Tổng quan nghiên cứu

Ô nhiễm môi trường nước do các hợp chất hữu cơ là vấn đề cấp bách toàn cầu, đặc biệt trong các vùng nuôi trồng thủy sản. Tại tỉnh Bình Định, diện tích nuôi tôm nước lợ đã đạt khoảng 2.810 ha vào năm 2018, kéo theo lượng lớn nước thải chứa các hợp chất hữu cơ, nitrogen, phosphorus và các chất dinh dưỡng khác gây ô nhiễm nghiêm trọng. Theo ước tính, trong hệ thống nuôi thâm canh, lượng nitrogen và phosphorus thất thoát vào môi trường có thể tăng gấp 7 đến 31 lần so với nuôi bán thâm canh, làm suy thoái nguồn nước và ảnh hưởng đến sức khỏe hệ sinh thái.

Mục tiêu nghiên cứu là tổng hợp vật liệu composite BiOI/TiO2 và khảo sát khả năng xúc tác quang xử lý các chất hữu cơ trong nước thải hồ nuôi thủy sản, nhằm phát triển công nghệ xử lý nước thải hiệu quả, thân thiện môi trường. Nghiên cứu tập trung vào tổng hợp vật liệu composite bằng phương pháp phản ứng pha rắn trong môi trường ẩm, khảo sát hoạt tính xúc tác quang phân hủy Rhodamine B (RhB) và tetracycline hydrochloride (TC) – hai hợp chất hữu cơ điển hình trong nước thải, đồng thời thăm dò khả năng xử lý nước thải thực tế tại xã Phước Thuận, huyện Tuy Phước, tỉnh Bình Định.

Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc ứng dụng vật liệu xúc tác quang mới, hoạt động hiệu quả dưới ánh sáng khả kiến, góp phần giảm thiểu ô nhiễm môi trường nước nuôi trồng thủy sản, nâng cao chất lượng nguồn nước 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 hai lý thuyết chính về vật liệu xúc tác quang:

  • Cơ chế xúc tác quang của TiO2: TiO2 là chất bán dẫn loại n với năng lượng vùng cấm rộng khoảng 3,2 eV, chỉ hoạt động hiệu quả dưới ánh sáng tử ngoại. Khi hấp thụ photon, electron được kích thích từ vùng hóa trị lên vùng dẫn, tạo ra các cặp electron-lỗ trống, tham gia phản ứng oxi hóa-khử tạo ra các gốc tự do •OH và O2•- có khả năng phân hủy các hợp chất hữu cơ.

  • Tính chất xúc tác quang của BiOI: BiOI là chất bán dẫn loại p với năng lượng vùng cấm hẹp khoảng 1,82 eV, hấp thụ mạnh ánh sáng khả kiến nhưng dễ xảy ra tái tổ hợp electron-lỗ trống, làm giảm hiệu suất xúc tác. Cấu trúc lớp xen kẽ [Bi2O2]2+ và ion halide tạo ra điện trường nội thúc đẩy phân tách điện tích.

Việc tổng hợp composite BiOI/TiO2 nhằm kết hợp ưu điểm của hai vật liệu, mở rộng vùng hấp thụ ánh sáng từ tử ngoại sang khả kiến, đồng thời giảm thiểu tái tổ hợp điện tử-lỗ trống, nâng cao hiệu quả xúc tác quang.

Ba khái niệm chính được sử dụng trong nghiên cứu gồm: năng lượng vùng cấm (Eg), hiệu suất chuyển hóa hợp chất hữu cơ, và chỉ tiêu COD (Chemical Oxygen Demand) dùng để đánh giá mức độ ô nhiễm hữu cơ trong nước thải.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính bao gồm mẫu vật liệu composite BiOI/TiO2 tổng hợp trong phòng thí nghiệm và mẫu nước thải thực tế lấy tại xã Phước Thuận, huyện Tuy Phước, tỉnh Bình Định.

Phương pháp tổng hợp vật liệu sử dụng phản ứng pha rắn trong môi trường ẩm (water-assisted solid-state reaction) với tỉ lệ mol TiO2 : KI : Bi(NO3)3.5H2O là 1 : x : x, sấy ở 75°C trong 24 giờ. Vật liệu TiO2 được điều chế từ tinh quặng ilmenite Bình Định.

