Tổng quan nghiên cứu

Ô nhiễm nguồn nước bởi các hợp chất hữu cơ vòng thơm, đặc biệt là phenol và các dẫn xuất phenolic từ các ngành công nghiệp luyện kim, hóa dầu, sản xuất dược phẩm và dệt nhuộm, đang là thách thức môi trường cấp bách. Phenol là chất độc hại có khả năng tích lũy sinh học cao, gây tổn thương nghiêm trọng đến hệ thần kinh và nội tạng sinh vật ngay cả ở nồng độ thấp dưới 1 mg/L. Nước thải công nghiệp chứa phenol thường có chỉ số nhu cầu oxy hóa học (COD) rất cao, dao động từ vài trăm đến hàng nghìn mg O2/L (trong thực nghiệm mẫu nghiên cứu có COD ban đầu lên tới 1420 mg O2/L ứng với nồng độ phenol 536 mg/L). Các phương pháp xử lý truyền thống như hấp phụ hoặc oxy hóa nhiệt đòi hỏi nhiệt độ vận hành trên 650 K, tiêu tốn nhiều năng lượng và dễ phát sinh khí thải thứ cấp độc hại. Trong khi đó, các hệ xúc tác kim loại quý như platin hay paladi có hiệu quả cao nhưng chi phí nguyên liệu đắt đỏ và dễ bị ngộ độc bởi hợp chất lưu huỳnh.

Đề tài luận văn thạc sĩ khoa học chuyên ngành Hóa vô cơ thực hiện tại Trường Đại học Khoa học Tự nhiên - Đại học Quốc gia Hà Nội phối hợp cùng Viện Công nghệ Môi trường thuộc Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam tập trung giải quyết bài toán này. Mục tiêu trọng tâm của nghiên cứu là tổng hợp thành công vật liệu oxit hỗn hợp ba cấu tử CaO - CuO - CeO2 kích thước nanomet bằng phương pháp sol-gel xitrat cải tiến và khảo sát hoạt tính xúc tác cho phản ứng oxy hóa ướt có xúc tác (CWPO) nhằm phân hủy hoàn toàn phenol trong môi trường nước bằng tác nhân thân thiện H2O2.

Nghiên cứu mang ý nghĩa khoa học và thực tiễn sâu sắc khi làm sáng tỏ cơ chế tương tác đa pha giữa CeO2, CuO và chất trợ xúc tác CaO. Kết quả thực nghiệm khẳng định vật liệu nano CaO - CuO - CeO2 tối ưu đạt hiệu suất xử lý COD lên tới 96,34% chỉ sau 45 phút phản ứng ở điều kiện nhiệt độ ôn hòa 70 - 80°C và áp suất khí quyển. Đây là tiền đề quan trọng để phát triển các hệ xúc tác kim loại chuyển tiếp giá thành rẻ, hiệu năng cao thay thế kim loại quý trong xử lý ô nhiễm công nghiệp.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Cơ sở lý thuyết của luận văn dựa trên động học xúc tác dị thể, hóa học trạng thái rắn của vật liệu oxit đất hiếm và cơ chế phản ứng oxy hóa nâng cao (AOPs). Các lý thuyết và mô hình cốt lõi bao gồm:

  1. Lý thuyết cấu trúc mạng tinh thể Florit của CeO2 và sự hình thành khuyết tật mạng: Xeri đioxit (CeO2) kết tinh theo mạng lập phương tâm mặt nhóm đối xứng Fm3m với hằng số mạng a = 0,541134 nm. Cation Ce4+ chiếm các vị trí lập phương tâm mặt và phối trí 8 với anion O2- nằm ở hốc tứ diện. CeO2 có khả năng tạo ra các khuyết tật lỗ trống oxy (Oxygen Vacancy Defects - OVDs) dạng CeO2-x (0 < x < 0,5) thông qua chuyển dịch thuận nghịch giữa Ce4+ (4f0 6s0) và Ce3+ (4f1 6s0). Năng lượng tạo khuyết tật oxy Frenkel trong CeO2 chỉ là 2,81 eV, thấp hơn nhiều so với khuyết tật Schottky (3,33 eV) và khuyết tật cation Frenkel (8,86 eV). Nhờ đó, CeO2 hoạt động như một hệ đệm oxy linh động, liên tục lưu trữ và giải phóng oxy nguyên tử cho các tâm phản ứng.

