Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển công nghiệp mạnh mẽ tại Việt Nam, đặc biệt là các ngành luyện kim, mạ điện, và dệt nhuộm, lượng nước thải chứa các kim loại nặng như Cr(VI) ngày càng gia tăng, gây nguy hại nghiêm trọng đến môi trường và sức khỏe con người. Theo quy chuẩn kỹ thuật quốc gia QCVN 40:2011/BTNMT, nồng độ Cr(VI) trong nước thải công nghiệp phải được kiểm soát dưới 0,05 mg/l để đạt tiêu chuẩn loại A. Tuy nhiên, việc xử lý Cr(VI) trong nước thải hiện nay vẫn còn nhiều khó khăn do các phương pháp truyền thống như keo tụ, trao đổi ion, điện hóa thường tốn kém, phát sinh bùn thải độc hại và hiệu quả chưa cao.

Luận văn tập trung nghiên cứu chế tạo vật liệu lai cacbon nanosheet/ZnO (ký hiệu RHZ) từ than trấu và ZnO nano nhằm xử lý Cr(VI) trong nước thải bằng phương pháp quang xúc tác hấp phụ. Mục tiêu chính là chế tạo thành công vật liệu RHZ, khảo sát đặc điểm cấu trúc, bề mặt và thành phần hóa học, đồng thời đánh giá các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả xử lý Cr(VI) trong môi trường nước và ứng dụng thực tế trên nước thải xi mạ. Nghiên cứu được thực hiện tại phòng thí nghiệm Trường Đại học Y – Dược, Đại học Thái Nguyên trong giai đoạn từ tháng 01/2019 đến tháng 08/2020.

Việc phát triển vật liệu RHZ không chỉ góp phần nâng cao hiệu quả xử lý Cr(VI) mà còn tận dụng nguồn nguyên liệu sẵn có, giá thành thấp từ phế phụ phẩm nông nghiệp, đồng thời giảm thiểu ô nhiễm môi trường do chất thải công nghiệp. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc bảo vệ môi trường và sức khỏe cộng đồng, đồng thời mở ra hướng đi mới cho công nghệ xử lý nước thải kim loại nặng tại Việt Nam.

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:

  • Lý thuyết quang xúc tác bán dẫn: ZnO là vật liệu bán dẫn có năng lượng vùng cấm khoảng 3,27 eV, tương đương TiO2, có khả năng hấp thụ ánh sáng tử ngoại để tạo ra cặp electron-lỗ trống, từ đó sinh ra các gốc hydroxyl (•OH) có tính oxy hóa mạnh, phân hủy các chất ô nhiễm hữu cơ và vô cơ trong nước.

  • Lý thuyết hấp phụ: Quá trình hấp phụ diễn ra qua ba giai đoạn chính gồm di chuyển chất ô nhiễm đến bề mặt vật liệu, hấp phụ trên bề mặt và khuếch tán vào bên trong vật liệu. Vật liệu than trấu có cấu trúc xốp lớn, diện tích bề mặt cao, giúp tăng khả năng hấp phụ Cr(VI).

  • Khái niệm điểm đẳng điện (pHpzc): Là giá trị pH tại đó bề mặt vật liệu không mang điện tích, ảnh hưởng đến tương tác giữa vật liệu và ion Cr(VI) trong dung dịch.

  • Mô hình quang xúc tác hấp phụ kết hợp: Sự kết hợp giữa hấp phụ và quang xúc tác giúp tăng hiệu quả xử lý Cr(VI) nhanh chóng và triệt để hơn so với các phương pháp đơn lẻ.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Nghiên cứu thực nghiệm trong phòng thí nghiệm sử dụng vật liệu than trấu thu được từ phế phụ phẩm nông nghiệp và ZnO nano tổng hợp.

  • Phương pháp chế tạo vật liệu: Than trấu được nhiệt phân nhanh ở 800°C trong 5 phút để tạo than trấu (RH), sau đó biến tính với dung dịch NaOH và Zn(NO3)2 bằng phương pháp siêu âm, ủ nhiệt ở 400°C để tạo vật liệu lai cacbon nanosheet/ZnO (RHZ).

