Luận văn thạc sĩ nghiên cứu tổng hợp vật liệu composite g c3n4 invo4 làm chất xúc tác quang phân hủy chất hữu cơ ô nhiễm trong môi trường nước

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu tổng hợp vật liệu composite g-C3N4/InVO4 làm chất xúc tác quang phân hủy chất hữu cơ ô nhiễm trong môi trường nước.

• Tác giả: Nguyễn Chí Công
• Người hướng dẫn: PGS. Nguyễn Thị Diệu Cẩm
• Trường học: Đại học Quy Nhơn
• Chuyên ngành: Hóa vô cơ
• Đề tài: Nghiên cứu tổng hợp vật liệu composite g-C3N4/InVO4 làm chất xúc tác quang phân hủy chất hữu cơ ô nhiễm nước
• Loại tài liệu: luận văn
• Địa điểm: Quy Nhơn

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
• DANH MỤC BẢNG BIỂU
• DANH MỤC HÌNH ẢNH
• 1. MỞ ĐẦU
• 1.1. Lý do chọn đề tài
• 1.2. Mục tiêu đề tài
• 1.3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
• 1.4. Phương pháp nghiên cứu
• 1.5. Nội dung nghiên cứu
• 1.6. Cấu trúc luận văn
• 2. TỔNG QUAN LÝ THUYẾT
• 2.1. Lý thuyết vùng năng lượng của chất rắn
• 2.2. Lý thuyết xúc tác quang xảy ra trên vật liệu bán dẫn
• 2.2.1. Khái niệm xúc tác quang
• 2.2.2. Cơ chế xúc tác quang
• 2.2.3. Mô phỏng quá trình xúc tác quang
• 3. THỰC NGHIỆM
• 3.1. Hóa chất và dụng cụ
• 3.2. Tổng hợp vật liệu xúc tác quang
• 3.2.1. Tổng hợp vật liệu InVO4 bằng phương pháp thủy nhiệt
• 3.2.2. Tổng hợp vật liệu g-C3N4
• 3.2.3. Tổng hợp vật liệu composite g-C3N4/InVO4
• 3.3. Các phương pháp đặc trưng vật liệu
• 3.3.1. Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD)
• 3.3.2. Phương pháp hiển vi điện tử quét (SEM)
• 3.3.3. Phương pháp phổ hồng ngoại (IR)
• 3.3.4. Phương pháp phổ phản xạ khuếch tán tử ngoại khả kiến (UV-Visible Diffuse Reflectance Spectroscopy)
• 3.3.5. Phương pháp phổ năng lượng tia X hay EDS (Energy Dispersive X-ray)
• 3.4. Các phương pháp xác định chất hữu cơ
• 3.4.1. Phân tích định lượng tetracycline hydrochloride
• 3.4.2. Phương pháp xác định CODCr
• 3.5. Khảo sát hoạt tính quang xúc tác của vật liệu
• 3.5.1. Khảo sát thời gian đạt cân bằng hấp phụ
• 3.5.2. Khảo sát hoạt tính quang xúc tác của các vật liệu tổng hợp
• 3.5.3. Động học quang xúc tác
• 3.5.4. Khảo sát sự ảnh hưởng của pH đến hoạt tính quang xúc tác của vật liệu
• 3.5.5. Ứng dụng phản ứng xúc tác quang để xử lý nước thải nuôi tôm
• 4. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 4.1. Đặc trưng và khảo sát hoạt tính quang xúc tác của vật liệu InVO4
• 4.1.1. Đặc trưng vật liệu InVO4
• 4.1.2. Khảo sát hoạt tính quang xúc tác của vật liệu InVO4
• 4.2. Đặc trưng vật liệu g-C3N4/InVO4 và khảo sát hoạt tính quang xúc tác
• 4.2.1. Đặc trưng vật liệu g-C3N4/InVO4
• 4.2.2. Hoạt tính xúc tác quang của vật liệu g-C3N4/InVO4 ở các tỉ lệ khối lượng tiền chất khác nhau
• 4.2.3. Động học phản ứng quang xúc tác phân hủy TC trên vật liệu composite g-C3N4/InVO4
• 4.3. Đặc trưng vật liệu CI-10
• 4.3.1. Ảnh hưởng của nguồn sáng và pH đến hoạt tính xúc tác quang của vật liệu CI-10
• 4.3.1.1. Ảnh hưởng của nguồn sáng
• 4.3.1.2. Ảnh hưởng của pH
• 4.3.2. Ảnh hưởng của chất dập tắt gốc tự do
• 4.3.3. Ứng dụng vật liệu CI-10 để xử lý nước thải nuôi tôm
• 4.3.4. Tái sử dụng chất xúc tác
• 5. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• DANH MỤC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ
• DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Vật liệu composite g C3N4 InVO4

