Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh ô nhiễm môi trường ngày càng nghiêm trọng, việc xử lý các chất hữu cơ độc hại trong nước thải công nghiệp, đặc biệt là thuốc nhuộm khó phân hủy như Rhodamin B (RhB), trở thành thách thức lớn. Theo báo cáo của ngành dệt may, lượng nước thải chứa thuốc nhuộm tại Việt Nam gia tăng đáng kể, đòi hỏi các giải pháp xử lý hiệu quả và thân thiện môi trường. Vật liệu xúc tác quang dựa trên TiO2 đã được nghiên cứu rộng rãi nhờ tính năng phân hủy các hợp chất hữu cơ dưới ánh sáng mặt trời, tuy nhiên TiO2 truyền thống có năng lượng vùng cấm lớn (3.2 eV) và hiệu suất quang xúc tác bị hạn chế do tái tổ hợp electron-lỗ trống nhanh.

Luận văn tập trung vào tổng hợp vật liệu tổ hợp nano ba thành phần gồm ống nano TiO2 (TNTs), oxit graphen (GO) và hạt nano bạc (AgNPs) dưới điều kiện chiếu xạ tia Gamma Co60 nhằm nâng cao hoạt tính quang xúc tác và khả năng bền vững của vật liệu. Mục tiêu nghiên cứu là điều chế vật liệu tổ hợp GO-AgNPs-TNTs (GAT), khảo sát đặc trưng vật lý, hóa học và đánh giá hiệu suất phân hủy thuốc nhuộm RhB dưới ánh sáng mặt trời tự nhiên. Nghiên cứu được thực hiện tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG TP. HCM trong năm 2021, với các phân tích chuyên sâu bằng FTIR, XRD, UV-Vis, Raman và SEM. Kết quả nghiên cứu góp phần phát triển vật liệu xúc tác quang hiệu quả, thân thiện môi trường, ứng dụng trong xử lý nước thải công nghiệp và bảo vệ môi trường.

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:

  • Cơ chế quang xúc tác TiO2: Khi được kích thích bởi photon, TiO2 tạo ra cặp electron-lỗ trống trên bề mặt, electron phản ứng với oxy tạo gốc superoxit (•O2−), lỗ trống oxy hóa nước tạo gốc hydroxyl (•OH), các gốc này có khả năng oxy hóa mạnh, phân hủy các hợp chất hữu cơ như thuốc nhuộm RhB.

  • Tính chất và cấu trúc của oxit graphen (GO): GO là vật liệu cacbon dạng tấm với các nhóm chức oxy hóa như hydroxyl, epoxy, carboxyl trên bề mặt, giúp tăng khả năng hòa tan và tương tác với các vật liệu khác, đồng thời giảm tỷ lệ tái tổ hợp electron-lỗ trống khi kết hợp với TiO2.

  • Ảnh hưởng của hạt nano bạc (AgNPs): AgNPs có kích thước nano, diện tích bề mặt lớn, tính kháng khuẩn cao và khả năng tăng cường hoạt tính quang xúc tác khi kết hợp với TiO2 và GO, nhờ khả năng tạo bẫy electron, giảm tái tổ hợp.

  • Phương pháp chiếu xạ Gamma: Sử dụng tia Gamma Co60 để kích hoạt phản ứng tổng hợp vật liệu nano, tạo liên kết bền vững giữa các thành phần vật liệu, đồng thời kiểm soát kích thước hạt và cấu trúc vật liệu.

Các khái niệm chính bao gồm: electron-lỗ trống, gốc hydroxyl (•OH), gốc superoxit (•O2−), band-gap TiO2, hiệu suất quang xúc tác, vật liệu tổ hợp nano.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Vật liệu GO được tổng hợp bằng phương pháp Hummers cải tiến; TNTs được tổng hợp từ bột TiO2 anatase qua quá trình thủy nhiệt và xử lý hóa học; AgNPs được tổng hợp bằng phương pháp khử hóa học sử dụng NaBH4 và PEG làm chất bảo vệ.

  • Tổng hợp vật liệu tổ hợp: Các vật liệu GO, TNTs và AgNPs được phối trộn theo tỷ lệ khối lượng GO:AgNPs:TNTs = 2:2:1, phân tán trong dung môi nước khử ion hoặc dung môi chứa Polyethylene Glycol (PEG) 0.1%, sau đó chiếu xạ tia Gamma Co60 với liều 5 kGy và 15 kGy để tạo vật liệu tổ hợp GAT.

  • Phân tích đặc trưng: Sử dụng các kỹ thuật FTIR, UV-Vis, Raman, XRD để xác định nhóm chức, cấu trúc tinh thể, phổ hấp thu và khuyết tật bề mặt vật liệu. SEM được dùng để quan sát hình thái và phân bố kích thước hạt nano. ICP-MS được áp dụng để định lượng thành phần vật liệu trong tổ hợp.

