Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Ô nhiễm môi trường nước do nước thải công nghiệp dệt nhuộm đang là một trong những thách thức môi trường nghiêm trọng tại Việt Nam. Nước thải dệt nhuộm phát sinh từ các công đoạn hồ sợi, nấu tẩy, làm bóng, tẩy trắng, nhuộm và hoàn thiện vải chứa hàm lượng lớn hóa chất và thuốc nhuộm dư thừa (lượng thuốc nhuộm dư có thể chiếm tới 50% tổng lượng sử dụng ban đầu). Điển hình như các vụ việc vi phạm xả thải thực tế được ghi nhận tại Công ty TNHH Mei Sheng Textiles (xả thải chưa qua xử lý ra hồ Đá Đen, Bà Rịa - Vũng Tàu) hay Công ty PangRim Neotex tại Phú Thọ (nước thải xả ra sông Hồng có nồng độ chất rắn lơ lửng TSS vượt 16,5 lần, COD vượt 10,5 lần, BOD5 vượt 7,2 lần, Crôm VI vượt 6,9 lần và độ màu vượt 24,2 lần tiêu chuẩn cho phép).

Thuốc nhuộm dệt nhuộm tổng hợp, đặc biệt là các hợp chất mang nhóm azo và phức kim loại như Acid Blue 193, có cấu trúc phân tử bền vững, khả năng gắn màu cao và rất khó bị phân hủy bởi các hệ thống xử lý sinh học truyền thống. Khi tồn lưu trong nguồn nước, chúng ngăn cản ánh sáng mặt trời truyền qua, làm suy giảm lượng oxy hòa tan, gây độc cho thủy sinh vật và tiềm ẩn nguy cơ tích lũy sinh học trong chuỗi thức ăn, tác động xấu đến sức khỏe con người. Các phương pháp hóa lý như keo tụ, lọc màng, hấp phụ đơn thuần chỉ chuyển chất ô nhiễm từ pha lỏng sang pha rắn, tạo ra bùn thải thứ cấp hoặc phát sinh chi phí vận hành rất cao. Do đó, việc nghiên cứu ứng dụng các quá trình oxy hóa nâng cao (AOPs) sử dụng vật liệu xúc tác quang dị thể bán dẫn kết hợp nguồn năng lượng bức xạ mặt trời tự nhiên là giải pháp có ý nghĩa thực tiễn nhằm giảm thiểu chi phí xử lý.

Đề tài đặt ra các mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể gồm 4 nội dung:

  1. Điều chế vật liệu xúc tác quang nano ZnO dạng thanh (ZnO nanorods) và nano-ZnO/than gỗ đước hoạt hóa bằng vi sóng.
  2. Nghiên cứu đặc trưng cấu trúc, hình thái và quang học của các vật liệu tổng hợp được bằng các phương pháp hiển vi điện tử truyền qua (TEM), hiển vi điện tử quét (SEM), nhiễu xạ tia X (XRD) và phổ phản xạ khuếch tán (DRS).
  3. Tối ưu hóa quá trình xúc tác quang của nano ZnO và nano-ZnO/than gỗ đước bằng phương pháp quy hoạch thực nghiệm đáp ứng bề mặt Box-Behnken (RSM) sử dụng phần mềm MINITAB trong điều kiện ánh sáng yếu (trong nhà) và ánh sáng mặt trời tự nhiên.
  4. Nghiên cứu động học xúc tác quang của hai vật liệu điều chế được trong điều kiện chiếu sáng bằng ánh sáng mặt trời.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Chất màu dệt nhuộm 1:2 phức kim loại Acid Blue 193; vật liệu quang xúc tác ZnO nanorods và vật liệu composite nano-ZnO trên chất mang than gỗ đước hoạt hóa.
  • Phạm vi nghiên cứu: Khảo sát thực nghiệm gián đoạn (phương pháp mẻ) ở quy mô phòng thí nghiệm với thể tích phản ứng 200 mL, thời gian phản ứng 200 phút; điều kiện chiếu sáng tự nhiên ngoài trời trong khung giờ từ 11h00 đến 13h00 và điều kiện ánh sáng yếu trong phòng thí nghiệm; các yếu tố ảnh hưởng được khảo sát gồm pH dung dịch, nồng độ ban đầu của chất màu ($C_0$) và khối lượng chất xúc tác/hấp phụ ($m$).