Vật liệu composite g-C3N4/InVO4 là một hệ vật liệu lai được tổng hợp từ hai thành phần chính là g-C3N4 và InVO4. g-C3N4 là một chất bán dẫn polyme hữu cơ có cấu trúc lớp tương tự graphen, với năng lượng vùng cấm khoảng 2.7 eV, cho phép hấp thụ ánh sáng trong vùng khả kiến. InVO4 là một chất bán dẫn có năng lượng vùng cấm khoảng 2.5 eV, cũng có khả năng hấp thụ ánh sáng khả kiến. Khi kết hợp hai vật liệu này, vật liệu composite g-C3N4/InVO4 tạo ra hiệu ứng dẫn truyền electron và lỗ trống, giảm sự tái tổ hợp của các cặp electron-lỗ trống quang sinh, từ đó nâng cao hiệu quả quang phân hủy các chất hữu cơ.

1.1. Tổng hợp vật liệu composite

Quá trình tổng hợp vật liệu composite g-C3N4/InVO4 được thực hiện bằng phương pháp nhiệt pha rắn có hỗ trợ siêu âm. g-C3N4 được tổng hợp từ urea qua quá trình nhiệt phân, trong khi InVO4 được tổng hợp bằng phương pháp thủy nhiệt từ các tiền chất In(NO3)3.5H2O và NH4VO3. Hai vật liệu này sau đó được trộn theo tỷ lệ khối lượng nhất định và xử lý nhiệt để tạo thành vật liệu composite. Phương pháp này đảm bảo sự kết hợp đồng nhất giữa hai thành phần, tạo ra vật liệu có cấu trúc và tính chất quang xúc tác ưu việt.

1.2. Đặc trưng vật liệu

Vật liệu composite g-C3N4/InVO4 được đặc trưng bằng các phương pháp hiện đại như nhiễu xạ tia X (XRD), hiển vi điện tử quét (SEM), phổ hồng ngoại (IR), và phổ phản xạ khuếch tán tử ngoại khả kiến (UV-Vis DRS). Các kết quả cho thấy vật liệu có cấu trúc tinh thể đồng nhất, diện tích bề mặt lớn, và khả năng hấp thụ ánh sáng mạnh trong vùng khả kiến. Đặc biệt, phổ quang phát quang (PL) cho thấy sự giảm đáng kể hiện tượng tái tổ hợp electron-lỗ trống, chứng tỏ hiệu quả của việc kết hợp hai vật liệu này.

II. Chất xúc tác quang và ứng dụng

Chất xúc tác quang g-C3N4/InVO4 được nghiên cứu nhằm ứng dụng trong việc phân hủy chất hữu cơ gây ô nhiễm nước. Dưới tác dụng của ánh sáng, vật liệu sinh ra các cặp electron-lỗ trống quang sinh, tạo ra các gốc tự do HO• có khả năng oxi hóa mạnh các chất hữu cơ thành các sản phẩm vô cơ vô hại. Hiệu quả quang xúc tác của vật liệu được đánh giá thông qua phản ứng phân hủy chất kháng sinh tetracycline hydrochloride trong dung dịch nước.

2.1. Cơ chế quang xúc tác

Cơ chế quang xúc tác của vật liệu composite g-C3N4/InVO4 bắt đầu bằng việc hấp thụ photon ánh sáng, kích thích electron từ vùng hóa trị lên vùng dẫn, tạo ra cặp electron-lỗ trống quang sinh. Các electron và lỗ trống này di chuyển đến bề mặt vật liệu và tương tác với các phân tử nước và oxy, tạo ra các gốc tự do HO•. Các gốc HO• này có khả năng oxi hóa mạnh, phân hủy các chất hữu cơ thành CO2 và H2O. Quá trình này được mô tả bằng các phương trình hóa học chi tiết, cho thấy hiệu quả cao của vật liệu trong việc xử lý ô nhiễm nước.

2.2. Ứng dụng thực tế

Vật liệu composite g-C3N4/InVO4 được ứng dụng trong xử lý nước thải nuôi tôm, một trong những nguồn gây ô nhiễm nước nghiêm trọng. Kết quả thử nghiệm cho thấy vật liệu có khả năng phân hủy hiệu quả các chất hữu cơ trong nước thải, giảm đáng kể giá trị COD (nhu cầu oxy hóa học) sau thời gian xử lý. Vật liệu cũng có khả năng tái sử dụng nhiều lần mà không bị giảm hiệu quả, mở ra tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong thực tế.

