Tổng quan nghiên cứu

Sự gia tăng nhanh chóng của các ngành công nghiệp hóa chất, dược phẩm và sản xuất nhựa đã thải ra môi trường nước lượng lớn hợp chất hữu cơ khó phân hủy. Điển hình trong số đó là Bisphenol-A (BPA) với sản lượng tiêu thụ toàn cầu vượt 2,7 triệu tấn mỗi năm. BPA là chất gây rối loạn nội tiết nghiêm trọng ngay cả ở nồng độ cực thấp dưới 1 mg/L, đe dọa trực tiếp đến hệ sinh thái và sức khỏe con người. Các phương pháp xử lý truyền thống như hấp phụ, sinh học hay keo tụ bộc lộ nhiều hạn chế về thời gian xử lý kéo dài và phát sinh bùn thải thứ cấp. Quá trình oxy hóa nâng cao dựa trên gốc sulfate (SR-AOPs) sử dụng peroxymonosulfate (PMS) nổi lên như giải pháp đột phá nhờ thế oxy hóa cao từ 2,5 đến 3,1 V cùng khả năng phân hủy triệt để các cấu trúc vòng thơm bền vững.

Vật liệu ferrite spinel CoFe2O4 (CFO) sở hữu hoạt tính kích hoạt PMS mạnh mẽ và có từ tính thuận tiện cho việc thu hồi. Tuy nhiên, CFO nguyên bản thường gặp nhược điểm kết tụ hạt do năng lượng bề mặt cao và nguy cơ hòa tan ion cobalt độc hại vào nguồn nước. Luận văn thạc sĩ chuyên ngành Kỹ thuật Hóa học của học viên Lê Phạm Ngọc My, thực hiện dưới sự hướng dẫn của PGS. Lê Minh Viễn tại Trường Đại học Bách Khoa - ĐHQG TP.HCM, đặt mục tiêu tổng hợp thành công hệ vật liệu composite CoFe2O4/ZnO (CFZ) nhằm tạo tiếp xúc dị thể p-n, tăng cường độ phân tán và tối ưu hóa hiệu quả hoạt hóa PMS. Nghiên cứu được triển khai thực nghiệm từ tháng 9/2022 đến tháng 7/2023, hướng đến mục tiêu loại bỏ trên 90% nồng độ BPA trong 20 phút và ức chế tối đa sự rò rỉ ion cobalt. Công trình mang ý nghĩa khoa học và thực tiễn to lớn khi nâng tốc độ phản ứng phân hủy lên gấp hơn 3 lần so với CFO đơn lẻ, cung cấp giải pháp xử lý nước thải công nghiệp an toàn và có thể thu hồi tái sử dụng bằng từ trường ngoài trong vòng 60 giây.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng trên ba trụ cột lý thuyết chuyên sâu: lý thuyết cấu trúc vật liệu spinel ferrite, lý thuyết quá trình oxy hóa nâng cao dựa trên gốc sulfate (SR-AOPs) và lý thuyết tiếp xúc dị thể bán dẫn p-n.

Cấu trúc spinel đảo của CoFe2O4 chứa các ion Co2+ và Fe3+ phân bố xen kẽ tại các hốc bát diện và tứ diện, hình thành chu trình oxy hóa khử khép kín giữa cặp Co3+/Co2+ (thế khử chuẩn 1,82 V) và Fe3+/Fe2+, tạo điều kiện phân cắt liên kết O-O bất đối xứng của phân tử PMS để sinh ra các gốc hoạt tính. Lý thuyết SR-AOPs chỉ ra rằng gốc sulfate (SO4•-) sở hữu thế oxy hóa 2,5 - 3,1 V, thời gian bán hủy dài 30 - 40 µs (vượt trội hơn thời gian dưới 1 µs của gốc hydroxyl •OH), giúp duy trì khả năng truyền khối ổn định trong dải pH rộng từ 3 đến 9.

Khi kết hợp CFO (bán dẫn loại p) với ZnO (bán dẫn loại n), tiếp xúc dị thể p-n hình thành một điện trường nội tại tại mặt phân giới, sinh ra đồng thời tâm giàu điện tử giúp khử PMS tạo gốc tự do và tâm thiếu điện tử thúc đẩy sản sinh oxy nhóm đơn (1O2). Động học quá trình phân hủy được mô hình hóa theo phương trình động học bậc nhất giả Langmuir-Hinshelwood.

