Tổng quan nghiên cứu

Ô nhiễm môi trường nước do các hợp chất hữu cơ từ ngành công nghiệp dệt nhuộm đang là vấn đề nghiêm trọng toàn cầu. Theo ước tính, hàng năm có khoảng hàng triệu mét khối nước thải chứa phẩm nhuộm được thải ra môi trường, gây ảnh hưởng tiêu cực đến hệ sinh thái và sức khỏe con người. Trong bối cảnh đó, phương pháp quang xúc tác được xem là giải pháp hiệu quả, thân thiện môi trường để phân hủy các chất hữu cơ ô nhiễm. Luận văn tập trung nghiên cứu tổng hợp và đặc trưng cấu trúc cùng hoạt tính quang xúc tác của nano composite CoFe2O4/Bentonit nhằm ứng dụng trong phân hủy Rhodamine B – một loại phẩm nhuộm hữu cơ phổ biến và có tính độc hại cao.

Nghiên cứu được thực hiện trong năm 2023 tại Trường Đại học Sư phạm – Đại học Thái Nguyên, với phạm vi khảo sát các mẫu vật liệu composite CoFe2O4/Bentonit tổng hợp bằng phương pháp nhiệt dung môi cải tiến. Mục tiêu chính là đánh giá ảnh hưởng của bentonite đến đặc trưng cấu trúc, tính chất quang và hoạt tính quang xúc tác phân hủy Rhodamine B dưới ánh sáng đèn Led, đồng thời khảo sát các yếu tố ảnh hưởng như lượng bentonite, khối lượng vật liệu, lượng H2O2 và chất ức chế.

Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển vật liệu quang xúc tác mới, nâng cao hiệu quả xử lý nước thải dệt nhuộm, góp phần bảo vệ môi trường và phát triển bền vững ngành công nghiệp hóa chất tại Việt Nam.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai lý thuyết chính: lý thuyết cấu trúc spinel ferrite và cơ chế quang xúc tác phân hủy chất hữu cơ. Vật liệu CoFe2O4 thuộc nhóm spinel đảo với công thức chung MFe2O4, trong đó Co2+ chiếm vị trí bát diện và Fe3+ chiếm cả vị trí tứ diện và bát diện. Cấu trúc tinh thể lập phương của CoFe2O4 mang lại tính chất từ mạnh, ổn định hóa học cao và khả năng hấp thụ ánh sáng vùng khả kiến, phù hợp làm chất xúc tác quang.

Bentonite là khoáng vật aluminosilicate có cấu trúc lớp, diện tích bề mặt riêng lớn, khả năng hấp phụ và trao đổi ion cao, giúp phân tán các hạt nano ferrite, giảm kết tụ và tăng hiệu quả quang xúc tác. Cơ chế quang xúc tác dựa trên sự kích hoạt vật liệu bán dẫn dưới ánh sáng, tạo ra các gốc tự do như •OH, O2– và lỗ trống h+, phân hủy các hợp chất hữu cơ thành CO2 và H2O.

Các khái niệm chính bao gồm: kích thước tinh thể nano, diện tích bề mặt riêng, năng lượng vùng cấm, hiệu suất quang xúc tác, và phản ứng Fenton dị thể trong hệ ferrite/H2O2.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu thu thập từ các mẫu vật liệu CoFe2O4/Bentonite tổng hợp bằng phương pháp nhiệt dung môi cải tiến, với các mẫu CB0 (không có bentonite) đến CB3 (lượng bentonite tăng dần). Cỡ mẫu gồm 4 mẫu chính, được phân tích đặc trưng cấu trúc và tính chất bằng các kỹ thuật: nhiễu xạ XRD, phổ hồng ngoại IR, phổ tán xạ năng lượng tia X (EDX), phổ phản xạ khuếch tán UV-Vis (DRS), hiển vi điện tử quét SEM và truyền qua TEM, đo diện tích bề mặt riêng BET, và đo tính chất từ bằng từ kế mẫu rung.

Phân tích hoạt tính quang xúc tác được thực hiện qua phản ứng phân hủy Rhodamine B (RhB) dưới ánh sáng đèn Led, khảo sát ảnh hưởng của các yếu tố: lượng bentonite, khối lượng vật liệu, lượng H2O2, và chất ức chế (AA, EDTA, IPA). Đường chuẩn xác định nồng độ RhB được xây dựng với hệ số tương quan R2 = 0,997 trong khoảng 1,0 – 10,0 mg/L.