III. Kết quả và thảo luận

Các kết quả nghiên cứu cho thấy vật liệu composite g-C3N4/InVO4 có hoạt tính quang xúc tác cao hơn so với các vật liệu riêng lẻ. Hiệu quả phân hủy chất kháng sinh tetracycline hydrochloride đạt trên 90% sau 180 phút dưới ánh sáng khả kiến. Các yếu tố như pH, nguồn sáng, và sự có mặt của chất dập tắt gốc tự do cũng được khảo sát, cho thấy ảnh hưởng đáng kể đến hiệu quả quang phân hủy.

3.1. Ảnh hưởng của pH

pH môi trường có ảnh hưởng lớn đến hiệu quả quang xúc tác của vật liệu. Kết quả cho thấy, ở pH trung tính (khoảng 7), hiệu quả phân hủy đạt cao nhất. Ở pH quá cao hoặc quá thấp, hiệu quả giảm do sự thay đổi trạng thái ion hóa của chất hữu cơ và sự ổn định của các gốc tự do HO•.

3.2. Tái sử dụng vật liệu

Vật liệu composite g-C3N4/InVO4 có khả năng tái sử dụng nhiều lần mà không bị giảm hiệu quả đáng kể. Sau 5 lần sử dụng, hiệu quả phân hủy vẫn đạt trên 85%, chứng tỏ tính ổn định và bền vững của vật liệu trong các ứng dụng thực tế.

Nội dung chính

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.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Mở đầu hương 1. Tổng quan lý thuyết hương 2. Thực nghiệm hương 3. Kết quả và thảo luận Kết luận và kiến nghị 5 Ch ơng TỔN QUAN LÝ T U ẾT 1.

Lý thuyết vùng năng l ợng của chất rắn Như đã biết, điện tử tồn tại trong nguyên tử trên những mức năng lượng gián đoạn (các trạng thái dừng). Nhưng trong chất rắn, khi mà các nguyên tử kết hợp lại với nhau thành các khối thì các mức năng lượng này bị phủ lên nhau. Các vùng năng lượng được chia thành 3 vùng chính: Hình 1. Sơ đồ các vùng năng l ợng của chất rắn Vùng gồm những obital phân tử liên kết được xếp đủ electron, được gọi là vùng hóa trị (Valance band – VB) và một vùng gồm những obital phân tử liên kết còn trống electron, được gọi là vùng dẫn (Conduction Band – CB).

Hai vùng này được chia cách nhau bởi một hố năng lượng được gọi là vùng cấm, đặc trưng bởi năng lượng vùng cấm Eg ( andgap Energy), chính là độ chênh lệch giữa hai vùng nói trên [10, 11]. Với kim loại, các điện tử chỉ cần năng lượng kích hoạt nhỏ đã có thể chuyển từ vùng hóa trị sang vùng dẫn do hai vùng này có mức năng lượng chồng lên nhau. Còn với phi kim và các chất cách điện, năng lượng của vùng cấm lại rất lớn, do đó điện tử cần năng lượng lớn hơn nhiều để vượt qua. Vật liệu bán dẫn là vật liệu có tính chất trung gian giữa vật liệu dẫn điện và cách điện [12], vì vậy chỉ cần có một kích thích của ánh sáng đủ lớn (lớn hơn năng lượng vùng cấm Eg), hoặc năng lượng nhiệt phù hợp, các electron trong vùng hóa trị của vật liệu bán dẫn có thể vượt qua 6 vùng cấm nhảy lên vùng dẫn, trở thành chất dẫn điện có điều kiện.

Lúc này sẽ tạo ra cặp electron quang sinh (e-CB) – lỗ trống quang sinh (h+VB) và có sự trao đổi electron giữa các chất bị hấp phụ, thông qua cầu nối là chất bán dẫn. Nói chung, những chất bán dẫn có Eg thấp hơn 3,5 eV đều có thể làm chất xúc tác quang vì khi được kích thích bởi các photon ánh sáng có năng lượng lớn hơn năng lượng vùng cấm Eg, các electron hóa trị của chất bán dẫn sẽ nhảy lên vùng dẫn. Kết quả là trên vùng dẫn sẽ có các electron mang điện tích âm, được gọi là electron quang sinh và trên vùng hóa trị sẽ có các lỗ trống mang điện tích dương, được gọi là lỗ trống quang sinh. Chính các electron quang sinh và lỗ trống quang sinh là nguyên nhân dẫn đến các quá trình hóa học xảy ra bao gồm quá trình oxi hóa đối với lỗ trống quang sinh và quá trình khử đối với electron quang sinh.