  • Phương pháp khảo sát đặc điểm vật liệu: Sử dụng kỹ thuật nhiễu xạ tia X (XRD) để xác định cấu trúc tinh thể, phổ tán xạ Raman để phân tích cấu trúc phân tử, hiển vi điện tử quét (SEM) để quan sát hình thái bề mặt, và phổ phát xạ plasma cảm ứng (ICP-OES) để xác định thành phần hóa học.

  • Phương pháp phân tích hiệu quả xử lý Cr(VI): Đo nồng độ Cr(VI) bằng phương pháp đo quang với thuốc thử diphenylcarbazide (DPC) theo TCVN 7939:2008, sử dụng máy quang phổ UV-Vis Hitachi UH5300.

  • Thiết kế thí nghiệm: Khảo sát ảnh hưởng của các yếu tố pH (3-9), khối lượng vật liệu (100-400 mg), nồng độ Cr(VI) ban đầu (2,5-10 mg/l), thời gian chiếu xạ (30-180 phút), và bổ sung H2O2 với các nồng độ khác nhau. Thí nghiệm được thực hiện trong bình thủy tinh 500 ml, khuấy từ kết hợp chiếu đèn UVC 8W.

  • Cỡ mẫu và timeline: Nghiên cứu thực hiện từ tháng 01/2019 đến tháng 08/2020, với nhiều lần lặp lại thí nghiệm để đảm bảo tính chính xác và độ tin cậy của kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Chế tạo thành công vật liệu RHZ: Vật liệu lai cacbon nanosheet/ZnO được chế tạo qua hai bước nhiệt phân than trấu và biến tính với Zn(NO3)2 dưới tác dụng siêu âm, tạo ra vật liệu có cấu trúc nano đồng đều, bề mặt xốp với kích thước hạt nano từ 20-30 nm. Kết quả XRD và phổ Raman xác nhận sự kết hợp thành công giữa than trấu và ZnO.

  2. Điểm đẳng điện của RHZ là khoảng pH 6,8: Ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ Cr(VI), khi pH < 6,8 bề mặt vật liệu mang điện tích dương thuận lợi cho hấp phụ anion CrO4^2- và HCrO4^-.

  3. Ảnh hưởng của pH đến hiệu suất xử lý Cr(VI): Tại pH=5, hiệu suất xử lý đạt cao nhất khoảng 92% sau 180 phút chiếu xạ UVC, giảm dần ở pH thấp hoặc cao hơn do sự thay đổi dạng ion Cr(VI) và điện tích bề mặt vật liệu.

  4. Ảnh hưởng của khối lượng vật liệu: Khi tăng khối lượng vật liệu từ 100 mg lên 300 mg trong 400 ml dung dịch Cr(VI) 5 mg/l, hiệu suất xử lý tăng từ 65% lên 92%. Tuy nhiên, tăng thêm khối lượng trên 300 mg không cải thiện đáng kể hiệu quả, cho thấy 300 mg là khối lượng tối ưu.

  5. Ảnh hưởng của nồng độ Cr(VI) ban đầu: Với nồng độ Cr(VI) từ 2,5 đến 10 mg/l, hiệu suất xử lý giảm từ 95% xuống còn khoảng 75% do quá tải bề mặt hấp phụ.

  6. Tác động của H2O2: Bổ sung H2O2 với nồng độ 0,01 ml/l giúp tăng hiệu suất xử lý Cr(VI) lên đến 97% nhờ tạo thêm gốc hydroxyl, tăng cường quá trình oxy hóa.

  7. So sánh hiệu quả chiếu xạ UVC và UVA: Đèn UVC cho hiệu suất xử lý cao hơn khoảng 15% so với đèn UVA do năng lượng photon cao hơn, kích thích hiệu quả hơn quá trình quang xúc tác.

  8. Ứng dụng thực tế: Xử lý nước thải xi mạ thực tế với vật liệu RHZ đạt tiêu chuẩn xả thải QCVN 40:2011/BTNMT, giảm nồng độ Cr(VI) từ khoảng 1,2 mg/l xuống dưới 0,05 mg/l sau 180 phút.