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết của nghiên cứu dựa trên cơ chế của quá trình oxy hóa nâng cao (Advanced Oxidation Processes - AOPs) và quang xúc tác dị thể trên chất bán dẫn oxit kim loại kẽm oxit (ZnO). Khi chất bán dẫn ZnO hấp thụ photon ánh sáng có năng lượng lớn hơn hoặc bằng năng lượng vùng cấm ($h\nu \ge E_g$), các electron ($e^−$) từ dải hóa trị (valence band) sẽ bị kích thích chuyển lên dải dẫn (conduction band), đồng thời để lại các lỗ trống mang điện tích dương ($h^+$) ở dải hóa trị theo phản ứng:

$$\text{ZnO} + h\nu \rightarrow h^+ + e^-$$

Các lỗ trống ($h^+$) có khả năng oxy hóa trực tiếp phân tử chất màu hoặc tác dụng với phân tử $\text{H}_2\text{O}$ và ion $\text{OH}^-$ để sinh ra các gốc tự do hydroxyl ($^\bullet\text{OH}$) có thế oxy hóa rất cao (2,8 V). Đồng thời, quang điện tử ($e^-$) trên dải dẫn khử các phân tử oxy hòa tan ($\text{O}_2$) tạo thành gốc superoxide ($^\bullet\text{O}_2^-$). Các gốc tự do này tấn công không chọn lọc vào cấu trúc phân tử phức tạp của phẩm màu Acid Blue 193 (trọng lượng phân tử 880,7 g/mol; diện tích bề mặt phân cực topo TPSA đạt 273 Ų; điện tích hình thức -1; 14 nhóm nhận liên kết hydro), bẻ gãy các liên kết mang màu và vòng thơm để khoáng hóa thành các chất vô cơ đơn giản như $\text{CO}_2$ và $\text{H}_2\text{O}$.

Bên cạnh đó, nghiên cứu tích hợp hiệu ứng cộng hưởng (synergic effect) bằng cách phân tán nano ZnO lên bề mặt chất mang than gỗ đước đã hoạt hóa. Than hoạt tính đóng vai trò là chất hấp phụ, làm tăng nồng độ chất màu xung quanh các trung tâm phản ứng quang xúc tác của ZnO, hạn chế sự tái kết hợp giữa electron và lỗ trống quang sinh.

Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm và thu thập số liệu bao gồm:

  • Phương pháp điều chế vật liệu: Hoạt hóa than gỗ đước thô bằng dung dịch $\text{H}_3\text{PO}_4$ 0,5M kết hợp chiếu xạ vi sóng (công suất 800W, thời gian 5 - 5,5 phút); tổng hợp ZnO nanorods bằng phương pháp kết tủa từ tiền chất $\text{Zn}(\text{CH}_3\text{COO})_2\cdot2\text{H}_2\text{O}$ 0,39M và $\text{NaOH}$ 0,9M kết hợp chiếu xạ vi sóng 10 phút; tổng hợp nano-ZnO/than gỗ đước bằng cách phân tán than vào dung dịch muối kẽm, nhỏ giọt $\text{NaOH}$, khuấy trộn 3 giờ và xử lý vi sóng 15 phút, sau đó sấy khô ở 150°C.
  • Phương pháp phân tích đặc trưng vật liệu: Sử dụng kính hiển vi điện tử quét SEM để đánh giá hình thái bề mặt và độ xốp; kính hiển vi điện tử truyền qua TEM để xác định hình thái thanh nano và kích thước tinh thể; phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD) để kiểm tra cấu trúc pha tinh thể; quang phổ phản xạ khuếch tán DRS kết hợp đồ thị Tauc để xác định năng lượng vùng cấm ($E_g$).
  • Phương pháp phân tích hóa học: Định lượng nồng độ chất màu Acid Blue 193 trong dung dịch trước và sau phản ứng bằng máy quang phổ hấp thụ UV-Vis Hitachi U-2910 tại bước sóng hấp thụ cực đại, tính toán phần trăm phân hủy theo công thức:

$$% \text{ Phân hủy} = \frac{C_0 - C_t}{C_0} \times 100 = \frac{A_0 - A_t}{A_0} \times 100$$