Các lỗ trống và electron quang sinh có khả năng phản ứng cao hơn so với các tác nhân oxi hóa – khử đã biết trong hóa học [13, 14]. Lý thuyết xúc tác quang xảy ra trên vật liệu bán d n 1. Khái niệm xúc tác quang Thuật ngữ xúc tác quang được dành cho các phản ứng được tiến hành khi có mặt đồng thời các chất bán dẫn và ánh sáng. Theo đó, UPA định nghĩa xúc tác quang là “sự thay đổi tốc độ phản ứng hay lượng chất ban đầu do hoạt động của các bức xạ cực tím, khả kiến và hồng ngoại trong sự có mặt của một chất – gọi là chất xúc tác quang – đã hấp thụ năng lượng từ nguồn bức xạ”, và quá trình này “chỉ bao gồm sự chuyển khối hóa học của các chất tham gia phản ứng”.

Phản ứng đảm bảo các yêu cầu trên gọi là phản ứng xúc tác quang. Khác với các chất xúc tác thông thường được hoạt hóa bằng nhiệt, chất xúc tác quang được hoạt hóa bằng các photon ánh sáng có năng lượng thích hợp. Xử lý nước thải chứa các chất hữu cơ ô nhiễm bằng phương pháp quang xúc tác được biết là công nghệ thân thiện với môi trường và có tiềm năng ứng dụng trong thực tiễn [12]. Cơ chế xúc tác quang Quang xúc tác là phản ứng sử dụng nguồn năng lượng từ các bức xạ điện từ 7 của photon để hoạt hóa phản ứng.

Phương trình Plank biểu diễn mối quan hệ giữa tần số, ν của bức xạ điện từ và năng lượng (E) tương ứng của nó, như sau: E = hν (h: hằng số Plank) (1.1) ể kích thích electron từ vùng hóa trị lên vùng dẫn, năng lượng của bức xạ điện từ cần phải lớn hơn năng lượng vùng cấm của chất bán dẫn. Mỗi một photon có một năng lượng (hay bước sóng riêng) kích thích để nâng một electron từ vùng hóa trị lên vùng dẫn tạo thành electron vùng dẫn ở trạng thái kích thích (e-CB) và một lỗ trống mang điện tích dương trên vùng hóa trị (h+VB). Các hợp phần mang điện quang sinh này (e-CB vàh+VB) hoạt động theo những hướng rất đa dạng tùy thuộc vào cấu trúc điện tử và môi trường hoạt động của bán dẫn. Sau khi được hình thành, các tiểu phân mang điện quang sinh có hai khả năng tiếp tục hoạt động.

Thứ nhất, các tiểu phân này di chuyển đến các vị trí bẫy nằm trên bề mặt vật liệu để tiến hành các tương tác với các hợp phần hấp phụ cho hoặc nhận electron. Thứ hai, các tiểu phân mang điện quang sinh có thể tái kết hợp do gặp nhau trong quá trình dịch chuyển. Quá trình tái kết hợp làm ngăn cản hoạt động quang oxi hóa khử và dẫn đến làm giảm hoạt tính xúc tác quang của vật liệu [15, 16]. Mô phỏng quá trình xúc tác quang ưới tác dụng của ánh sáng, cơ chế xúc tác quang trên chất bán dẫn gồm các quá trình: Chất bán dẫn (C) + hν → e-CB(C) + h+VB(C) (1.2) Các electron và lỗ trống chuyển đến bề mặt và tương tác với một số 8 chất bị hấp phụ trên bề mặt như nước và oxy tạo ra những gốc tự do trên bề mặt chất bán dẫn [17], [18].