Thảo luận kết quả

Hiệu quả xử lý Cr(VI) cao của vật liệu RHZ là do sự kết hợp giữa khả năng hấp phụ của than trấu với hoạt tính quang xúc tác của ZnO nano. Điểm đẳng điện pH 6,8 phù hợp với điều kiện pH tối ưu 5-6 trong xử lý Cr(VI), giúp tăng tương tác hấp phụ giữa bề mặt vật liệu và ion Cr(VI). Kết quả phù hợp với các nghiên cứu trong nước và quốc tế về vật liệu ZnO và than hoạt tính biến tính, đồng thời cải thiện nhược điểm của than hoạt tính truyền thống như khả năng tái sử dụng và hiệu suất quang xúc tác.

Việc bổ sung H2O2 làm tăng sinh gốc hydroxyl, thúc đẩy quá trình oxy hóa Cr(VI) thành Cr(III) ít độc hơn, đồng thời giảm thời gian xử lý. So sánh giữa đèn UVC và UVA cho thấy đèn UVC phù hợp hơn cho ứng dụng quang xúc tác nhờ bước sóng ngắn hơn và năng lượng cao hơn.

Kết quả xử lý nước thải xi mạ thực tế chứng minh tính khả thi và hiệu quả của vật liệu RHZ trong môi trường công nghiệp, góp phần giảm thiểu ô nhiễm kim loại nặng, bảo vệ môi trường và sức khỏe cộng đồng. Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ hiệu suất xử lý theo thời gian, bảng so sánh hiệu quả giữa các điều kiện pH, khối lượng vật liệu và nồng độ Cr(VI) ban đầu.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Triển khai ứng dụng vật liệu RHZ trong xử lý nước thải công nghiệp: Khuyến nghị các nhà máy xi mạ và luyện kim áp dụng công nghệ quang xúc tác hấp phụ với vật liệu RHZ để xử lý Cr(VI, giảm thiểu ô nhiễm kim loại nặng. Thời gian thực hiện: 6-12 tháng; chủ thể: các doanh nghiệp và cơ quan quản lý môi trường.

  2. Nghiên cứu mở rộng và tối ưu quy trình sản xuất vật liệu RHZ: Tăng cường nghiên cứu để giảm chi phí sản xuất, nâng cao độ bền và khả năng tái sử dụng vật liệu. Thời gian: 12-18 tháng; chủ thể: các viện nghiên cứu và trường đại học.

  3. Xây dựng hệ thống xử lý nước thải tích hợp quang xúc tác hấp phụ: Thiết kế và lắp đặt hệ thống xử lý quy mô pilot tại các khu công nghiệp để đánh giá hiệu quả thực tế và điều chỉnh quy trình. Thời gian: 12 tháng; chủ thể: các doanh nghiệp, viện nghiên cứu.

  4. Đào tạo và nâng cao nhận thức cho cán bộ kỹ thuật và công nhân: Tổ chức các khóa đào tạo về công nghệ xử lý nước thải mới, vận hành và bảo trì hệ thống quang xúc tác hấp phụ. Thời gian: liên tục; chủ thể: các cơ sở đào tạo, doanh nghiệp.

  5. Khuyến khích sử dụng phế phụ phẩm nông nghiệp làm nguyên liệu sản xuất vật liệu hấp phụ: Tận dụng nguồn nguyên liệu sẵn có, giảm chi phí và góp phần bảo vệ môi trường nông nghiệp. Chủ thể: các cơ quan quản lý, doanh nghiệp sản xuất vật liệu.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Khoa học Môi trường: Luận văn cung cấp kiến thức chuyên sâu về vật liệu quang xúc tác, phương pháp chế tạo và ứng dụng xử lý kim loại nặng, giúp phát triển nghiên cứu và học tập.

  2. Doanh nghiệp và kỹ sư môi trường trong ngành công nghiệp mạ và luyện kim: Tham khảo để áp dụng công nghệ xử lý nước thải hiệu quả, giảm thiểu ô nhiễm Cr(VI), nâng cao tiêu chuẩn môi trường.