  2. Mô hình dung dịch rắn và tương tác hiệp trợ oxi hóa khử Cu-Ce: Khi đưa CuO vào CeO2, ion Cu2+ thay thế một phần ion Ce4+ trong mạng fluorit tạo thành dung dịch rắn CuxCe1-xO2-δ. Sự chênh lệch điện tích và bán kính ion thúc đẩy tạo thêm các lỗ trống oxy bề mặt và lỗ trống oxy thẳng (LSVCs). Cặp oxy hóa khử liên hợp Cu2+/Cu+ và Ce4+/Ce3+ tương tác mạnh trên ranh giới pha theo cân bằng động lực: Ce4+ + Cu2+ + O2- ⇌ Ce3+ + □ + Cu+ + 1/2 O2 (trong đó □ là lỗ trống oxy). Cân bằng này làm bền hóa các ion hoạt động và hạ thấp hàng rào năng lượng hoạt hóa của phản ứng chuyển điện tử.

  3. Cơ chế biến tính khuyết tật bằng Ca2+: Việc pha tạp ion kim loại kiềm thổ Ca2+ vào mạng CeO2 tạo ra sự bất đối xứng điện tích mạnh hơn nữa, làm giảm thế tạo lỗ trống oxy và phân bố đều các tâm hoạt tính, ngăn chặn hiện tượng kết tụ tinh thể ở nhiệt độ cao.

  4. Cơ chế gốc tự do phân hủy phenol (CWPO): Dưới tác dụng của tâm xúc tác bề mặt và tác nhân H2O2, các gốc tự do có tính oxy hóa cực mạnh như hydroxyl (·OH) và hydroperoxyl (·OOH) được sinh ra liên tục. Chuỗi phản ứng chuyển hóa phenol diễn ra qua các giai đoạn trung gian: phenol biến đổi thành hydroquinone và catechol, tiếp tục bị oxy hóa thành p-benzoquinone và o-benzoquinone, sau đó mở vòng tạo các axit dicacboxylic mạch ngắn (axit muconic, maleic, oxalic, malonic, fomic) và cuối cùng khoáng hóa hoàn toàn thành CO2 và H2O.

       + H2O2 / Xúc tác CaO-CuO-CeO2
                                   Benzoquinones (o- & p-)
                                    Axit dicacboxylic 
                         (axit muconic, maleic, oxalic, fomic)
                                         CO2 + H2O

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu được thiết kế thực nghiệm chặt chẽ với các phương pháp và thiết bị phân tích hiện đại:

  • Phương pháp tổng hợp vật liệu: Sử dụng phương pháp sol-gel xitrat cải tiến (phương pháp Pechini). Tiền chất ban đầu gồm các muối nitrat có độ tinh khiết phân tích cao: Ce(NO3)3 1M, Cu(NO3)2 1M, Ca(NO3)2 1M cùng axit xitric C6H8O7 2M đóng vai trò chất tạo phức chelate. Tỷ lệ mol axit xitric trên tổng cation kim loại được cố định ở mức 2,0. Quá trình tạo gel được khảo sát qua nhiều dải nhiệt độ từ 45°C đến 125°C, tiếp theo là sấy khô tạo xerogel ở 110°C và nung chuyển hóa pha trong dải nhiệt độ từ 300°C đến 700°C với thời gian từ 10 đến 240 phút.
  • Quy mô và phương pháp chọn mẫu: Khảo sát đơn biến có kiểm soát đối với 5 mức tỷ lệ mol Cu/(Cu+Ca+Ce) từ 0,05 đến 0,25; 5 mức tỷ lệ mol Ca/(Cu+Ca+Ce) từ 0,025 đến 0,150; 4 khoảng nhiệt độ tạo gel; 6 mức nhiệt độ nung và 6 khoảng thời gian nung khác nhau nhằm xác định chính xác điểm chuyển pha tinh thể và điều kiện tối ưu hóa.
  • Phương pháp đặc trưng cấu trúc và hình thái:
    • Nhiễu xạ tia X (XRD) trên thiết bị D8 ADVANCE (Bruker, Đức) với bức xạ Cu Kα (λ = 0,15406 nm), góc quét 2θ từ 25° đến 80°, bước nhảy 0,03°/0,2 giây để phân tích thành phần pha và cấu trúc tinh thể.
    • Phân tích nhiệt đồng thời (TG/DSC) trên máy Labsys Setaram từ nhiệt độ phòng đến 800°C với tốc độ gia nhiệt 10°C/phút trong không khí để theo dõi quá trình phân hủy nhiệt của xerogel.
    • Kính hiển vi điện tử quét phát xạ trường (SEM) trên máy HITACHI S-4800 để đánh giá kích thước hạt và hình thái bề mặt nano.
    • Khử hydro theo chương trình nhiệt độ (H2-TPR) và phổ tán xạ Micro-Raman (Labram HR800, bước sóng 632,8 nm) để xác định độ linh động của oxy mạng lưới và mật độ khuyết tật tinh thể.
  • Phương pháp đánh giá hoạt tính xúc tác: Phản ứng oxy hóa phenol được thực hiện trong bình phản ứng dung tích 250 mL chứa 150 mL dung dịch phenol nồng độ 536 mg/L (tương đương COD ban đầu = 1420 mg O2/L), 3 mL dung dịch H2O2 30% và 25 mg xúc tác nano. Hỗn hợp được khuấy gia nhiệt ở 70 - 80°C trong 45 phút. Hiệu suất xử lý được xác định qua độ suy giảm COD bằng phương pháp chuẩn bicromat (Cr2O7 2-/Cr3+) phá mẫu tại 150°C trong 2 giờ trên máy HACH DRB 200 và đo mật độ quang ở bước sóng 610 nm trên máy quang phổ HACH DR 2800. Đường chuẩn xây dựng cho hệ số tương quan tuyến tính xuất sắc R2 = 0,9983.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình khảo sát thực nghiệm đã xác lập các quy luật biến tính cấu trúc và hoạt tính xúc tác của hệ oxit hỗn hợp ba cấu tử:

  1. Ảnh hưởng của tỷ lệ mol Cu/(Cu+Ca+Ce): Khi tỷ lệ mol Cu tăng từ 0,05 đến 0,15, hiệu suất xử lý COD tăng đều đặn từ 80,63% (COD dư 275 mg O2/L) lên mức cực đại 87,11% (COD dư 183 mg O2/L). Giản đồ XRD chứng minh ở dải tỷ lệ 0,05 - 0,15, toàn bộ mẫu chỉ tồn tại một pha duy nhất là mạng lập phương florit của CeO2 (đặc trưng tại các góc 2θ = 28,5°; 33,0° và 47,5°). Tuy nhiên, khi tăng tỷ lệ Cu lên 0,20 và 0,25, trên giản đồ xuất hiện các pic đặc trưng của pha đơn tà CuO tại 2θ = 35,7° và 38,8°, khiến hoạt tính xúc tác suy giảm xuống còn 84,51% và 80,21%.

  2. Vai trò trợ xúc tác của tỷ lệ mol Ca/(Cu+Ca+Ce): Cố định tỷ lệ Cu ở mức 0,15, việc pha tạp Ca làm tăng đáng kể hoạt tính phân hủy phenol. Khi tỷ lệ mol Ca tăng từ 0,025 lên 0,075, hiệu suất khử COD tăng từ 80,56% (COD dư 276 mg O2/L) lên đạt 90,00% (COD dư 142 mg O2/L). Tại tỷ lệ Ca = 0,075, sản phẩm giữ nguyên cấu trúc một pha CeO2 florit đồng nhất. Khi tiếp tục tăng tỷ lệ Ca lên 0,10 và 0,15, ion Ca2+ dư thừa cạnh tranh thế chỗ Cu2+ trong mạng CeO2, đẩy ion Cu2+ ra ngoài kết tụ thành tinh thể CuO đơn tà, dẫn đến hiệu suất giảm tương ứng còn 85,70% và 83,45%.

