Tổng quan nghiên cứu

Ô nhiễm môi trường nước do các chất hữu cơ bền vững, đặc biệt là thuốc nhuộm tổng hợp, đang là vấn đề nghiêm trọng ảnh hưởng đến sức khỏe cộng đồng và hệ sinh thái. Rhodamin-B (Rh-B), một loại thuốc nhuộm công nghiệp phổ biến với công thức phân tử C({28})H({31})ClN(_2)O(_3) và phân tử khối 479,02 g/mol, được sử dụng rộng rãi trong ngành dệt nhuộm, mỹ phẩm và thực phẩm. Tuy nhiên, Rh-B có tính độc cao, có thể gây ung thư và các bệnh lý nghiêm trọng khi tồn dư trong môi trường nước. Tại Việt Nam, Rh-B đã bị cấm sử dụng trong thực phẩm và nhiều quốc gia cũng áp dụng các quy định nghiêm ngặt về việc sử dụng chất này.

Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là tổng hợp và nghiên cứu đặc trưng cấu trúc của vật liệu Cu-Hydrotanxit (CuMgAl) và ứng dụng làm xúc tác quang hóa xử lý Rh-B trong môi trường nước. Nghiên cứu tập trung vào việc tổng hợp các mẫu hydrotanxit Mg-Al cấy ghép ion Cu(^{2+}) theo phương pháp đồng kết tủa, xác định cấu trúc vật liệu và khảo sát hoạt tính quang xúc tác dưới ánh sáng khả kiến trong phản ứng phân hủy Rh-B và xử lý nước thải dệt nhuộm tại làng nghề dệt chiếu cói, tỉnh Thái Bình.

Phạm vi nghiên cứu thực hiện tại Trường Đại học Sư phạm - Đại học Thái Nguyên trong năm 2020, với các mẫu vật liệu tổng hợp và khảo sát xử lý Rh-B trong dung dịch chuẩn và nước thải thực tế. Kết quả nghiên cứu góp phần phát triển vật liệu xúc tác quang hoạt tính, thân thiện môi trường, có hiệu quả cao trong xử lý nước thải dệt nhuộm, hướng tới mục tiêu phát triển bền vững và bảo vệ môi trường nước.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên lý thuyết về hydrotanxit (Hydrotalcite-like compounds - LDHs), là các hydroxit lớp kép có cấu trúc hai chiều với công thức chung ([M^{II}_{1-x}M^{III}_x(OH)2]^{x+}[A^{n-}{x/n} \cdot mH_2O]), trong đó M(^{II}) là các ion kim loại hóa trị II như Mg(^{2+}), Cu(^{2+}), M(^{III}) là các ion hóa trị III như Al(^{3+}), và A(^{n-}) là anion xen kẽ như CO(_3^{2-}). Sự thay thế một phần Mg(^{2+}) bằng Cu(^{2+}) tạo ra vật liệu biến tính có hoạt tính xúc tác cao dưới ánh sáng khả kiến.

Ngoài ra, nghiên cứu ứng dụng quá trình oxy hóa nâng cao (Advanced Oxidation Processes - AOPs) với sự có mặt của H(_2)O(_2) để sinh ra các gốc hydroxyl (OH•) có khả năng phân hủy các hợp chất hữu cơ bền vững như Rh-B. Phổ UV-Vis DRS được sử dụng để xác định vùng hấp thụ ánh sáng và năng lượng vùng cấm (Eg) của vật liệu, từ đó dự đoán hoạt tính quang xúc tác.

Các khái niệm chính bao gồm:

  • Hydrotanxit và cấu trúc lớp kép
  • Quang xúc tác dưới ánh sáng khả kiến
  • Phân hủy quang hóa Rhodamin-B
  • Ảnh hưởng của pH và nồng độ chất ô nhiễm đến hiệu suất xúc tác
  • Phương pháp đồng kết tủa trong tổng hợp vật liệu

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính là các mẫu vật liệu hydrotanxit Mg-Al và CuMgAl được tổng hợp theo phương pháp đồng kết tủa với tỷ lệ mol Cu:Mg:Al thay đổi, tổng mol Mg + Cu = 0,7 và Al = 0,3 mol. Quá trình tổng hợp gồm hòa tan muối nitrat, điều chỉnh pH đến 9,5, già hóa gel ở 100°C trong 24 giờ, rửa và sấy khô mẫu.

