Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh ô nhiễm môi trường nước ngày càng nghiêm trọng, việc xử lý các hợp chất hữu cơ ô nhiễm, đặc biệt là các chất kháng sinh tồn dư trong nước thải nuôi trồng thủy sản, trở thành một thách thức lớn. Theo báo cáo của ngành, dư lượng kháng sinh tetracycline hydrochloride trong nước thải nuôi tôm có thể lên đến hàng trăm ng/L, gây ảnh hưởng tiêu cực đến hệ sinh thái và sức khỏe con người. Vật liệu xúc tác quang phân hủy các chất hữu cơ ô nhiễm dưới ánh sáng khả kiến được xem là giải pháp thân thiện và hiệu quả. Tuy nhiên, vật liệu TiO2 truyền thống có năng lượng vùng cấm lớn (~3,2 eV), chỉ hoạt động hiệu quả dưới ánh sáng tử ngoại, hạn chế ứng dụng thực tế.

Luận văn tập trung nghiên cứu tổng hợp và khảo sát hoạt tính của vật liệu composite g-C3N4/InVO4 làm chất xúc tác quang phân hủy tetracycline hydrochloride trong nước thải nuôi tôm tại tỉnh Bình Định. Mục tiêu chính là phát triển vật liệu composite có năng lượng vùng cấm hẹp, hoạt động hiệu quả dưới ánh sáng khả kiến, đồng thời nâng cao hiệu suất phân hủy chất ô nhiễm hữu cơ. Phạm vi nghiên cứu bao gồm tổng hợp vật liệu bằng phương pháp nhiệt pha rắn và thủy nhiệt, khảo sát hoạt tính quang xúc tác trong phòng thí nghiệm với nguồn sáng đèn led 30W, thời gian nghiên cứu trong khoảng 20 giờ thực nghiệm.

Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc ứng dụng công nghệ quang xúc tác để xử lý nước thải nuôi trồng thủy sản, góp phần giảm thiểu ô nhiễm môi trường và bảo vệ sức khỏe cộng đồng. Các chỉ số hiệu suất như hằng số tốc độ phân hủy tetracycline và giá trị CODCr sau xử lý được sử dụng làm thước đo hiệu quả của vật liệu composite.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên lý thuyết vùng năng lượng của chất rắn, trong đó vật liệu bán dẫn có vùng cấm năng lượng Eg cho phép kích thích electron từ vùng hóa trị lên vùng dẫn khi hấp thụ photon có năng lượng lớn hơn Eg. Quá trình này tạo ra cặp electron quang sinh (e-CB) và lỗ trống quang sinh (h+VB), là các tác nhân chính trong phản ứng oxi hóa khử phân hủy các chất hữu cơ.

Lý thuyết xúc tác quang trên vật liệu bán dẫn nhấn mạnh cơ chế phân tách và chuyển dịch electron-lỗ trống, đồng thời hạn chế tái tổ hợp để tăng hiệu suất quang xúc tác. Gốc hydroxyl (HO•) và gốc superoxide (O2•-) sinh ra từ các phản ứng bề mặt là tác nhân oxi hóa mạnh, có khả năng phân hủy hoàn toàn các hợp chất hữu cơ bền vững.

Vật liệu g-C3N4 có năng lượng vùng cấm khoảng 2,7 eV, hấp thụ ánh sáng khả kiến, nhưng tốc độ tái tổ hợp electron-lỗ trống nhanh làm giảm hiệu quả xúc tác. InVO4 có năng lượng vùng cấm khoảng 2,5 eV, cũng hấp thụ ánh sáng khả kiến nhưng gặp hạn chế tương tự. Việc tổng hợp composite g-C3N4/InVO4 nhằm tận dụng ưu điểm của hai vật liệu, tạo ra hệ vật liệu có khả năng phân tách điện tích hiệu quả hơn, giảm tái tổ hợp, nâng cao hoạt tính quang xúc tác.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính là các mẫu vật liệu g-C3N4, InVO4 và composite g-C3N4/InVO4 được tổng hợp trong phòng thí nghiệm. Vật liệu g-C3N4 được tổng hợp bằng phương pháp nhiệt pha rắn từ urea, InVO4 bằng phương pháp thủy nhiệt từ In(NO3)3 và NH4VO3, composite g-C3N4/InVO4 được tổng hợp bằng phương pháp nhiệt pha rắn có hỗ trợ siêu âm với các tỉ lệ khối lượng 5%, 10%, 15%.

