Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh ô nhiễm môi trường ngày càng nghiêm trọng, việc xử lý các chất ô nhiễm hữu cơ như phenol trong nước thải công nghiệp trở thành vấn đề cấp thiết. Phenol và các dẫn xuất của nó là những chất độc hại, gây ô nhiễm nghiêm trọng nguồn nước, ảnh hưởng đến sức khỏe con người và hệ sinh thái. Theo ước tính, phenol tồn tại phổ biến trong nước thải từ các ngành công nghiệp khai thác, chế biến thực phẩm, dệt may, da thuộc và sản xuất hóa chất. Mục tiêu nghiên cứu là phát triển vật liệu xúc tác quang TiO2-SiO2 pha tạp Ag nhằm nâng cao hiệu suất phân hủy phenol dưới chiếu sáng mô phỏng ánh sáng mặt trời. Nghiên cứu được thực hiện tại TP. Hồ Chí Minh trong giai đoạn 2019-2020, tập trung vào tối ưu hóa điều kiện tổng hợp vật liệu xúc tác và khảo sát hoạt tính quang xúc tác trong điều kiện phòng thí nghiệm. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc ứng dụng công nghệ quang xúc tác để xử lý nước thải ô nhiễm phenol, góp phần bảo vệ môi trường và phát triển bền vững.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên hai lý thuyết chính: lý thuyết quang xúc tác TiO2 và mô hình plasmon bề mặt của Ag. TiO2 là vật liệu xúc tác quang phổ biến với cấu trúc tinh thể anatase có bandgap khoảng 3,2 eV, cho phép kích thích tạo ra các cặp electron-lỗ trống dưới ánh sáng tử ngoại. Tuy nhiên, TiO2 có hạn chế trong việc hấp thụ ánh sáng nhìn thấy do bandgap rộng. Việc pha tạp SiO2 giúp tăng diện tích bề mặt riêng và ổn định cấu trúc vật liệu, đồng thời giảm hiện tượng tái kết hợp electron-lỗ trống. Ag được pha tạp nhằm tạo hiệu ứng plasmon bề mặt, mở rộng vùng hấp thụ ánh sáng sang vùng nhìn thấy và tăng hiệu quả phân tách các cặp electron-lỗ trống, từ đó nâng cao hoạt tính quang xúc tác. Các khái niệm chính bao gồm: bandgap, hiệu ứng plasmon bề mặt, diện tích bề mặt riêng (BET), và quá trình phân hủy phenol bằng quang xúc tác.

Phương pháp nghiên cứu

Vật liệu Ag-TiO2-SiO2 được tổng hợp bằng phương pháp sol-gel sử dụng titanium(IV) n-butoxide làm nguồn TiO2, tetraethyl orthosilicate làm nguồn SiO2, acetyl acetone làm chất điều chỉnh quá trình thủy phân, và polyethylene glycol (PEG 20000) làm môi trường phân tán. Các tỷ lệ mol TiO2:SiO2, TiO2:PEG, TiO2:H2O, TiO2:AcAc và Ag:TiO2 được khảo sát để tối ưu hóa điều kiện tổng hợp. Vật liệu sau tổng hợp được nung ở nhiệt độ từ 400 đến 550°C để ổn định cấu trúc. Cỡ mẫu nghiên cứu khoảng 0,2 g xúc tác cho mỗi thí nghiệm phân hủy phenol. Phân tích cấu trúc và tính chất vật liệu được thực hiện bằng các kỹ thuật: nhiễu xạ tia X (XRD), kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM), đo diện tích bề mặt riêng theo phương pháp BET, và phổ hấp thụ UV-Vis (UV-Vis DRS). Hoạt tính quang xúc tác được đánh giá qua hiệu suất phân hủy phenol 10 ppm dưới chiếu sáng mô phỏng ánh sáng mặt trời trong 4 giờ. Thời gian nghiên cứu kéo dài trong 12 tháng, từ tháng 9/2019 đến tháng 9/2020.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Ảnh hưởng tỷ lệ mol TiO2:SiO2: Vật liệu TiO2-SiO2 với tỷ lệ mol TiO2:SiO2 = 95:5 cho hiệu suất phân hủy phenol cao nhất, đạt 61% sau 4 giờ chiếu sáng, tăng 20% so với TiO2 tinh khiết (41%). Diện tích bề mặt riêng tăng từ 64,61 m²/g (TiO2) lên 170,93 m²/g (TS05), giúp tăng khả năng hấp phụ phenol và tiếp xúc với ánh sáng.

  2. Ảnh hưởng tỷ lệ mol TiO2:PEG: Tỷ lệ mol TiO2:PEG = 1:0,2 tối ưu cho hiệu suất phân hủy phenol đạt 61%, cao hơn đáng kể so với các tỷ lệ khác (48% với 1:0,1 và 36% với 1:0,05). PEG giúp cải thiện phân tán hạt và tăng diện tích bề mặt riêng.

