Tổng quan nghiên cứu

Ô nhiễm môi trường nước do các hợp chất hữu cơ khó phân hủy như thuốc nhuộm đang là vấn đề nghiêm trọng toàn cầu, ảnh hưởng trực tiếp đến sức khỏe con người và hệ sinh thái. Theo ước tính, hàng ngày có một lượng lớn chất thải hữu cơ từ hoạt động sinh hoạt và sản xuất công nghiệp chưa được xử lý triệt để, đặc biệt là các hợp chất như benzene, dioxin, thuốc nhuộm, gây ô nhiễm lâu dài trong môi trường nước. Trong bối cảnh đó, phương pháp quang xúc tác dị thể sử dụng ánh sáng mặt trời để phân hủy các chất ô nhiễm hữu cơ được xem là giải pháp xanh, hiệu quả và thân thiện với môi trường.

Luận văn tập trung nghiên cứu tổng hợp và biến tính vật liệu carbon nano từ vỏ cam – một phụ phẩm nông nghiệp có sẵn với sản lượng khoảng 1,55 triệu tấn cam/năm tại Việt Nam – kết hợp với vật liệu bán dẫn g-C3N4 nhằm tạo ra composite OC/CN có khả năng xúc tác quang phân hủy hợp chất hữu cơ Rhodamin B (RhB) trong môi trường nước dưới ánh sáng khả kiến. Mục tiêu nghiên cứu là nâng cao hiệu suất quang xúc tác, khắc phục nhược điểm của g-C3N4 như diện tích bề mặt nhỏ, khả năng hấp thụ ánh sáng thấp và tái hợp electron-lỗ trống nhanh. Phạm vi nghiên cứu giới hạn trong quy mô phòng thí nghiệm, sử dụng nguyên liệu vỏ cam tại Bình Định và tiền chất urea để tổng hợp vật liệu composite.

Nghiên cứu có ý nghĩa khoa học trong việc phát triển vật liệu composite carbon/g-C3N4 với hoạt tính quang xúc tác cao, đồng thời mang lại giá trị thực tiễn trong xử lý ô nhiễm nước, góp phần bảo vệ môi trường và phát triển bền vững.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

  • Quá trình quang xúc tác dị thể: Khi vật liệu bán dẫn như g-C3N4 hấp thụ photon có năng lượng lớn hơn hoặc bằng năng lượng vùng cấm (Eg ≈ 2,7 eV), electron từ vùng hóa trị nhảy lên vùng dẫn tạo ra cặp electron quang sinh (e⁻_CB) và lỗ trống quang sinh (h⁺_VB). Các cặp này tham gia phản ứng oxi hóa-khử phân hủy các hợp chất hữu cơ thành CO₂ và H₂O thông qua các gốc tự do như HO•, O₂•⁻, H₂O₂.

  • Vật liệu carbon nano: Carbon nano tổng hợp từ vỏ cam có diện tích bề mặt lớn, cấu trúc nano đặc trưng, giúp tăng khả năng hấp phụ và dẫn điện, hỗ trợ phân tách electron-lỗ trống, từ đó nâng cao hiệu quả xúc tác quang.

  • Composite OC/CN: Sự kết hợp giữa carbon nano từ vỏ cam (OC) và g-C3N4 (CN) tạo ra vật liệu composite với cấu trúc 2D-2D, tăng diện tích bề mặt, cải thiện khả năng hấp thụ ánh sáng khả kiến và giảm tái hợp electron-lỗ trống, nâng cao hoạt tính quang xúc tác.

Các khái niệm chính bao gồm: vùng cấm năng lượng (band gap), electron quang sinh, lỗ trống quang sinh, gốc tự do oxi hóa, vật liệu composite, và quá trình phân hủy quang xúc tác.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Nguyên liệu vỏ cam thu thập tại Bình Định, tiền chất urea mua từ các nhà cung cấp hóa chất uy tín. Dữ liệu thí nghiệm thu thập trong phòng thí nghiệm Trường Đại học Quy Nhơn và các phòng thí nghiệm liên kết.

  • Phương pháp tổng hợp vật liệu:

    • Vỏ cam được sấy khô, nghiền nhỏ và nung trong khí Argon ở 800 °C trong 5 giờ để tạo carbon (OC).
    • g-C3N4 được tổng hợp bằng phương pháp nung urea ở 550 °C trong khí Argon 1 giờ.
    • Composite OC/CN được tổng hợp bằng cách trộn tỉ lệ OC:urea (1:100, 1:150, 1:200), khuấy, sấy và nung ở 550 °C trong khí Argon 1 giờ.

  • Phương pháp phân tích đặc trưng vật liệu:

    • XRD xác định cấu trúc tinh thể.
    • IR xác định nhóm chức.
    • UV-Vis DRS đo phổ hấp thụ và xác định năng lượng vùng cấm.
    • BET đo diện tích bề mặt và phân bố mao quản.
    • SEM, TEM quan sát hình thái và kích thước hạt.
    • PL đánh giá hiệu quả phân tách electron-lỗ trống.

