Tổng quan nghiên cứu

Ô nhiễm nguồn nước bởi các hợp chất hữu cơ khó phân hủy đang là vấn đề nghiêm trọng ảnh hưởng đến sức khỏe con người và môi trường. Theo ước tính, các hợp chất hữu cơ trong nước khi tương tác với clo hoặc oxy có thể tạo ra các chất độc hại như nitrit và nitrosamin, gây thiếu oxy máu và ung thư gan, đặc biệt nguy hiểm với trẻ nhỏ dưới 6 tháng tuổi. Chỉ số Pecmanganat cao trong nước cũng thúc đẩy sự phát triển của rêu, tảo và vi sinh vật độc hại, làm suy giảm chất lượng nước. Trước thực trạng này, việc tìm kiếm vật liệu xúc tác quang thân thiện, hiệu quả và có khả năng tái tạo để xử lý các chất hữu cơ ô nhiễm trong môi trường nước là cấp thiết.

Luận văn tập trung nghiên cứu tổng hợp vật liệu composite g-C3N4/BiVO4 làm chất xúc tác quang phân hủy các hợp chất hữu cơ ô nhiễm, đặc biệt là kháng sinh tetracycline hydrochloride (TC) trong môi trường nước. Nghiên cứu được thực hiện trong phạm vi phòng thí nghiệm tại Trường Đại học Quy Nhơn, với thời gian tổng hợp và khảo sát hoạt tính xúc tác quang trong điều kiện ánh sáng LED kích thích. Mục tiêu chính là tối ưu hóa quy trình tổng hợp vật liệu composite, đánh giá hiệu quả phân hủy TC và ứng dụng xử lý nước thải nuôi tôm, góp phần nâng cao 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

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết và mô hình xúc tác quang bán dẫn, trong đó ánh sáng kích thích tạo ra cặp electron (e⁻) và lỗ trống (h⁺) trên vật liệu xúc tác, dẫn đến hình thành các gốc tự do hydroxyl (HO•) có khả năng oxy hóa mạnh các hợp chất hữu cơ. Hai vật liệu chính được nghiên cứu là graphit cacbon nitrua (g-C3N4) và bismuth orthovanadate (BiVO4):

  • Lý thuyết xúc tác quang: Mô tả quá trình kích thích electron từ vùng hóa trị lên vùng dẫn khi năng lượng photon lớn hơn năng lượng vùng cấm (Eg). Các electron và lỗ trống quang sinh tham gia phản ứng oxy hóa khử tạo gốc HO• phân hủy chất ô nhiễm.
  • Mô hình composite g-C3N4/BiVO4: Ghép nối hai vật liệu bán dẫn nhằm giảm thiểu sự tái kết hợp electron-lỗ trống, tăng hiệu quả phân tách điện tử, từ đó nâng cao hoạt tính xúc tác quang.
  • Khái niệm chính: Năng lượng vùng cấm (Eg), gốc hydroxyl (HO•), tái kết hợp electron-lỗ trống, hiệu suất quang xúc tác, phân hủy kháng sinh tetracycline hydrochloride (TC).

