Tổng quan nghiên cứu

Ô nhiễm môi trường, đặc biệt là ô nhiễm nguồn nước, đang là vấn đề cấp bách toàn cầu với tác động nghiêm trọng đến sức khỏe con người và hệ sinh thái. Theo ước tính, hàng triệu người trên thế giới phải đối mặt với nguy cơ bệnh tật do nguồn nước bị nhiễm khuẩn và hóa chất độc hại. Vi khuẩn Escherichia coli (E. coli) là một trong những tác nhân gây bệnh phổ biến trong nước uống không đảm bảo vệ sinh. Bên cạnh đó, các phẩm màu hữu cơ như Rhodamine Blue cũng là nguồn ô nhiễm khó xử lý trong nước thải công nghiệp. Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là tổng hợp vật liệu tổ hợp nano Fe3O4-TiO2-Graphene Oxit (GO) nhằm nâng cao hiệu quả kháng khuẩn E. coli và xử lý phẩm màu Rhodamine Blue, đồng thời khảo sát ảnh hưởng của tỷ lệ các thành phần đến hoạt tính quang xúc tác và kháng khuẩn. Nghiên cứu được thực hiện trong khoảng thời gian từ tháng 7/2017 đến tháng 7/2018 tại Trường Đại học Bách Khoa, Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển vật liệu nano đa chức năng, thân thiện môi trường, góp phần cải thiện chất lượng nước sạch và bảo vệ sức khỏe cộng đồng.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

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

  • Lý thuyết vật liệu nano composite: Sự kết hợp giữa graphene oxit (GO), nano Fe3O4 và TiO2 tạo ra vật liệu composite có tính chất vượt trội nhờ diện tích bề mặt lớn, khả năng dẫn điện và từ tính siêu thuận từ. GO với các nhóm chức oxy (-OH, C=O, epoxy) giúp tăng khả năng liên kết hóa học với các hạt nano oxit, đồng thời giảm tỷ lệ tái tổ hợp electron-lỗ, nâng cao hiệu quả quang xúc tác.

  • Mô hình quang xúc tác bán dẫn: TiO2 là chất xúc tác bán dẫn với band-gap khoảng 3.2 eV (pha anatase), khi chiếu sáng tạo ra cặp electron-lỗ, các gốc tự do hydroxyl (·OH) có khả năng oxy hóa mạnh, phân hủy các chất hữu cơ và tiêu diệt vi khuẩn. Tuy nhiên, TiO2 có nhược điểm là khó thu hồi và hiệu suất quang xúc tác bị hạn chế do tái tổ hợp electron-lỗ nhanh.

  • Khái niệm vật liệu lõi-vỏ (core-shell): Nano Fe3O4 làm lõi từ tính, TiO2 làm lớp vỏ xúc tác, giúp tăng độ bền, khả năng thu hồi bằng từ trường và duy trì hoạt tính quang xúc tác. Sự kết hợp này tạo ra vật liệu đa chức năng, vừa có khả năng kháng khuẩn, vừa xử lý ô nhiễm hữu cơ.

  • Tính chất siêu thuận từ: Nano Fe3O4 có kích thước nhỏ dưới 20 nm thể hiện tính siêu thuận từ, tức là mất từ tính khi không có từ trường ngoài, giúp dễ dàng phân tách và tái sử dụng vật liệu sau xử lý.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Nghiên cứu sử dụng các nguyên liệu hóa học chuẩn gồm bột graphite, FeCl2, FeCl3, tetrabutyl titanate (TBOT), các dung môi và hóa chất khác. Vật liệu GO được tổng hợp theo phương pháp cải tiến Hummers, nano Fe3O4 được tổng hợp bằng phương pháp đồng kết tủa, TiO2 được phủ lên Fe3O4 bằng phương pháp thủy nhiệt hoặc kết hợp từ các hạt nano riêng biệt.

  • Phương pháp phân tích: Các kỹ thuật phân tích vật liệu bao gồm nhiễu xạ tia X (XRD) để xác định cấu trúc tinh thể, phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FTIR) để nhận diện nhóm chức, kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) và quét (SEM) để khảo sát hình thái và kích thước hạt, phân tích nhiệt trọng lượng (TGA) để đánh giá độ bền nhiệt, phổ UV-Vis để đo khả năng hấp thụ ánh sáng và đánh giá hoạt tính quang xúc tác.

  • Thí nghiệm hoạt tính quang xúc tác: Đánh giá khả năng phân hủy phẩm màu Rhodamine Blue (nồng độ 10 ppm) dưới ánh sáng mặt trời trong 1 giờ, đo nồng độ còn lại bằng UV-Vis tại bước sóng 554 nm, tính hiệu suất phân hủy (DE%).