  3. Ảnh hưởng tỷ lệ mol TiO2:H2O: Tỷ lệ mol TiO2:H2O = 1:10 cho hiệu suất phân hủy phenol cao nhất, đạt 61%, trong khi tỷ lệ 1:4 và 1:8 chỉ đạt 33% và 45%. Quá trình thủy phân TEOS diễn ra hiệu quả hơn ở tỷ lệ này, tạo ra cấu trúc vật liệu phù hợp.

  4. Ảnh hưởng tỷ lệ mol TiO2:AcAc: Tỷ lệ mol TiO2:AcAc = 1:1 cho hiệu suất phân hủy phenol cao nhất (61%), trong khi các tỷ lệ khác thấp hơn đáng kể (48% với 1:0,75 và 36% với 1:0,5). Acetyl acetone điều chỉnh quá trình thủy phân titanium n-butoxide, giúp tạo hạt TiO2 kích thước nhỏ và phân bố đồng đều.

  5. Ảnh hưởng nhiệt độ nung: Nung vật liệu ở 500°C cho hiệu suất phân hủy phenol cao nhất (61%), trong khi nung ở 400°C và 550°C chỉ đạt 35% và 53%. Nhiệt độ nung ảnh hưởng đến kích thước hạt và độ tinh thể của vật liệu.

  6. Ảnh hưởng hàm lượng Ag: Vật liệu Ag-TiO2-SiO2 với 3% mol Ag:TiO2 đạt hiệu suất phân hủy phenol cao nhất, lên đến 76% sau 4 giờ chiếu sáng, tăng 15% so với vật liệu không pha Ag. Bandgap giảm từ 3,12 eV (TS05) xuống 2,34 eV (3%Ag-TS05), cho thấy hiệu ứng plasmon bề mặt của Ag mở rộng vùng hấp thụ ánh sáng.

Thảo luận kết quả

Các kết quả cho thấy việc pha tạp SiO2 và PEG vào TiO2 giúp tăng diện tích bề mặt riêng, cải thiện khả năng hấp phụ và phân tán hạt, từ đó nâng cao hiệu suất quang xúc tác. Tỷ lệ mol TiO2:SiO2 và TiO2:PEG được tối ưu ở mức 95:5 và 1:0,2 tương ứng, phù hợp với cấu trúc vật liệu có diện tích bề mặt lớn và kích thước hạt nhỏ (~5 nm). Quá trình thủy phân TEOS và titanium n-butoxide được điều chỉnh hiệu quả nhờ AcAc và lượng nước thích hợp, tạo điều kiện cho sự hình thành cấu trúc vật liệu ổn định và hoạt tính cao. Nhiệt độ nung 500°C là điểm cân bằng giữa độ tinh thể và kích thước hạt, tránh hiện tượng kết tụ hạt làm giảm diện tích bề mặt. Việc pha tạp Ag làm giảm bandgap vật liệu, mở rộng vùng hấp thụ ánh sáng nhìn thấy nhờ hiệu ứng plasmon bề mặt, đồng thời tăng khả năng phân tách electron-lỗ trống, giảm tái kết hợp, từ đó nâng cao hiệu suất phân hủy phenol lên 76%. Kết quả này phù hợp với các nghiên cứu trước đây về vật liệu TiO2-SiO2 và Ag-TiO2, đồng thời khẳng định hiệu quả của việc điều chỉnh các thông số tổng hợp để tối ưu hóa hoạt tính quang xúc tác. Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ so sánh hiệu suất phân hủy phenol theo tỷ lệ mol và nhiệt độ nung, cũng như bảng tổng hợp bandgap và diện tích bề mặt riêng của các mẫu vật liệu.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tối ưu hóa quy trình tổng hợp: Áp dụng tỷ lệ mol TiO2:SiO2 = 95:5, TiO2:PEG = 1:0,2, TiO2:H2O = 1:10, TiO2:AcAc = 1:1 và nung vật liệu ở 500°C để đảm bảo hiệu suất quang xúc tác cao nhất. Thời gian thực hiện trong vòng 3 tháng, do phòng thí nghiệm hóa học vật liệu chịu trách nhiệm.

  2. Pha tạp Ag với hàm lượng 3% mol: Để nâng cao hiệu quả phân hủy phenol, khuyến nghị pha tạp Ag ở mức 3% mol trên TiO2. Chủ thể thực hiện là nhóm nghiên cứu công nghệ vật liệu, thời gian 1 tháng để hoàn thiện quy trình.

  3. Ứng dụng trong xử lý nước thải: Đề xuất triển khai thử nghiệm quy mô pilot tại các nhà máy xử lý nước thải công nghiệp có chứa phenol, nhằm đánh giá hiệu quả thực tế và khả năng mở rộng công nghệ. Thời gian thử nghiệm dự kiến 6 tháng, phối hợp với các đơn vị xử lý môi trường.

