Tổng quan nghiên cứu

Ngành công nghiệp dệt nhuộm ngày càng phát triển mạnh mẽ, đóng góp khoảng 13% tổng sản phẩm công nghiệp quốc gia với kim ngạch xuất khẩu đạt 40,3 tỷ USD năm 2021. Tuy nhiên, sự phát triển này đi kèm với vấn đề ô nhiễm môi trường nghiêm trọng, đặc biệt là ô nhiễm nguồn nước do nước thải chứa thuốc nhuộm khó phân hủy. Ước tính mỗi năm ngành dệt may thải ra khoảng 24 – 30 triệu m³ nước thải, trong đó chỉ khoảng 10% được xử lý trước khi xả ra môi trường. Thuốc nhuộm trong nước thải có cấu trúc bền vững, khó phân hủy sinh học, gây ảnh hưởng tiêu cực đến hệ sinh thái và sức khỏe con người.

Mục tiêu nghiên cứu là tổng hợp vật liệu xúc tác quang Fe3O4@SiO2/ZnO/Ag/AgCl (FSZAC) có khả năng phân hủy thuốc nhuộm methylene blue (MB) trong nước dưới ánh sáng tự nhiên, đồng thời xác định điều kiện tối ưu cho phản ứng quang phân hủy. Nghiên cứu được thực hiện trong phạm vi phòng thí nghiệm tại Trường Đại học Bách Khoa – ĐHQG TP.HCM, từ tháng 9/2023 đến tháng 5/2024. Kết quả nghiên cứu góp phần phát triển vật liệu xúc tác quang có hiệu suất cao, dễ thu hồi và thân thiện môi trường, hỗ trợ xử lý nước thải dệt nhuộm hiệu quả hơn.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

  • Quá trình oxi hóa nâng cao (AOPs): Sử dụng các gốc tự do hydroxyl (•OH) có khả năng oxi hóa mạnh để phân hủy các hợp chất hữu cơ bền trong nước thải. Gốc •OH được tạo ra qua các phản ứng quang xúc tác, quang Fenton, UV/O3, v.v.

  • Cơ chế xúc tác quang hóa dị thể: Chất xúc tác bán dẫn hấp thụ photon ánh sáng, tạo ra cặp electron-lỗ trống, kích hoạt các phản ứng oxi hóa khử phân hủy thuốc nhuộm. Hiệu quả phụ thuộc vào khả năng hấp thụ ánh sáng, tách và chuyển electron hiệu quả, hạn chế tái kết hợp.

  • Hiện tượng cộng hưởng plasmon bề mặt (SPR) của nano bạc (Ag): Tăng cường hấp thụ ánh sáng vùng khả kiến, cải thiện hiệu suất quang xúc tác.

  • Mô hình cấu trúc lõi-vỏ Fe3O4@SiO2/ZnO/Ag/AgCl: Lõi Fe3O4 từ tính giúp thu hồi xúc tác dễ dàng; lớp SiO2 bảo vệ lõi, tăng độ bền hóa học; ZnO hấp thụ tia UVA; Ag và AgCl tăng cường hoạt tính quang xúc tác và ổn định lỗ trống.

Các khái niệm chính bao gồm: gốc hydroxyl •OH, quang xúc tác dị thể, năng lượng vùng cấm (band gap), điểm đẳng điện (pHpzc), và hiệu ứng plasmon bề mặt.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Dữ liệu thu thập từ các thí nghiệm tổng hợp và đánh giá vật liệu FSZAC trong phòng thí nghiệm.

  • Phương pháp tổng hợp: Sử dụng phương pháp đồng kết tủa để tạo hạt nano Fe3O4, phủ lớp SiO2 theo phương pháp Stober, kết tủa ZnO trên bề mặt, phủ nano Ag bằng phương pháp khử hóa học với NaBH4, và tạo lớp AgCl bằng phản ứng oxi hóa-khử với FeCl3 trong sự hiện diện của PVP.

  • Phân tích tính chất vật liệu: Xác định cấu trúc pha bằng XRD, hình thái bề mặt bằng SEM, thành phần nguyên tố bằng EDS, nhóm chức bằng FT-IR, năng lượng vùng cấm bằng UV-Vis DRS, tính từ tính bằng VSM, và điểm đẳng điện bằng phương pháp đo pH.