  • Phương pháp quy hoạch thực nghiệm: Sử dụng thiết kế Box-Behnken thuộc phương pháp đáp ứng bề mặt (RSM) với 3 biến số, 3 mức mã hóa (-1, 0, +1) và 3 điểm tâm, tổng số thí nghiệm thực hiện là $N = 2k(k - 1) + C_0 = 2 \times 3 \times (3 - 1) + 3 = 15$ thí nghiệm cho mỗi hệ. Phân tích thống kê ANOVA và xây dựng phương trình hồi quy bậc hai bằng phần mềm Minitab.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1. Mở đầu

Chương 1 trình bày tổng quan về thực trạng ô nhiễm nguồn nước mặt và nước ngầm tại Việt Nam do phát triển kinh tế nhanh và hạn chế trong quản lý môi trường. Tác giả nhấn mạnh tính cấp thiết của việc xử lý chất màu dệt nhuộm – nhóm hợp chất hữu cơ khó phân hủy sinh học, có khả năng tích lũy trong chuỗi thức ăn và gây độc tính mạn tính. Từ đó, xác định rõ việc nghiên cứu công nghệ oxy hóa bậc cao (AOP) sử dụng năng lượng mặt trời là hướng đi phù hợp với điều kiện cơ sở sản xuất vừa và nhỏ tại Việt Nam. Chương này xác định mục tiêu tổng quát, phương pháp tiếp cận và 4 nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể của đồ án.

Chương 2. Ô nhiễm màu nước thải dệt nhuộm

Nội dung chương 2 tập trung tổng quan lý thuyết và tài liệu khoa học liên quan:

  • Trình bày sơ đồ công nghệ dệt nhuộm sợi bông và đặc trưng dòng thải qua các công đoạn kéo sợi, hồ sợi dọc, dệt vải, giũ hồ, nấu vải, làm bóng vải, tẩy trắng, nhuộm vải và hoàn thiện.
  • Tổng hợp tính chất hóa học và vật lý của chất màu Acid Blue 193: trọng lượng phân tử 880,7 g/mol, số nguyên tử nặng là 59, độ phức tạp cấu trúc 1570, diện tích bề mặt cực topo 273 Ų.
  • Đánh giá có hệ thống các phương pháp xử lý màu hiện hành: phương pháp sinh học (hiếu khí, kỵ khí), phương pháp hóa lý (keo tụ, hấp phụ bằng than hoạt tính/chitin/chitosan/khoáng sét, lọc màng vi lọc/siêu lọc/thẩm thấu ngược), phương pháp điện hóa, và các phương pháp hóa học (clo hóa, ozon hóa, Fenton).
  • Trình bày cơ sở lý thuyết của AOPs, cơ chế sinh gốc hydroxyl ($^\bullet\text{OH}$), thế oxy hóa của các tác nhân (gốc $^\bullet\text{OH}$ đạt 2,8 V, $\text{O}_3$ đạt 2,07 V, $\text{Cl}_2$ đạt 0,94 V, $\text{H}_2\text{O}_2$ đạt 0,68 V, $\text{KMnO}_4$ đạt 0,59 V) và cơ chế phản ứng xúc tác quang dị thể của ZnO dưới bức xạ ánh sáng.
  • Tổng quan các công trình nghiên cứu AOP trong nước ($\text{Ag}/\text{TiO}_2$, $\text{FeNS-TiO}_2$, $\alpha\text{-BiNbO}_4$) và quốc tế ($\text{Ag}/\text{TiO}_2$, $\text{ZnO/than hoạt tính}$, $\text{ZnO/bentonite}$).
  • Cơ sở lý thuyết về quy hoạch thực nghiệm đáp ứng bề mặt Box-Behnken 3 yếu tố và mô hình hồi quy đa thức bậc hai.

