Tổng quan nghiên cứu

Ô nhiễm nguồn nước do thuốc nhuộm hữu cơ, đặc biệt là xanh methylene (methylene blue – MB), đang là vấn đề nghiêm trọng toàn cầu. Theo số liệu của Ngân hàng Thế giới năm 2019, khoảng 20% nước thải trên thế giới phát sinh từ ngành dệt nhuộm, trong đó MB là một trong những chất gây ô nhiễm phổ biến. MB có tính axit cao, làm giảm pH nước, gây độc cho sinh vật thủy sinh và ảnh hưởng tiêu cực đến sức khỏe con người. Do đó, việc xử lý MB trong nước thải là cấp thiết nhằm bảo vệ môi trường và sức khỏe cộng đồng.

Phương pháp quang phân hủy sử dụng vật liệu bán dẫn như titan dioxit (TiO2) và kẽm oxit (ZnO) được đánh giá cao nhờ hiệu quả xử lý cao, chi phí thấp và thân thiện môi trường. Tuy nhiên, TiO2 có năng lượng vùng cấm lớn, chỉ hoạt động hiệu quả dưới ánh sáng tử ngoại, trong khi ZnO có phổ hấp thụ rộng hơn nhưng vẫn gặp hạn chế về tái tổ hợp điện tử-lỗ trống. Graphene oxit dạng khử (rGO) với diện tích bề mặt lớn và khả năng dẫn điện tốt được kết hợp với TiO2 và ZnO để tạo thành nanocomposite ZnO–TiO2/rGO nhằm khắc phục các nhược điểm trên, nâng cao hiệu suất quang phân hủy MB.

Nghiên cứu được thực hiện trong giai đoạn 2021-2022 tại Trường Đại học Bách Khoa – Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh, tập trung tổng hợp và khảo sát đặc trưng vật liệu ZnO–TiO2/rGO, đánh giá ảnh hưởng các yếu tố như lượng vật liệu, nồng độ MB, pH đến hiệu suất quang phân hủy, cũng như khả năng thu hồi và tái sử dụng vật liệu. Kết quả nghiên cứu góp phần phát triển vật liệu xúc tác quang hiệu quả, thân thiện môi trường, ứng dụng trong xử lý ô nhiễm nước thải ngành dệt nhuộm.

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:

  • Cơ chế quang phân hủy chất hữu cơ bằng vật liệu bán dẫn: Khi vật liệu bán dẫn như TiO2 hoặc ZnO được kích thích bởi ánh sáng có năng lượng phù hợp, các điện tử từ vùng hóa trị chuyển lên vùng dẫn tạo ra cặp điện tử (e–) và lỗ trống (h+). Các lỗ trống oxy hóa nước tạo ra gốc hydroxyl (•OH), trong khi điện tử khử oxy tạo gốc superoxide (•O2–). Các gốc này oxy hóa chất hữu cơ thành CO2 và H2O.

  • Mô hình Langmuir–Hinshelwood về động học quang xúc tác: Phản ứng quang phân hủy tuân theo động học bậc nhất hoặc bậc không tùy thuộc vào nồng độ chất ô nhiễm ban đầu, với tốc độ phản ứng tỷ lệ thuận với diện tích bề mặt vật liệu xúc tác và nồng độ chất phản ứng.

  • Tính chất vật liệu nanocomposite ZnO–TiO2/rGO: Sự kết hợp TiO2 và ZnO giúp mở rộng phổ hấp thụ ánh sáng, giảm năng lượng vùng cấm, trong khi rGO với độ dẫn điện cao và diện tích bề mặt lớn giúp giảm tái tổ hợp điện tử-lỗ trống, tăng hiệu suất quang phân hủy.

Các khái niệm chính bao gồm: năng lượng vùng cấm, tái tổ hợp điện tử-lỗ trống, gốc tự do oxy hóa, diện tích bề mặt riêng, và động học quang xúc tác.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Nghiên cứu sử dụng các hóa chất chuẩn và thiết bị hiện đại tại Phòng thí nghiệm Trọng điểm Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh Công nghệ Hóa học và Dầu khí (Key CEPP Lab).

  • Phương pháp tổng hợp vật liệu: Nanocomposite ZnO–TiO2/rGO được tổng hợp qua ba giai đoạn: (1) tổng hợp graphene oxit (GO) từ graphite bằng phương pháp Hummers cải tiến; (2) tổng hợp TiO2/rGO bằng phương pháp thủy nhiệt sử dụng titan (IV) isopropoxit và GO; (3) tổng hợp ZnO–TiO2/rGO từ kẽm acetate và TiO2/rGO bằng phương pháp thủy nhiệt. Phương pháp thủy nhiệt được chọn vì chi phí thấp, thiết bị đơn giản, phù hợp quy mô phòng thí nghiệm và cho vật liệu tinh khiết, đồng đều.