Thời gian nghiên cứu kéo dài trong năm 2023, với các bước tổng hợp, phân tích đặc trưng và đánh giá hoạt tính quang xúc tác được thực hiện tại các phòng thí nghiệm của Đại học Thái Nguyên và Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Đặc trưng cấu trúc và kích thước tinh thể: Giản đồ XRD cho thấy các mẫu composite CB1 ÷ CB3 có các peak đặc trưng của CoFe2O4 và bentonite, với kích thước tinh thể trung bình giảm từ 23,1 nm (CB0) xuống còn khoảng 18,2 nm (CB3). Sự giảm kích thước này chứng tỏ bentonite giúp hạn chế kết tụ hạt nano.

  2. Diện tích bề mặt riêng: Diện tích bề mặt riêng của vật liệu tăng từ 7,55 m²/g (CB0) lên 9,22 m²/g (CB3), trong khi bentonite có diện tích 56,25 m²/g. Sự gia tăng diện tích bề mặt giúp tăng khả năng hấp phụ RhB, hỗ trợ quá trình quang xúc tác.

  3. Hiệu suất phân hủy RhB: Hiệu suất phân hủy RhB sau 180 phút chiếu sáng tăng từ 70,39% (CB0 + H2O2) lên 92,59% (CB3 + H2O2). Việc tăng lượng bentonite làm giảm kết tụ hạt ferrite, tăng diện tích bề mặt và hiệu quả quang xúc tác.

  4. Ảnh hưởng của lượng H2O2 và khối lượng vật liệu: Lượng H2O2 tối ưu là 1,0 mL, khi tăng từ 0,5 mL đến 1,0 mL, hiệu suất phân hủy tăng từ 86,86% lên 92,59%, nhưng giảm khi vượt quá 1,5 mL do phản ứng phụ. Khối lượng vật liệu tối ưu là 0,1 gam, tăng khối lượng từ 0,05 đến 0,1 gam làm hiệu suất tăng từ 72,56% lên 92,59%, nhưng giảm khi vượt quá 0,15 gam do hiện tượng tái tổ hợp electron-lỗ trống.

Thảo luận kết quả

Sự giảm kích thước tinh thể và tăng diện tích bề mặt riêng của các mẫu composite nhờ bentonite phù hợp với các nghiên cứu trước đây về phân tán nano ferrite trên chất nền aluminosilicate. Hiệu suất quang xúc tác tăng rõ rệt khi có bentonite do khả năng hấp phụ RhB và giảm kết tụ hạt, tạo điều kiện thuận lợi cho phản ứng quang xúc tác và phản ứng Fenton dị thể.

Ảnh hưởng của lượng H2O2 và khối lượng vật liệu phản ánh cân bằng giữa tạo gốc tự do và hiện tượng phản ứng phụ hoặc tái tổ hợp, điều này tương đồng với các nghiên cứu về quang xúc tác ferrite/H2O2. Kết quả thí nghiệm với chất ức chế cho thấy các gốc •OH, O2– và lỗ trống h+ đều đóng vai trò quan trọng trong quá trình phân hủy RhB, khẳng định cơ chế quang xúc tác phức tạp và đa chiều.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ hiệu suất phân hủy RhB theo thời gian với các mẫu khác nhau, biểu đồ ảnh hưởng lượng H2O2 và khối lượng vật liệu, cũng như bảng tổng hợp kích thước tinh thể và diện tích bề mặt riêng.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tối ưu hóa tỷ lệ bentonite trong composite: Khuyến nghị sử dụng lượng bentonite tương đương mẫu CB3 để đạt hiệu suất quang xúc tác cao nhất, giảm kết tụ hạt và tăng diện tích bề mặt riêng. Thời gian thực hiện trong vòng 6 tháng, do các phòng thí nghiệm hóa học và vật liệu đảm nhận.

  2. Kiểm soát lượng H2O2 sử dụng: Đề xuất sử dụng lượng H2O2 khoảng 1,0 mL trong quá trình xử lý để tối ưu hiệu suất phân hủy RhB, tránh lượng quá cao gây phản ứng phụ. Thực hiện trong quy trình vận hành xử lý nước thải tại các nhà máy dệt nhuộm.

  3. Điều chỉnh khối lượng vật liệu xúc tác: Sử dụng khối lượng vật liệu khoảng 0,1 gam cho mỗi 100 mL dung dịch để cân bằng hiệu quả quang xúc tác và chi phí vật liệu. Áp dụng trong các hệ thống xử lý nước thải quy mô phòng thí nghiệm và pilot.