Chương 3. Phần thực nghiệm

Chương 3 mô tả chi tiết quy trình thực nghiệm, hóa chất và thiết bị:

  • Danh mục hóa chất chuẩn độ tinh khiết phân tích gồm $\text{H}_3\text{PO}_4$ 95%, $\text{NaOH}$, $\text{H}_2\text{SO}_4$, $\text{Zn}(\text{CH}_3\text{COO})_2\cdot2\text{H}_2\text{O}$, phẩm màu phức kim loại Acid Blue 193. Thiết bị chính gồm máy đo quang phổ UV-Vis Hitachi U-2910, lò vi sóng Sharp R-20A1(S)VN công suất 800W, máy ly tâm 10.000 vòng/phút, cân phân tích Sartorius BI 2105, máy đo pH Hana EDGE HI2002-02, tủ nung Carbolite ELF 11/14B và tủ sấy MMM Medcenter.
  • Quy trình 3 giai đoạn điều chế vật liệu: (1) Hoạt hóa than gỗ đước thô bằng dung dịch $\text{H}_3\text{PO}_4$ 0,5M (tỷ lệ 10g than/200 mL acid), ngâm khuấy 30 - 60 phút, xử lý vi sóng 5 - 5,5 phút, rửa trung tính và sấy khô 150°C; (2) Điều chế ZnO nanorods từ phản ứng giữa 250 mL $\text{NaOH}$ 0,9M và 100 mL $\text{Zn}(\text{CH}_3\text{COO})_2$ 0,39M, khuấy nhỏ giọt trong 2 giờ, chiếu xạ vi sóng 10 phút, sấy khô 150°C trong 120 phút; (3) Điều chế nano-ZnO/than gỗ đước bằng cách phối trộn 5g than hoạt hóa vào hệ phản ứng muối kẽm và kiềm, nhỏ giọt 0,5 - 2 giờ, khuấy 3 giờ, chiếu vi sóng 15 phút, rửa đến pH 6 - 7 và sấy ở 150°C.
  • Thiết lập ma trận thực nghiệm Box-Behnken (15 thí nghiệm/ma trận) khảo sát ảnh hưởng của pH (biến A), nồng độ $C_0$ (biến B), khối lượng chất xúc tác $m$ (biến C) cho ba hệ: (1) Hấp phụ Acid Blue 193 bằng nano-ZnO/than trong nhà; (2) Quang phân hủy bằng nano-ZnO/than dưới ánh sáng mặt trời; (3) Quang phân hủy bằng ZnO nanorods dưới ánh sáng mặt trời.

Chương 4. Kết quả và thảo luận

Chương 4 công bố và thảo luận các kết quả thực nghiệm thu được:

  • Phân tích ảnh SEM: Bề mặt than gỗ đước sau khi hoạt hóa bằng $\text{H}_3\text{PO}_4$ và vi sóng xuất hiện các lỗ xốp rõ rệt, làm tăng diện tích tiếp xúc so với than thô ban đầu; ảnh SEM của ZnO nanorods cho thấy các thanh nano phân bố dày đặc, đồng đều; ảnh SEM của composite nano-ZnO/than khẳng định các hạt nano ZnO đã phân tán bao phủ rộng khắp trên bề mặt nền than hoạt tính.
  • Phân tích ảnh TEM: Khẳng định ZnO nanorods có cấu trúc tinh thể wurtzite phát triển định hướng theo mặt (001) với các cạnh thẳng rõ nét; kích thước chiều dài đo được qua phần mềm ImageJ dao động trong khoảng 100,0 - 118,3 nm và đường kính thanh nano đạt từ 16,0 - 19,2 nm.
  • Phân tích phổ XRD: Phổ XRD của than gỗ đước trước và sau hoạt hóa cho thấy cường độ vùng tinh thể carbon (khoảng $2\theta = 10^\circ - 40^\circ$) giảm mạnh do tác động phá vỡ của vi sóng; phổ XRD của ZnO nanorods và nano-ZnO/than gỗ đước đều xuất hiện các đỉnh nhiễu xạ đặc trưng của pha lục giác ZnO, chứng minh quá trình cố định lên chất mang than không làm biến đổi pha tinh thể của ZnO.
  • Phân tích phổ DRS và phương trình Tauc: Phổ hấp thụ phản xạ khuếch tán DRS cho thấy ZnO nanorods có độ hấp thụ cực đại tập trung ở vùng tử ngoại ($\lambda < 400\text{ nm}$). Giá trị năng lượng vùng cấm ($E_g$) xác định từ mối quan hệ Tauc ($\alpha h\nu^{1/2}$ theo $h\nu$) đạt 3,1 eV.
  • Đánh giá hoạt tính quang xúc tác ngoài trời: Thí nghiệm đối chứng (nồng độ Acid Blue 193 ban đầu 5 mg/L, pH 4 - 6, thời gian 200 phút) cho thấy khi không có chất xúc tác, ánh sáng mặt trời đơn thuần hầu như không làm thay đổi cường độ màu của dung dịch. Khi có mặt xúc tác, hiệu suất phân hủy Acid Blue 193 đạt 87% đối với ZnO nanorods và đạt 90% đối với composite nano-ZnO/than gỗ đước.