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Dữ liệu thực nghiệm thu thập tại phòng thí nghiệm Trường Đại học Quy Nhơn, bao gồm các mẫu vật liệu tổng hợp và dung dịch TC.
  • Phương pháp tổng hợp vật liệu:
    • BiVO4 được tổng hợp bằng phương pháp thủy nhiệt từ Bi(NO3)3·5H2O và NH4VO3, với điều kiện nhiệt độ 140°C trong 20 giờ.
    • g-C3N4 được tổng hợp từ urea bằng phương pháp nhiệt pha rắn ở 530°C trong 1 giờ.
    • Composite g-C3N4/BiVO4 được tổng hợp bằng phương pháp nhiệt pha rắn với các tỉ lệ khối lượng khác nhau (5%, 10%, 15%, 20%, 25%) và nung ở nhiệt độ 530°C trong 1 giờ.
  • Phương pháp phân tích đặc trưng vật liệu: Nhiễu xạ tia X (XRD), phổ phản xạ khuếch tán tử ngoại – khả kiến (UV-Vis DRS), phổ hồng ngoại (IR), hiển vi điện tử quét (SEM), phổ huỳnh quang (PL), phổ năng lượng tia X (EDX).
  • Phương pháp đánh giá hoạt tính xúc tác quang: Phân hủy kháng sinh TC trong dung dịch nước dưới chiếu sáng đèn LED 30W, đo nồng độ TC theo thời gian bằng phổ UV-Vis tại bước sóng 355 nm, xây dựng đường chuẩn TC để định lượng.
  • Timeline nghiên cứu: Tổng hợp vật liệu và khảo sát hoạt tính trong vòng 6 tháng, với các bước chuẩn bị mẫu, phân tích đặc trưng, thử nghiệm phân hủy TC và xử lý nước thải nuôi tôm.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Đặc trưng vật liệu composite g-C3N4/BiVO4:

    • Năng lượng vùng cấm của composite GB-x dao động từ 2,4 eV đến 2,7 eV, thấp hơn so với g-C3N4 (2,7 eV) và tương đương BiVO4 (2,4 eV), cho thấy khả năng hấp thụ ánh sáng khả kiến tốt.
    • Ảnh SEM cho thấy vật liệu composite có cấu trúc bề mặt đồng nhất, BiVO4 và g-C3N4 tiếp xúc tốt, không có mặt phân cách rõ ràng, hỗ trợ hiệu quả phân tách electron-lỗ trống.

  2. Hiệu suất phân hủy tetracycline hydrochloride (TC):

    • Composite GB-10 (tỉ lệ g-C3N4/BiVO4 10%) đạt hiệu suất phân hủy TC cao nhất, lên đến khoảng 90% sau 120 phút chiếu sáng.
    • So với vật liệu đơn lẻ, composite tăng hiệu suất phân hủy TC từ 40-50% (g-C3N4 hoặc BiVO4 riêng lẻ) lên gần 90%, cho thấy sự cộng hưởng xúc tác hiệu quả.
    • Hằng số tốc độ phân hủy TC theo mô hình Langmuir-Hinshelwood của GB-10 cao gấp 2-3 lần so với vật liệu đơn.

  3. Ảnh hưởng của pH và nhiệt độ nung:

    • Hoạt tính xúc tác quang của GB-10-530 (nung ở 530°C) đạt hiệu quả tối ưu ở pH trung tính (khoảng 7), giảm ở pH quá cao hoặc quá thấp.
    • Nhiệt độ nung ảnh hưởng đến độ kết tinh và hoạt tính xúc tác; vật liệu nung ở 530°C có hoạt tính cao hơn so với 500°C và 560°C.

  4. Khả năng xử lý nước thải nuôi tôm:

    • Composite GB-10-530 xử lý nước thải nuôi tôm giảm chỉ số COD từ khoảng 120 mg/L xuống còn khoảng 40 mg/L sau 180 phút, tương đương hiệu suất xử lý trên 65%.
    • Vật liệu có khả năng tái sử dụng ít nhất 2 lần mà hiệu suất phân hủy TC không giảm đáng kể.

Thảo luận kết quả

Hiệu quả cao của composite g-C3N4/BiVO4 xuất phát từ sự giảm thiểu tái kết hợp electron-lỗ trống nhờ cơ chế chuyển electron từ vùng dẫn của BiVO4 sang vùng hóa trị của g-C3N4, đồng thời lỗ trống chuyển từ g-C3N4 sang BiVO4, tăng cường tạo gốc HO• phân hủy chất hữu cơ. Kết quả này phù hợp với các nghiên cứu quốc tế về vật liệu composite tương tự, đồng thời khẳng định tiềm năng ứng dụng trong xử lý nước thải chứa kháng sinh.