  4. Nghiên cứu mở rộng pha tạp kim loại khác: Khuyến nghị nghiên cứu pha tạp các kim loại khác như Cu, Zn để so sánh hiệu quả quang xúc tác, nhằm tìm ra vật liệu có hiệu suất và chi phí tối ưu hơn. Thời gian nghiên cứu 12 tháng, do các viện nghiên cứu chuyên sâu thực hiện.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật hóa học, vật liệu: Luận văn cung cấp kiến thức chuyên sâu về tổng hợp và khảo sát vật liệu quang xúc tác nano, giúp nâng cao hiểu biết và phát triển đề tài nghiên cứu mới.

  2. Doanh nghiệp xử lý môi trường: Các công ty xử lý nước thải có thể ứng dụng kết quả nghiên cứu để cải tiến công nghệ xử lý phenol, nâng cao hiệu quả và giảm chi phí vận hành.

  3. Cơ quan quản lý môi trường: Tham khảo để xây dựng chính sách, tiêu chuẩn kỹ thuật về xử lý nước thải công nghiệp, đặc biệt là các chất ô nhiễm hữu cơ khó phân hủy.

  4. Nhà sản xuất vật liệu xúc tác: Hướng dẫn quy trình tổng hợp vật liệu TiO2-SiO2 pha tạp Ag với hiệu suất cao, giúp phát triển sản phẩm mới phục vụ ngành công nghiệp môi trường.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao cần pha tạp SiO2 vào TiO2?
    SiO2 giúp tăng diện tích bề mặt riêng và ổn định cấu trúc vật liệu, giảm hiện tượng kết tụ hạt, từ đó nâng cao hiệu quả quang xúc tác. Ví dụ, diện tích bề mặt riêng tăng từ 64,61 m²/g lên 170,93 m²/g khi thêm 5% mol SiO2.

  2. Vai trò của Ag trong vật liệu quang xúc tác là gì?
    Ag tạo hiệu ứng plasmon bề mặt, mở rộng vùng hấp thụ ánh sáng sang vùng nhìn thấy và tăng khả năng phân tách electron-lỗ trống, giúp tăng hiệu suất phân hủy phenol lên 76% so với 61% của vật liệu không pha Ag.

  3. Nhiệt độ nung ảnh hưởng thế nào đến hoạt tính quang xúc tác?
    Nung ở 500°C giúp tăng độ tinh thể và giữ kích thước hạt nhỏ (~5 nm), tối ưu hiệu suất phân hủy phenol. Nung thấp hơn hoặc cao hơn làm giảm hiệu quả do cấu trúc không ổn định hoặc kết tụ hạt.

  4. Phương pháp sol-gel có ưu điểm gì trong tổng hợp vật liệu?
    Phương pháp sol-gel cho phép kiểm soát tốt kích thước hạt, phân bố thành phần và cấu trúc vật liệu, đồng thời dễ dàng pha tạp các thành phần khác nhau như SiO2, Ag để tối ưu hóa tính chất quang xúc tác.

  5. Hiệu suất phân hủy phenol được đánh giá như thế nào?
    Hiệu suất được đo bằng tỷ lệ phần trăm phenol bị phân hủy sau 4 giờ chiếu sáng mô phỏng ánh sáng mặt trời, sử dụng phổ hấp thụ UV-Vis tại bước sóng 510 nm để xác định nồng độ phenol còn lại.

Kết luận

  • Vật liệu TiO2-SiO2 với tỷ lệ mol TiO2:SiO2 = 95:5 và các điều kiện tổng hợp tối ưu cho hiệu suất phân hủy phenol đạt 61% sau 4 giờ chiếu sáng.
  • Pha tạp Ag ở 3% mol trên TiO2-SiO2 làm giảm bandgap xuống 2,34 eV, nâng cao hiệu suất phân hủy phenol lên 76%.
  • Nhiệt độ nung 500°C là điều kiện tối ưu để duy trì cấu trúc anatase và kích thước hạt nhỏ, đảm bảo hoạt tính quang xúc tác cao.
  • Các yếu tố như tỷ lệ mol PEG, nước và acetyl acetone ảnh hưởng đáng kể đến cấu trúc và hiệu suất vật liệu.
  • Nghiên cứu mở ra hướng phát triển vật liệu quang xúc tác hiệu quả cho xử lý ô nhiễm phenol, đề xuất ứng dụng thực tế và nghiên cứu pha tạp kim loại khác trong tương lai.

Hành động tiếp theo: Triển khai thử nghiệm quy mô pilot tại các nhà máy xử lý nước thải và nghiên cứu mở rộng pha tạp kim loại khác để nâng cao hiệu quả và tính ứng dụng của vật liệu.