  • Phân tích đặc trưng vật liệu: Sử dụng các kỹ thuật hiện đại gồm nhiễu xạ tia X (XRD), phổ Raman, phổ tán sắc năng lượng tia X (EDS), kính hiển vi điện tử quét (SEM), kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM), phổ hấp thụ tử ngoại-khả kiến (UV–Vis), phương pháp hấp phụ đẳng nhiệt BET, và phân tích nhiệt trọng lượng (TGA).

  • Khảo sát hiệu suất quang phân hủy MB: Thực hiện bằng phương pháp luân phiên từng biến, khảo sát ảnh hưởng của lượng vật liệu (20, 40, 60 mg), nồng độ MB (10, 20, 30 mg/L), và pH (5, 7, 9) đến hiệu suất quang phân hủy. Nồng độ MB được xác định bằng UV–Vis tại bước sóng 665 nm.

  • Khảo sát khả năng thu hồi và tái sử dụng: Đánh giá hiệu suất quang phân hủy qua 5 chu kỳ sử dụng vật liệu ZnO–TiO2/rGO, xác định độ bền và khả năng tái sử dụng.

  • Cỡ mẫu và timeline: Các thí nghiệm được thực hiện trong khoảng thời gian 12 tháng, với mỗi điều kiện thí nghiệm lặp lại ít nhất 3 lần 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. Đặc trưng vật liệu ZnO–TiO2/rGO:

    • Giản đồ XRD cho thấy vật liệu có cấu trúc pha anatase của TiO2 và cấu trúc wurtzite của ZnO, với các đỉnh đặc trưng tại 2θ = 25,33° (TiO2 anatase) và 31,8° (ZnO). Không quan sát đỉnh rGO do bị che lấp bởi TiO2.
    • Phổ Raman xác nhận sự hiện diện của rGO với tỷ lệ ID/IG tăng từ 1,023 (GO) lên 1,145 (ZnO–TiO2/rGO), cho thấy mức độ khuyết tật tăng do quá trình thủy nhiệt.
    • Ảnh SEM và TEM cho thấy các hạt nano TiO2 và ZnO phân tán đều trên bề mặt các tấm rGO, làm tăng diện tích bề mặt và giảm kết tụ hạt.

  2. Hiệu suất quang phân hủy MB:

    • Lượng vật liệu 40 mg trong 100 mL dung dịch MB 20 mg/L đạt hiệu suất quang phân hủy cao nhất, khoảng 92% sau 60 phút chiếu sáng UV.
    • Nồng độ MB ảnh hưởng rõ rệt: nồng độ 10 mg/L đạt hiệu suất 95%, trong khi 30 mg/L giảm xuống còn khoảng 80%, do bề mặt vật liệu bị bão hòa hấp phụ.
    • pH tối ưu là 7, với hiệu suất quang phân hủy đạt 93%, pH thấp hoặc cao hơn làm giảm hiệu quả do ảnh hưởng đến trạng thái bề mặt vật liệu và sự hình thành gốc tự do.

  3. Khả năng thu hồi và tái sử dụng:

    • Vật liệu ZnO–TiO2/rGO duy trì hiệu suất trên 85% sau 5 chu kỳ sử dụng, cho thấy tính ổn định và khả năng tái sử dụng cao.
    • Độ thu hồi vật liệu đạt khoảng 95% sau mỗi chu kỳ, đảm bảo tính kinh tế và bền vững trong ứng dụng thực tế.

Thảo luận kết quả

Hiệu suất quang phân hủy cao của ZnO–TiO2/rGO so với TiO2/rGO và rGO riêng lẻ được giải thích bởi sự kết hợp hiệu quả giữa các thành phần. ZnO mở rộng phổ hấp thụ ánh sáng, trong khi rGO làm tăng diện tích bề mặt và giảm tái tổ hợp điện tử-lỗ trống nhờ độ dẫn điện cao. Các kết quả XRD và Raman chứng minh cấu trúc pha và mức độ khuyết tật phù hợp để tăng hoạt tính quang xúc tác.

So sánh với các nghiên cứu trước đây, hiệu suất quang phân hủy MB của vật liệu này vượt trội hơn nhiều vật liệu nanocomposite tương tự, đồng thời quy trình tổng hợp đơn giản, chi phí thấp và thân thiện môi trường. Biểu đồ hiệu suất quang phân hủy theo thời gian và ảnh hưởng các yếu tố có thể được trình bày để minh họa rõ ràng sự khác biệt hiệu quả.

Khả năng tái sử dụng ổn định cho thấy vật liệu có tiềm năng ứng dụng thực tế trong xử lý nước thải ngành dệt nhuộm, góp phần giảm thiểu ô nhiễm môi trường và chi phí vận hành.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Triển khai ứng dụng quy mô pilot: Thực hiện thử nghiệm xử lý nước thải dệt nhuộm tại các khu công nghiệp trong vòng 12 tháng, sử dụng vật liệu ZnO–TiO2/rGO để đánh giá hiệu quả thực tế và điều chỉnh quy trình vận hành.