Phân tích đặc trưng vật liệu sử dụng các kỹ thuật hóa lý hiện đại: nhiễu xạ tia X (XRD) xác định cấu trúc tinh thể; hiển vi điện tử quét (SEM) khảo sát hình thái bề mặt; phổ hồng ngoại (IR) xác định liên kết hóa học; phổ phản xạ khuếch tán tử ngoại khả kiến (UV-Vis DRS) xác định vùng hấp thụ và năng lượng vùng cấm; phổ quang phát quang (PL) đánh giá khả năng tái tổ hợp electron-lỗ trống; phổ năng lượng tia X (EDS) xác định thành phần nguyên tố.

Phân tích hoạt tính quang xúc tác thực hiện qua phản ứng phân hủy tetracycline hydrochloride trong dung dịch nước với nồng độ 10 mg/L, dưới nguồn sáng đèn led 220V-30W, thời gian chiếu sáng 3 giờ. Nồng độ tetracycline được xác định bằng phương pháp quang phổ UV-Vis tại bước sóng 355 nm. Giá trị CODCr của nước thải nuôi tôm trước và sau xử lý được đo để đánh giá hiệu quả xử lý. Cỡ mẫu vật liệu sử dụng là 0,1 g trong 200 mL dung dịch. Thời gian nghiên cứu kéo dài khoảng 20 giờ, bao gồm tổng hợp, đặc trưng và khảo sát hoạt tính.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Đặc trưng vật liệu composite g-C3N4/InVO4: Kết quả XRD cho thấy vật liệu composite có cấu trúc pha kết hợp của g-C3N4 và InVO4, không xuất hiện pha lạ, chứng tỏ sự thành công trong tổng hợp. Phổ UV-Vis DRS xác định năng lượng vùng cấm của composite giảm xuống khoảng 2,4 eV, thấp hơn so với g-C3N4 (2,7 eV) và InVO4 (2,5 eV), mở rộng khả năng hấp thụ ánh sáng khả kiến. SEM cho thấy cấu trúc bề mặt composite đồng đều, các hạt InVO4 phân tán tốt trên bề mặt g-C3N4.

  2. Hoạt tính quang xúc tác phân hủy tetracycline hydrochloride: Vật liệu composite CI-10 (tỉ lệ g-C3N4/InVO4 10%) thể hiện hiệu suất phân hủy TC cao nhất, đạt khoảng 85% sau 180 phút chiếu sáng, vượt trội so với g-C3N4 (khoảng 40%) và InVO4 (khoảng 50%). Hằng số tốc độ phân hủy k của CI-10 gấp 2,5 lần so với g-C3N4 và 1,8 lần so với InVO4.

  3. Ảnh hưởng của pH và nguồn sáng: Hoạt tính quang xúc tác của CI-10 đạt hiệu quả tối ưu ở pH khoảng 6-7, giảm khi pH quá cao hoặc quá thấp. So sánh giữa ánh sáng đèn led và ánh sáng mặt trời cho thấy hiệu suất phân hủy trên CI-10 tương đương, chứng tỏ vật liệu có khả năng ứng dụng thực tế dưới ánh sáng tự nhiên.

  4. Khả năng tái sử dụng và ứng dụng xử lý nước thải nuôi tôm: Sau 2 lần thu hồi, hiệu suất phân hủy TC của CI-10 vẫn duy trì trên 75%, cho thấy tính ổn định và khả năng tái sử dụng cao. Xử lý nước thải nuôi tôm bằng CI-10 trong 180 phút giảm giá trị CODCr từ khoảng 600 mg/L xuống còn dưới 200 mg/L, đạt hiệu quả xử lý đáng kể.

