Tổng quan nghiên cứu

Xanh methylene (MB) là một loại thuốc nhuộm bazơ cation được sử dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp dệt nhuộm, y học và hóa học. Mặc dù có độc tính thấp hơn nhiều so với các thuốc nhuộm khác, MB vẫn gây ra các tác động tiêu cực đến sức khỏe con người và môi trường khi thải ra nguồn nước. Theo ước tính, hàng năm có khoảng 70.000 tấn thuốc nhuộm được sản xuất trên toàn cầu, trong đó 20-30% lượng này bị thải ra môi trường dưới dạng nước thải công nghiệp, gây ô nhiễm nghiêm trọng. MB là chất khó phân hủy, gây mất mỹ quan và ảnh hưởng xấu đến hệ sinh thái thủy sinh.

Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là chế tạo vật liệu nano TiO2 bằng phương pháp điện hóa đơn giản, hiệu quả, nhằm ứng dụng trong xử lý quang xúc tác phân hủy xanh methylene trong môi trường nước. Nghiên cứu tập trung vào việc khảo sát đặc trưng cấu trúc, hình thái học bề mặt và tính chất quang của vật liệu TiO2, đồng thời đánh giá hiệu quả xử lý MB qua các điều kiện khác nhau như pH, khối lượng vật liệu xúc tác và nồng độ ban đầu của MB. Phạm vi nghiên cứu thực hiện tại Trường Đại học Khoa học, Đại học Thái Nguyên trong năm 2018.

Ý nghĩa của nghiên cứu nằm ở việc phát triển một phương pháp chế tạo vật liệu TiO2 nano có thể sản xuất nhanh, chi phí thấp, dễ kiểm soát và có khả năng tái sử dụng, góp phần nâng cao hiệu quả xử lý ô nhiễm thuốc nhuộm trong nước thải công nghiệp, bảo vệ môi trường và sức khỏe cộng đồng.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

  • Hiệu ứng quang xúc tác của TiO2: Khi TiO2 được kích thích bởi ánh sáng có năng lượng photon lớn hơn hoặc bằng năng lượng vùng cấm (Eg), các electron trong vùng hóa trị được kích thích lên vùng dẫn tạo ra cặp electron-lỗ trống. Các cặp này di chuyển đến bề mặt vật liệu và tham gia phản ứng oxi hóa-khử, phân hủy các chất hữu cơ thành CO2 và H2O.

  • Cấu trúc tinh thể của TiO2: TiO2 tồn tại chủ yếu dưới ba dạng tinh thể là anatase, rutile và brookite. Trong đó, pha anatase có hoạt tính quang xúc tác mạnh nhất do cấu trúc vùng năng lượng đặc biệt, với độ rộng vùng cấm khoảng 3,2 eV.

  • Phương pháp điện hóa chế tạo TiO2 nano: Dựa trên quá trình oxi hóa - khử tại bề mặt điện cực titan trong dung dịch điện ly, tạo ra các hạt nano TiO2 có kích thước và cấu trúc có thể điều chỉnh bằng cách thay đổi các thông số như điện thế phân cực, nồng độ dung dịch điện ly và nhiệt độ.

Các khái niệm chính bao gồm: quang xúc tác, vùng cấm năng lượng, electron và lỗ trống, cấu trúc anatase của TiO2, và phương pháp điện hóa.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu thu thập từ các thí nghiệm chế tạo và khảo sát vật liệu TiO2 nano tại phòng thí nghiệm Vật lý - Lý sinh y học và Dược, Trường Đại học Khoa học, Đại học Thái Nguyên.

  • Cỡ mẫu: Vật liệu TiO2 được chế tạo bằng phương pháp điện hóa sử dụng hai thanh titan tinh khiết 99,7%, với dung dịch điện ly NH4NO3 ở các nồng độ 0,5M, 1M và 1,5M.

  • Phương pháp chọn mẫu: Lựa chọn phương pháp điện hóa do ưu điểm đơn giản, chi phí thấp, thời gian phản ứng ngắn và khả năng kiểm soát kích thước hạt.

  • Phương pháp phân tích: Sử dụng các kỹ thuật hiện đại như nhiễu xạ tia X (XRD) để xác định cấu trúc tinh thể, phổ tán xạ Raman để khảo sát cấu trúc phân tử, hiển vi điện tử quét (SEM) và truyền qua (TEM) để quan sát hình thái học bề mặt và kích thước hạt, phổ hấp thụ UV-Vis để đánh giá tính chất quang và hiệu quả phân hủy MB.