  4. Phát triển quy trình thu hồi và tái sử dụng vật liệu: Khuyến khích áp dụng tính chất từ của composite để thu hồi vật liệu bằng nam châm, rửa sạch và tái sử dụng ít nhất 3 lần mà không giảm hiệu suất đáng kể. Thời gian triển khai trong 1 năm, phối hợp giữa phòng thí nghiệm và nhà máy xử lý.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Hóa học, Vật liệu: Luận văn cung cấp dữ liệu chi tiết về tổng hợp, đặc trưng và ứng dụng vật liệu nano composite quang xúc tác, hỗ trợ nghiên cứu phát triển vật liệu mới.

  2. Chuyên gia môi trường và kỹ sư xử lý nước thải: Thông tin về hiệu quả phân hủy phẩm nhuộm Rhodamine B và các yếu tố ảnh hưởng giúp thiết kế quy trình xử lý nước thải dệt nhuộm hiệu quả, thân thiện môi trường.

  3. Doanh nghiệp ngành dệt nhuộm và hóa chất: Áp dụng công nghệ quang xúc tác với vật liệu composite CoFe2O4/Bentonite để nâng cao chất lượng xử lý nước thải, giảm chi phí và tuân thủ quy định môi trường.

  4. Cơ quan quản lý môi trường và chính sách: Cung cấp cơ sở khoa học cho việc xây dựng tiêu chuẩn xử lý nước thải và khuyến khích ứng dụng công nghệ xanh trong ngành công nghiệp.

Câu hỏi thường gặp

  1. Nano composite CoFe2O4/Bentonite có ưu điểm gì so với CoFe2O4 đơn thuần?
    Nano composite giảm kết tụ hạt, tăng diện tích bề mặt riêng và khả năng hấp phụ, từ đó nâng cao hiệu suất quang xúc tác phân hủy Rhodamine B lên đến 92,59%, cao hơn nhiều so với CoFe2O4 đơn lẻ.

  2. Tại sao bentonite được chọn làm chất nền trong composite?
    Bentonite có cấu trúc lớp, diện tích bề mặt lớn, khả năng hấp phụ và trao đổi ion tốt, giúp phân tán hạt nano ferrite hiệu quả, đồng thời giá thành thấp và thân thiện môi trường.

  3. Lượng H2O2 ảnh hưởng thế nào đến hiệu suất phân hủy RhB?
    Lượng H2O2 tối ưu là 1,0 mL; tăng lượng H2O2 giúp tạo nhiều gốc •OH hơn, nâng cao hiệu suất, nhưng vượt quá mức này sẽ gây phản ứng phụ làm giảm hiệu quả.

  4. Có thể tái sử dụng vật liệu composite nhiều lần không?
    Có, vật liệu composite CoFe2O4/Bentonite có thể thu hồi bằng từ trường và tái sử dụng ít nhất 3 lần mà hiệu suất phân hủy RhB vẫn duy trì trên 90%.

  5. Cơ chế phân hủy RhB trong hệ composite là gì?
    Phân hủy RhB dựa trên cơ chế quang xúc tác tạo ra các gốc tự do •OH, O2– và lỗ trống h+ dưới ánh sáng, kết hợp phản ứng Fenton dị thể giữa ferrite và H2O2, phân hủy chất hữu cơ thành các sản phẩm vô cơ không độc hại.

Kết luận

  • Đã tổng hợp thành công nano composite CoFe2O4/Bentonite với kích thước tinh thể trung bình khoảng 18,2 nm và diện tích bề mặt riêng tăng lên 9,22 m²/g.
  • Hiệu suất quang xúc tác phân hủy Rhodamine B đạt tối đa 92,59% sau 180 phút chiếu sáng với lượng bentonite và H2O2 tối ưu.
  • Bentonite giúp giảm kết tụ hạt, tăng diện tích bề mặt và khả năng hấp phụ, nâng cao hiệu quả quang xúc tác.
  • Vật liệu composite có tính chất từ, dễ dàng thu hồi và tái sử dụng ít nhất 3 lần mà không giảm hiệu suất đáng kể.
  • Đề xuất tiếp tục nghiên cứu mở rộng ứng dụng xử lý các loại phẩm nhuộm khác và phát triển quy trình công nghiệp trong vòng 1-2 năm tới.

Hành động tiếp theo: Các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp nên phối hợp triển khai thử nghiệm quy mô lớn, đồng thời phát triển công nghệ thu hồi và tái sử dụng vật liệu để ứng dụng thực tiễn hiệu quả.