  • Đánh giá hoạt tính quang xúc tác: Thực hiện phân hủy thuốc nhuộm RhB 10 ppm dưới ánh sáng mặt trời tự nhiên, sử dụng 2 mg vật liệu trong 5 mL dung dịch RhB, khuấy trong 60 phút, đo nồng độ RhB còn lại bằng UV-Vis. So sánh hiệu suất phân hủy giữa vật liệu tổ hợp và các thành phần riêng lẻ.

  • Timeline nghiên cứu: Tổng hợp và phân tích vật liệu từ tháng 2 đến tháng 6 năm 2021, đánh giá hoạt tính quang xúc tác và hoàn thiện luận văn trong tháng 7-8 năm 2021.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Tổng hợp thành công vật liệu GO: Phổ FTIR cho thấy sự xuất hiện các nhóm chức O−H (3416 cm⁻¹), C=O (1718 cm⁻¹), C−O (1065 cm⁻¹) đặc trưng của GO, khác biệt rõ so với graphit. Phổ UV-Vis ghi nhận mũi hấp thu ở 231 nm và 330 nm, chứng tỏ sự chuyển dịch liên kết π→π*. Tỷ lệ cường độ dải D và G trong phổ Raman (ID/IG = 0.918) cao hơn graphit (0.285), cho thấy bề mặt GO gồ ghề do nhóm chức oxy hóa. XRD xác định khoảng cách giữa các lớp GO là 8.34 Å, lớn hơn graphit (3.36 Å), minh chứng cho sự oxy hóa và tách lớp thành công.

  2. Tổng hợp ống nano TiO2 (TNTs): Qua quá trình thủy nhiệt và xử lý hóa học, TNTs có diện tích bề mặt riêng khoảng 418.3 m²/g, gấp 5 lần so với TiO2 tiền chất (74 m²/g). XRD và Raman xác nhận pha anatase ổn định, SEM cho thấy cấu trúc ống nano đồng nhất, kích thước đường kính trong khoảng nano.

  3. Tổng hợp hạt nano bạc (AgNPs): Phổ UV-Vis ghi nhận mũi hấp thu đặc trưng ở vùng 400-450 nm, kích thước hạt trung bình khoảng 4.3 nm. PEG đóng vai trò chất bảo vệ hiệu quả, ngăn ngừa kết tụ hạt nano bạc.

  4. Vật liệu tổ hợp GAT dưới chiếu xạ Gamma: Liều chiếu xạ 5 kGy và 15 kGy làm tăng cường liên kết giữa GO, TNTs và AgNPs, thể hiện qua sự thay đổi phổ FTIR, UV-Vis và Raman. Hiệu suất phân hủy RhB của GAT đạt trên 85% sau 60 phút chiếu sáng, cao hơn đáng kể so với các vật liệu đơn lẻ (GO ~30%, TNTs ~50%, AgNPs ~40%). Môi trường PEG giúp tăng khả năng gắn kết và ổn định vật liệu tổ hợp, nâng cao hiệu suất quang xúc tác khoảng 10% so với môi trường nước khử ion.

Thảo luận kết quả

Hiệu quả phân hủy RhB cao của vật liệu tổ hợp GAT được giải thích bởi sự phối hợp ưu điểm của từng thành phần: GO làm giá đỡ tăng diện tích bề mặt và giảm tái tổ hợp electron-lỗ trống; TNTs cung cấp hoạt tính quang xúc tác mạnh mẽ nhờ cấu trúc ống nano; AgNPs tạo bẫy electron, tăng khả năng kháng khuẩn và xúc tác. Chiếu xạ Gamma giúp tạo liên kết bền vững giữa các thành phần, cải thiện tính ổn định và hoạt tính quang xúc tác. Kết quả phù hợp với các nghiên cứu gần đây về vật liệu composite nano TiO2-graphen và nano bạc, đồng thời mở rộng ứng dụng trong xử lý nước thải công nghiệp. Biểu đồ so sánh hiệu suất phân hủy RhB giữa các mẫu vật liệu thể hiện rõ sự vượt trội của GAT, đặc biệt ở liều chiếu xạ 15 kGy trong môi trường PEG.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tăng cường nghiên cứu tối ưu liều chiếu xạ Gamma: Đề xuất khảo sát thêm các mức liều khác nhau để xác định điều kiện tối ưu cho sự liên kết và hoạt tính quang xúc tác của vật liệu tổ hợp, nhằm nâng cao hiệu suất phân hủy và độ bền vật liệu.

  2. Phát triển quy trình tổng hợp quy mô lớn: Khuyến nghị xây dựng quy trình tổng hợp vật liệu GAT trên quy mô pilot, đảm bảo tính đồng nhất và khả năng ứng dụng thực tế trong xử lý nước thải công nghiệp.

  3. Ứng dụng trong xử lý nước thải dệt nhuộm: Đề xuất thử nghiệm vật liệu GAT trong xử lý nước thải thực tế tại các nhà máy dệt nhuộm, đánh giá hiệu quả phân hủy các hợp chất hữu cơ phức tạp và khả năng tái sử dụng vật liệu.

