Tổng quan nghiên cứu

Ô nhiễm nguồn nước do các hợp chất hữu cơ độc hại, đặc biệt là thuốc nhuộm tổng hợp, đang là vấn đề nghiêm trọng ảnh hưởng đến sức khỏe con người và môi trường sinh thái. Trong đó, Rhodamine B (RhB) là một chất màu phổ biến trong ngành dệt may, thực phẩm và quang phổ học, có tính bền màu và độc tính cao, gây kích ứng da, bỏng mắt và tiềm ẩn nguy cơ ung thư. Việc xử lý nước thải chứa RhB là thách thức lớn do tính khó phân hủy của chất này bằng các phương pháp vật lý, hóa học và sinh học truyền thống.

Quá trình oxy hóa nâng cao (AOPs) với khả năng tạo ra các gốc hydroxyl (OH•) có thế oxy hóa cao (2,8 V) được xem là giải pháp hiệu quả để phân hủy hoàn toàn các chất màu hữu cơ. Trong đó, plasma lạnh (plasma phi nhiệt) ở áp suất khí quyển nổi lên như một công nghệ thân thiện môi trường, có khả năng tạo ra các loài phản ứng oxy hóa mạnh như OH•, O3, H2O2, giúp phân hủy nhanh các chất ô nhiễm.

Luận văn tập trung nghiên cứu sự phát plasma jet ở áp suất khí quyển sử dụng không khí và ozon làm khí mang, ứng dụng trong phân hủy RhB trong dung dịch. Mục tiêu chính là khảo sát đặc trưng điện, quang của hệ plasma jet và đánh giá hiệu quả phân hủy RhB theo các điều kiện thời gian xử lý, nồng độ ban đầu và điện thế nguồn nuôi. Nghiên cứu được thực hiện tại phòng thí nghiệm Trường Đại học Khoa học Thái Nguyên trong năm 2021-2022, nhằm phát triển công nghệ xử lý nước thải chất màu hữu cơ hiệu quả, tiết kiệm chi phí và thân thiện 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:

  • Plasma lạnh (non-thermal plasma): Là trạng thái plasma không cân bằng nhiệt động, trong đó nhiệt độ electron (Te ≈ 10.000 K) cao hơn nhiều so với nhiệt độ các hạt nặng (Th ≈ 300-1000 K). Plasma lạnh tạo ra các loài phản ứng oxy hóa mạnh mà không làm tăng nhiệt độ môi trường, thích hợp cho xử lý chất lỏng và vật liệu nhạy nhiệt.

  • Phóng điện rào cản điện môi (DBD): Là phương pháp tạo plasma bằng cách đặt một lớp điện môi giữa hai điện cực, giúp kiểm soát dòng điện và tạo ra plasma dạng vi sợi hoặc phát sáng. DBD hoạt động hiệu quả ở áp suất khí quyển, tạo ra các loài oxy hóa như OH•, O3, H2O2.

  • Quá trình oxy hóa nâng cao (AOPs): Sử dụng các gốc hydroxyl có thế oxy hóa cao để phân hủy hoàn toàn các hợp chất hữu cơ phức tạp thành CO2 và nước. AOPs bao gồm các kỹ thuật như ozon hóa, quang xúc tác, plasma phi nhiệt, kết hợp với các tác nhân xúc tác để tăng hiệu quả xử lý.

Các khái niệm chính bao gồm: gốc hydroxyl (OH•), ozon (O3), quang phổ phát xạ quang học (OES), phổ hấp thụ UV-Vis, phổ huỳnh quang (PL), phổ hấp thụ hồng ngoại (FTIR), và sắc ký lỏng hiệu năng cao (HPLC).

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Dữ liệu thu thập từ các thí nghiệm chế tạo và vận hành hệ plasma jet ở áp suất khí quyển, sử dụng không khí và ozon làm khí mang. Dung dịch RhB được chuẩn bị với các nồng độ khác nhau (khoảng 5-20 mg/L) để khảo sát hiệu quả phân hủy.

  • Phương pháp phân tích: Đặc trưng điện được đo bằng dao động ký số và đầu dò điện áp cao để xác định điện áp, dòng điện và tần số hoạt động của plasma. Đặc trưng quang được phân tích bằng máy quang phổ phát xạ quang học AvaSpec để xác định các loài phản ứng trong plasma. Hiệu quả phân hủy RhB được theo dõi bằng phổ hấp thụ UV-Vis tại bước sóng 554 nm, phổ huỳnh quang, phổ FTIR và sắc ký lỏng HPLC để đánh giá sự biến đổi cấu trúc phân tử và sản phẩm phân hủy.

  • Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu được thực hiện trong khoảng thời gian 12 tháng, bao gồm giai đoạn thiết kế và chế tạo hệ plasma jet (3 tháng), tiến hành thí nghiệm và thu thập dữ liệu (6 tháng), phân tích kết quả và hoàn thiện luận văn (3 tháng).