Phương pháp nghiên cứu

Quy trình thực nghiệm được tiến hành qua phương pháp thủy nhiệt có kiểm soát nghiêm ngặt. Tiền chất CoCl2.6H2O và FeCl3.6H2O theo tỷ lệ mol 1:2 được thủy nhiệt ở 200 °C trong các khoảng thời gian 6, 8 và 10 giờ để khảo sát pha tinh thể CFO tối ưu. Tiếp đó, composite CFZ được chế tạo bằng cách phân tán CFO vào hệ dung dịch tiền chất kẽm nitrate và NaOH, thủy nhiệt ở 170 °C trong 10 giờ với 4 tỷ lệ khối lượng CFO:ZnO khảo sát là 2:1, 1:1, 1:2 và 1:4.

Đặc trưng hóa lý của vật liệu được phân tích toàn diện qua:

  • Nhiễu xạ tia X (XRD bước sóng 0,154184 nm) xác định pha tinh thể và tính kích thước hạt theo phương pháp Scherrer và Halder-Wagner.
  • Quang phổ Raman nguồn laser 532 nm khảo sát các chế độ dao động mạng.
  • Từ kế mẫu rung (VSM dải từ trường -0,8 đến 0,8 T) đo đường cong từ trễ ở 30 °C.
  • Kính hiển vi điện tử quét phát xạ trường (FE-SEM) và phổ tán xạ năng lượng tia X (EDX, EDX-mapping) đánh giá hình thái học và phân bố nguyên tố.
  • Đẳng nhiệt hấp phụ giải hấp N2 (BET/BJH) đo diện tích bề mặt và kích thước lỗ xốp.
  • Tán xạ ánh sáng động (DLS) và đo điện thế Zeta xác định đường kính thủy động và điểm đẳng điện pHPZC.

Cỡ mẫu đánh giá xúc tác được chuẩn hóa ở thể tích 200 mL dung dịch BPA nồng độ 20 mg/L, liều lượng xúc tác 0,5 g/L và hàm lượng PMS 0,1 g/L. Phương pháp chọn mẫu lấy định kỳ 5 mL qua màng lọc nylon 0,45 µm theo các mốc thời gian 5, 10, 15, 20 phút đảm bảo loại bỏ hoàn toàn hạt xúc tác trước khi đo. Nồng độ BPA được định lượng chuẩn xác bằng phương pháp quang phổ UV-Vis ở bước sóng 270 nm và sắc ký lỏng hiệu năng cao HPLC cột C18 (pha động acetonitrile:nước tỷ lệ 60:40). Nồng độ ion cobalt hòa tan được kiểm tra chính xác bằng quang phổ hấp thu nguyên tử AAS. Việc lựa chọn tổ hợp phương pháp phân tích này giúp đảm bảo độ tin cậy cao, độ lặp lại tốt và theo dõi sát sao cơ chế phản ứng ở cấp độ phân tử.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Thứ nhất, phân tích cấu trúc XRD và Raman chứng minh mẫu CFO thủy nhiệt 8 giờ (CFO8) đạt độ tinh thể hóa đơn pha lập phương hoàn hảo với kích thước tinh thể 10,20 nm, diện tích bề mặt riêng BET đạt 60,70 m2/g và đường kính lỗ xốp trung bình 22,26 nm. Vật liệu composite CFZ 1:1 kết hợp thành công giữa các hạt cầu CFO và thanh nano ZnO, phân tán đồng đều và duy trì độ từ hóa bão hòa Ms đạt 29,58 emu/g cùng lực kháng từ Hc đạt 621,9 Oe. Nhờ đặc tính sắt từ này, vật liệu CFZ 1:1 tách hoàn toàn khỏi dung dịch trong vòng dưới 60 giây khi áp dụng từ trường ngoài của nam châm N52.