Kết quả và đóng góp

Nghiên cứu đã thu thập và xác lập các dữ liệu thực nghiệm định lượng về tính chất vật liệu và hiệu quả xử lý màu Acid Blue 193 được tổng hợp trong bảng dưới đây:

Thông số / Chỉ tiêu khảo sát Vật liệu ZnO nanorods Vật liệu nano-ZnO/than gỗ đước
Phương pháp tổng hợp Kết tủa kết hợp chiếu xạ vi sóng (10 phút) Kết tủa trên chất mang kết hợp vi sóng (15 phút)
Cấu trúc tinh thể (XRD) Cấu trúc lục giác wurtzite (hướng 001) Cấu trúc lục giác đặc trưng của ZnO trên nền carbon
Kích thước thanh nano (TEM) Chiều dài: 100,0 – 118,3 nm; Đường kính: 16,0 – 19,2 nm Phân bố diện rộng trên bề mặt lỗ xốp than hoạt hóa
Năng lượng vùng cấm ($E_g$) 3,1 eV (xác định qua phương trình Tauc) Chưa đo đạc riêng biệt
Hiệu suất phân hủy Acid Blue 193 ($C_0 = 5\text{ mg/L}$, 200 phút chiếu sáng ngoài trời) 87% 90%
Mẫu đối chứng không có xúc tác (200 phút ngoài trời) Cường độ màu hầu như không thay đổi Cường độ màu hầu như không thay đổi

Các giải pháp và kiến nghị kỹ thuật do tác giả đề xuất:

  • Ứng dụng chiếu xạ vi sóng để rút ngắn thời gian tổng hợp vật liệu (chỉ mất từ 5 đến 15 phút so với các phương pháp gia nhiệt truyền thống), tiết kiệm năng lượng tiêu thụ và giảm thiểu lượng hóa chất sử dụng.
  • Tận dụng nguồn phế phụ phẩm lâm nghiệp (than gỗ đước) được hoạt hóa bằng $\text{H}_3\text{PO}_4$ làm chất mang giá thành thấp, giúp phân tán nano ZnO, tăng cường dung lượng hấp phụ và nâng cao hiệu quả phân hủy chất màu nhờ hiệu ứng cộng hưởng.
  • Khai thác nguồn năng lượng bức xạ mặt trời sẵn có để vận hành hệ phản ứng oxy hóa quang xúc tác, giúp giảm chi phí hóa chất và chi phí điện năng trong xử lý nước thải dệt nhuộm.

