Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển công nghiệp và nông nghiệp tại Việt Nam, ô nhiễm môi trường, đặc biệt là ô nhiễm nguồn nước, đang trở thành vấn đề cấp bách ảnh hưởng trực tiếp đến sức khỏe cộng đồng và sự phát triển bền vững. Theo ước tính, các hồ, ao, sông ngòi tại các đô thị lớn như Hà Nội và TP. Hồ Chí Minh đang chịu ảnh hưởng nghiêm trọng bởi các chất thải công nghiệp, trong đó có các hợp chất hữu cơ bền như phenol, thuốc nhuộm, và kháng sinh. Việc xử lý triệt để các chất ô nhiễm này đòi hỏi các công nghệ tiên tiến, trong đó quá trình quang xúc tác sử dụng vật liệu TiO2 biến tính được xem là giải pháp đầy triển vọng.

Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là tổng hợp vật liệu TiO2 đồng pha tạp cacbon, nitơ, lưu huỳnh (C,N,S-TiO2) có hoạt tính xúc tác quang cao dưới ánh sáng khả kiến, đồng thời cố định vật liệu này trên chất mang silicon và đế nền thủy tinh nhằm thuận lợi cho việc tách lọc, thu hồi và ứng dụng trong xử lý nước thải. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào tổng hợp vật liệu từ quặng ilmenite Bình Định, khảo sát hoạt tính quang xúc tác trong phân hủy tetracycline hydrochloride – một loại kháng sinh bền khó phân hủy sinh học, trong dung dịch nước.

Nghiên cứu có ý nghĩa khoa học và thực tiễn lớn khi góp phần phát triển kỹ thuật tổng hợp vật liệu xúc tác quang hiệu quả, thân thiện môi trường, đồng thời nâng cao khả năng ứng dụng trong xử lý các chất ô nhiễm hữu cơ bền trong môi trường nước, góp phần cải thiện 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

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

  • Quang xúc tác TiO2: TiO2 là vật liệu bán dẫn có khả năng hấp thụ ánh sáng tử ngoại để tạo ra các electron và lỗ trống quang sinh, từ đó sinh ra các gốc tự do hydroxyl (•OH) có thế oxy hóa cao (2,80 V), giúp phân hủy các hợp chất hữu cơ khó phân hủy thành các sản phẩm vô cơ ít độc hại. Tuy nhiên, TiO2 chỉ hoạt động hiệu quả dưới ánh sáng tử ngoại do vùng cấm năng lượng rộng (3,20 eV đối với anatase).

  • Biến tính TiO2 bằng pha tạp phi kim (C, N, S): Pha tạp các nguyên tố phi kim vào mạng tinh thể TiO2 giúp thu hẹp vùng cấm năng lượng, mở rộng khả năng hấp thụ ánh sáng sang vùng khả kiến (400-600 nm), tăng hiệu quả quang xúc tác. Cơ chế pha tạp bao gồm thu hẹp vùng cấm, tạo mức năng lượng mới và giảm tái kết hợp electron-lỗ trống.

  • Cố định xúc tác trên chất mang silicon: Silicon có diện tích bề mặt lớn, độ bền hóa học cao, khả năng bám dính tốt với TiO2, giúp phân tán xúc tác đồng đều, dễ dàng thu hồi và tái sử dụng trong hệ thống xử lý nước thải liên tục.

  • Kháng sinh tetracycline hydrochloride (TC): Là chất ô nhiễm hữu cơ bền, khó phân hủy sinh học, tồn tại lâu trong môi trường (thời gian bán hủy lên đến 180 ngày), gây nguy cơ tồn dư và nhiễm độc môi trường nước.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Nghiên cứu sử dụng nguyên liệu quặng ilmenite Bình Định để tổng hợp TiO2, thiourea làm nguồn pha tạp C, N, S, và tetracycline hydrochloride làm chất ô nhiễm khảo sát.

  • Phương pháp tổng hợp: TiO2 được điều chế bằng phương pháp phân hủy quặng ilmenite bằng acid sulfuric, kết hợp pha tạp C, N, S bằng phương pháp thủy nhiệt ở 180°C trong 12 giờ. Vật liệu C,N,S-TiO2 sau đó được cố định lên đế thủy tinh phủ silicon bằng phương pháp nhúng phủ.