  • Cỡ mẫu và chọn mẫu: Mẫu dung dịch RhB được chuẩn bị theo các nồng độ tiêu chuẩn, lựa chọn các điều kiện điện áp (2,5-4,8 kV), thời gian xử lý (10-50 phút) và khí mang (không khí, ozon) để đánh giá ảnh hưởng đến hiệu quả phân hủy.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Đặc trưng điện của hệ plasma jet: Nguồn cao áp một chiều đạt điện áp tối đa khoảng 4,8 kV với dòng điện ~27 mA và tần số 50 Hz, tạo ra plasma ổn định ở khoảng cách điện cực 2 mm. Dạng sóng dòng điện và điện áp cho thấy plasma hoạt động ở chế độ phóng điện rào cản điện môi vi sợi.

  2. Đặc trưng quang phổ phát xạ (OES): Phổ phát xạ cho thấy sự hiện diện của các loài phản ứng oxy hóa như OH (bước sóng 309 nm), N2 (315-380 nm), Hα (656,52 nm), Hβ (486,62 nm) và O (777,6 nm) trong cả hai trường hợp sử dụng không khí và ozon. Cường độ phát xạ của các loài này cao hơn khi sử dụng ozon, cho thấy khả năng tạo ra các gốc oxy hóa mạnh hơn.

  3. Hiệu quả phân hủy RhB theo thời gian xử lý: Phổ UV-Vis tại bước sóng 554 nm cho thấy cường độ hấp thụ giảm rõ rệt sau 10 phút xử lý plasma, với plasma ozon đạt hiệu quả phân hủy hoàn toàn RhB sau 30 phút, trong khi plasma không khí cần đến 50 phút để đạt mức tương tự. Tỷ lệ phân hủy RhB tăng theo thời gian xử lý, đạt gần 100% với plasma ozon.

  4. Ảnh hưởng của nồng độ RhB ban đầu và điện áp nguồn: Hiệu suất phân hủy giảm khi tăng nồng độ RhB ban đầu, do sự cạnh tranh hấp thụ các gốc oxy hóa. Tăng điện áp nguồn từ 2,5 kV lên 4,8 kV làm tăng đáng kể hiệu quả phân hủy, do tăng mật độ electron và các loài phản ứng trong plasma.

Thảo luận kết quả

Kết quả cho thấy plasma jet ở áp suất khí quyển tạo ra các loài phản ứng oxy hóa mạnh, đặc biệt là gốc OH• và ozon, có khả năng phân hủy hiệu quả RhB trong dung dịch. Việc sử dụng ozon làm khí mang giúp tăng cường sự tạo thành các gốc oxy hóa, rút ngắn thời gian xử lý và nâng cao hiệu suất phân hủy so với không khí.

Phổ phát xạ OES và phổ FTIR cho thấy sự biến đổi cấu trúc phân tử RhB, với sự xuất hiện các nhóm chức mới và sự giảm các liên kết đặc trưng, chứng tỏ quá trình phân hủy diễn ra qua các phản ứng oxy hóa mạnh. Phân tích HPLC xác nhận sự giảm nồng độ RhB và sự hình thành các sản phẩm phân hủy trung gian.

So với các nghiên cứu trước đây về plasma lạnh và AOPs, kết quả này khẳng định tính ưu việt của plasma jet kết hợp ozon trong xử lý nước thải chứa chất màu hữu cơ, với ưu điểm là thiết bị đơn giản, chi phí thấp và thân thiện môi trường. Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ giảm cường độ hấp thụ UV-Vis theo thời gian, biểu đồ hiệu suất phân hủy theo điện áp và nồng độ, cùng bảng tổng hợp các peak phổ FTIR và HPLC.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tăng cường sử dụng plasma jet kết hợp ozon trong xử lý nước thải công nghiệp: Khuyến nghị các nhà máy xử lý nước thải dệt may áp dụng công nghệ plasma jet ozon để nâng cao hiệu quả phân hủy các chất màu hữu cơ, giảm thiểu ô nhiễm môi trường. Thời gian triển khai dự kiến 6-12 tháng.

  2. Nghiên cứu tối ưu hóa các thông số vận hành: Đề xuất tiếp tục khảo sát ảnh hưởng của lưu lượng khí, khoảng cách điện cực, tần số nguồn và nồng độ RhB để tối ưu hóa hiệu suất xử lý, giảm tiêu hao năng lượng. Chủ thể thực hiện là các viện nghiên cứu và doanh nghiệp công nghệ môi trường trong 12 tháng tiếp theo.

  3. Phát triển hệ thống plasma jet quy mô pilot và công nghiệp: Xây dựng mô hình hệ thống plasma jet công suất lớn, tích hợp với các công nghệ xử lý nước thải hiện có để thử nghiệm thực tế tại các khu công nghiệp. Thời gian thực hiện 18-24 tháng.