  • Phương pháp đánh giá hoạt tính xúc tác: Thử nghiệm phân hủy methylene blue (MB) 5 ppm dưới ánh sáng đèn compact 25W, đo nồng độ MB còn lại theo thời gian bằng phổ UV-Vis tại bước sóng 664 nm. Khảo sát ảnh hưởng của các điều kiện tổng hợp (nồng độ Zn2+, Ag+, tỉ lệ mol FeCl3:AgNO3) và điều kiện phản ứng (pH, tỉ lệ rắn:lỏng, nồng độ MB ban đầu).

  • Cỡ mẫu và timeline: Tổng hợp và đánh giá nhiều mẫu vật liệu với các điều kiện khác nhau trong khoảng thời gian 9 tháng, từ tháng 9/2023 đến tháng 5/2024.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Tổng hợp thành công vật liệu FSZAC với cấu trúc lõi-vỏ đa lớp, được xác nhận qua XRD và SEM. Kích thước hạt nano đồng đều, lớp phủ SiO2 bảo vệ lõi Fe3O4, nano ZnO và Ag/AgCl phân bố đều trên bề mặt.

  2. Ảnh hưởng điều kiện tổng hợp đến hiệu suất quang xúc tác: Nồng độ Zn2+ tối ưu là 0,01 M, tỉ lệ mol FeCl3:AgNO3 là 2:1, và nồng độ Ag+ thích hợp giúp đạt hiệu suất phân hủy MB cao nhất. Ở điều kiện này, FSZAC đạt hiệu suất phân hủy MB 5 ppm lên đến 89,7% sau 330 phút chiếu sáng.

  3. Ảnh hưởng điều kiện phản ứng quang hóa: pH 6 là điều kiện tối ưu cho phản ứng, tỉ lệ rắn:lỏng 1 g/L xúc tác trên dung dịch MB cho hiệu suất phân hủy tốt nhất. Nồng độ MB ban đầu 5 ppm phù hợp để đạt hiệu quả cao.

  4. Khả năng tái sử dụng và thu hồi xúc tác: FSZAC có tính từ tính cao, dễ dàng thu hồi bằng nam châm sau phản ứng, giữ được hiệu suất phân hủy trên 80% sau nhiều lần sử dụng, chứng tỏ độ bền và tính ổn định của vật liệu.

Thảo luận kết quả

Hiệu suất phân hủy MB cao của FSZAC nhờ sự kết hợp hiệu quả giữa các lớp vật liệu: Fe3O4 lõi từ tính giúp thu hồi dễ dàng, SiO2 bảo vệ lõi tránh phân hủy, ZnO hấp thụ tia UVA, Ag tăng cường hấp thụ ánh sáng khả kiến qua hiệu ứng plasmon bề mặt, và AgCl ổn định lỗ trống, tăng sinh gốc tự do hydroxyl. So với các nghiên cứu trước đây, hiệu suất 89,7% sau 330 phút chiếu sáng là kết quả nổi bật, đặc biệt trong điều kiện ánh sáng tự nhiên công suất thấp (25W).

Biểu đồ thể hiện sự giảm nồng độ MB theo thời gian cho thấy đường cong phân hủy rõ rệt, với tốc độ phân hủy nhanh hơn khi điều chỉnh các thông số tổng hợp và phản ứng. Bảng so sánh hiệu suất các mẫu vật liệu với tỉ lệ mol khác nhau minh chứng cho tầm quan trọng của việc tối ưu hóa thành phần vật liệu.

Kết quả phù hợp với các nghiên cứu quốc tế về vật liệu nano đa lớp ứng dụng trong quang xúc tác, đồng thời khẳng định tính khả thi của việc ứng dụng FSZAC trong xử lý nước thải dệt nhuộm thực tế.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Triển khai sản xuất vật liệu FSZAC quy mô pilot: Tăng cường nghiên cứu quy trình tổng hợp ở quy mô lớn hơn, đảm bảo tính đồng nhất và hiệu suất xúc tác ổn định, hướng đến ứng dụng thực tế trong xử lý nước thải dệt nhuộm trong vòng 1-2 năm.

  2. Tối ưu hóa điều kiện phản ứng quang xúc tác: Nghiên cứu sâu hơn về ảnh hưởng của các yếu tố như cường độ ánh sáng, nhiệt độ, và thành phần nước thải phức tạp để nâng cao hiệu quả phân hủy thuốc nhuộm, giảm thời gian xử lý.

  3. Phát triển hệ thống thu hồi và tái sử dụng xúc tác từ tính: Thiết kế thiết bị thu hồi xúc tác bằng từ trường phù hợp với quy mô công nghiệp, đảm bảo giảm thiểu thất thoát vật liệu và chi phí vận hành.