  • Thí nghiệm kháng khuẩn: Đánh giá hoạt tính kháng E. coli theo chuẩn AATCC 100, sử dụng phương pháp tiếp xúc trực tiếp giữa vi khuẩn và vật liệu dưới ánh sáng mặt trời, đếm số lượng khuẩn lạc sau 18-20 giờ ủ.

  • Timeline nghiên cứu: Tổng hợp và phân tích vật liệu từ tháng 7/2017 đến 7/2018, thực hiện các thí nghiệm đánh giá hoạt tính quang xúc tác và kháng khuẩn trong giai đoạn cuối.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Tổng hợp thành công vật liệu tổ hợp GO-Fe3O4-TiO2: Kết quả phân tích XRD, FTIR, SEM và TEM cho thấy các hạt nano Fe3O4 và TiO2 được gan kết hiệu quả trên tấm graphene oxit, giữ được cấu trúc lõi-vỏ và phân bố đồng đều. Diện tích bề mặt BET của vật liệu composite đạt khoảng 150 m²/g, cao hơn so với TiO2 đơn lẻ (khoảng 50 m²/g).

  2. Hoạt tính quang xúc tác phân hủy Rhodamine Blue: Vật liệu tổ hợp GMT 112 (tỷ lệ GO:Fe3O4:TiO2 = 1:1:2) đạt hiệu suất phân hủy RhB lên đến 85% sau 1 giờ chiếu sáng mặt trời, cao hơn 30% so với TiO2 đơn lẻ và 20% so với Fe3O4-TiO2 không có GO. Hiệu suất phân hủy duy trì trên 75% sau 3 lần sử dụng liên tiếp, chứng tỏ độ bền xúc tác tốt.

  3. Hoạt tính kháng khuẩn E. coli: Vật liệu tổ hợp GMT 112 ức chế hơn 90% số lượng vi khuẩn E. coli sau 30 phút tiếp xúc dưới ánh sáng mặt trời, vượt trội so với TiO2 (khoảng 60%) và Fe3O4 (khoảng 50%). Sự kết hợp GO giúp tăng cường khả năng tạo các gốc oxy phản ứng (ROS), góp phần phá hủy cấu trúc tế bào vi khuẩn.

  4. Ảnh hưởng tỷ lệ thành phần: Tỷ lệ GO và TiO2 trong vật liệu ảnh hưởng rõ rệt đến hoạt tính quang xúc tác và kháng khuẩn. Tỷ lệ GO quá cao làm giảm diện tích bề mặt tiếp xúc, trong khi tỷ lệ TiO2 quá thấp làm giảm khả năng xúc tác. Tỷ lệ tối ưu được xác định là 1:1:2 (GO:Fe3O4:TiO2).

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của sự cải thiện hoạt tính quang xúc tác và kháng khuẩn là do GO làm tăng khả năng truyền tải electron, giảm tỷ lệ tái tổ hợp electron-lỗ, đồng thời cung cấp diện tích bề mặt lớn để hấp phụ các phân tử RhB và vi khuẩn. Nano Fe3O4 với tính siêu thuận từ giúp dễ dàng thu hồi vật liệu sau xử lý, đồng thời góp phần tạo ra các gốc oxy phản ứng có hoạt tính cao. So với các nghiên cứu trước đây chỉ sử dụng TiO2 hoặc Fe3O4 riêng lẻ, vật liệu tổ hợp này thể hiện hiệu quả vượt trội và tính ổn định cao. Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ so sánh hiệu suất phân hủy RhB và tỷ lệ ức chế vi khuẩn giữa các mẫu vật liệu, cũng như bảng thống kê diện tích bề mặt và kích thước hạt. Kết quả này mở ra hướng phát triển vật liệu nano composite đa chức năng ứng dụng trong xử lý nước thải và khử trùng môi trường.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tối ưu quy trình tổng hợp vật liệu: Áp dụng phương pháp thủy nhiệt kết hợp đồng kết tủa để kiểm soát kích thước hạt nano Fe3O4 và TiO2, đảm bảo phân bố đồng đều trên GO, nâng cao hiệu quả xúc tác. Thời gian thực hiện: 6 tháng. Chủ thể: các phòng thí nghiệm nghiên cứu vật liệu nano.

  2. Phát triển hệ thống xử lý nước thải quy mô pilot: Sử dụng vật liệu tổ hợp GO-Fe3O4-TiO2 trong bể phản ứng quang xúc tác dưới ánh sáng mặt trời để xử lý nước thải công nghiệp chứa phẩm màu và vi khuẩn. Mục tiêu đạt hiệu suất xử lý trên 80% RhB và 90% kháng khuẩn. Thời gian: 12 tháng. Chủ thể: doanh nghiệp xử lý môi trường, viện nghiên cứu.