Thảo luận kết quả

Hiệu quả vượt trội của vật liệu composite g-C3N4/InVO4 so với các vật liệu đơn pha được giải thích bởi cơ chế phân tách điện tích hiệu quả hơn, giảm tái tổ hợp electron-lỗ trống nhờ sự chuyển dịch electron từ vùng dẫn của g-C3N4 sang InVO4 và lỗ trống từ InVO4 sang g-C3N4. Điều này làm tăng thời gian sống của các cặp điện tích quang sinh, thúc đẩy tạo gốc hydroxyl và superoxide, tăng cường quá trình oxi hóa phân hủy tetracycline.

So với các nghiên cứu trước đây về composite g-C3N4 với các vật liệu bán dẫn khác như TiO2, Ag3PO4, vật liệu g-C3N4/InVO4 cho thấy khả năng hấp thụ ánh sáng rộng hơn và hiệu suất phân hủy cao hơn trong điều kiện ánh sáng khả kiến. Kết quả CODCr giảm mạnh chứng tỏ vật liệu không chỉ phân hủy tetracycline mà còn xử lý hiệu quả các hợp chất hữu cơ khác trong nước thải nuôi tôm.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ so sánh hiệu suất phân hủy TC theo thời gian của các vật liệu, biểu đồ ảnh hưởng pH đến hiệu suất, và bảng tổng hợp giá trị CODCr trước và sau xử lý. Những kết quả này khẳng định tiềm năng ứng dụng thực tiễn của vật liệu composite trong xử lý ô nhiễm môi trường nước.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tối ưu hóa quy trình tổng hợp vật liệu composite: Áp dụng phương pháp nhiệt pha rắn kết hợp siêu âm với tỉ lệ g-C3N4/InVO4 khoảng 10% để đạt hiệu suất quang xúc tác tối ưu. Thời gian nung và nhiệt độ cần được kiểm soát nghiêm ngặt để đảm bảo cấu trúc vật liệu ổn định. Chủ thể thực hiện: các phòng thí nghiệm nghiên cứu vật liệu, timeline: 6 tháng.

  2. Ứng dụng xử lý nước thải nuôi tôm quy mô pilot: Triển khai thử nghiệm xử lý nước thải nuôi tôm tại tỉnh Bình Định sử dụng vật liệu composite CI-10 dưới ánh sáng tự nhiên, theo dõi các chỉ số CODCr, dư lượng kháng sinh và các chỉ tiêu môi trường khác. Chủ thể thực hiện: các trung tâm nghiên cứu môi trường, timeline: 12 tháng.

  3. Nâng cao khả năng tái sử dụng vật liệu: Phát triển quy trình thu hồi và tái sử dụng vật liệu composite nhằm giảm chi phí và tăng tính bền vững của công nghệ. Chủ thể thực hiện: các đơn vị nghiên cứu và doanh nghiệp công nghệ môi trường, timeline: 9 tháng.

  4. Mở rộng nghiên cứu ứng dụng cho các chất ô nhiễm hữu cơ khác: Khảo sát hiệu quả phân hủy các hợp chất hữu cơ bền vững khác trong nước thải công nghiệp và sinh hoạt bằng vật liệu composite g-C3N4/InVO4. Chủ thể thực hiện: các viện nghiên cứu hóa học và môi trường, timeline: 12 tháng.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành hóa vô cơ, vật liệu: Luận văn cung cấp kiến thức chuyên sâu về tổng hợp và đặc trưng vật liệu composite xúc tác quang, phương pháp phân tích hiện đại, phù hợp cho nghiên cứu và phát triển vật liệu mới.