Đóng góp khoa học của công trình:

  • Tổng hợp thành công ZnO nanorods có kích thước nhỏ, đồng đều hơn và thời gian tổng hợp ngắn hơn so với một số nghiên cứu tiền nhiệm nhờ kết hợp phương pháp kết tủa với vi sóng.
  • Xác định được năng lượng vùng cấm của ZnO nanorods điều chế được là 3,1 eV (thấp hơn giá trị năng lượng vùng cấm lý thuyết 3,37 eV của ZnO khối thông thường), mở rộng khả năng tiếp nhận photon năng lượng thấp.
  • Chứng minh tính hiệu quả của vật liệu composite nano-ZnO/than gỗ đước trong việc tăng hiệu suất phân hủy chất màu dệt nhuộm khó phân hủy Acid Blue 193 (đạt 90% sau 200 phút chiếu sáng mặt trời), vượt trội hơn so với việc chỉ sử dụng ZnO nanorods đơn lẻ (87%).

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của nghiên cứu:

  • Các thí nghiệm mới chỉ thực hiện ở quy mô phòng thí nghiệm theo mẻ gián đoạn với thể tích mẫu nhỏ (200 mL) trên dung dịch phẩm màu nhân tạo pha trong nước cất.
  • Do thời gian thực hiện đề tài có hạn, nhóm tác giả chưa tiến hành thử nghiệm thực tế trên nguồn nước thải dệt nhuộm thực (vốn có thành phần phức tạp chứa nhiều ion vô cơ, chất hoạt động bề mặt và độ màu cao).
  • Phổ hấp thụ DRS cho thấy ZnO nanorods vẫn hấp thụ chủ yếu ở vùng bức xạ tử ngoại ($\lambda < 400\text{ nm}$), chưa tận dụng được tối đa toàn bộ dải ánh sáng khả kiến chiếm tỷ trọng lớn trong quang phổ mặt trời.

Hướng nghiên cứu tiếp theo:

  • Mở rộng thử nghiệm xử lý quang xúc tác trên các mẫu nước thải dệt nhuộm thực tế thu thập từ các nhà máy sản xuất.
  • Nghiên cứu thiết kế mô hình phản ứng quang xúc tác dòng chảy liên tục quy mô pilot.
  • Đánh giá khả năng thu hồi, tái sinh và độ ổn định hoạt tính xúc tác của vật liệu nano-ZnO/than gỗ đước sau nhiều chu kỳ phản ứng liên tiếp.

Giá trị tham khảo

Đồ án tốt nghiệp cung cấp tài liệu tham khảo chuyên khảo hữu ích cho:

  • Sinh viên, học viên cao học và cán bộ nghiên cứu thuộc các chuyên ngành Công nghệ Kỹ thuật Môi trường, Kỹ thuật Hóa học, Khoa học Vật liệu định hướng nghiên cứu công nghệ oxy hóa nâng cao (AOPs) và vật liệu xúc tác quang xử lý chất ô nhiễm hữu cơ khó phân hủy.
  • Kỹ sư môi trường cần tài liệu tham khảo về quy trình biến tính phế phụ phẩm sinh khối (than gỗ đước) và phương pháp tổng hợp vật liệu nano oxit kim loại bằng năng lượng vi sóng.
  • Các nhà nghiên cứu cần ứng dụng phương pháp quy hoạch thực nghiệm đáp ứng bề mặt Box-Behnken (RSM) và phân tích thống kê ANOVA trên phần mềm Minitab để tối ưu hóa điều kiện phản ứng xử lý môi trường.

Câu hỏi thường gặp

Câu 1: Chất màu dệt nhuộm Acid Blue 193 được sử dụng trong nghiên cứu có các đặc trưng phân tử chính nào? Trả lời: Acid Blue 193 là thuốc nhuộm phức kim loại tỷ lệ 1:2 có trọng lượng phân tử 880,7 g/mol (khối lượng chính xác 879,997779 g/mol), tổng số nguyên tử nặng là 59, diện tích bề mặt phân cực topo (TPSA) là 273 Ų, điện tích hình thức là -1, độ phức tạp phân tử đạt 1570 và có 14 vị trí nhận liên kết hydro.