  3. Tác động của nhiệt độ tạo gel và quá trình phân hủy nhiệt: Khảo sát nhiệt độ tạo gel cho thấy dải nhiệt độ thấp (45 - 50°C) cho hiệu suất cao nhất (92,32%), tuy nhiên thời gian tạo gel kéo dài hàng chục giờ. Khoảng nhiệt độ 70 - 75°C được lựa chọn làm điều kiện tối ưu với hiệu suất đạt 90,00% và thời gian phản ứng hợp lý. Giản đồ phân tích nhiệt TG/DSC của gel khô cho thấy quá trình mất khối lượng chính diễn ra từ 160°C đến gần 500°C với tổng mức hao hụt trọng lượng 54,59%, đi kèm píc tỏa nhiệt mạnh tại 282,77°C ứng với quá trình cháy triệt để của khung polyme xitrat.

  4. Tối ưu hóa nhiệt độ và thời gian nung mẫu: Khi khảo sát nhiệt độ nung từ 300°C đến 700°C (nung trong 1 giờ), hiệu suất khử COD tăng liên tục từ 83,80% (ở 300°C) lên đỉnh cao nhất 93,59% tại 600°C (COD dư giảm mạnh còn 91 mg O2/L), sau đó giảm xuống 86,83% ở 700°C. Tiếp tục khảo sát thời gian nung tại 600°C từ 10 đến 240 phút cho thấy thời gian nung 30 phút đạt hiệu suất xử lý phenol kỷ lục 96,34% (COD dư chỉ còn 52 mg O2/L), vượt trội hoàn toàn so với nung 10 phút (71,11%) hoặc kéo dài đến 240 phút (84,15%).

Thông số tổng hợp Giá trị khảo sát Điều kiện tối ưu Hiệu suất xử lý COD cực đại (%) Kích thước hạt nano (nm)
Tỷ lệ mol Cu/(Cu+Ca+Ce) 0,05 - 0,25 0,15 87,11% (khi chưa tối ưu Ca) 40 - 70 nm
Tỷ lệ mol Ca/(Cu+Ca+Ce) 0,025 - 0,150 0,075 90,00% (nung 500°C, 1h) 40 - 60 nm
Nhiệt độ nung xerogel 300 - 700°C 600°C 93,59% (nung 1h) 40 - 70 nm
Thời gian nung ở 600°C 10 - 240 phút 30 phút 96,34% 30 - 40 nm

Thảo luận kết quả

Bản chất sự gia tăng vượt bậc về hoạt tính xúc tác của hệ oxit hỗn hợp CaO - CuO - CeO2 bắt nguồn từ cấu trúc khuyết tật nano và tương tác hiệp trợ ba thành phần. Ở tỷ lệ hợp thức tối ưu Cu/(Cu+Ca+Ce) = 0,15 và Ca/(Cu+Ca+Ce) = 0,075, các ion Cu2+ (bán kính ion 0,073 nm) và Ca2+ (0,100 nm) phân tán đồng đều và xen kẽ vào vị trí mạng của Ce4+ (0,097 nm) trong cấu trúc mạng florit. Do sự sai lệch hóa trị (+2 so với +4), mạng tinh thể tự cân bằng điện tích bằng cách giải phóng các ion O2-, tạo ra mật độ lỗ trống oxy (OVDs) cực lớn trên bề mặt phân cách pha.

Các lỗ trống oxy này đóng vai trò là những tâm bẫy điện tử và hoạt hóa nhanh chóng phân tử H2O2 để giải phóng ồ ạt các gốc tự do ·OH. Đồng thời, sự có mặt của ion kiềm thổ Ca2+ đóng vai trò chất trợ phân tán cấu trúc, làm bền vững hóa khung florit, ngăn cản quá trình thiêu kết hạt và tạo điều kiện cho cặp oxy hóa khử Cu2+/Cu+ tương tác truyền điện tử liên tục với Ce4+/Ce3+.