ơ chế phản ứng xảy ra như sau:  hVB  H 2O  HO  H  (1.7) H2O2 phản ứng tạo ra HO  H 2O2  h  2HO (1.8)  H 2O2  eCB  HO  HO (1.10) Ion OH- sinh ra có thể tác dụng với lỗ trống quang sinh để tạo thêm gốc HO   hVB  HO  HO (1.11) HO  oxi hóa các chất hữu cơ: HO• + hất hữu cơ → O2 + H2O +.12) Như đã biết, các electron quang sinh có tính khử rất mạnh còn các lỗ trống quang sinh có tính oxi hóa rất mạnh. Chúng sẽ tham gia phản ứng với các chất hấp phụ tại bề mặt chất xúc tác như H2O, ion OH-, các hợp chất hữu cơ hoặc oxi hòa tan để sinh ra gốc tự do HO  , tác nhân chính của các quá trình oxi hóa khử nâng cao. Tác nhân oxi hoá HO  mạnh gấp 2 lần so với clo, và còn mạnh hơn cả O3 là tác nhân oxy hóa rất mạnh thường hay gặp. ó thể so sánh giá trị thế khử chuẩn của HO  với một số tác nhân oxi hóa mạnh khác ở Bảng 1.

9 Bảng Thế h chuẩn của một số tác nhân oxi hoá mạnh Tác nhân Thế h chuẩn V Cl2 1,36 HO 2,80 O 2,42 O3 2,08 H2 O2 1,78 Dữ liệu ở Bảng 1.1 cho thấy, gốc HO  có khả năng oxi hóa hoàn toàn các chất hữu cơ bền vững, ngoài ra nó còn ưu việt hơn do tốc độ phản ứng của nó có thể nhanh hơn O3 nhiều lần. Nhìn chung, các thành phần hữu cơ bị oxi hóa theo cơ chế: RH  HO  R  H 2O R  O2  H 2O  CO2  acid vô cơ ối với hợp chất chứa nitơ dạng azo, phản ứng oxi hóa quang phân hủy xảy ra theo cơ chế sau: R  N  N  R '  HO  R  N  N  R '  OH R  N  N  R '  H  R  N  N   R '  H R  N  N  R   N 2  R  HO  phân hủy Như vậy, sản phẩm của quá trình phân hủy chất hữu cơ gây ô nhiễm trên hệ xúc tác quang là khí CO2, H2O và các chất vô cơ. Các lỗ trống mang điện tích dương tự do chuyển động trong vùng hóa trị do các electron khác có thể nhảy vào lỗ trống để bão hòa điện tích, đồng thời tạo ra một lỗ trống mới ngay tại vị trí mà nó vừa đi khỏi. Các electron quang sinh trên 10 vùng dẫn cũng có xu hướng tái tổ hợp với các lỗ trống quang sinh trên vùng hóa trị, kèm theo việc giải phóng năng lượng dưới dạng nhiệt hoặc ánh sáng.

Quá trình này làm giảm đáng kể hiệu quả xúc tác quang của vật liệu, nên việc kéo dài thời gian sống của electron và lỗ trống cũng làm tăng hiệu suất xúc tác quang. o đó, việc pha tạp hoặc ghép các cặp chất với nhau một cách hợp lí là xu hướng mà các nhà khoa học hiện nay quan tâm và nghiên cứu [19]. Gi i thiệu chung về graphitic carbon nitride g-C3N4 1. Đặc điểm cấu tạo Dạng graphitic carbon nitride g-C3N4 đang trở nên ngày càng quan trọng do những dự đoán lý thuyết về tính chất khác thường và các ứng dụng đầy hứa hẹn khác nhau, từ xúc tác quang, chất xúc tác dị thể, đến các chất nền.

Gần đây một loạt các cấu trúc nano và vật liệu g-C3N4 mao quản nano đã được phát triển cho một loạt các ứng dụng mới. Ở nhiệt độ thường, g-C3N4 được coi là dạng thù hình ổn định nhất, đã có một số lượng lớn các báo cáo tiếp cận sự tổng hợp và biến tính khác nhau về vật liệu này. Trong nghiên cứu về g-C3N4 được công bố bởi Thomas và cộng sự [20], các nhà khoa học này đã phân tích và giải thích được cấu trúc tinh thể của các chất trung gian 2, 5, 8-triamino-tri-s-triazin, melem có công thức C6N10H6 (Hình 1. Triazin (a) và mô hình kết nối trên nền tảng tri-s-triazin (b) của những dạng thù hình g-C3N4 11 Trong công bố này, Thomas và cộng sự đã làm sáng tỏ cấu trúc polymer melon, cung cấp thêm bằng chứng rằng dạng polymer này có độ trật tự tinh thể cao.

ây được xem là mô hình gần như lý tưởng về cấu trúc của polymer melon. Triazin và tri-s-triazin đã được xem như đơn vị kiến trúc để tạo nên các dạng thù hình tiềm năng khác nhau của g-C3N4. Sự ổn định cấu trúc của g-C3N4 là do môi trường điện tử khác nhau của nguyên tử N và kích thước của các lỗ trống của g- C3N4.