Tổng quan nghiên cứu

Ô nhiễm nguồn nước do các hợp chất hữu cơ độc hại như phenol đang là vấn đề nghiêm trọng toàn cầu, đặc biệt tại các khu công nghiệp và đô thị phát triển nhanh. Theo ước tính, nồng độ phenol trong nước thải của một số ngành công nghiệp có thể lên tới hàng nghìn mg/l, ví dụ như khai thác than (1.000 mg/l), sản xuất khí đốt (4.000 mg/l), và tinh chế dầu (2.000 mg/l). Phenol là chất độc có khả năng gây tổn hại nghiêm trọng đến sức khỏe con người và môi trường, với khả năng tồn tại lâu dài trong nước và ảnh hưởng tiêu cực đến sinh vật thủy sinh. Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là tổng hợp và đặc trưng vật liệu nano BiTaO4 bằng phương pháp đốt cháy gel polyvinyl ancol (PVA), đồng thời đánh giá khả năng quang xúc tác của vật liệu này trong phân hủy phenol trong nước. Nghiên cứu được thực hiện trong phạm vi phòng thí nghiệm tại Viện Khoa học Vật liệu và Viện Địa lý, Hà Nội, trong khoảng thời gian từ tháng 5 đến tháng 11 năm 2018. Kết quả nghiên cứu góp phần phát triển giải pháp xử lý phenol hiệu quả, thân thiện môi trường, tận dụng nguồn năng lượng ánh sáng tự nhiên, hướng tới cải thiện chất lượng nguồn nước và bảo vệ sức khỏe cộng đồng.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên nguyên lý quang xúc tác dị thể, trong đó vật liệu bán dẫn như BiTaO4 hấp thụ photon có năng lượng lớn hơn hoặc bằng năng lượng vùng cấm (Eg ≈ 2,8 eV), tạo ra cặp electron-lỗ trống. Các electron vùng dẫn và lỗ trống vùng hóa trị tham gia vào các phản ứng oxy hóa-khử, sinh ra các gốc hydroxyl (OH•) và ion siêu oxit (•O2−) có khả năng phân hủy triệt để các hợp chất hữu cơ như phenol. Vật liệu BiTaO4 có cấu trúc perovskit, tồn tại ở hai dạng thù hình β (tam tà) và α (trực thoi), với kích thước hạt nano dưới 50 nm khi nung ở 750°C. Phương pháp đốt cháy gel PVA được áp dụng để tổng hợp vật liệu, giúp tạo ra sản phẩm đơn pha, kích thước hạt nhỏ, diện tích bề mặt lớn và khả năng quang xúc tác cao. Các khái niệm chính bao gồm: quang xúc tác bán dẫn, vùng cấm năng lượng, gốc hydroxyl, điểm điện tích không (PZC) và hiệu suất phân hủy phenol.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính là các mẫu vật liệu BiTaO4 tổng hợp trong phòng thí nghiệm và dung dịch phenol chuẩn cùng mẫu nước thải công nghiệp từ nhà máy Formosa Hà Tĩnh. Phương pháp tổng hợp vật liệu là đốt cháy gel PVA với tỷ lệ mol Bi:Ta:PVA = 1:1:3, pH = 2, sấy gel ở 120°C trong 4 giờ, nung ở các nhiệt độ từ 550°C đến 950°C để khảo sát ảnh hưởng nhiệt độ nung. Phân tích cấu trúc và tính chất vật liệu sử dụng các kỹ thuật: TG-DTA, phổ hồng ngoại IR, kính hiển vi điện tử quét SEM-TEM, nhiễu xạ tia X (XRD), đo diện tích bề mặt riêng BET và xác định điểm điện tích không PZC. Khả năng quang xúc tác được đánh giá trên hệ thiết bị photochemical với đèn thủy ngân 450 W, đo hiệu suất phân hủy phenol bằng phương pháp trắc quang UV-VIS theo tiêu chuẩn SMEWW 5530:C:2012. Cỡ mẫu vật liệu và dung dịch phenol được chuẩn hóa, các thí nghiệm khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ nung, lượng vật liệu, pH và khả năng tái sử dụng vật liệu được tiến hành trong khoảng thời gian từ 15 đến 120 phút.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Ảnh hưởng của nhiệt độ nung đến pha và kích thước hạt: Vật liệu BiTaO4 nung ở 750°C tạo thành pha β-BiTaO4 với kích thước hạt trung bình dưới 50 nm, đồng đều và có diện tích bề mặt riêng lớn. Nung trên 750°C dẫn đến chuyển pha sang α-BiTaO4 với kích thước hạt lớn hơn, làm giảm hiệu suất quang xúc tác. Hiệu suất phân hủy phenol của BTO750 đạt khoảng 85% sau 60 phút chiếu sáng, cao hơn 20-30% so với các mẫu nung ở nhiệt độ thấp hơn hoặc cao hơn.