  • Timeline nghiên cứu: Quá trình chế tạo vật liệu kéo dài 1 giờ cho mỗi mẫu, sau đó sấy khô 24 giờ và ủ nhiệt ở 450°C trong 1 giờ. Các thí nghiệm xử lý MB được thực hiện trong khoảng thời gian chiếu xạ 180 phút với các điều kiện pH, khối lượng xúc tác và nồng độ MB khác nhau.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Ảnh hưởng của điện thế phân cực đến quá trình anot hóa Ti: Khi tăng điện thế phân cực từ 0 đến 25 V, dòng điện ổn định trong khoảng 1,7 đến 2 A, tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình bóc tách điện cực và hình thành hạt nano TiO2. Kích thước hạt thu được khoảng 7 nm, phù hợp với mục tiêu nghiên cứu.

  2. Cấu trúc tinh thể và hình thái học: Kết quả XRD cho thấy vật liệu TiO2 chế tạo bằng phương pháp điện hóa chủ yếu ở pha anatase với các đỉnh đặc trưng tại các góc 2θ tương ứng. Mẫu T45 (ủ ở 450°C) có kích thước tinh thể trung bình khoảng 15 nm, tăng so với mẫu T0 chưa ủ. SEM và TEM cho thấy bề mặt vật liệu có dạng hạt mịn, phân bố đồng đều, không bị kết tụ nhiều.

  3. Tính chất quang và hiệu quả quang xúc tác: Phổ hấp thụ UV-Vis của vật liệu T45 cho thấy bước sóng hấp thụ cực đại ở khoảng 388 nm, phù hợp với vùng tử ngoại. Hiệu suất phân hủy MB đạt khoảng 85% sau 180 phút chiếu xạ UV ở pH = 7, với khối lượng xúc tác 0,1 g và nồng độ MB ban đầu 10 mg/L. So sánh với vật liệu TiO2 thương mại P25, hiệu suất của T45 tương đương, chứng tỏ vật liệu chế tạo có khả năng quang xúc tác cao.

  4. Ảnh hưởng của các yếu tố môi trường: pH ảnh hưởng rõ rệt đến hiệu quả phân hủy MB, với pH trung tính và hơi kiềm (pH 7-8) là điều kiện tối ưu. Tăng khối lượng vật liệu xúc tác từ 0,05 g đến 0,15 g làm tăng hiệu suất phân hủy từ 60% lên 90%. Nồng độ MB ban đầu tăng từ 5 mg/L đến 20 mg/L làm giảm hiệu suất phân hủy do bão hòa bề mặt xúc tác.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân hiệu quả quang xúc tác cao của vật liệu TiO2 chế tạo bằng phương pháp điện hóa là do kích thước hạt nano nhỏ, cấu trúc anatase ổn định và bề mặt có diện tích lớn, tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình hấp phụ và phản ứng oxi hóa-khử. So với các nghiên cứu trước sử dụng phương pháp sol-gel hoặc thủy nhiệt, phương pháp điện hóa cho phép chế tạo nhanh, chi phí thấp và dễ kiểm soát kích thước hạt.

Biểu đồ thể hiện hiệu suất phân hủy MB theo thời gian chiếu xạ UV cho thấy sự tăng dần hiệu suất, đạt đỉnh sau 180 phút. Bảng so sánh hiệu suất phân hủy MB giữa các mẫu T0, T45 và P25 minh chứng cho sự cải thiện rõ rệt sau quá trình ủ nhiệt.

Kết quả phù hợp với các nghiên cứu trong nước và quốc tế về ứng dụng TiO2 trong xử lý ô nhiễm thuốc nhuộm, đồng thời mở ra hướng đi mới cho việc sản xuất vật liệu quang xúc tác quy mô lớn, thân thiện môi trường.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tăng cường nghiên cứu tối ưu hóa điều kiện chế tạo: Điều chỉnh điện thế phân cực, nồng độ dung dịch điện ly và thời gian điện phân để nâng cao chất lượng vật liệu TiO2, hướng tới kích thước hạt đồng đều và hoạt tính quang xúc tác cao hơn. Thời gian thực hiện: 6-12 tháng, chủ thể: nhóm nghiên cứu vật liệu.

  2. Phát triển quy trình sản xuất quy mô lớn: Áp dụng phương pháp điện hóa với thiết bị tự chế đơn giản, chi phí thấp để sản xuất vật liệu TiO2 nano phục vụ xử lý nước thải công nghiệp. Thời gian: 1-2 năm, chủ thể: doanh nghiệp công nghệ môi trường.

  3. Ứng dụng thử nghiệm trong xử lý nước thải thực tế: Thử nghiệm hiệu quả xử lý xanh methylene và các chất ô nhiễm hữu cơ khác trong nước thải công nghiệp tại các nhà máy dệt nhuộm, đánh giá khả năng tái sử dụng vật liệu. Thời gian: 12 tháng, chủ thể: các trung tâm nghiên cứu môi trường và nhà máy.

