MB và RhB dưới ánh sáng UV-Vis theo thời gian. Các thí nghiệm được thực hiện ở các điều kiện khác nhau về pH dung dịch, nồng độ chất ô nhiễm và cường độ ánh sáng. Kết quả cho thấy vật liệu TiO2/WO3/Ag có khả năng phân hủy MB và RhB một cách hiệu quả, và hiệu quả này phụ thuộc vào các điều kiện thí nghiệm.

Nghiên cứu cơ chế xúc tác quang là cần thiết để hiểu rõ quá trình phân hủy chất ô nhiễm trên bề mặt vật liệu TiO2/WO3/Ag. Các thí nghiệm được thực hiện để xác định vai trò của các gốc tự do (ví dụ: •OH, O2•-) trong quá trình phân hủy. Kết quả cho thấy các gốc tự do đóng vai trò quan trọng trong việc oxy hóa các chất ô nhiễm hữu cơ thành các sản phẩm vô hại.

Các phương pháp phân tích XRD (nhiễu xạ tia X), SEM (hiển vi điện tử quét), EDS (phổ tán xạ năng lượng tia X), FT-IR (phổ hồng ngoại biến đổi Fourier) và UV-Vis DRS (phổ phản xạ khuếch tán tử ngoại - khả kiến) được sử dụng để xác định cấu trúc, hình thái, thành phần và khả năng hấp thụ ánh sáng của vật liệu TiO2/WO3/Ag. Kết quả cho thấy sự có mặt của WO3 và Ag đã làm thay đổi cấu trúc tinh thể và tăng cường khả năng hấp thụ ánh sáng của TiO2.

Các thí nghiệm xử lý MB và RhB được thực hiện để so sánh hiệu quả xúc tác quang của vật liệu TiO2/WO3/Ag với TiO2 nguyên chất. Kết quả cho thấy vật liệu TiO2/WO3/Ag có hiệu quả phân hủy MB và RhB cao hơn đáng kể so với TiO2 nguyên chất, đặc biệt là dưới ánh sáng UV-Vis. Điều này chứng tỏ việc biến tính TiO2 bằng WO3 và Ag đã thành công trong việc tăng cường khả năng xúc tác quang của vật liệu.

WO3 và Ag có thể tăng cường hoạt tính xúc tác của TiO2 thông qua nhiều cơ chế khác nhau. WO3 có thể mở rộng khả năng hấp thụ ánh sáng của TiO2 sang vùng ánh sáng nhìn thấy, trong khi Ag có thể hoạt động như một trung tâm thu hút electron, giảm sự tái kết hợp electron-lỗ trống. Sự kết hợp của WO3 và Ag trong vật liệu TiO2/WO3/Ag tạo ra hiệu ứng hiệp đồng, dẫn đến hiệu quả xúc tác quang cao hơn.

Nghiên cứu đã thành công trong việc chế tạo vật liệu xúc tác quang TiO2/WO3/Ag với hoạt tính xúc tác cao hơn so với TiO2 nguyên chất. Vật liệu TiO2/WO3/Ag có khả năng phân hủy hiệu quả các chất ô nhiễm hữu cơ như MB và RhB dưới ánh sáng UV-Vis. Kết quả này cho thấy vật liệu TiO2/WO3/Ag có tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong việc xử lý ô nhiễm hữu cơ trong nước.

Để tối ưu hóa vật liệu xúc tác quang TiO2/WO3/Ag và quy trình xử lý ô nhiễm hữu cơ, cần thực hiện các nghiên cứu tiếp theo về ảnh hưởng của các yếu tố như tỷ lệ TiO2/WO3/Ag, kích thước hạt nano, cấu trúc tinh thể và điều kiện phản ứng (pH, nhiệt độ, cường độ ánh sáng). Nghiên cứu về tái chế vật liệu xúc tác quang cũng cần được quan tâm để đảm bảo tính bền vững của giải pháp.

Việc ứng dụng vật liệu TiO2/WO3/Ag trong xử lý nước thải thực tế đòi hỏi các nghiên cứu về khả năng xử lý các chất ô nhiễm phức tạp, ảnh hưởng của các chất nền trong nước thải đến hoạt tính xúc tác và thiết kế hệ thống xử lý phù hợp. Nghiên cứu về tính ổn định của vật liệu xúc tác quang trong điều kiện thực tế cũng cần được thực hiện để đảm bảo hiệu quả lâu dài của giải pháp.