Phân tích đặc trưng vật liệu bằng các kỹ thuật hiện đại: nhiễu xạ tia X (XRD) để xác định cấu trúc tinh thể; hiển vi điện tử quét (SEM) khảo sát hình thái bề mặt; đẳng nhiệt hấp phụ-giải hấp phụ N2 ở 77K (BET) đo diện tích bề mặt; phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FT-IR) xác định nhóm chức; phổ phản xạ khuếch tán tử ngoại-khả kiến (UV-Vis-DRS) xác định năng lượng vùng cấm; phổ quang điện tử tia X (XPS) phân tích trạng thái hóa học.

Hoạt tính xúc tác quang được khảo sát qua phản ứng phân hủy RhB (10 mg/L) và TC (15 mg/L) dưới ánh sáng đèn LED 220V-60W và ánh sáng mặt trời (ASMT). Thời gian cân bằng hấp phụ được xác định, hiệu suất chuyển hóa tính theo phần trăm giảm nồng độ hợp chất hữu cơ.

Khả năng xử lý nước thải hồ nuôi tôm được thăm dò bằng phương pháp đo chỉ tiêu COD theo tiêu chuẩn SMEWW 5220, đánh giá hiệu quả phân hủy các hợp chất hữu cơ trong mẫu nước thải thực tế.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Đặc trưng cấu trúc tinh thể: Giản đồ XRD cho thấy vật liệu BiOI có các pic đặc trưng tại 2θ = 29,6°; 31,6°; 37,2°... tương ứng các mặt tinh thể (102), (110), (103)... Vật liệu TiO2 chủ yếu ở pha anatase với pic tại 25,2°, 37,7°, 48,5°. Composite BiOI/TiO2 (mẫu C0.25) thể hiện các pic đặc trưng của cả hai cấu tử, không xuất hiện pha lạ, chứng tỏ thành công trong việc tạo composite mà không làm biến đổi cấu trúc tinh thể riêng lẻ.

  2. Khả năng hấp thụ quang: Phổ UV-Vis-DRS cho thấy TiO2 hấp thụ mạnh ở vùng tử ngoại (<400 nm), BiOI hấp thụ trong vùng khả kiến (450-650 nm). Composite BiOI/TiO2 mở rộng vùng hấp thụ từ tử ngoại đến khả kiến (350-650 nm). Năng lượng vùng cấm Eg giảm từ 3,22 eV (TiO2) và 1,87 eV (BiOI) xuống còn khoảng 2,16 eV khi tỉ lệ mol BiOI/TiO2 là 0,25, cho thấy sự cải thiện đáng kể về khả năng hấp thụ ánh sáng khả kiến.

  3. Hoạt tính xúc tác quang phân hủy RhB: Thời gian cân bằng hấp phụ RhB trên vật liệu đạt sau khoảng 60 phút. Hiệu suất hấp phụ RhB đạt khoảng 5% với TiO2, 10-11% với BiOI và composite. Sau 180 phút chiếu xạ đèn LED, hiệu suất chuyển hóa RhB của composite cao hơn đáng kể so với các cấu tử riêng lẻ, minh chứng cho hiệu quả xúc tác quang được cải thiện nhờ cấu trúc composite.

  4. Khả năng phân hủy tetracycline (TC): Dưới ánh sáng đèn LED và ánh sáng mặt trời, composite BiOI/TiO2 thể hiện hiệu suất phân hủy TC vượt trội, với hiệu suất chuyển hóa đạt trên 80% sau 180 phút chiếu xạ. Điều này chứng tỏ vật liệu có khả năng ứng dụng thực tế trong xử lý các hợp chất kháng sinh tồn dư trong nước thải.

  5. Xử lý nước thải hồ nuôi tôm: Thí nghiệm với mẫu nước thải thực tế tại Bình Định cho thấy chỉ số COD giảm đáng kể sau quá trình xúc tác quang bằng composite BiOI/TiO2, với hiệu suất xử lý đạt khoảng 65% sau 180 phút chiếu xạ. Kết quả này khẳng định tiềm năng ứng dụng vật liệu composite trong xử lý nước thải nuôi trồng thủy sản.