  2. Tối ưu hóa điều kiện vận hành: Điều chỉnh lượng vật liệu, pH và thời gian chiếu sáng để đạt hiệu suất quang phân hủy tối ưu, giảm thiểu chi phí và tăng tuổi thọ vật liệu.

  3. Phát triển vật liệu composite đa chức năng: Nghiên cứu kết hợp thêm các thành phần khác như bạc (Ag) hoặc các oxit kim loại khác để nâng cao khả năng kháng khuẩn và xử lý đa dạng chất ô nhiễm.

  4. Xây dựng quy trình tái chế vật liệu: Thiết kế quy trình thu hồi và tái sử dụng vật liệu ZnO–TiO2/rGO hiệu quả, giảm thiểu phát sinh chất thải và tăng tính bền vững cho công nghệ.

  5. Đào tạo và chuyển giao công nghệ: Tổ chức các khóa đào tạo cho cán bộ kỹ thuật và doanh nghiệp về quy trình tổng hợp và ứng dụng vật liệu, thúc đẩy chuyển giao công nghệ trong ngành xử lý nước thải.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Kỹ thuật Hóa học: Nghiên cứu về vật liệu nanocomposite, xúc tác quang và xử lý ô nhiễm môi trường có thể áp dụng quy trình tổng hợp và phương pháp phân tích trong luận văn.

  2. Doanh nghiệp xử lý nước thải công nghiệp: Có thể ứng dụng vật liệu ZnO–TiO2/rGO trong công nghệ xử lý nước thải dệt nhuộm, nâng cao hiệu quả xử lý và giảm chi phí vận hành.

  3. Cơ quan quản lý môi trường: Tham khảo để xây dựng chính sách, tiêu chuẩn xử lý nước thải và khuyến khích áp dụng công nghệ xanh, thân thiện môi trường.

  4. Các tổ chức phát triển công nghệ và đổi mới sáng tạo: Hỗ trợ nghiên cứu, phát triển và thương mại hóa vật liệu xúc tác quang hiệu quả, thúc đẩy phát triển bền vững trong ngành công nghiệp xử lý nước.

Câu hỏi thường gặp

  1. Vật liệu ZnO–TiO2/rGO có ưu điểm gì so với TiO2 hoặc ZnO đơn lẻ?
    Vật liệu nanocomposite kết hợp ưu điểm của TiO2 và ZnO giúp mở rộng phổ hấp thụ ánh sáng, trong khi rGO tăng diện tích bề mặt và giảm tái tổ hợp điện tử-lỗ trống, nâng cao hiệu suất quang phân hủy.

  2. Phương pháp tổng hợp thủy nhiệt có ưu điểm gì?
    Phương pháp thủy nhiệt cho vật liệu tinh khiết, đồng đều, chi phí thấp, thiết bị đơn giản và phù hợp với quy mô phòng thí nghiệm, giúp kiểm soát kích thước hạt và cấu trúc vật liệu.

  3. Hiệu suất quang phân hủy MB đạt được trong nghiên cứu là bao nhiêu?
    Hiệu suất quang phân hủy MB đạt khoảng 92% sau 60 phút chiếu sáng UV với điều kiện tối ưu, cao hơn nhiều so với vật liệu đơn lẻ.

  4. Vật liệu có thể tái sử dụng bao nhiêu lần?
    Vật liệu ZnO–TiO2/rGO duy trì hiệu suất trên 85% sau 5 chu kỳ sử dụng, cho thấy khả năng tái sử dụng tốt và ổn định.

  5. Ứng dụng thực tế của vật liệu này là gì?
    Vật liệu có tiềm năng ứng dụng trong xử lý nước thải ngành dệt nhuộm và các ngành công nghiệp khác có ô nhiễm thuốc nhuộm hữu cơ, góp phần bảo vệ môi trường và sức khỏe cộng đồng.

Kết luận

  • Đã tổng hợp thành công nanocomposite ZnO–TiO2/rGO bằng phương pháp thủy nhiệt với vật liệu tinh khiết, đồng đều và kích thước hạt nano phân tán tốt.
  • Vật liệu có cấu trúc pha anatase của TiO2 và wurtzite của ZnO, cùng sự hiện diện của rGO được xác nhận qua XRD và phổ Raman.
  • Hiệu suất quang phân hủy MB đạt trên 90% trong điều kiện tối ưu, vượt trội so với vật liệu đơn lẻ.
  • Vật liệu duy trì hiệu suất trên 85% sau 5 chu kỳ tái sử dụng, chứng tỏ tính ổn định và khả năng ứng dụng thực tế.
  • Nghiên cứu mở ra hướng phát triển vật liệu xúc tác quang thân thiện môi trường, hiệu quả cao cho xử lý ô nhiễm nước thải ngành dệt nhuộm và các lĩnh vực liên quan.

Tiếp theo, cần triển khai thử nghiệm quy mô pilot và tối ưu hóa quy trình vận hành để đưa công nghệ vào ứng dụng thực tế. Đề nghị các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp quan tâm phối hợp phát triển và chuyển giao công nghệ.