Thứ hai, hệ xúc tác CFZ 1:1/PMS ghi nhận hiệu suất phân hủy BPA vượt bậc, đạt tỷ lệ loại bỏ 95% nồng độ BPA ban đầu (20 mg/L) chỉ trong vòng 20 phút tại pH tự nhiên 6,14. Hằng số tốc độ phản ứng bậc một biểu kiến k đạt 0,219 phút-1, cao gấp 3,17 lần so với khi sử dụng CFO đơn lẻ (k đạt 0,069 phút-1) và vượt trội hơn hẳn mẫu bột ZnO nguyên bản hay hỗn hợp cơ học CFO + ZnO.

Thứ ba, hệ xúc tác thể hiện tính thích ứng môi trường xuất sắc khi duy trì hiệu suất phân hủy trên 90% trong dải pH rộng từ 5,0 đến 9,0. Sự hiện diện của các ion vô cơ phổ biến như HCO3-, CO32-, SO42- ở nồng độ 2 mM hầu như không làm suy giảm hoạt tính. Đáng chú ý, sự có mặt của 2 mM Cl- làm gia tăng rõ rệt tốc độ phân hủy BPA. Hệ CFZ 1:1/PMS cũng phân hủy hiệu quả các chất ô nhiễm khác như Rhodamine B (RhB), Methylene Blue (MB), Sulfamethoxazole (SMX) và Tetracycline (TC) với hiệu suất đều đạt trên 90%.

Thứ tư, nghiên cứu bẫy gốc tự do với ethanol, tert-butanol và furfuryl alcohol kết hợp HPLC khẳng định phản ứng phân hủy diễn ra song song qua con đường gốc tự do (SO4•-, •OH) và phi gốc tự do (1O2), trong đó 1O2 đóng vai trò chủ đạo. Phân tích AAS cho thấy hàm lượng ion cobalt hòa tan trong dung dịch sau xử lý được kiềm chế ở mức cực thấp, chứng minh độ bền liên kết và tính ổn định cấu trúc của composite.

Thảo luận kết quả

Hiệu năng xúc tác vượt trội của CFZ 1:1 có được là nhờ hiệu ứng hiệp đồng mạnh mẽ tại bề mặt tiếp xúc dị thể p-n giữa CFO và ZnO. ZnO đóng vai trò giá mang phân tán các hạt cầu CFO, hạn chế tối đa hiện tượng kết tụ hạt và làm giảm năng lượng bề mặt. Sự chênh lệch thế năng thúc đẩy dòng chuyển dịch điện tử nhanh chóng, làm giàu mật độ nhóm ≡CoOH+ trên bề mặt để hoạt hóa PMS liên tục.

Khi so sánh với các công bố khoa học quốc tế gần đây, tốc độ phân hủy của CFZ 1:1 (k = 0,219 phút-1) cạnh tranh trực tiếp với hệ CFO/CeO2 phân hủy atrazine (k = 0,244 phút-1) và vượt trội hơn nhiều hệ CuFe2O4/PMS (loại bỏ 89% chất ô nhiễm sau 8 giờ). Đặc biệt, ZnO có chi phí thấp và thân thiện với môi trường hơn CeO2 hay Bi2O3, giúp giảm đáng kể giá thành vật liệu.

Để minh họa dữ liệu trực quan trong báo cáo khoa học, động học phản ứng được thể hiện qua đồ thị biểu diễn tương quan tuyến tính giữa -ln(C/C0) theo thời gian t với hệ số R2 > 0,98. Phổ quét UV-Vis theo thời gian từ bước sóng 200 đến 800 nm ghi nhận sự suy giảm liên tục của đỉnh hấp thu cực đại 270 nm đặc trưng cho BPA, trong khi đường cong từ trễ M-H dạng vòng chữ S khẳng định tính chất từ cứng của composite.

Đề xuất và khuyến nghị

Nhằm chuyển hóa các kết quả nghiên cứu trong phòng thí nghiệm thành ứng dụng thực tế, luận văn đưa ra 4 khuyến nghị trọng tâm:

  1. Hoàn thiện quy trình mở rộng quy mô tổng hợp thủy nhiệt composite CFZ từ bình 100 mL lên thiết bị phản ứng pilot 50 - 100 lít, kiểm soát nhiệt độ 170 °C để đạt hiệu suất thu hồi sản phẩm trên 95%, thực hiện bởi nhóm nghiên cứu kỹ thuật vật liệu trong giai đoạn quý 1 đến quý 3 năm 2024.
  2. Ứng dụng tích hợp hệ xúc tác CFZ 1:1/PMS vào module phản ứng dòng chảy liên tục tại các trạm xử lý nước thải công nghiệp dệt nhuộm và dược phẩm, đặt mục tiêu giảm chỉ số COD trên 85% và loại bỏ trên 90% dư lượng kháng sinh trong 45 phút lưu nước, do các đơn vị công nghệ môi trường chủ trì thực hiện từ quý 4 năm 2024 đến năm 2025.
  3. Chế tạo hệ thống thu hồi xúc tác tự động bằng bẫy từ trường vĩnh cửu tích hợp trong đường ống xả thải nhằm đạt tỷ lệ thu hồi vật liệu trên 98% sau mỗi chu kỳ xử lý, hạ thấp chi phí hao hụt vật liệu xuống dưới 10% sau 5 chu kỳ tái sử dụng, do các kỹ sư cơ khí môi trường thiết kế trong năm 2025.
  4. Đánh giá độc tính sinh thái học định kỳ đối với nguồn nước sau phân hủy trên sinh vật chỉ thị như vi tảo Chlorella vulgaris và giáp xác Daphnia magna trong thời gian 6 tháng, đảm bảo triệt tiêu hoàn toàn độc tính nội tiết trước khi thải ra nguồn tiếp nhận loại A.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Luận văn là tài liệu tham khảo giá trị cho 4 nhóm đối tượng chính:

  1. Học viên cao học, nghiên cứu sinh và giảng viên chuyên ngành Kỹ thuật Hóa học, Công nghệ Vật liệu và Kỹ thuật Môi trường: Cung cấp tài liệu thực nghiệm chuẩn xác về tổng hợp vật liệu ferrite spinel từ tính, cơ chế tiếp xúc dị thể p-n và động học phản ứng SR-AOPs nâng cao.
  2. Kỹ sư môi trường và chuyên gia vận hành trạm xử lý nước thải công nghiệp: Tham khảo giải pháp công nghệ oxy hóa nâng cao để xử lý nước thải chứa chất ô nhiễm hữu cơ khó phân hủy với chi phí hóa chất hợp lý và thời gian xử lý nhanh dưới 30 phút.
  3. Doanh nghiệp sản xuất hóa chất, dược phẩm, dệt may và tái chế nhựa: Tiếp cận công nghệ xử lý nước thải chứa hợp chất vòng thơm, phẩm màu và kháng sinh nồng độ cao 20 - 50 mg/L đạt quy chuẩn xả thải an toàn.
  4. Cơ quan quản lý môi trường và viện nghiên cứu độc học: Khai thác cơ sở dữ liệu về sự hòa tan ion kim loại và con đường phân hủy phi gốc tự do 1O2 phục vụ công tác xây dựng tiêu chuẩn kỹ thuật xử lý hóa chất nguy hại.

Câu hỏi thường gặp

Vì sao CoFe2O4 cần được kết hợp với ZnO thay vì sử dụng đơn lẻ?

CoFe2O4 đơn lẻ có năng lượng bề mặt cao nên các hạt nano rất dễ bị kết tụ lại, làm giảm diện tích tiếp xúc với chất phản ứng và dễ hòa tan ion cobalt độc hại. Khi kết hợp với ZnO tạo hệ CFZ 1:1, cấu trúc dị thể p-n được thiết lập giúp các hạt CFO phân tán đều trên thanh ZnO. Điều này vừa tăng tốc độ truyền điện tử giúp tăng tốc độ phân hủy BPA lên gấp 3,17 lần, vừa giữ chặt các ion kim loại trong mạng tinh thể để chống rò rỉ.

Peroxymonosulfate (PMS) có ưu thế gì vượt trội so với H2O2 truyền thống?

PMS có cấu trúc phân tử bất đối xứng với liên kết O-O dài 1,322 Å, cho phép dễ dàng bị hoạt hóa bởi các ion kim loại chuyển tiếp ở điều kiện thường. Gốc sulfate (SO4•-) sinh ra từ PMS sở hữu thế oxy hóa 2,5 - 3,1 V và thời gian bán hủy dài 30 - 40 µs, hoạt động hiệu quả trong dải pH rộng từ 3 đến 9, vượt trội hơn H2O2 vốn chỉ phản ứng tối ưu ở môi trường acid hẹp khoảng pH 3.