Khi nung mẫu ở 600°C trong 30 phút, ảnh SEM chứng minh vật liệu đã phân hủy sạch toàn bộ chất hữu cơ nền, định hình các hạt nano hình cầu đồng đều có kích thước siêu mịn từ 30 đến 40 nm. Diện tích bề mặt tiếp xúc riêng lớn cùng mật độ tâm hoạt tính cao giúp phân tử phenol và H2O2 dễ dàng hấp phụ và phản ứng triệt để. Ngược lại, khi nung ở nhiệt độ quá cao (700°C) hoặc thời gian kéo dài (60 - 240 phút), hiện tượng thiêu kết (sintering) diễn ra mạnh mẽ, các hạt nano bị kết khối thành các cụm hạt lớn không đồng đều, làm suy giảm diện tích tiếp xúc và lấp đầy các lỗ trống oxy, kéo theo sự sụt giảm hoạt tính xúc tác từ 96,34% xuống còn 84,15%.

Dữ liệu thực nghiệm của nghiên cứu được đối sánh trực quan qua hệ thống đồ thị hồi quy tuyến tính xác định COD, phổ nhiễu xạ XRD đa mẫu và ảnh chụp hiển vi điện tử quét SEM độ phân giải cao, đảm bảo độ tin cậy tuyệt đối về tính tái lập và giá trị khoa học.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên các kết luận thực nghiệm, nghiên cứu đề xuất 4 nhóm giải pháp công nghệ và khuyến nghị chuyển giao có tính ứng dụng cao:

  1. Chuẩn hóa quy trình chế tạo xúc tác quy mô pilot: Đề nghị các trung tâm nghiên cứu vật liệu và phòng thí nghiệm chuyên ngành triển khai thiết kế hệ phản ứng sol-gel bán liên tục quy mô 50 - 100 kg/mẻ. Cần áp dụng chính xác bộ thông số kỹ thuật tối ưu đã xác lập: tỷ lệ mol Cu:Ca:Ce = 0,15 : 0,075 : 0,775; tỷ lệ axit xitric/cation = 2,0; nhiệt độ tạo gel 70 - 75°C; chế độ nhiệt nung 600°C trong đúng 30 phút để duy trì kích thước hạt hạt nano đồng đều 30 - 40 nm. Mục tiêu hoàn thiện quy trình công nghệ trong vòng 12 - 18 tháng tới.

  2. Lắp đặt thử nghiệm hệ thống xử lý nước thải liên tục (Continuous CWPO): Khuyến nghị các doanh nghiệp xử lý môi trường tại các khu công nghiệp chế tạo modul phản ứng dòng chảy liên tục tích hợp tầng xúc tác cố định CaO - CuO - CeO2 để xử lý nước thải chứa phenol nồng độ 500 - 1000 mg/L. Đặt mục tiêu duy trì hiệu suất phân hủy COD ổn định trên 95% ở thời gian lưu thủy lực 30 - 45 phút, nhiệt độ 70 - 80°C, áp dụng thử nghiệm thực tế trong giai đoạn 2026 - 2027.

  3. Nghiên cứu nâng cao độ bền pha và khả năng tái sinh xúc tác: Đề xuất nhóm nghiên cứu viện hàn lâm tiếp tục thử nghiệm pha tạp thêm các oxit kim loại trợ phân tán (như ZrO2 hoặc SiO2 mao quản trung bình) nhằm ức chế triệt để sự di chuyển và kết tụ của Ca2+ thành dạng muối cacbonat trên bề mặt khi làm việc lâu dài. Đặt chỉ tiêu kỹ thuật nâng cao độ bền làm việc liên tục lên trên 20 chu kỳ phản ứng với mức suy giảm hoạt tính dưới 5% trong giai đoạn nghiên cứu 6 - 9 tháng tiếp theo.