  2. Ảnh hưởng của lượng vật liệu xúc tác: Khi tăng lượng vật liệu từ 0,125 g/L đến 0,25 g/L, hiệu suất phân hủy phenol tăng từ khoảng 60% lên 85% sau 60 phút. Tuy nhiên, khi lượng vật liệu vượt quá 0,5 g/L, hiệu suất không tăng đáng kể do hiện tượng che khuất ánh sáng và giảm khả năng khuếch tán.

  3. Ảnh hưởng của pH môi trường: Hiệu suất quang xúc tác cao nhất đạt được ở pH khoảng 6-7, với hiệu suất phân hủy phenol trên 85% sau 60 phút. Ở pH thấp (4-5) hoặc cao (8), hiệu suất giảm do ảnh hưởng đến điện tích bề mặt vật liệu và sự hấp phụ phenol. Điểm điện tích không (PZC) của vật liệu BTO750 được xác định khoảng pH 6, phù hợp với kết quả khảo sát pH.

  4. Khả năng tái sử dụng vật liệu: Vật liệu BiTaO4 nung ở 750°C duy trì hiệu suất phân hủy phenol trên 80% sau 5 chu kỳ sử dụng liên tiếp, chứng tỏ tính ổn định và khả năng tái sử dụng cao. Hiệu suất giảm nhẹ khoảng 5% so với lần đầu do một phần vật liệu có thể bị mất trong quá trình thu hồi.

Thảo luận kết quả

Kết quả cho thấy phương pháp đốt cháy gel PVA là hiệu quả trong việc tổng hợp vật liệu BiTaO4 nano có kích thước nhỏ, đồng đều và cấu trúc tinh thể ổn định, phù hợp cho ứng dụng quang xúc tác phân hủy phenol. Nhiệt độ nung 750°C được xác định là điều kiện tối ưu, cân bằng giữa kích thước hạt và pha tinh thể. So với các nghiên cứu trước đây sử dụng phương pháp phản ứng pha rắn với kích thước hạt lớn và hiệu suất thấp, phương pháp này cải thiện đáng kể hiệu quả quang xúc tác. Việc khảo sát ảnh hưởng pH phù hợp với lý thuyết về điểm điện tích không, giải thích sự thay đổi hấp phụ phenol trên bề mặt vật liệu. Khả năng tái sử dụng cao của vật liệu cũng góp phần giảm chi phí và tăng tính khả thi trong ứng dụng thực tế. Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ hiệu suất phân hủy phenol theo thời gian, lượng vật liệu và pH, cùng bảng so sánh hiệu suất giữa các điều kiện nung khác nhau.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Ứng dụng quy trình tổng hợp đốt cháy gel PVA ở quy mô công nghiệp: Đề xuất triển khai quy trình tổng hợp vật liệu BiTaO4 nano ở quy mô lớn với nhiệt độ nung 750°C, nhằm sản xuất vật liệu xúc tác quang có hiệu suất cao, phục vụ xử lý nước thải phenol trong các nhà máy công nghiệp. Thời gian thực hiện dự kiến 1-2 năm, chủ thể thực hiện là các viện nghiên cứu và doanh nghiệp công nghệ môi trường.

  2. Phát triển hệ thống xử lý nước thải tích hợp quang xúc tác BiTaO4: Thiết kế và thử nghiệm hệ thống xử lý nước thải phenol sử dụng vật liệu BiTaO4 kết hợp với nguồn sáng tự nhiên hoặc nhân tạo, nhằm nâng cao hiệu quả xử lý và giảm chi phí vận hành. Mục tiêu đạt hiệu suất xử lý phenol trên 80% trong vòng 1 giờ. Thời gian triển khai 1 năm, chủ thể là các đơn vị xử lý môi trường.

  3. Nghiên cứu tối ưu hóa điều kiện vận hành: Tiếp tục khảo sát ảnh hưởng của các yếu tố như nồng độ phenol, nhiệt độ môi trường, và các ion có trong nước thải đến hiệu suất quang xúc tác, nhằm hoàn thiện quy trình vận hành phù hợp với đa dạng nguồn nước thải. Thời gian nghiên cứu 6-12 tháng, chủ thể là các nhóm nghiên cứu khoa học.

  4. Đào tạo và chuyển giao công nghệ: Tổ chức các khóa đào tạo kỹ thuật tổng hợp và ứng dụng vật liệu BiTaO4 cho cán bộ kỹ thuật và doanh nghiệp, đồng thời xây dựng tài liệu hướng dẫn vận hành hệ thống xử lý quang xúc tác. Thời gian thực hiện 6 tháng, chủ thể là trường đại học và viện nghiên cứu.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. 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 nano và phương pháp tổng hợp hiện đại, hỗ trợ nghiên cứu và phát triển các giải pháp xử lý ô nhiễm nước.