  4. Mở rộng nghiên cứu tính năng kháng khuẩn: Khuyến nghị nghiên cứu sâu hơn về khả năng diệt khuẩn của vật liệu tổ hợp, đặc biệt trong xử lý nước uống và bảo quản nông sản, nhằm đa dạng hóa ứng dụng.

  5. Chủ thể thực hiện: Các viện nghiên cứu vật liệu, trường đại học chuyên ngành kỹ thuật vật liệu và các doanh nghiệp xử lý môi trường nên phối hợp triển khai các giải pháp trên trong vòng 1-2 năm tới.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Nhà nghiên cứu và giảng viên ngành kỹ thuật vật liệu: Luận văn cung cấp dữ liệu thực nghiệm chi tiết về tổng hợp và đặc trưng vật liệu nano tổ hợp, hỗ trợ phát triển nghiên cứu mới trong lĩnh vực vật liệu xúc tác quang.

  2. Chuyên gia xử lý môi trường và kỹ sư công nghệ: Thông tin về hiệu suất phân hủy thuốc nhuộm RhB và ứng dụng vật liệu tổ hợp trong xử lý nước thải giúp thiết kế các hệ thống xử lý hiệu quả, thân thiện môi trường.

  3. Doanh nghiệp sản xuất vật liệu nano và thiết bị xử lý nước: Nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học để phát triển sản phẩm vật liệu xúc tác quang mới, nâng cao giá trị sản phẩm và mở rộng thị trường.

  4. Sinh viên và học viên cao học ngành kỹ thuật vật liệu, hóa học: Luận văn là tài liệu tham khảo quý giá về quy trình tổng hợp, phân tích vật liệu nano và ứng dụng quang xúc tác, hỗ trợ học tập và nghiên cứu khoa học.

Câu hỏi thường gặp

  1. Vật liệu tổ hợp GAT có ưu điểm gì so với TiO2 truyền thống?
    GAT kết hợp GO, AgNPs và TNTs giúp giảm tái tổ hợp electron-lỗ trống, mở rộng vùng hấp thu ánh sáng, tăng diện tích bề mặt và khả năng kháng khuẩn, từ đó nâng cao hiệu suất quang xúc tác phân hủy thuốc nhuộm RhB.

  2. Tại sao sử dụng chiếu xạ Gamma trong tổng hợp vật liệu?
    Chiếu xạ Gamma tạo ra các gốc tự do giúp liên kết bền vững giữa các thành phần vật liệu, kiểm soát kích thước hạt nano và cải thiện tính ổn định cũng như hoạt tính quang xúc tác của vật liệu tổ hợp.

  3. Môi trường PEG có vai trò gì trong quá trình tổng hợp?
    PEG vừa là chất bảo vệ hạt nano bạc, ngăn ngừa kết tụ, vừa giúp hấp thụ và bắt giữ các gốc tự do sinh ra trong quá trình chiếu xạ, tăng cường liên kết giữa các thành phần vật liệu, nâng cao hiệu suất quang xúc tác.

  4. Hiệu suất phân hủy RhB của vật liệu tổ hợp đạt bao nhiêu?
    Vật liệu GAT đạt hiệu suất phân hủy RhB trên 85% sau 60 phút chiếu sáng mặt trời, cao hơn nhiều so với các vật liệu đơn lẻ như GO (~30%), TNTs (~50%) và AgNPs (~40%).

  5. Vật liệu này có thể ứng dụng trong xử lý nước thải thực tế không?
    Có, vật liệu tổ hợp GAT với hiệu suất cao và tính bền vững được đề xuất ứng dụng trong xử lý nước thải dệt nhuộm và các ngành công nghiệp khác, góp phần giảm ô nhiễm môi trường và bảo vệ sức khỏe cộng đồng.

Kết luận

  • Đã tổng hợp thành công vật liệu tổ hợp nano GO-AgNPs-TNTs (GAT) dưới điều kiện chiếu xạ Gamma với đặc tính quang xúc tác vượt trội.
  • Vật liệu GAT thể hiện hiệu suất phân hủy thuốc nhuộm RhB trên 85% trong 60 phút dưới ánh sáng mặt trời, cao hơn đáng kể so với các vật liệu đơn lẻ.
  • Chiếu xạ Gamma và môi trường PEG đóng vai trò quan trọng trong việc tăng cường liên kết và ổn định vật liệu tổ hợp.
  • Nghiên cứu mở ra hướng phát triển vật liệu xúc tác quang thân thiện môi trường, ứng dụng trong xử lý nước thải công nghiệp và bảo vệ môi trường.
  • Đề xuất tiếp tục tối ưu quy trình tổng hợp, mở rộng ứng dụng và nghiên cứu tính năng kháng khuẩn trong các lĩnh vực liên quan.

Hãy tiếp tục nghiên cứu và ứng dụng vật liệu tổ hợp nano để góp phần giải quyết các vấn đề ô nhiễm môi trường hiện nay.