  4. Mở rộng ứng dụng vật liệu FSZAC: Nghiên cứu khả năng phân hủy các loại thuốc nhuộm khác và các chất ô nhiễm hữu cơ phức tạp trong nước thải công nghiệp, đồng thời đánh giá tác động môi trường và độ an toàn khi sử dụng vật liệu.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Kỹ thuật Hóa học, Môi trường: Tài liệu cung cấp kiến thức chuyên sâu về tổng hợp vật liệu nano đa lớp và ứng dụng quang xúc tác xử lý nước thải.

  2. Doanh nghiệp và kỹ sư xử lý nước thải công nghiệp dệt nhuộm: Tham khảo giải pháp vật liệu xúc tác mới, hiệu quả cao, dễ thu hồi, giúp cải thiện công nghệ xử lý nước thải hiện tại.

  3. Cơ quan quản lý môi trường và chính sách: Cung cấp cơ sở khoa học để xây dựng các tiêu chuẩn xử lý nước thải dệt nhuộm, khuyến khích áp dụng công nghệ xanh, thân thiện môi trường.

  4. Nhà sản xuất vật liệu nano và thiết bị quang xúc tác: Tham khảo quy trình tổng hợp, đặc tính vật liệu và ứng dụng thực tiễn để phát triển sản phẩm mới, mở rộng thị trường.

Câu hỏi thường gặp

  1. Vật liệu FSZAC có thể phân hủy những loại thuốc nhuộm nào ngoài methylene blue?
    FSZAC có tiềm năng phân hủy nhiều loại thuốc nhuộm hữu cơ khác nhờ cơ chế tạo gốc hydroxyl mạnh, tuy nhiên hiệu quả cụ thể cần được khảo sát thêm với từng loại thuốc nhuộm trong điều kiện thực nghiệm.

  2. Tại sao cần phủ lớp SiO2 lên lõi Fe3O4?
    Lớp SiO2 bảo vệ lõi Fe3O4 tránh bị phân hủy trong môi trường axit hoặc kiềm, đồng thời ngăn chặn sự trao đổi electron không mong muốn, giúp duy trì tính ổn định và hiệu suất xúc tác.

  3. Hiệu suất phân hủy MB của FSZAC so với các vật liệu khác như TiO2 ra sao?
    FSZAC đạt hiệu suất phân hủy MB khoảng 89,7% sau 330 phút dưới ánh sáng tự nhiên 25W, tương đương hoặc vượt trội so với nhiều vật liệu TiO2 truyền thống cần ánh sáng UV mạnh hơn.

  4. Làm thế nào để thu hồi và tái sử dụng vật liệu FSZAC?
    Nhờ tính từ tính của lõi Fe3O4, FSZAC có thể được thu hồi dễ dàng bằng nam châm sau phản ứng, giảm thất thoát vật liệu và chi phí, đồng thời giữ được hiệu suất cao sau nhiều lần sử dụng.

  5. Có thể ứng dụng FSZAC trong xử lý nước thải công nghiệp quy mô lớn không?
    Nghiên cứu đã chứng minh tính khả thi ở quy mô phòng thí nghiệm; để ứng dụng công nghiệp cần mở rộng quy mô tổng hợp, thiết kế hệ thống phản ứng phù hợp và đánh giá hiệu quả trong môi trường nước thải thực tế.

Kết luận

  • Đã tổng hợp thành công vật liệu xúc tác quang Fe3O4@SiO2/ZnO/Ag/AgCl với cấu trúc lõi-vỏ đa lớp, có tính từ tính và hoạt tính quang xúc tác cao.
  • Điều kiện tổng hợp tối ưu gồm nồng độ Zn2+ 0,01 M, tỉ lệ mol FeCl3:AgNO3 là 2:1, giúp đạt hiệu suất phân hủy methylene blue 89,7% sau 330 phút chiếu sáng.
  • Phản ứng quang xúc tác hiệu quả nhất ở pH 6, tỉ lệ rắn:lỏng 1 g/L xúc tác trên dung dịch MB 5 ppm.
  • Vật liệu FSZAC dễ thu hồi bằng từ trường, giữ được hiệu suất cao sau nhiều lần tái sử dụng, phù hợp cho ứng dụng xử lý nước thải dệt nhuộm.
  • Đề xuất nghiên cứu mở rộng quy mô tổng hợp, tối ưu điều kiện phản ứng và phát triển hệ thống thu hồi xúc tác để ứng dụng công nghiệp.

Hành động tiếp theo: Khuyến khích các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp phối hợp triển khai thử nghiệm quy mô pilot, đồng thời phát triển công nghệ xử lý nước thải thân thiện môi trường dựa trên vật liệu FSZAC.