  • Phương pháp đặc trưng vật liệu: Sử dụng các kỹ thuật phân tích hiện đại như nhiễu xạ tia X (XRD) để xác định cấu trúc tinh thể, phổ tán xạ năng lượng tia X (EDX) để phân tích thành phần nguyên tố, phổ phản xạ khuếch tán tử ngoại - khả kiến (UV-Vis DRS) để xác định vùng hấp thụ ánh sáng và năng lượng vùng cấm, phổ hồng ngoại (FTIR) để khảo sát liên kết hóa học, hiển vi điện tử quét (SEM) và truyền qua (TEM) để quan sát hình thái và kích thước hạt, đẳng nhiệt hấp phụ - giải hấp phụ nitơ (BET) để đo diện tích bề mặt và độ xốp.

  • Phương pháp khảo sát hoạt tính quang xúc tác: Đánh giá hiệu quả phân hủy tetracycline hydrochloride trong dung dịch nước dưới ánh sáng khả kiến, xác định thời gian cân bằng hấp phụ, ảnh hưởng của lượng xúc tác, và khả năng tái sử dụng vật liệu.

  • Cỡ mẫu và timeline: Nghiên cứu thực hiện trong năm 2020 tại Trường Đại học Quy Nhơn, với nhiều mẫu vật liệu tổng hợp và khảo sát hoạt tính quang xúc tác theo các điều kiện thí nghiệm chuẩn.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Cấu trúc và thành phần vật liệu:

    • Kích thước tinh thể của C,N,S-TiO2 được xác định qua XRD dao động khoảng 10-15 nm, nhỏ hơn so với TiO2 không pha tạp, cho thấy pha tạp giúp hạn chế sự phát triển hạt.
    • Phân tích EDX cho thấy tỷ lệ phần trăm khối lượng của C, N, S trong vật liệu lần lượt khoảng 1,5%, 2,0% và 1,2%, xác nhận thành công pha tạp.
    • Diện tích bề mặt riêng của C,N,S-TiO2 đạt khoảng 120 m²/g, cao hơn so với TiO2 nguyên bản (khoảng 80 m²/g), góp phần tăng khả năng hấp phụ chất ô nhiễm.

  2. Khả năng hấp thụ ánh sáng và vùng cấm năng lượng:

    • Phổ UV-Vis DRS cho thấy C,N,S-TiO2 có bước sóng hấp thụ mở rộng đến khoảng 500 nm, trong khi TiO2 chỉ hấp thụ đến 387 nm.
    • Năng lượng vùng cấm Eg của C,N,S-TiO2 giảm xuống còn khoảng 2,8 eV so với 3,2 eV của TiO2 nguyên bản, giúp vật liệu hoạt động hiệu quả dưới ánh sáng khả kiến.

  3. Hoạt tính quang xúc tác phân hủy tetracycline hydrochloride:

    • Hiệu suất phân hủy TC đạt trên 85% sau 120 phút chiếu sáng với xúc tác C,N,S-TiO2, cao hơn 30% so với TiO2 không pha tạp.
    • Lượng xúc tác tối ưu là khoảng 0,5 g/L; vượt quá lượng này không làm tăng đáng kể hiệu suất do hiện tượng che khuất ánh sáng.
    • Thời gian cân bằng hấp phụ TC trên C,N,S-TiO2 là khoảng 30 phút, nhanh hơn so với TiO2 nguyên bản.

  4. Khả năng cố định và tái sử dụng xúc tác trên silicon:

    • Vật liệu C,N,S-TiO2 được cố định trên đế thủy tinh phủ silicon có độ bám dính tốt, không bị bong tróc sau nhiều lần sử dụng.
    • Hiệu suất phân hủy TC của xúc tác gắn trên silicon duy trì trên 75% sau 5 chu kỳ tái sử dụng, chỉ giảm khoảng 10% so với lần đầu.

Thảo luận kết quả

Kết quả cho thấy việc pha tạp C, N, S vào TiO2 giúp thu hẹp vùng cấm năng lượng, mở rộng khả năng hấp thụ ánh sáng sang vùng khả kiến, từ đó nâng cao hiệu quả quang xúc tác phân hủy các chất ô nhiễm hữu cơ bền như tetracycline hydrochloride. Diện tích bề mặt tăng và kích thước hạt nhỏ hơn cũng góp phần làm tăng khả năng hấp phụ và tiếp xúc giữa xúc tác và chất ô nhiễm.

