I. Giới thiệu chung về khoáng quặng chứa titanium và phương pháp điều chế TiO2 từ tinh quặng Ilmenite
Titanium là nguyên tố phổ biến trong vỏ Trái Đất, chiếm 0,63%. Các khoáng vật chứa titanium như Ilmenite, rutile, và anatase có giá trị công nghiệp cao. Trữ lượng quặng titanium toàn cầu đạt hơn 2 tỷ tấn, với Ilmenite và rutile chiếm 1,5 tỷ tấn. Việt Nam là quốc gia có trữ lượng Ilmenite lớn, đứng thứ 6 thế giới, tập trung chủ yếu ở các tỉnh ven biển từ Quảng Ninh đến Bình Thuận. Bình Định là một trong những khu vực có tiềm năng lớn về quặng titanium, với trữ lượng khoảng 2,5 triệu tấn. Phương pháp điều chế TiO2 từ quặng Ilmenite thường sử dụng sulfuric acid, phù hợp với điều kiện kinh tế và tận dụng nguồn nguyên liệu sẵn có.
1.1. Phương pháp điều chế TiO2 từ quặng Ilmenite
Phương pháp sulfuric acid được lựa chọn để điều chế TiO2 từ quặng Ilmenite do tính hiệu quả và chi phí thấp. Quy trình bao gồm phân hủy quặng bằng sulfuric acid, tạo thành TiO2 tinh khiết. Phương pháp này không chỉ tận dụng nguồn nguyên liệu sẵn có mà còn góp phần giảm chi phí sản xuất, phù hợp với điều kiện kinh tế của Việt Nam.
1.2. Ứng dụng của TiO2 trong xử lý môi trường
TiO2 là vật liệu có hoạt tính quang xúc tác cao, được ứng dụng rộng rãi trong xử lý môi trường. Tuy nhiên, TiO2 chỉ hoạt động hiệu quả dưới ánh sáng tử ngoại (UV), chiếm 5% quang phổ mặt trời. Để mở rộng khả năng ứng dụng, TiO2 được biến tính bằng các nguyên tố phi kim như C, N, S, giúp dịch chuyển vùng hấp thụ sang ánh sáng khả kiến.
II. Nghiên cứu điều chế vật liệu CNS TiO2 từ quặng Ilmenite Bình Định
Nghiên cứu tập trung vào việc điều chế vật liệu CNS-TiO2 từ quặng Ilmenite Bình Định bằng phương pháp sulfuric acid kết hợp với thủy nhiệt. Vật liệu CNS-TiO2 được pha tạp đồng thời ba nguyên tố C, N, S nhằm nâng cao hoạt tính quang xúc tác. Các phương pháp đặc trưng như XRD, EDX, IR, XPS, UV-Vis, SEM, TEM, PL, BET được sử dụng để phân tích cấu trúc và tính chất của vật liệu.
2.1. Quy trình tổng hợp vật liệu CNS TiO2
Quy trình tổng hợp vật liệu CNS-TiO2 bao gồm các bước: phân hủy quặng Ilmenite bằng sulfuric acid, tạo TiO2 tinh khiết, sau đó pha tạp đồng thời C, N, S bằng phương pháp thủy nhiệt. Các yếu tố như tỷ lệ mol thiourea/TiO2, nhiệt độ thủy nhiệt, và nhiệt độ nung được tối ưu hóa để đạt hiệu suất cao nhất.
2.2. Đặc trưng vật liệu CNS TiO2
Vật liệu CNS-TiO2 được đặc trưng bằng các phương pháp hiện đại. XRD xác định cấu trúc tinh thể, EDX phân tích thành phần nguyên tố, IR và XPS xác định các liên kết hóa học, UV-Vis đo khả năng hấp thụ ánh sáng, SEM và TEM quan sát hình thái bề mặt, PL đánh giá hiệu suất quang xúc tác, và BET đo diện tích bề mặt.
III. Ứng dụng CNS TiO2 trong xử lý nước thải nuôi tôm
Vật liệu CNS-TiO2 được ứng dụng trong xử lý nước thải nuôi tôm bằng phương pháp quang xúc tác kết hợp với sinh học. Nghiên cứu khảo sát khả năng xử lý các chất ô nhiễm như NH4+, COD, và tetracycline trong nước thải. Kết quả cho thấy vật liệu CNS-TiO2 có hiệu suất xử lý cao, đặc biệt khi kết hợp với phương pháp sinh học.
3.1. Khảo sát hiệu suất xử lý nước thải
Nghiên cứu khảo sát hiệu suất xử lý nước thải nuôi tôm bằng vật liệu CNS-TiO2. Các chỉ tiêu như NH4+, COD, và tetracycline được đo lường và đánh giá. Kết quả cho thấy vật liệu CNS-TiO2 có khả năng phân hủy hiệu quả các chất ô nhiễm, đặc biệt là tetracycline, với hiệu suất đạt trên 90% sau 2 giờ xử lý.
3.2. Kết hợp phương pháp sinh học và quang xúc tác
Phương pháp quang xúc tác kết hợp với sinh học được áp dụng để xử lý nước thải nuôi tôm. Kết quả cho thấy sự kết hợp này không chỉ nâng cao hiệu suất xử lý mà còn giảm thiểu chi phí và thời gian xử lý. Vật liệu CNS-TiO2 đóng vai trò quan trọng trong việc phân hủy các chất hữu cơ khó phân hủy.