  3. Nghiên cứu mở rộng ứng dụng kháng khuẩn: Khảo sát hiệu quả của vật liệu đối với các loại vi khuẩn và virus khác trong nước uống và môi trường y tế, nhằm phát triển vật liệu kháng khuẩn đa phổ. Thời gian: 9 tháng. Chủ thể: các trung tâm nghiên cứu sinh học và y dược.

  4. Xây dựng quy trình tái sử dụng và thu hồi vật liệu: Tận dụng tính siêu thuận từ của Fe3O4 để thu hồi vật liệu bằng từ trường, giảm chi phí và ô nhiễm thứ cấp. Thời gian: 6 tháng. Chủ thể: các phòng thí nghiệm công nghệ môi trường.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Nhà nghiên cứu vật liệu nano và quang xúc tác: Luận văn cung cấp dữ liệu chi tiết về tổng hợp, đặc tính và ứng dụng vật liệu composite GO-Fe3O4-TiO2, hỗ trợ phát triển các nghiên cứu tiếp theo về vật liệu xúc tác và kháng khuẩn.

  2. Chuyên gia xử lý môi trường và nước thải: Thông tin về hiệu quả xử lý phẩm màu hữu cơ và vi khuẩn bằng vật liệu nano composite giúp thiết kế các hệ thống xử lý tiên tiến, thân thiện môi trường.

  3. Doanh nghiệp công nghệ sinh học và y tế: Vật liệu có tiềm năng ứng dụng trong khử trùng nước uống, thiết bị y tế, giảm thiểu nguy cơ lây nhiễm vi khuẩn nhờ hoạt tính kháng khuẩn cao.

  4. Sinh viên và học viên cao học chuyên ngành Kỹ thuật Hóa học, Vật liệu: Luận văn là tài liệu tham khảo quý giá về phương pháp tổng hợp, phân tích và đánh giá vật liệu nano composite, giúp nâng cao kiến thức và kỹ năng nghiên cứu.

Câu hỏi thường gặp

  1. Vật liệu GO-Fe3O4-TiO2 có ưu điểm gì so với TiO2 đơn lẻ?
    Vật liệu composite này kết hợp ưu điểm của GO (diện tích bề mặt lớn, dẫn điện tốt), Fe3O4 (tính siêu thuận từ, dễ thu hồi) và TiO2 (hoạt tính quang xúc tác mạnh), giúp tăng hiệu quả phân hủy chất ô nhiễm và kháng khuẩn, đồng thời dễ dàng tái sử dụng.

  2. Phương pháp tổng hợp vật liệu có phức tạp không?
    Quy trình tổng hợp sử dụng các phương pháp đồng kết tủa, thủy nhiệt và cải tiến phương pháp Hummers cho GO, đảm bảo kiểm soát kích thước hạt và phân bố đồng đều, phù hợp với điều kiện phòng thí nghiệm hiện đại.

  3. Hiệu quả kháng khuẩn của vật liệu được đánh giá như thế nào?
    Hoạt tính kháng khuẩn được đánh giá theo chuẩn AATCC 100, sử dụng vi khuẩn E. coli làm đối tượng thử nghiệm, với kết quả ức chế trên 90% sau 30 phút tiếp xúc dưới ánh sáng mặt trời.

  4. Vật liệu có thể tái sử dụng bao nhiêu lần?
    Nghiên cứu cho thấy vật liệu composite giữ được trên 75% hiệu suất phân hủy RhB sau 3 lần sử dụng liên tiếp, chứng tỏ độ bền và khả năng tái sử dụng cao.

  5. Ứng dụng thực tiễn của vật liệu này là gì?
    Vật liệu có thể ứng dụng trong xử lý nước thải công nghiệp chứa phẩm màu và vi khuẩn, khử trùng nước uống, cũng như trong các thiết bị y tế cần kháng khuẩn hiệu quả và thân thiện môi trường.

Kết luận

  • Đã tổng hợp thành công vật liệu tổ hợp nano Fe3O4-TiO2-Graphene Oxit với cấu trúc lõi-vỏ và phân bố đồng đều.
  • Vật liệu composite thể hiện hiệu quả quang xúc tác phân hủy Rhodamine Blue đạt trên 85% sau 1 giờ chiếu sáng mặt trời.
  • Hoạt tính kháng khuẩn E. coli vượt trội với tỷ lệ ức chế trên 90% trong 30 phút tiếp xúc.
  • Vật liệu có tính siêu thuận từ giúp thu hồi dễ dàng và tái sử dụng hiệu quả.
  • Đề xuất phát triển quy trình tổng hợp tối ưu và ứng dụng thực tiễn trong xử lý nước thải và khử trùng môi trường trong 12-18 tháng tới.

Hãy tiếp tục nghiên cứu và ứng dụng vật liệu nano composite đa chức năng để góp phần bảo vệ nguồn nước và sức khỏe cộng đồng!