Việc cố định vật liệu trên silicon không chỉ giúp dễ dàng thu hồi xúc tác mà còn duy trì hoạt tính xúc tác ổn định qua nhiều lần sử dụng, giải quyết được hạn chế lớn của xúc tác dạng bột trong ứng dụng thực tế. So sánh với các nghiên cứu trước đây, hiệu suất phân hủy TC của vật liệu C,N,S-TiO2 gắn trên silicon tương đương hoặc vượt trội hơn, đồng thời phương pháp tổng hợp từ quặng ilmenite địa phương giúp giảm chi phí và tận dụng nguồn nguyên liệu sẵn có.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ hiệu suất phân hủy TC theo thời gian chiếu sáng, biểu đồ so sánh hiệu suất giữa TiO2 và C,N,S-TiO2, cũng như bảng phân tích thành phần nguyên tố và diện tích bề mặt vật liệu.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Ứng dụng rộng rãi vật liệu C,N,S-TiO2 gắn trên silicon trong xử lý nước thải: Khuyến nghị các nhà máy xử lý nước thải công nghiệp và nuôi trồng thủy sản áp dụng xúc tác này để nâng cao hiệu quả xử lý các chất ô nhiễm hữu cơ bền, đặc biệt là kháng sinh. Thời gian triển khai dự kiến trong vòng 1-2 năm.

  2. Nâng cao quy mô sản xuất vật liệu từ nguồn quặng ilmenite địa phương: Đề xuất đầu tư dây chuyền sản xuất vật liệu xúc tác quang TiO2 biến tính từ quặng ilmenite Bình Định nhằm giảm chi phí nguyên liệu và thúc đẩy phát triển công nghiệp vật liệu trong nước. Chủ thể thực hiện là các doanh nghiệp công nghệ hóa chất và các viện nghiên cứu.

  3. Phát triển hệ thống phản ứng quang xúc tác liên tục sử dụng xúc tác cố định: Thiết kế và thử nghiệm các hệ thống phản ứng liên tục với xúc tác gắn trên silicon để tối ưu hóa hiệu quả xử lý và khả năng tái sử dụng xúc tác trong thực tế. Thời gian nghiên cứu và phát triển khoảng 2-3 năm.

  4. Mở rộng nghiên cứu pha tạp các nguyên tố khác và chất mang mới: Khuyến khích nghiên cứu thêm các nguyên tố pha tạp khác hoặc kết hợp với các chất mang có tính năng hiệp trợ nhằm nâng cao hiệu quả quang xúc tác và mở rộng ứng dụng trong xử lý các loại ô nhiễm khác nhau. Chủ thể thực hiện là các nhóm nghiên cứu và trường đại học.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Hóa học, Môi trường: Luận văn cung cấp kiến thức chuyên sâu về tổng hợp và biến tính vật liệu TiO2, phương pháp phân tích vật liệu và ứng dụng trong xử lý ô nhiễm nước, hỗ trợ nghiên cứu và phát triển đề tài liên quan.

  2. Doanh nghiệp sản xuất vật liệu xúc tác và công nghệ xử lý nước thải: Tham khảo để áp dụng công nghệ tổng hợp vật liệu xúc tác quang hiệu quả, giảm chi phí sản xuất và nâng cao hiệu quả xử lý nước thải công nghiệp và nông nghiệp.

  3. Cơ quan quản lý môi trường và các tổ chức bảo vệ môi trường: Sử dụng kết quả nghiên cứu để xây dựng chính sách, hướng dẫn áp dụng công nghệ xử lý nước thải tiên tiến, góp phần bảo vệ nguồn nước và sức khỏe cộng đồng.

  4. Các nhà thiết kế và vận hành hệ thống xử lý nước thải: Áp dụng vật liệu xúc tác cố định trên silicon trong thiết kế hệ thống xử lý nước thải liên tục, nâng cao hiệu quả xử lý và khả năng tái sử dụng vật liệu, giảm chi phí vận hành.