  4. Nâng cao nhận thức và đào tạo kỹ thuật: Tổ chức các khóa đào tạo về công nghệ quang xúc tác và phương pháp điện hóa cho cán bộ kỹ thuật và sinh viên, nhằm phổ biến công nghệ và thúc đẩy ứng dụng rộng rãi. Thời gian: liên tục, chủ thể: các trường đại học và viện nghiên cứu.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Vật lý, Hóa học và Môi trường: Nghiên cứu về vật liệu nano, quang xúc tác và công nghệ xử lý ô nhiễm nước, có thể áp dụng phương pháp điện hóa trong chế tạo vật liệu.

  2. Doanh nghiệp công nghệ môi trường và xử lý nước thải: Tìm hiểu công nghệ mới, chi phí thấp để ứng dụng trong xử lý nước thải chứa thuốc nhuộm và các chất hữu cơ độc hại.

  3. Cơ quan quản lý môi trường và chính sách: Đánh giá các giải pháp công nghệ thân thiện môi trường, hỗ trợ xây dựng chính sách xử lý nước thải công nghiệp hiệu quả.

  4. Giảng viên và nhà đào tạo: Sử dụng luận văn làm tài liệu tham khảo giảng dạy về vật liệu quang xúc tác, công nghệ nano và ứng dụng trong xử lý môi trường.

Câu hỏi thường gặp

  1. Phương pháp điện hóa có ưu điểm gì so với các phương pháp khác trong chế tạo TiO2 nano?
    Phương pháp điện hóa đơn giản, chi phí thấp, thời gian phản ứng ngắn và dễ kiểm soát kích thước hạt. Ngoài ra, vật liệu thu được có độ tinh khiết cao và có thể sản xuất quy mô lớn.

  2. Tại sao chọn pha anatase của TiO2 để làm vật liệu quang xúc tác?
    Pha anatase có độ rộng vùng cấm khoảng 3,2 eV, tạo ra các cặp electron-lỗ trống hiệu quả hơn, dẫn đến khả năng quang xúc tác mạnh hơn so với pha rutile hay brookite.

  3. Các yếu tố nào ảnh hưởng đến hiệu quả phân hủy xanh methylene bằng TiO2?
    Các yếu tố chính gồm pH dung dịch, khối lượng vật liệu xúc tác, nồng độ ban đầu của MB và thời gian chiếu xạ. pH trung tính đến hơi kiềm và khối lượng xúc tác vừa phải cho hiệu quả tốt nhất.

  4. Vật liệu TiO2 chế tạo bằng phương pháp điện hóa có thể tái sử dụng không?
    Có thể tái sử dụng nhiều lần sau khi rửa sạch và sấy khô, giữ được hiệu suất quang xúc tác ổn định, giúp giảm chi phí vận hành.

  5. Phương pháp quang xúc tác có thể ứng dụng xử lý các chất ô nhiễm khác ngoài xanh methylene không?
    Có, TiO2 quang xúc tác có khả năng phân hủy nhiều hợp chất hữu cơ độc hại như thuốc trừ sâu, các chất màu khác và các hợp chất hữu cơ khó phân hủy trong nước thải.

Kết luận

  • Đã chế tạo thành công vật liệu nano TiO2 dạng hạt bằng phương pháp điện hóa với kích thước hạt khoảng 7-15 nm, chủ yếu ở pha anatase.
  • Vật liệu TiO2 thu được có tính chất quang xúc tác tốt, hiệu quả phân hủy xanh methylene đạt khoảng 85% sau 180 phút chiếu xạ UV.
  • Các yếu tố như pH, khối lượng xúc tác và nồng độ MB ảnh hưởng rõ rệt đến hiệu suất xử lý, với điều kiện tối ưu là pH 7-8 và khối lượng xúc tác 0,1 g.
  • Phương pháp điện hóa cho phép chế tạo vật liệu nhanh, chi phí thấp, dễ kiểm soát và có khả năng sản xuất quy mô lớn.
  • Đề xuất tiếp tục nghiên cứu tối ưu quy trình chế tạo, mở rộng ứng dụng xử lý nước thải thực tế và đào tạo kỹ thuật cho cán bộ chuyên môn.

Luận văn mở ra hướng phát triển công nghệ quang xúc tác thân thiện môi trường, hiệu quả và kinh tế, góp phần nâng cao chất lượng xử lý nước thải công nghiệp. Các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp được khuyến khích áp dụng và phát triển tiếp công nghệ này.