  2. Chuyên gia môi trường và kỹ sư xử lý nước thải: Cung cấp giải pháp công nghệ quang xúc tác thân thiện, hiệu quả để xử lý nước thải chứa chất hữu cơ khó phân hủy, đặc biệt trong nuôi trồng thủy sản.

  3. Doanh nghiệp công nghệ môi trường: Tham khảo để phát triển sản phẩm vật liệu xúc tác quang ứng dụng trong xử lý nước thải, giảm thiểu ô nhiễm và nâng cao hiệu quả kinh tế.

  4. Cơ quan quản lý môi trường và chính sách: Hiểu rõ về công nghệ xử lý nước thải tiên tiến, từ đó xây dựng các chính sách hỗ trợ ứng dụng công nghệ xanh trong nuôi trồng thủy sản và công nghiệp.

Câu hỏi thường gặp

  1. Vật liệu composite g-C3N4/InVO4 có ưu điểm gì so với TiO2 truyền thống?
    Vật liệu composite có năng lượng vùng cấm thấp hơn (~2,4 eV so với 3,2 eV của TiO2), hoạt động hiệu quả dưới ánh sáng khả kiến, tận dụng được ánh sáng mặt trời, đồng thời giảm tái tổ hợp electron-lỗ trống, nâng cao hiệu suất phân hủy chất ô nhiễm.

  2. Phương pháp tổng hợp vật liệu composite có phức tạp không?
    Phương pháp nhiệt pha rắn kết hợp siêu âm được sử dụng khá đơn giản, dễ thực hiện trong phòng thí nghiệm với thiết bị phổ biến, cho phép kiểm soát tốt cấu trúc và tỉ lệ pha.

  3. Hiệu quả phân hủy tetracycline trên vật liệu composite đạt được bao nhiêu?
    Hiệu suất phân hủy đạt khoảng 85% sau 180 phút chiếu sáng dưới đèn led 30W, cao hơn nhiều so với vật liệu đơn pha g-C3N4 hoặc InVO4.

  4. Vật liệu có thể tái sử dụng bao nhiêu lần?
    Sau 2 lần thu hồi, hiệu suất vẫn duy trì trên 75%, cho thấy vật liệu có độ bền và khả năng tái sử dụng tốt, phù hợp cho ứng dụng thực tế.

  5. Có thể ứng dụng vật liệu này trong xử lý nước thải quy mô lớn không?
    Nghiên cứu đề xuất triển khai thử nghiệm quy mô pilot, vật liệu có tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong xử lý nước thải nuôi trồng thủy sản và các ngành công nghiệp khác nhờ hiệu quả cao và thân thiện môi trường.

Kết luận

  • Đã tổng hợp thành công vật liệu composite g-C3N4/InVO4 với cấu trúc pha kết hợp, năng lượng vùng cấm khoảng 2,4 eV, mở rộng khả năng hấp thụ ánh sáng khả kiến.
  • Vật liệu composite CI-10 thể hiện hiệu suất phân hủy tetracycline hydrochloride cao nhất, đạt 85% sau 180 phút chiếu sáng, vượt trội so với vật liệu đơn pha.
  • Ảnh hưởng của pH và nguồn sáng được khảo sát, xác định điều kiện tối ưu cho hoạt tính quang xúc tác.
  • Vật liệu có khả năng tái sử dụng tốt và ứng dụng hiệu quả trong xử lý nước thải nuôi tôm, giảm giá trị CODCr đáng kể.
  • Đề xuất triển khai nghiên cứu ứng dụng quy mô pilot và mở rộng ứng dụng cho các chất ô nhiễm hữu cơ khác, góp phần phát triển công nghệ xử lý nước thải thân thiện môi trường.

Hành động tiếp theo là triển khai thử nghiệm quy mô lớn và phát triển quy trình sản xuất vật liệu composite để ứng dụng thực tế. Các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp được khuyến khích hợp tác để đưa công nghệ này vào thực tiễn, góp phần bảo vệ môi trường và phát triển bền vững ngành nuôi trồng thủy sản.