  2. Doanh nghiệp xử lý nước thải công nghiệp: Tham khảo để áp dụng công nghệ quang xúc tác BiTaO4 trong xử lý phenol và các hợp chất hữu cơ độc hại, giúp nâng cao hiệu quả xử lý và giảm chi phí vận hành.

  3. Cơ quan quản lý môi trường: Sử dụng kết quả nghiên cứu để xây dựng chính sách, tiêu chuẩn kỹ thuật và hướng dẫn áp dụng công nghệ xử lý nước thải tiên tiến, góp phần bảo vệ nguồn nước và sức khỏe cộng đồng.

  4. Các viện nghiên cứu và trung tâm phát triển công nghệ: Là tài liệu tham khảo để phát triển các dự án nghiên cứu ứng dụng vật liệu nano trong xử lý môi trường, đồng thời thúc đẩy chuyển giao công nghệ ra thực tiễn.

Câu hỏi thường gặp

  1. Vật liệu BiTaO4 có ưu điểm gì so với các vật liệu quang xúc tác khác?
    BiTaO4 có độ rộng vùng cấm khoảng 2,8 eV, cho phép hấp thụ ánh sáng trong vùng khả kiến, tận dụng hiệu quả nguồn sáng tự nhiên. Kích thước hạt nano nhỏ dưới 50 nm tăng diện tích bề mặt và khả năng xúc tác, đồng thời vật liệu có tính ổn định cao và khả năng tái sử dụng tốt.

  2. Phương pháp đốt cháy gel PVA có điểm mạnh gì trong tổng hợp vật liệu?
    Phương pháp này cho phép tổng hợp vật liệu đơn pha, kích thước hạt nhỏ, đồng đều, với điều kiện nhiệt độ nung thấp hơn so với phương pháp truyền thống. PVA tạo phức bền giúp kiểm soát cấu trúc vật liệu và giảm nhiệt độ nung, tiết kiệm năng lượng.

  3. Hiệu suất phân hủy phenol của vật liệu BiTaO4 đạt được trong nghiên cứu là bao nhiêu?
    Hiệu suất phân hủy phenol đạt khoảng 85% sau 60 phút chiếu sáng với lượng vật liệu 0,25 g/L và nồng độ phenol 10 ppm, cao hơn nhiều so với các vật liệu nung ở nhiệt độ khác hoặc các phương pháp truyền thống.

  4. Ảnh hưởng của pH đến quá trình quang xúc tác như thế nào?
    Hiệu suất quang xúc tác cao nhất ở pH từ 6 đến 7, gần với điểm điện tích không của vật liệu. Ở pH thấp hoặc cao hơn, hiệu suất giảm do thay đổi điện tích bề mặt làm giảm khả năng hấp phụ phenol và tương tác với các gốc oxy hóa.

  5. Vật liệu BiTaO4 có thể tái sử dụng bao nhiêu lần mà không giảm hiệu quả?
    Nghiên cứu cho thấy vật liệu duy trì hiệu suất trên 80% sau 5 chu kỳ sử dụng liên tiếp, chứng tỏ tính ổn định và khả năng tái sử dụng cao, phù hợp cho ứng dụng thực tế nhằm giảm chi phí vận hành.

Kết luận

  • Đã thành công trong việc tổng hợp vật liệu nano BiTaO4 đơn pha, kích thước hạt dưới 50 nm bằng phương pháp đốt cháy gel PVA với nhiệt độ nung tối ưu 750°C.
  • Vật liệu BiTaO4 thể hiện khả năng quang xúc tác hiệu quả trong phân hủy phenol trong nước, đạt hiệu suất khoảng 85% sau 60 phút chiếu sáng.
  • Các yếu tố như nhiệt độ nung, lượng vật liệu, pH môi trường ảnh hưởng rõ rệt đến hiệu suất quang xúc tác, với điều kiện tối ưu được xác định cụ thể.
  • Vật liệu có khả năng tái sử dụng cao, duy trì hiệu suất trên 80% sau nhiều chu kỳ, góp phần giảm chi phí và tăng tính khả thi ứng dụng.
  • Đề xuất triển khai nghiên cứu mở rộng và ứng dụng công nghệ quang xúc tác BiTaO4 trong xử lý nước thải phenol quy mô công nghiệp, đồng thời đào tạo chuyển giao công nghệ cho các đơn vị liên quan.

Hành động tiếp theo là tiến hành thử nghiệm quy mô pilot tại các nhà máy xử lý nước thải công nghiệp và phát triển hệ thống xử lý tích hợp sử dụng vật liệu BiTaO4 nhằm góp phần bảo vệ môi trường và sức khỏe cộng đồng.