Nồng độ muối Cl- trong nước ảnh hưởng như thế nào đến hệ CFZ 1:1/PMS?

Trong nhiều hệ oxy hóa nâng cao, ion Cl- thường đóng vai trò là chất ức chế cạnh tranh gốc tự do. Tuy nhiên, trong hệ CFZ 1:1/PMS, ion Cl- ở nồng độ 2 mM lại phản ứng với gốc SO4•- và HSO5- để sinh ra các gốc oxy hóa clo hoạt tính như Cl• và Cl2•-. Các gốc này thúc đẩy quá trình cắt mạch BPA diễn ra nhanh hơn, giúp hệ thống hoạt động rất tốt trong môi trường nước lợ hoặc nước thải có độ mặn cao.

Hệ xúc tác CFZ 1:1 được thu hồi và tái sinh như thế nào sau phản ứng?

Nhờ giá trị từ hóa bão hòa Ms đạt 29,58 emu/g, vật liệu CFZ 1:1 nhanh chóng bị hút về phía nguồn từ trường khi đặt nam châm N52 bên ngoài thành cốc phản ứng, giúp tách hoàn toàn xúc tác khỏi 200 mL dung dịch trong vòng dưới 60 giây. Bột xúc tác sau đó được rửa sạch bằng nước cất và ethanol rồi sấy chân không ở 60 °C, sẵn sàng tái sử dụng cho các chu kỳ tiếp theo với độ hao hụt hoạt tính không đáng kể.

Cơ chế phân hủy BPA trong hệ CFZ 1:1/PMS diễn ra theo con đường nào?

Thực nghiệm bẫy gốc tự do với ethanol, tert-butanol và furfuryl alcohol kết hợp HPLC khẳng định phản ứng diễn ra đồng thời theo cả hai con đường gốc tự do và phi gốc tự do. Trong đó, oxy nhóm đơn (1O2) sinh ra từ các tâm thiếu điện tử của tiếp xúc dị thể p-n và gốc sulfate (SO4•-) sinh ra từ chu trình Co2+/Co3+ giữ vai trò quyết định, tấn công trực tiếp vào liên kết C-C nối hai vòng thơm của BPA để khoáng hóa thành các chất vô hại.

Kết luận

  • Tổng hợp thành công vật liệu spinel ferrite CoFe2O4 đơn pha tinh khiết với kích thước tinh thể 10,20 nm và diện tích bề mặt riêng 60,70 m2/g bằng phương pháp thủy nhiệt 200 °C trong 8 giờ.
  • Chế tạo hệ composite dị thể p-n CoFe2O4/ZnO tỷ lệ 1:1 có độ phân tán cao, từ tính bão hòa 29,58 emu/g cho phép thu hồi từ tính hoàn toàn trong 60 giây.
  • Đạt hiệu suất loại bỏ 95% nồng độ BPA (20 mg/L) sau 20 phút phản ứng với tốc độ k = 0,219 phút-1, cao gấp 3,17 lần so với CFO nguyên bản.
  • Xác lập cơ chế phân hủy kết hợp giữa gốc tự do SO4•- và phi gốc tự do 1O2, hoạt động bền bỉ trong dải pH 5 - 9 và gia tăng tốc độ khi có mặt ion Cl-.
  • Ức chế hiệu quả hiện tượng hòa tan ion cobalt thứ cấp vào môi trường, đảm bảo độ an toàn và độ bền xúc tác vượt trội.

Trong lộ trình 12 đến 18 tháng tới, các nghiên cứu tiếp nối sẽ tập trung hoàn thiện mô hình phản ứng dòng liên tục và thử nghiệm trên các nguồn nước thải công nghiệp thực tế. Quý doanh nghiệp, nhà khoa học và các đơn vị quan tâm đến giải pháp xử lý nước thải bằng công nghệ oxy hóa nâng cao có thể liên hệ trực tiếp với nhóm tác giả tại Trường Đại học Bách Khoa - ĐHQG TP.HCM để cùng hợp tác, phát triển và chuyển giao công nghệ xử lý môi trường tiên tiến này.