BiVO4 với năng lượng vùng cấm khoảng 2,4 eV cho phép hoạt động hiệu quả dưới ánh sáng khả kiến, vượt trội hơn TiO2 truyền thống (Eg ~3,2 eV). Tuy nhiên, nhược điểm tái kết hợp nhanh được khắc phục khi kết hợp với g-C3N4, vốn có diện tích bề mặt lớn và cấu trúc lớp giúp tăng diện tích tiếp xúc và khả năng hấp thụ ánh sáng.

Ảnh hưởng của pH đến hoạt tính xúc tác phản ánh tính chất bề mặt và trạng thái ion hóa của TC trong dung dịch, ảnh hưởng đến hấp phụ và phản ứng oxy hóa. Nhiệt độ nung tối ưu giúp tăng độ kết tinh, cải thiện dẫn truyền điện tử và ổn định cấu trúc vật liệu.

Việc xử lý nước thải nuôi tôm cho thấy vật liệu composite không chỉ hiệu quả trong môi trường dung dịch chuẩn mà còn có khả năng ứng dụng thực tế, góp phần giảm thiểu ô nhiễm hữu cơ và kháng sinh trong môi trường thủy sản.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ thể hiện sự giảm nồng độ TC theo thời gian trên các vật liệu khác nhau, biểu đồ hiệu suất phân hủy theo pH và nhiệt độ nung, cũng như bảng so sánh chỉ số COD trước và sau xử lý nước thải.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tối ưu hóa quy trình tổng hợp vật liệu composite g-C3N4/BiVO4:

    • Áp dụng phương pháp nhiệt pha rắn với tỉ lệ g-C3N4/BiVO4 khoảng 10% và nhiệt độ nung 530°C để đạt hiệu suất xúc tác quang cao nhất.
    • Thời gian nung 1 giờ với tốc độ gia nhiệt 5°C/phút được khuyến nghị để đảm bảo cấu trúc vật liệu ổn định.

  2. Ứng dụng xử lý nước thải chứa kháng sinh và hợp chất hữu cơ:

    • Triển khai thử nghiệm xử lý nước thải nuôi tôm quy mô pilot, tập trung vào giảm chỉ số COD và nồng độ kháng sinh TC trong vòng 3-4 giờ xử lý.
    • Chủ thể thực hiện: các cơ sở nuôi trồng thủy sản, nhà máy xử lý nước thải.

  3. Nâng cao hiệu quả xúc tác quang trong điều kiện thực tế:

    • Khuyến nghị điều chỉnh pH môi trường xử lý gần trung tính để tối ưu hoạt tính xúc tác.
    • Kết hợp sử dụng nguồn sáng LED hoặc ánh sáng mặt trời để tiết kiệm năng lượng.

  4. Nghiên cứu mở rộng và phát triển vật liệu composite:

    • Khuyến khích nghiên cứu pha tạp thêm các nguyên tố hoặc vật liệu khác nhằm tăng cường khả năng phân hủy các chất ô nhiễm đa dạng.
    • Thời gian nghiên cứu tiếp theo dự kiến 12-18 tháng với sự phối hợp giữa các viện nghiên cứu và doanh nghiệp.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Hóa vô cơ, Vật liệu và Môi trường:

    • Học hỏi quy trình tổng hợp vật liệu composite và phương pháp đánh giá hoạt tính xúc tác quang.
    • Áp dụng kiến thức vào nghiên cứu phát triển vật liệu mới và xử lý ô nhiễm môi trường.

  2. Doanh nghiệp và cơ sở xử lý nước thải:

    • Tham khảo giải pháp xử lý nước thải chứa kháng sinh và hợp chất hữu cơ bằng vật liệu composite g-C3N4/BiVO4.
    • Áp dụng công nghệ xúc tác quang để nâng cao hiệu quả xử lý, giảm chi phí vận hành.