  4. Mở rộng ứng dụng oxy hóa hoàn toàn khí thải VOCs: Khuyến nghị các cơ sở sản xuất sơn, in ấn và lọc hóa dầu hợp tác chuyển giao vật liệu CaO - CuO - CeO2 nano vào các thiết bị lọc khí xúc tác nhiệt độ thấp để xử lý các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi độc hại (như benzen, toluen, fomandehit), hướng đến mục tiêu đạt hiệu suất chuyển hóa VOCs trên 98% ở nhiệt độ dưới 250°C bắt đầu từ quý 3/2026.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nội dung và kết quả nghiên cứu của luận văn mang lại giá trị thực tiễn và học thuật cho 4 nhóm đối tượng cụ thể:

  • Học viên cao học, nghiên cứu sinh chuyên ngành Hóa vô cơ và Khoa học Vật liệu: Luận văn là tài liệu tham khảo chuẩn mực về phương pháp sol-gel xitrat cải tiến, kỹ thuật phân tích cấu trúc tinh thể qua giản đồ XRD, phân tích nhiệt vi sai TG/DSC và cơ chế tạo khuyết tật mạng tinh thể florit CeO2. Giúp người đọc nắm vững phương pháp kiểm soát kích thước hạt nano trong dải 30 - 40 nm.
  • Kỹ sư công nghệ môi trường và cán bộ kỹ thuật vận hành trạm xử lý nước thải: Cung cấp bộ thông số vận hành chi tiết cho quá trình oxy hóa ướt xúc tác (CWPO) gồm nồng độ H2O2, lượng xúc tác, nhiệt độ 70 - 80°C và thời gian phản ứng 45 phút để loại bỏ phenol và hạ chỉ số COD từ 1420 mg O2/L xuống 52 mg O2/L trong nước thải công nghiệp.
  • Các nhà khoa học phát triển vật liệu xúc tác dị thể: Tài liệu là cơ sở dữ liệu thực nghiệm quan trọng chứng minh cơ chế cộng hưởng đa thành phần (Ca-Cu-Ce), cung cấp giải pháp gia tăng mật độ lỗ trống oxy và độ linh động của oxy mạng lưới phục vụ các phản ứng chuyển hóa khí tổng hợp (WGS) hay oxy hóa chọn lọc CO (CO-PROX).
  • Doanh nghiệp sản xuất vật liệu và thiết bị xử lý môi trường: Cung cấp giải pháp công nghệ chế tạo vật liệu xúc tác gốc oxit kim loại chuyển tiếp giá thành thấp nhưng hiệu năng cao, giúp doanh nghiệp cắt giảm từ 40% đến 60% chi phí nguyên liệu sản xuất so với các dòng xúc tác kim loại quý nhập ngoại.

Câu hỏi thường gặp

Vai trò chính của việc pha tạp oxit canxi (CaO) vào hệ xúc tác CuO - CeO2 là gì?
Ion Ca2+ đi vào mạng tinh thể CeO2 tạo ra sự bất đối xứng điện tích, kích thích hình thành thêm nhiều khuyết tật lỗ trống oxy (OVDs) và làm giảm năng lượng tạo lỗ trống. Thực nghiệm chứng minh khi pha tạp Ca với tỷ lệ mol 0,075, hiệu suất phân hủy phenol tăng từ 87,11% lên 90,00%, đồng thời giúp ổn định nhiệt và phân tán đều các tâm hoạt tính Cu trên bề mặt chất mang.

Tại sao tỷ lệ mol Cu/(Cu+Ca+Ce) tối ưu được chọn là 0,15 mà không phải mức cao hơn?
Tại tỷ lệ 0,15, ion Cu2+ phân tán hoàn toàn vào mạng CeO2 tạo dung dịch rắn đồng nhất không xuất hiện pha riêng biệt. Khi tăng tỷ lệ lên 0,20 - 0,25, lượng đồng dư thừa làm xuất hiện pha tinh thể đơn tà CuO (pic XRD tại 2θ = 35,7° và 38,8°), làm giảm diện tích tiếp xúc hiệu dụng và khiến hiệu suất xử lý COD giảm từ 87,11% xuống còn 80,21%.