  3. Cơ quan quản lý môi trường và chính sách: Cung cấp cơ sở khoa học để xây dựng chính sách, quy chuẩn kỹ thuật và hướng dẫn áp dụng công nghệ xử lý nước thải tiên tiến.

  4. Các tổ chức đào tạo và phát triển công nghệ môi trường: Sử dụng luận văn làm tài liệu giảng dạy, đào tạo kỹ thuật viên và phát triển công nghệ mới trong lĩnh vực xử lý nước thải.

Câu hỏi thường gặp

  1. Vật liệu RHZ có thể tái sử dụng bao nhiêu lần?
    Nghiên cứu cho thấy vật liệu RHZ có khả năng tái sử dụng ít nhất 5 lần mà hiệu suất xử lý Cr(VI) vẫn duy trì trên 80%, giúp giảm chi phí vận hành và tăng tính bền vững.

  2. Quá trình quang xúc tác hấp phụ có phụ thuộc vào điều kiện pH không?
    Có, hiệu suất xử lý cao nhất đạt được ở pH khoảng 5 do bề mặt vật liệu mang điện tích dương thuận lợi cho hấp phụ anion Cr(VI). Ở pH quá thấp hoặc quá cao, hiệu quả giảm do thay đổi dạng ion và tương tác bề mặt.

  3. Tại sao bổ sung H2O2 lại tăng hiệu quả xử lý Cr(VI)?
    H2O2 tạo ra thêm gốc hydroxyl (•OH) có tính oxy hóa mạnh, thúc đẩy quá trình khử Cr(VI) thành Cr(III) và phân hủy các chất ô nhiễm, rút ngắn thời gian xử lý và nâng cao hiệu suất.

  4. So sánh hiệu quả giữa đèn UVC và UVA trong quá trình quang xúc tác?
    Đèn UVC có bước sóng ngắn hơn và năng lượng photon cao hơn, kích thích hiệu quả hơn quá trình tạo cặp electron-lỗ trống trên ZnO, do đó hiệu suất xử lý Cr(VI) cao hơn khoảng 15% so với đèn UVA.

  5. Vật liệu RHZ có thể ứng dụng xử lý các kim loại nặng khác không?
    Theo báo cáo ngành và các nghiên cứu tương tự, vật liệu lai cacbon nanosheet/ZnO có tiềm năng hấp phụ và quang xúc tác xử lý các kim loại nặng khác như Pb(II), Mn(II), tuy nhiên cần nghiên cứu thêm để xác định hiệu quả cụ thể.

Kết luận

  • Chế tạo thành công vật liệu lai cacbon nanosheet/ZnO (RHZ) từ than trấu và ZnO nano với cấu trúc nano đồng đều, bề mặt xốp, phù hợp cho xử lý Cr(VI) trong nước thải.
  • Xác định điểm đẳng điện pHpzc của RHZ khoảng 6,8, ảnh hưởng tích cực đến khả năng hấp phụ Cr(VI) ở pH 5.
  • Hiệu suất xử lý Cr(VI) đạt trên 90% trong điều kiện tối ưu (pH=5, khối lượng vật liệu 300 mg, thời gian 180 phút, bổ sung H2O2).
  • Ứng dụng thực tế trên nước thải xi mạ cho kết quả giảm nồng độ Cr(VI) xuống dưới ngưỡng quy chuẩn quốc gia, chứng minh tính khả thi của công nghệ.
  • Đề xuất triển khai ứng dụng công nghệ quang xúc tác hấp phụ RHZ trong xử lý nước thải công nghiệp, đồng thời nghiên cứu mở rộng và đào tạo nhân lực để phát triển bền vững.

Luận văn mở ra hướng đi mới trong việc tận dụng phế phụ phẩm nông nghiệp để chế tạo vật liệu xử lý ô nhiễm kim loại nặng, góp phần bảo vệ môi trường và phát triển kinh tế xanh. Các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp được khuyến khích tiếp tục phát triển và ứng dụng công nghệ này trong thực tiễn.