Thảo luận kết quả

Sự kết hợp BiOI và TiO2 tạo ra composite với cấu trúc tinh thể ổn định, không làm thay đổi pha riêng lẻ, đồng thời mở rộng vùng hấp thụ ánh sáng sang vùng khả kiến nhờ năng lượng vùng cấm giảm. Điều này giúp vật liệu hoạt động hiệu quả hơn dưới ánh sáng mặt trời, phù hợp với điều kiện thực tế tại các vùng nuôi thủy sản.

Hiệu suất xúc tác quang phân hủy RhB và TC cao hơn so với TiO2 hoặc BiOI đơn lẻ do cơ chế phân tách điện tích hiệu quả hơn, giảm thiểu tái tổ hợp electron-lỗ trống. Các gốc tự do •OH và O2•- được sinh ra nhiều hơn, tăng cường khả năng oxy hóa các hợp chất hữu cơ.

So sánh với các nghiên cứu quốc tế, kết quả đạt được tương đương hoặc vượt trội nhờ phương pháp tổng hợp phản ứng pha rắn trong môi trường ẩm, sử dụng nguồn TiO2 từ quặng ilmenite địa phương, giúp giảm chi phí và tăng tính khả thi ứng dụng.

Việc giảm chỉ số COD trong nước thải thực tế chứng minh vật liệu composite có thể xử lý hiệu quả các hợp chất hữu cơ phức tạp trong môi trường nuôi trồng thủy sản, góp phần cải thiện chất lượng nước và bảo vệ hệ sinh thái.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ phổ UV-Vis-DRS, giản đồ XRD, đồ thị hiệu suất chuyển hóa RhB và TC theo thời gian chiếu xạ, cũng như biểu đồ giảm COD trong nước thải, giúp minh họa rõ ràng hiệu quả xúc tác quang của vật liệu.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Ứng dụng rộng rãi composite BiOI/TiO2 trong xử lý nước thải nuôi trồng thủy sản: Khuyến khích các cơ sở nuôi tôm tại Bình Định và các tỉnh ven biển áp dụng công nghệ xúc tác quang sử dụng composite BiOI/TiO2 để xử lý nước thải, giảm thiểu ô nhiễm hữu cơ, cải thiện chất lượng môi trường nước trong vòng 1-2 năm tới.

  2. Phát triển quy trình tổng hợp vật liệu quy mô công nghiệp: Đề xuất nghiên cứu mở rộng quy mô tổng hợp composite BiOI/TiO2 từ nguồn nguyên liệu địa phương, tối ưu hóa quy trình phản ứng pha rắn trong môi trường ẩm nhằm giảm chi phí sản xuất, đảm bảo tính ổn định và hiệu suất xúc tác trong 3 năm tiếp theo.

  3. Tích hợp hệ thống xúc tác quang với các phương pháp xử lý sinh học và vật lý: Khuyến nghị xây dựng mô hình xử lý nước thải kết hợp xúc tác quang với hồ sinh học hoặc bãi lọc cát để nâng cao hiệu quả xử lý tổng thể, giảm tải ô nhiễm, áp dụng thử nghiệm tại các vùng nuôi trọng điểm trong 2 năm tới.

  4. Đào tạo và nâng cao nhận thức cho người nuôi thủy sản: Tổ chức các khóa tập huấn, hội thảo về công nghệ xử lý nước thải bằng xúc tác quang, hướng dẫn vận hành và bảo trì hệ thống, nhằm nâng cao ý thức bảo vệ môi trường và sử dụng hiệu quả công nghệ mới trong vòng 1 năm.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Hóa học, Hóa lý, Môi trường: Luận văn cung cấp cơ sở lý thuyết và phương pháp tổng hợp vật liệu composite xúc tác quang, cùng kết quả thực nghiệm chi tiết, hỗ trợ nghiên cứu phát triển vật liệu mới và ứng dụng xử lý ô nhiễm.

  2. Cơ quan quản lý môi trường và ngành thủy sản: Thông tin về hiệu quả xử lý nước thải hồ nuôi tôm bằng công nghệ xúc tác quang giúp xây dựng chính sách, quy chuẩn kỹ thuật và hướng dẫn áp dụng công nghệ thân thiện môi trường.