Nhiệt độ và thời gian nung ảnh hưởng cụ thể như thế nào đến kích thước hạt xúc tác?
Nhiệt độ nung 600°C trong thời gian 30 phút là điều kiện lý tưởng giúp đốt cháy sạch 54,59% khối lượng khung hữu cơ xerogel và định hình hạt nano đồng đều 30 - 40 nm với hiệu suất đạt 96,34%. Nung dưới 600°C vật liệu chưa định hình tinh thể, trong khi nung ở 700°C hoặc kéo dài 240 phút gây thiêu kết kết khối hạt, làm giảm hiệu suất còn 84,15%.

Phương pháp sol-gel xitrat mang lại ưu thế gì so với phương pháp đồng kết tủa?
Phương pháp sol-gel xitrat tạo phức chelate bền giữa axit xitric và các cation kim loại, phân bố đồng mức ở cấp độ nguyên tử và tránh được hiện tượng kết tủa phân lớp do chênh lệch pH của các ion kim loại. Nhờ đó, sản phẩm sau nung có độ tinh khiết cao, cấu trúc nano đồng nhất và hoạt tính xúc tác oxy hóa phenol cao gấp khoảng 4 lần so với mẫu điều chế bằng đồng kết tủa.

Quá trình oxy hóa phenol bằng tác nhân H2O2 trên xúc tác này có ưu điểm gì trong thực tế?
Phản ứng CWPO sử dụng H2O2 diễn ra triệt để ở nhiệt độ ôn hòa 70 - 80°C dưới áp suất thường, hạ COD từ 1420 mg O2/L xuống 52 mg O2/L trong 45 phút. Tác nhân H2O2 chỉ sinh ra sản phẩm phụ duy nhất là nước và oxy, không để lại bùn thải độc hại hay phát sinh ô nhiễm thứ cấp, rất an toàn và tiết kiệm năng lượng cho các nhà máy xử lý nước thải.

Kết luận

  • Đã tổng hợp thành công vật liệu nano oxit hỗn hợp ba cấu tử CaO - CuO - CeO2 kích thước siêu mịn 30 - 40 nm bằng phương pháp sol-gel xitrat cải tiến với quy trình công nghệ đơn giản, độ lặp lại cao.
  • Xác lập chính xác bộ thông số chế tạo tối ưu: tỷ lệ mol Cu/(Cu+Ca+Ce) = 0,15; tỷ lệ mol Ca/(Cu+Ca+Ce) = 0,075; tỷ lệ axit xitric/cation = 2,0; nhiệt độ tạo gel 70 - 75°C và chế độ nung tại 600°C trong 30 phút.
  • Đạt hiệu suất phân hủy phenol và khử COD tối đa lên tới 96,34% (chỉ số COD giảm mạnh từ 1420 mg O2/L xuống còn 52 mg O2/L) chỉ trong 45 phút phản ứng ở điều kiện ôn hòa 70 - 80°C.
  • Chứng minh vai trò đột phá của cấu trúc khuyết tật lỗ trống oxy (OVDs) và tương tác hiệp trợ giữa các cặp oxy hóa khử Cu2+/Cu+ và Ce4+/Ce3+ cùng pha trợ xúc tác Ca2+ trong việc thúc đẩy tốc độ phản ứng oxy hóa gốc tự do.
  • Mở ra tiềm năng ứng dụng to lớn trong việc thay thế xúc tác kim loại quý đắt tiền bằng vật liệu oxit kim loại chuyển tiếp giá rẻ để xử lý triệt để nước thải chứa phenol và khí thải công nghiệp chứa VOCs.

Các tổ chức nghiên cứu, trường đại học và doanh nghiệp xử lý môi trường quan tâm đến việc nhận chuyển giao công nghệ tổng hợp hạt nano CaO - CuO - CeO2 hoặc hợp tác thử nghiệm hệ thống xử lý nước thải công nghiệp quy mô pilot hãy liên hệ ngay với nhóm tác giả tại Khoa Hóa học, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên - Đại học Quốc gia Hà Nội để cùng phối hợp triển khai ứng dụng vào thực tiễn sản xuất.