  • Khảo sát hoạt tính quang xúc tác:

    • Phân hủy RhB trong dung dịch nước dưới ánh sáng khả kiến.
    • Thử nghiệm ảnh hưởng của các yếu tố: khối lượng xúc tác, nồng độ RhB ban đầu, nồng độ H₂O₂, pH dung dịch.
    • Đánh giá khả năng tái sử dụng xúc tác qua 4 chu kỳ.
    • Phân tích cơ chế phản ứng bằng chất dập tắt gốc tự do.

  • Timeline nghiên cứu: Tổng hợp và đặc trưng vật liệu trong 6 tháng đầu, khảo sát hoạt tính quang xúc tác và phân tích dữ liệu trong 6 tháng tiếp theo.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Đặc trưng vật liệu:

    • Diện tích bề mặt riêng của composite OC/CN-150 đạt khoảng 120 m²/g, cao hơn đáng kể so với g-C3N4 đơn thuần (~30 m²/g).
    • Năng lượng vùng cấm Eg của composite giảm xuống còn khoảng 2,5 eV so với 2,7 eV của g-C3N4, mở rộng khả năng hấp thụ ánh sáng khả kiến.

  2. Hiệu suất phân hủy RhB:

    • Composite OC/CN-150 phân hủy RhB đạt hiệu suất 92% sau 120 phút chiếu sáng, cao hơn so với g-C3N4 (65%) và carbon đơn lẻ (40%).
    • Tăng khối lượng xúc tác từ 0,05 g đến 0,15 g làm tăng hiệu suất phân hủy từ 70% lên 92%, tuy nhiên vượt quá 0,15 g không cải thiện đáng kể do hiện tượng che khuất ánh sáng.

  3. Ảnh hưởng các yếu tố:

    • Nồng độ RhB ban đầu tăng từ 5 mg/L đến 20 mg/L làm giảm hiệu suất phân hủy từ 92% xuống còn 65%, do bão hòa bề mặt xúc tác.
    • Nồng độ H₂O₂ tối ưu là 10 mM, tăng thêm không cải thiện hiệu quả do tác dụng ức chế gốc tự do.
    • pH dung dịch ảnh hưởng rõ rệt, pH = 6 cho hiệu suất cao nhất, phù hợp với điểm đẳng điện của vật liệu.

  4. Khả năng tái sử dụng:

    • Sau 4 chu kỳ sử dụng, hiệu suất phân hủy RhB của composite OC/CN-150 giảm nhẹ còn 85%, chứng tỏ tính ổn định và khả năng tái sử dụng tốt.

Thảo luận kết quả

Hiệu quả quang xúc tác cao của composite OC/CN-150 được giải thích bởi sự kết hợp giữa carbon nano từ vỏ cam và g-C3N4 tạo ra cấu trúc 2D-2D, tăng diện tích bề mặt và cải thiện sự phân tách electron-lỗ trống, giảm tái hợp. Sự giảm năng lượng vùng cấm mở rộng phổ hấp thụ ánh sáng khả kiến, tận dụng tốt hơn nguồn năng lượng mặt trời.

So với các nghiên cứu trước đây sử dụng g-C3N4 đơn thuần hoặc các vật liệu carbon khác, composite này thể hiện hiệu suất phân hủy RhB vượt trội, đồng thời sử dụng nguyên liệu rẻ tiền, thân thiện môi trường. Biểu đồ thể hiện sự thay đổi nồng độ RhB theo thời gian chiếu sáng minh họa rõ ràng tốc độ phân hủy nhanh hơn của composite so với vật liệu đơn lẻ.

Ảnh hưởng của các yếu tố như khối lượng xúc tác, nồng độ RhB, H₂O₂ và pH phù hợp với cơ chế quang xúc tác, trong đó cân bằng giữa lượng xúc tác và ánh sáng chiếu tới là yếu tố quyết định. Khả năng tái sử dụng cao cho thấy vật liệu composite có tính ổn định hóa học và cơ học tốt, phù hợp ứng dụng thực tế.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tối ưu quy trình tổng hợp composite OC/CN: Áp dụng tỷ lệ OC:urea 1:150 và nhiệt độ nung 550 °C trong khí Argon để đảm bảo diện tích bề mặt và hiệu suất quang xúc tác cao nhất. Thời gian thực hiện khoảng 1 giờ cho giai đoạn nung.

  2. Ứng dụng xử lý nước thải công nghiệp: Khuyến nghị sử dụng composite OC/CN-150 trong hệ thống xử lý nước thải chứa thuốc nhuộm RhB và các hợp chất hữu cơ tương tự, với liều lượng xúc tác 0,15 g/L, pH điều chỉnh khoảng 6, bổ sung H₂O₂ 10 mM để tăng hiệu quả phân hủy trong vòng 2 giờ chiếu sáng.

  3. Phát triển quy mô pilot: Triển khai nghiên cứu mở rộng quy mô tại các nhà máy chế biến thực phẩm hoặc dệt nhuộm trong vòng 12-18 tháng để đánh giá hiệu quả thực tế và khả năng tái sử dụng vật liệu composite.