Câu hỏi thường gặp

  1. Vật liệu C,N,S-TiO2 có ưu điểm gì so với TiO2 nguyên bản?
    Vật liệu C,N,S-TiO2 có vùng cấm năng lượng thu hẹp (khoảng 2,8 eV so với 3,2 eV), mở rộng khả năng hấp thụ ánh sáng sang vùng khả kiến, từ đó tăng hiệu quả quang xúc tác phân hủy các chất ô nhiễm hữu cơ dưới ánh sáng mặt trời hoặc đèn LED. Ngoài ra, kích thước hạt nhỏ hơn và diện tích bề mặt lớn hơn giúp tăng khả năng hấp phụ và tiếp xúc.

  2. Tại sao cần cố định xúc tác trên silicon?
    Cố định xúc tác trên silicon giúp dễ dàng thu hồi và tái sử dụng vật liệu, tránh thất thoát xúc tác dạng bột trong quá trình xử lý nước thải. Silicon có diện tích bề mặt lớn, độ bền cao và khả năng bám dính tốt, giúp duy trì hoạt tính xúc tác ổn định qua nhiều chu kỳ sử dụng.

  3. Phương pháp tổng hợp vật liệu có thể áp dụng ở quy mô công nghiệp không?
    Phương pháp phân hủy quặng ilmenite kết hợp pha tạp bằng thủy nhiệt sử dụng nguyên liệu sẵn có, chi phí thấp và quy trình đơn giản, có tiềm năng mở rộng quy mô sản xuất công nghiệp. Việc cố định xúc tác trên silicon cũng thuận lợi cho ứng dụng thực tế.

  4. Hiệu suất phân hủy tetracycline hydrochloride đạt được là bao nhiêu?
    Hiệu suất phân hủy TC đạt trên 85% sau 120 phút chiếu sáng với xúc tác C,N,S-TiO2 dạng bột và trên 75% khi xúc tác được cố định trên silicon sau 5 lần tái sử dụng, cho thấy hiệu quả xử lý cao và tính bền vững của vật liệu.

  5. Có thể áp dụng vật liệu này để xử lý các chất ô nhiễm khác không?
    Vật liệu C,N,S-TiO2 có khả năng phân hủy nhiều loại hợp chất hữu cơ bền khác như thuốc nhuộm, phenol, các hợp chất kháng sinh khác nhờ cơ chế quang xúc tác tạo gốc tự do hydroxyl mạnh. Do đó, có thể mở rộng ứng dụng trong xử lý nước thải công nghiệp và sinh hoạt.

Kết luận

  • Đã tổng hợp thành công vật liệu nano TiO2 đồng pha tạp C, N, S từ quặng ilmenite Bình Định với kích thước hạt khoảng 10-15 nm và diện tích bề mặt riêng đạt khoảng 120 m²/g.
  • Vật liệu C,N,S-TiO2 có vùng cấm năng lượng thu hẹp xuống khoảng 2,8 eV, mở rộng khả năng hấp thụ ánh sáng sang vùng khả kiến, nâng cao hiệu quả quang xúc tác.
  • Hiệu suất phân hủy tetracycline hydrochloride đạt trên 85% với xúc tác dạng bột và duy trì trên 75% khi cố định trên silicon sau nhiều lần sử dụng.
  • Việc cố định xúc tác trên silicon giúp dễ dàng thu hồi, tái sử dụng và ứng dụng trong hệ thống xử lý nước thải liên tục.
  • Đề xuất mở rộng nghiên cứu và ứng dụng vật liệu trong xử lý nước thải công nghiệp và nuôi trồng thủy sản, đồng thời phát triển quy mô sản xuất vật liệu từ nguồn nguyên liệu địa phương.

Next steps: Triển khai thử nghiệm quy mô pilot hệ thống xử lý nước thải sử dụng xúc tác cố định, nghiên cứu pha tạp các nguyên tố khác và phát triển các chất mang mới nhằm nâng cao hiệu quả xử lý.

Call-to-action: Các nhà nghiên cứu, doanh nghiệp và cơ quan quản lý môi trường nên hợp tác để ứng dụng và phát triển công nghệ quang xúc tác TiO2 biến tính trong xử lý ô nhiễm nước, góp phần bảo vệ môi trường và sức khỏe cộng đồng.