Tổng quan nghiên cứu

Ô nhiễm nguồn nước do các hợp chất hữu cơ khó phân hủy, đặc biệt là phẩm nhuộm công nghiệp, đang là vấn đề nghiêm trọng ảnh hưởng đến sức khỏe cộng đồng và môi trường. Theo thống kê của Bộ Y tế và Bộ Tài nguyên Môi trường Việt Nam, trung bình mỗi năm có khoảng 9.000 người tử vong liên quan đến nguồn nước ô nhiễm và gần 20.000 ca ung thư mới được phát hiện có nguyên nhân từ ô nhiễm nước. Phẩm nhuộm, đặc biệt là methylene blue (MB), được sử dụng rộng rãi trong ngành dệt nhuộm, có tính bền vững cao, khó phân hủy sinh học, gây ô nhiễm nghiêm trọng nguồn nước thải. Mục tiêu nghiên cứu là tổng hợp và đặc trưng cấu trúc, đồng thời đánh giá hoạt tính quang xúc tác của vật liệu nano composite MnFe2O4/Bentonite nhằm phân hủy hiệu quả methylene blue trong nước thải.

Nghiên cứu được thực hiện trong năm 2023 tại Trường Đại học Sư phạm - Đại học Thái Nguyên, tập trung vào việc tổng hợp vật liệu composite với các tỷ lệ bentonite khác nhau, khảo sát ảnh hưởng của các yếu tố như lượng bentonite, khối lượng vật liệu, lượng H2O2 và chất ức chế đến hiệu suất phân hủy MB. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển vật liệu xúc tác quang thân thiện môi trường, chi phí thấp, có khả năng tái sử dụng cao, góp phần nâng cao hiệu quả xử lý ô nhiễm nước thải công nghiệp.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên lý thuyết về vật liệu bán dẫn và quang xúc tác, trong đó MnFe2O4 là vật liệu spinel ferrite có năng lượng vùng cấm nhỏ (khoảng 1,5 - 2,1 eV), khả năng hấp thụ ánh sáng vùng khả kiến và tính chất từ mềm giúp dễ dàng thu hồi sau phản ứng. Lý thuyết về quá trình oxi hóa nâng cao (Advanced Oxidation Processes - AOPs) được áp dụng, trong đó các gốc hydroxyl (.OH) và sulfat (SO4.-) sinh ra từ phản ứng Fenton dị thể đóng vai trò phân hủy các hợp chất hữu cơ khó phân hủy. Bentonit được sử dụng làm chất mang do 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 MnFe2O4, giảm kết tụ, tăng hiệu quả xúc tác.

Các khái niệm chính bao gồm:

  • Quang xúc tác bán dẫn
  • Phản ứng Fenton dị thể
  • Diện tích bề mặt riêng và phân bố mao quản
  • Động học phản ứng bậc một trong phân hủy chất ô nhiễm
  • Ảnh hưởng của chất ức chế gốc tự do trong quá trình quang xúc tác

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu thu thập từ các thí nghiệm tổng hợp và đặc trưng vật liệu tại các phòng thí nghiệm của Đại học Thái Nguyên và Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam. Vật liệu MnFe2O4/Bentonite được tổng hợp bằng phương pháp đồng kết tủa với các tỷ lệ bentonite 0,1; 0,2; 0,3 gam trên 8 gam bentonite, nung ở 500°C trong 3 giờ. Cỡ mẫu gồm 4 mẫu MnBT0 đến MnBT3 với lượng bentonite tăng dần.

Phương pháp phân tích bao gồm:

  • Nhiễu xạ X-Ray (XRD) để xác định cấu trúc tinh thể và kích thước tinh thể trung bình (khoảng 17,7 - 20 nm)
  • Hiển vi điện tử quét (SEM) và truyền qua (TEM) để khảo sát hình thái và kích thước hạt (28,92 - 33,26 nm)
  • Phổ tán xạ năng lượng tia X (EDX) xác định thành phần nguyên tố
  • Phổ phản xạ khuếch tán UV-Vis (DRS) để xác định năng lượng vùng cấm (1,6 - 2,17 eV)
  • Phổ hồng ngoại (IR) để xác định liên kết hóa học
  • Phương pháp BET và BJH đo diện tích bề mặt riêng và phân bố mao quản
  • Đo từ kế mẫu rung để xác định tính chất từ (độ bão hòa từ 8,71 - 37,61 emu/g)
  • Thí nghiệm phân hủy methylene blue với các điều kiện khác nhau: lượng bentonite, khối lượng vật liệu, lượng H2O2, chất ức chế, thời gian chiếu sáng (180 phút) với đèn LED.

Thời gian nghiên cứu kéo dài trong năm 2023, các phép đo được thực hiện tại các cơ sở nghiên cứu chuyên ngành hóa học và vật liệu.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Đặc trưng cấu trúc và kích thước tinh thể: Kích thước tinh thể trung bình của các mẫu MnBT1 ÷ MnBT3 (17,7 - 18,9 nm) nhỏ hơn so với mẫu MnBT0 (20 nm), chứng tỏ bentonite làm giảm kết tụ hạt MnFe2O4. Diện tích bề mặt riêng tăng từ 2,46 m²/g (MnBT0) lên 5,81 m²/g (MnBT3), đồng thời kích thước mao quản trung bình tăng từ 16,96 nm lên 31,15 nm.

  2. Hiệu suất phân hủy methylene blue: Sau 180 phút chiếu sáng, hiệu suất phân hủy MB tăng theo lượng bentonite trong composite: MnBT0 đạt 69,57%, MnBT1 79,84%, MnBT2 84,61%, và MnBT3 cao nhất với 91,07%. Khi kết hợp với H2O2, hiệu suất tăng đáng kể, ví dụ MnBT3 + H2O2 đạt 91,93% với 1,0 mL H2O2.