  3. Doanh nghiệp sản xuất vật liệu xúc tác và thiết bị xử lý nước thải: Nghiên cứu cung cấp quy trình tổng hợp vật liệu composite từ nguồn nguyên liệu địa phương, mở ra cơ hội phát triển sản phẩm xúc tác quang hiệu quả, chi phí hợp lý phục vụ thị trường trong nước và xuất khẩu.

  4. Người nuôi trồng thủy sản và các tổ chức hợp tác xã: Hiểu biết về công nghệ xử lý nước thải tiên tiến giúp cải thiện môi trường nuôi, tăng năng suất và chất lượng sản phẩm, giảm thiểu tác động tiêu cực đến sức khỏe và môi trường.

Câu hỏi thường gặp

  1. Composite BiOI/TiO2 có ưu điểm gì so với TiO2 đơn lẻ?
    Composite mở rộng vùng hấp thụ ánh sáng sang vùng khả kiến, giảm tái tổ hợp electron-lỗ trống, tăng hiệu suất xúc tác quang. Ví dụ, hiệu suất phân hủy RhB tăng từ khoảng 40% (TiO2) lên trên 70% (composite) sau 180 phút chiếu xạ.

  2. Phương pháp tổng hợp phản ứng pha rắn trong môi trường ẩm có lợi ích gì?
    Phương pháp này đơn giản, sử dụng nhiệt độ thấp (75°C), không cần dung môi hữu cơ độc hại, tiết kiệm chi phí và thân thiện môi trường, đồng thời tạo vật liệu có cấu trúc ổn định và diện tích bề mặt lớn.

  3. Hiệu quả xử lý nước thải thực tế như thế nào?
    Nghiên cứu cho thấy chỉ số COD giảm khoảng 65% sau 180 phút xử lý bằng composite BiOI/TiO2 dưới ánh sáng đèn LED, chứng minh khả năng phân hủy các hợp chất hữu cơ phức tạp trong nước thải hồ nuôi tôm.

  4. Có thể ứng dụng công nghệ này ở quy mô lớn không?
    Vật liệu được tổng hợp từ nguồn nguyên liệu địa phương với quy trình đơn giản, có tiềm năng mở rộng quy mô công nghiệp. Tuy nhiên cần nghiên cứu thêm về thiết kế hệ thống xúc tác quang phù hợp và tối ưu hóa điều kiện vận hành.

  5. Tác động môi trường của vật liệu composite này ra sao?
    Composite BiOI/TiO2 không tạo ra chất độc hại trong quá trình xúc tác, không gây ô nhiễm thứ cấp, vật liệu có thể tái sử dụng nhiều lần, phù hợp với tiêu chí phát triển bền vững trong xử lý nước thải.

Kết luận

  • Đã tổng hợp thành công vật liệu composite BiOI/TiO2 bằng phương pháp phản ứng pha rắn trong môi trường ẩm, với cấu trúc tinh thể ổn định và diện tích bề mặt lớn.
  • Composite mở rộng vùng hấp thụ ánh sáng sang vùng khả kiến, giảm năng lượng vùng cấm từ 3,22 eV xuống còn khoảng 2,16 eV, nâng cao hiệu quả xúc tác quang.
  • Vật liệu thể hiện hiệu suất cao trong phân hủy RhB và tetracycline hydrochloride, với hiệu suất chuyển hóa trên 80% sau 180 phút chiếu xạ.
  • Thí nghiệm xử lý nước thải hồ nuôi tôm thực tế cho thấy giảm chỉ số COD khoảng 65%, chứng minh khả năng ứng dụng thực tiễn của composite.
  • Đề xuất mở rộng nghiên cứu quy mô công nghiệp, tích hợp công nghệ xử lý và đào tạo người dùng để ứng dụng hiệu quả trong ngành nuôi trồng thủy sản.

Luận văn là tài liệu tham khảo quý giá cho các nhà khoa học, doanh nghiệp và cơ quan quản lý trong lĩnh vực xử lý ô nhiễm nước bằng công nghệ xúc tác quang. Để tiếp tục phát triển, cần triển khai thử nghiệm quy mô lớn và nghiên cứu tối ưu hóa hệ thống xúc tác quang phù hợp với điều kiện thực tế.