  3. Cơ quan quản lý môi trường và chính sách:

    • Sử dụng kết quả nghiên cứu để xây dựng các tiêu chuẩn, quy định về xử lý nước thải nuôi trồng thủy sản.
    • Định hướng phát triển công nghệ xanh, thân thiện môi trường.

  4. Người nuôi trồng thủy sản và cộng đồng địa phương:

    • Hiểu rõ tác động của ô nhiễm kháng sinh trong nước thải và lợi ích của công nghệ xử lý mới.
    • Tham gia vào các chương trình bảo vệ môi trường và nâng cao nhận thức về quản lý chất thải.

Câu hỏi thường gặp

  1. Vật liệu composite g-C3N4/BiVO4 có ưu điểm gì so với vật liệu đơn lẻ?
    Composite giảm thiểu sự tái kết hợp electron-lỗ trống, tăng hiệu quả phân tách điện tử, từ đó nâng cao hoạt tính xúc tác quang, giúp phân hủy các hợp chất hữu cơ nhanh và hiệu quả hơn so với g-C3N4 hoặc BiVO4 riêng lẻ.

  2. Phương pháp tổng hợp vật liệu composite được sử dụng là gì?
    Phương pháp nhiệt pha rắn được áp dụng, trong đó hỗn hợp bột g-C3N4 và BiVO4 được nung ở nhiệt độ khoảng 530°C trong 1 giờ, giúp tạo ra vật liệu composite có cấu trúc đồng nhất và hoạt tính cao.

  3. Tại sao pH môi trường ảnh hưởng đến hiệu suất xúc tác quang?
    pH ảnh hưởng đến trạng thái ion hóa của chất ô nhiễm và bề mặt vật liệu xúc tác, từ đó tác động đến khả năng hấp phụ và phản ứng oxy hóa. pH trung tính thường tối ưu cho quá trình phân hủy kháng sinh TC.

  4. Vật liệu composite có thể tái sử dụng bao nhiêu lần?
    Nghiên cứu cho thấy vật liệu composite có thể tái sử dụng ít nhất 2 lần mà không giảm đáng kể hiệu suất phân hủy TC, giúp tiết kiệm chi phí và tăng tính bền vững trong ứng dụng thực tế.

  5. Có thể ứng dụng vật liệu này trong xử lý nước thải quy mô lớn không?
    Kết quả xử lý nước thải nuôi tôm trong phòng thí nghiệm rất khả quan, đề xuất triển khai thử nghiệm quy mô pilot để đánh giá hiệu quả thực tế, từ đó mở rộng ứng dụng trong công nghiệp xử lý nước thải.

Kết luận

  • Đã tổng hợp thành công vật liệu composite g-C3N4/BiVO4 bằng phương pháp nhiệt pha rắn với tỉ lệ tối ưu 10% g-C3N4, nung ở 530°C, có cấu trúc đồng nhất và năng lượng vùng cấm phù hợp.
  • Vật liệu composite thể hiện hiệu suất phân hủy kháng sinh tetracycline hydrochloride lên đến 90% sau 120 phút chiếu sáng, vượt trội so với vật liệu đơn lẻ.
  • Hoạt tính xúc tác quang phụ thuộc rõ rệt vào pH môi trường và nhiệt độ nung, với điều kiện tối ưu ở pH trung tính và 530°C.
  • Ứng dụng xử lý nước thải nuôi tôm cho thấy giảm chỉ số COD trên 65% sau 180 phút, đồng thời vật liệu có khả năng tái sử dụng hiệu quả.
  • Đề xuất tiếp tục nghiên cứu mở rộng, tối ưu hóa quy trình tổng hợp và triển khai thử nghiệm quy mô lớn nhằm ứng dụng thực tế trong xử lý ô nhiễm môi trường nước.

Hành động tiếp theo: Khuyến khích các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp phối hợp triển khai thử nghiệm pilot, đồng thời phát triển các vật liệu composite mới nâng cao hiệu quả xử lý ô nhiễm.