  4. Nâng cao tính năng vật liệu: Nghiên cứu pha tạp thêm các nguyên tố kim loại hoặc phi kim để tăng cường khả năng hấp thụ ánh sáng và giảm tái hợp electron-lỗ trống, hướng tới vật liệu composite thế hệ mới có hiệu suất cao hơn.

  5. Đào tạo và chuyển giao công nghệ: Tổ chức các khóa đào tạo kỹ thuật tổng hợp và ứng dụng composite OC/CN cho các đơn vị xử lý môi trường, doanh nghiệp và viện nghiên cứu trong vòng 6 tháng tới nhằm thúc đẩy ứng dụng rộng rãi.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Hóa học, Vật liệu: Luận văn cung cấp kiến thức chuyên sâu về tổng hợp và biến tính vật liệu carbon nano và g-C3N4, phương pháp phân tích đặc trưng vật liệu hiện đại, cũng như ứng dụng quang xúc tác xử lý ô nhiễm nước.

  2. Chuyên gia môi trường và kỹ sư xử lý nước thải: Tham khảo để áp dụng vật liệu composite OC/CN trong thiết kế hệ thống xử lý nước thải công nghiệp, đặc biệt là nước thải chứa thuốc nhuộm và hợp chất hữu cơ khó phân hủy.

  3. Doanh nghiệp sản xuất vật liệu và công nghệ xanh: Nghiên cứu tiềm năng phát triển sản phẩm vật liệu composite từ nguyên liệu sinh khối rẻ tiền, thân thiện môi trường, mở rộng thị trường ứng dụng trong xử lý môi trường.

  4. Cơ quan quản lý và hoạch định chính sách môi trường: Cung cấp cơ sở khoa học để xây dựng các chính sách khuyến khích sử dụng công nghệ quang xúc tác xanh, thúc đẩy tái chế phụ phẩm nông nghiệp và giảm thiểu ô nhiễm môi trường.

Câu hỏi thường gặp

  1. Vật liệu composite OC/CN được tổng hợp như thế nào?
    Composite được tổng hợp bằng phương pháp nung hỗn hợp carbon từ vỏ cam và urea trong khí Argon ở 550 °C trong 1 giờ, với tỷ lệ OC:urea tối ưu là 1:150, tạo ra vật liệu có cấu trúc 2D-2D và diện tích bề mặt lớn.

  2. Hiệu quả phân hủy RhB của composite so với g-C3N4 đơn lẻ ra sao?
    Composite OC/CN-150 đạt hiệu suất phân hủy RhB lên đến 92% sau 120 phút chiếu sáng, cao hơn đáng kể so với g-C3N4 đơn lẻ chỉ khoảng 65%, nhờ cải thiện khả năng hấp thụ ánh sáng và giảm tái hợp electron-lỗ trống.

  3. Các yếu tố nào ảnh hưởng đến hoạt tính quang xúc tác của composite?
    Khối lượng xúc tác, nồng độ RhB ban đầu, nồng độ H₂O₂ và pH dung dịch đều ảnh hưởng rõ rệt. Ví dụ, pH = 6 là điều kiện tối ưu, nồng độ H₂O₂ 10 mM giúp tăng hiệu quả phân hủy, trong khi nồng độ RhB quá cao làm giảm hiệu suất do bão hòa bề mặt xúc tác.

  4. Composite có thể tái sử dụng bao nhiêu lần?
    Nghiên cứu cho thấy composite OC/CN-150 giữ được khoảng 85% hiệu suất phân hủy RhB sau 4 chu kỳ sử dụng, chứng tỏ tính ổn định và khả năng tái sử dụng tốt trong thực tế.

  5. Ứng dụng thực tiễn của vật liệu composite này là gì?
    Composite có thể ứng dụng trong xử lý nước thải công nghiệp chứa thuốc nhuộm và các hợp chất hữu cơ khó phân hủy, tận dụng ánh sáng mặt trời để phân hủy ô nhiễm, giảm chi phí và thân thiện môi trường.

Kết luận

  • Đã tổng hợp thành công vật liệu composite carbon nano từ vỏ cam và g-C3N4 với diện tích bề mặt lớn và năng lượng vùng cấm phù hợp (~2,5 eV) cho quang xúc tác khả kiến.
  • Composite OC/CN-150 thể hiện hiệu suất phân hủy RhB cao (92% sau 120 phút), vượt trội so với vật liệu đơn lẻ.
  • Các yếu tố như khối lượng xúc tác, nồng độ RhB, H₂O₂ và pH ảnh hưởng rõ rệt đến hiệu quả quang xúc tác, với điều kiện tối ưu đã được xác định.
  • Vật liệu có khả năng tái sử dụng tốt, giữ hiệu suất trên 85% sau 4 chu kỳ, phù hợp ứng dụng thực tế.
  • Đề xuất mở rộng nghiên cứu quy mô pilot và phát triển vật liệu composite thế hệ mới nhằm nâng cao hiệu quả và ứng dụng rộng rãi trong xử lý ô nhiễm môi trường.

Hành động tiếp theo: Khuyến khích các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp triển khai ứng dụng composite OC/CN trong xử lý nước thải, đồng thời tiếp tục nghiên cứu cải tiến vật liệu để nâng cao hiệu quả quang xúc tác.