  3. Ảnh hưởng của khối lượng vật liệu và lượng H2O2: Khối lượng vật liệu tối ưu là 0,1 gam, khi tăng từ 0,05 gam lên 0,1 gam, hiệu suất tăng từ 69,59% lên 91,93%, nhưng giảm khi tăng lên 0,15 gam do hiện tượng tái tổ hợp electron-lỗ trống và tán xạ ánh sáng. Lượng H2O2 tối ưu là 1,0 mL; vượt quá mức này hiệu suất giảm do phản ứng phụ làm giảm gốc hydroxyl.

  4. Ảnh hưởng của chất ức chế: Hiệu suất phân hủy MB giảm rõ rệt khi có mặt các chất ức chế gốc tự do như ascorbic acid (giảm còn 60,11%), EDTA (62,43%) và isopropylic alcohol (56,17%), cho thấy vai trò quan trọng của các gốc tự do (.OH, O2–) và lỗ trống h+ trong quá trình quang xúc tác.

  5. Động học phản ứng: Phản ứng phân hủy MB tuân theo động học bậc một với hệ số hồi quy R² ≥ 0,95. Hằng số tốc độ phản ứng của các mẫu composite MnBT1 ÷ MnBT3 cao hơn mẫu MnBT0, đạt khoảng 8,92×10⁻² phút⁻¹ so với 6,54×10⁻² phút⁻¹.

Thảo luận kết quả

Sự gia tăng hiệu suất phân hủy MB khi tăng lượng bentonite được giải thích do bentonite giúp phân tán các hạt MnFe2O4, giảm kết tụ, tăng diện tích bề mặt và khả năng hấp phụ chất ô nhiễm. Kết quả này phù hợp với các nghiên cứu trước đây về vật liệu composite ferrite/bentonite. Việc tối ưu lượng H2O2 và khối lượng vật liệu giúp cân bằng giữa tạo gốc hydroxyl và tránh hiện tượng tái tổ hợp, nâng cao hiệu quả quang xúc tác.

Phổ IR và EDX xác nhận sự hình thành liên kết giữa MnFe2O4 và bentonite, đồng thời phổ DRS cho thấy năng lượng vùng cấm giảm nhẹ, giúp tăng khả năng hấp thụ ánh sáng khả kiến. Tính chất từ của composite cho phép thu hồi vật liệu dễ dàng bằng từ trường ngoài, thuận tiện cho tái sử dụng.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ hiệu suất phân hủy MB theo thời gian, biểu đồ so sánh hiệu suất với các lượng bentonite và H2O2 khác nhau, cũng như bảng động học phản ứng để minh họa rõ ràng các phát hiện.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tăng cường ứng dụng vật liệu MnFe2O4/Bentonite trong xử lý nước thải công nghiệp: Khuyến khích các nhà máy dệt nhuộm và công nghiệp liên quan áp dụng vật liệu composite này để nâng cao hiệu quả xử lý phẩm nhuộm, giảm thiểu ô nhiễm môi trường trong vòng 1-2 năm tới.

  2. Nghiên cứu mở rộng về tái sử dụng và bền vững vật liệu: Thực hiện các thử nghiệm dài hạn về khả năng thu hồi và tái sử dụng vật liệu composite nhằm đảm bảo hiệu suất ổn định trên 3 chu kỳ sử dụng, giảm chi phí vận hành.

  3. Phát triển quy trình tổng hợp vật liệu quy mô lớn: Đề xuất xây dựng quy trình tổng hợp MnFe2O4/Bentonite với chi phí thấp, quy mô công nghiệp, đảm bảo tính đồng nhất và hiệu quả xúc tác, trong vòng 2-3 năm.

  4. Khảo sát ứng dụng trong xử lý các chất ô nhiễm hữu cơ khác: Mở rộng nghiên cứu ứng dụng vật liệu composite trong phân hủy các hợp chất hữu cơ độc hại khác như thuốc kháng sinh, thuốc nhuộm azo, nhằm đa dạng hóa phạm vi xử lý.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Hóa học, Vật liệu: Nghiên cứu về tổng hợp vật liệu nano composite, quang xúc tác và ứng dụng xử lý môi trường sẽ được cung cấp dữ liệu thực nghiệm chi tiết và phương pháp phân tích hiện đại.

  2. Doanh nghiệp xử lý nước thải công nghiệp: Có thể áp dụng kết quả nghiên cứu để lựa chọn vật liệu xúc tác hiệu quả, thân thiện môi trường, giảm chi phí vận hành và nâng cao hiệu suất xử lý.

  3. Cơ quan quản lý môi trường và chính sách: Tham khảo để xây dựng các tiêu chuẩn, quy định về xử lý nước thải, khuyến khích áp dụng công nghệ oxi hóa nâng cao với vật liệu composite mới.

  4. Các tổ chức đào tạo và phát triển công nghệ xanh: Sử dụng luận văn làm tài liệu giảng dạy, nghiên cứu phát triển công nghệ xử lý ô nhiễm nước thải bền vững, góp phần đào tạo nguồn nhân lực chất lượng cao.

Câu hỏi thường gặp

  1. Vật liệu MnFe2O4/Bentonite có ưu điểm gì so với các vật liệu xúc tác khác?
    Vật liệu này có diện tích bề mặt lớn, khả năng hấp phụ tốt, năng lượng vùng cấm nhỏ (1,6 - 1,68 eV), dễ thu hồi bằng từ trường và chi phí tổng hợp thấp, phù hợp cho xử lý nước thải chứa phẩm nhuộm.

  2. **Hiệu suất phân hủy methylene blue đạt được trong nghiên cứu là bao nhiêu?