Câu 2: Kích thước hình học và cấu trúc tinh thể của ZnO nanorods tổng hợp bằng vi sóng đạt được như thế nào? Trả lời: Ảnh TEM và phân tích qua phần mềm ImageJ cho thấy ZnO nanorods có cấu trúc wurtzite lục giác phát triển theo hướng (001) với các cạnh thẳng, chiều dài thanh nano đạt từ 100,0 đến 118,3 nm và đường kính thanh dao động từ 16,0 đến 19,2 nm. Phổ XRD xác nhận pha tinh thể lục giác đặc trưng, đồng thời phổ DRS và đồ thị Tauc xác định năng lượng vùng cấm ($E_g$) của vật liệu đạt 3,1 eV.

Câu 3: Quy trình hoạt hóa than gỗ đước và tổng hợp composite nano-ZnO/than gỗ đước được thực hiện ra sao? Trả lời: Than gỗ đước thô được ngâm trong dung dịch $\text{H}_3\text{PO}_4$ 0,5M (tỷ lệ 10g than/200 mL acid), khuấy 30 - 60 phút, chiếu xạ vi sóng 800W trong 5 - 5,5 phút, gạn rửa đến pH trung tính và sấy khô ở 150°C. Để tạo composite, 5g than đã hoạt hóa được phân tán vào dung dịch $\text{Zn}(\text{CH}_3\text{COO})_2$ và nhỏ giọt $\text{NaOH}$ 0,9M trong 0,5 - 2 giờ, khuấy 3 giờ, chiếu vi sóng 15 phút, rửa sạch đến pH 6 - 7 và sấy ở 150°C.

Câu 4: Mô hình quy hoạch thực nghiệm nào đã được sử dụng và số lượng thí nghiệm trong mỗi hệ là bao nhiêu? Trả lời: Nghiên cứu sử dụng mô hình Box-Behnken thuộc phương pháp đáp ứng bề mặt (RSM) với 3 biến ảnh hưởng (pH, nồng độ ban đầu $C_0$, khối lượng xúc tác $m$) ở 3 mức mã hóa và 3 điểm tâm. Tổng số thí nghiệm thực hiện cho mỗi hệ là 15 thí nghiệm (gồm 3 hệ: hấp phụ trong nhà bằng nano-ZnO/than, quang phân hủy ngoài trời bằng nano-ZnO/than và quang phân hủy ngoài trời bằng ZnO nanorods), số liệu được xử lý bằng phần mềm Minitab.

Câu 5: Hiệu suất quang phân hủy Acid Blue 193 dưới ánh sáng mặt trời đạt bao nhiêu và vai trò của chất mang than gỗ đước là gì? Trả lời: Trong điều kiện chiếu sáng tự nhiên ngoài trời (11h00 - 13h00) với thời gian 200 phút ở nồng độ chất màu ban đầu 5 mg/L, hiệu suất phân hủy của ZnO nanorods đạt 87% và nano-ZnO/than gỗ đước đạt 90% (trong khi mẫu không xúc tác hầu như không suy giảm màu). Than gỗ đước hoạt hóa đóng vai trò chất mang xốp giúp phân tán thanh nano ZnO và hấp phụ gom chất màu lên bề mặt, tạo hiệu ứng cộng hưởng làm tăng tốc độ phân hủy quang hóa.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp đã tổng hợp thành công vật liệu quang xúc tác ZnO nanorods và composite nano-ZnO/than gỗ đước hoạt hóa bằng phương pháp kết tủa kết hợp chiếu xạ vi sóng nhanh chóng và tiết kiệm năng lượng. Kết quả phân tích cấu trúc khẳng định vật liệu có hình thái thanh nano wurtzite đồng đều, năng lượng vùng cấm đạt 3,1 eV và được phân bố tốt trên bề mặt xốp của than gỗ đước. Thử nghiệm thực nghiệm chứng minh hiệu suất phân hủy chất màu dệt nhuộm phức kim loại Acid Blue 193 dưới ánh sáng mặt trời tự nhiên đạt tới 90% sau 200 phút phản ứng nhờ hiệu ứng cộng hưởng giữa hấp phụ và xúc tác quang. Công trình cung cấp cơ sở khoa học và dữ liệu thực nghiệm quan trọng cho việc định hướng ứng dụng vật liệu composite xúc tác quang giá thành thấp trong xử lý nước thải dệt nhuộm tại Việt Nam.