  4. Đào tạo và chuyển giao công nghệ: Tổ chức các khóa đào tạo kỹ thuật vận hành plasma jet cho cán bộ kỹ thuật và doanh nghiệp, đồng thời xây dựng tài liệu hướng dẫn vận hành và bảo trì thiết bị. Chủ thể là các trường đại học, viện nghiên cứu và doanh nghiệp trong 6 tháng.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Vật lý, Quang học và Môi trường: Luận văn cung cấp kiến thức chuyên sâu về plasma lạnh, phương pháp phân tích quang phổ và ứng dụng trong xử lý ô nhiễm, hỗ trợ nghiên cứu và phát triển công nghệ mới.

  2. Doanh nghiệp xử lý nước thải công nghiệp: Thông tin về hiệu quả và phương pháp vận hành plasma jet giúp doanh nghiệp lựa chọn công nghệ phù hợp, nâng cao hiệu quả xử lý và giảm chi phí vận hành.

  3. Cơ quan quản lý môi trường và chính sách: Cung cấp cơ sở khoa học để xây dựng các quy định, tiêu chuẩn về xử lý nước thải chứa chất màu hữu cơ, thúc đẩy áp dụng công nghệ thân thiện môi trường.

  4. Các nhà phát triển thiết bị công nghệ plasma: Tham khảo thiết kế hệ plasma jet, đặc trưng điện quang và các kết quả thực nghiệm để cải tiến thiết bị, mở rộng ứng dụng trong công nghiệp và y sinh.

Câu hỏi thường gặp

  1. Plasma jet là gì và tại sao lại hiệu quả trong xử lý nước thải?
    Plasma jet là dòng plasma lạnh được tạo ra ở áp suất khí quyển, chứa các loài phản ứng oxy hóa mạnh như OH•, O3, H2O2. Chúng có khả năng phân hủy các hợp chất hữu cơ bền vững trong nước thải nhanh chóng và hiệu quả mà không làm tăng nhiệt độ môi trường.

  2. Tại sao sử dụng ozon làm khí mang lại hiệu quả cao hơn không khí?
    Ozon là chất oxy hóa mạnh với thế oxy hóa 2,07 V, khi kết hợp với plasma jet tạo ra nhiều gốc hydroxyl và các loài oxy phản ứng khác, tăng cường quá trình phân hủy RhB, rút ngắn thời gian xử lý so với sử dụng không khí.

  3. Các phương pháp phân tích nào được sử dụng để đánh giá hiệu quả phân hủy RhB?
    Phổ hấp thụ UV-Vis theo dõi sự giảm cường độ hấp thụ đặc trưng của RhB, phổ huỳnh quang và FTIR phân tích biến đổi cấu trúc phân tử, sắc ký lỏng HPLC xác định nồng độ RhB và sản phẩm phân hủy trung gian.

  4. Ảnh hưởng của nồng độ RhB ban đầu đến hiệu quả xử lý như thế nào?
    Hiệu quả phân hủy giảm khi nồng độ RhB tăng do sự cạnh tranh hấp thụ các gốc oxy hóa, đòi hỏi tăng thời gian hoặc điều chỉnh các thông số vận hành để đạt hiệu quả tối ưu.

  5. Công nghệ plasma jet có thể áp dụng cho các chất ô nhiễm khác không?
    Có, plasma jet phi nhiệt có khả năng phân hủy nhiều loại hợp chất hữu cơ độc hại khác như thuốc trừ sâu, chất hoạt động bề mặt, dược phẩm trong nước thải, mở rộng ứng dụng trong xử lý môi trường.

Kết luận

  • Đã thiết kế và chế tạo thành công hệ plasma jet hoạt động ở áp suất khí quyển với nguồn điện cao áp một chiều, tạo ra plasma ổn định và các loài phản ứng oxy hóa mạnh.
  • Phổ phát xạ quang học xác nhận sự hiện diện của các loài OH, O, N2, H trong plasma, đặc biệt tăng cường khi sử dụng ozon làm khí mang.
  • Hiệu quả phân hủy RhB đạt gần 100% sau 30 phút xử lý plasma ozon và 50 phút với plasma không khí, chứng minh khả năng ứng dụng thực tiễn cao.
  • Kết quả phân tích phổ UV-Vis, FTIR và HPLC cho thấy sự biến đổi cấu trúc phân tử RhB và sự hình thành các sản phẩm phân hủy trung gian.
  • Đề xuất phát triển công nghệ plasma jet quy mô công nghiệp, tối ưu hóa thông số vận hành và đào tạo chuyển giao công nghệ để ứng dụng rộng rãi trong xử lý nước thải.

Luận văn mở ra hướng nghiên cứu và ứng dụng mới cho công nghệ xử lý ô nhiễm nước thải bằng plasma lạnh, góp phần bảo vệ môi trường và phát triển bền vững. Để tiếp tục, cần triển khai thử nghiệm quy mô lớn và nghiên cứu kết hợp plasma với các phương pháp xử lý khác nhằm nâng cao hiệu quả và tính kinh tế. Hãy liên hệ với các viện nghiên cứu và doanh nghiệp công nghệ môi trường để cùng phát triển giải pháp này.