Phân tích đặc trưng cấu trúc vật liệu sử dụng các kỹ thuật:

  • Nhiễu xạ tia X (XRD) để xác định cấu trúc tinh thể và tính toán khoảng cách lớp (d003, d006, d110)
  • Kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) để quan sát hình thái học và kích thước lớp vật liệu
  • Phổ hấp thụ khuếch tán UV-Vis DRS để xác định vùng hấp thụ ánh sáng và năng lượng vùng cấm
  • Phân tích bề mặt và mao quản bằng phương pháp đẳng nhiệt hấp phụ/giải hấp phụ N(_2) (BET)
  • Phổ EDS để xác định thành phần nguyên tố trong mẫu

Khảo sát hoạt tính xúc tác bằng phương pháp hấp phụ và phân hủy Rh-B trong dung dịch chuẩn 30 ppm và nước thải thực tế. Đo nồng độ Rh-B theo thời gian bằng phổ UV-Vis ở bước sóng 553 nm, tính hiệu suất hấp phụ và phân hủy theo công thức chuẩn. Thí nghiệm chiếu sáng sử dụng đèn LED 30 W, có bổ sung H(_2)O(_2) 30% để kích hoạt quá trình oxy hóa nâng cao.

Timeline nghiên cứu kéo dài trong năm 2020, bao gồm tổng hợp vật liệu, phân tích đặc trưng, khảo sát hoạt tính xúc tác và ứng dụng xử lý nước thải thực tế.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Đặc trưng cấu trúc vật liệu:
    Giản đồ XRD cho thấy tất cả 8 mẫu vật liệu tổng hợp đều có cấu trúc lớp kép đặc trưng của hydrotanxit với khoảng cách lớp d003 dao động từ 7,667 đến 7,859 Å. Thông số mạng a và c lần lượt trong khoảng 3,044 - 3,056 Å và 22,92 - 23,53 Å, tương đồng với kết quả tài liệu. Tăng tỷ lệ Cu(^{2+}) làm giảm cường độ đỉnh XRD nhưng không làm thay đổi cấu trúc cơ bản.

  2. Hình thái học và thành phần:
    Ảnh TEM cho thấy cấu trúc lớp phiến không đồng đều, xuất hiện mao quản nhỏ bên trong lớp khi tỷ lệ Cu(^{2+}) đạt 0,30 mol. Phổ EDS xác định thành phần nguyên tố Mg, Al, Cu, O với tỷ lệ nguyên tử không hoàn toàn trùng khớp lý thuyết do hòa tan Al(OH)(_3) và giới hạn phương pháp phân tích.

  3. Diện tích bề mặt và mao quản:
    Phân tích BET cho thấy diện tích bề mặt riêng của các mẫu MgAl, CuMgAl2,0 và CuMgAl3,0 lần lượt là 47,39; 79,15 và 36,02 m(^2)/g, với đường kính mao quản trung bình từ 12,35 đến 17,52 nm, thuộc loại mao quản trung bình (kiểu H3).

  4. Hoạt tính quang xúc tác phân hủy Rh-B:
    Các mẫu vật liệu cấy Cu(^{2+}) có khả năng hấp phụ Rh-B thấp (<10%) nhưng hiệu suất phân hủy quang hóa rất cao. Mẫu CuMgAl2,0, CuMgAl2,5 và CuMgAl3,0 đạt độ chuyển hóa Rh-B trên 90% chỉ sau 30 phút chiếu sáng bằng đèn LED 30 W với sự có mặt của H(_2)O(_2). Mẫu MgAl không cấy Cu chỉ đạt 18,67% sau 240 phút.

  5. Ảnh hưởng của nồng độ Rh-B và pH môi trường:
    Hoạt tính xúc tác giảm khi tăng nồng độ Rh-B từ 30 đến 100 ppm nhưng vẫn đạt trên 90% độ chuyển hóa sau 240 phút. Khoảng pH tối ưu cho phân hủy Rh-B là từ 4,0 đến 8,0, với hiệu suất cao nhất tại pH = 8,0. pH quá axit (2,0) hoặc quá kiềm (10,0) làm giảm hiệu suất do ảnh hưởng đến cấu trúc vật liệu và khả năng khuếch tán.

  6. Ứng dụng xử lý nước thải thực tế:
    Sử dụng mẫu CuMgAl2,0 xử lý nước thải dệt nhuộm chiếu cói pha loãng 30 lần, hiệu suất phân hủy chất màu đạt khoảng 90% sau 360 phút chiếu sáng. Kết quả này chứng minh tính khả thi của vật liệu trong xử lý nước thải công nghiệp.

Thảo luận kết quả

Kết quả XRD và TEM khẳng định sự thành công trong việc tổng hợp vật liệu Cu-Hydrotanxit với cấu trúc lớp kép ổn định, phù hợp với các nghiên cứu trước đây. Sự thay thế đồng hình của Cu(^{2+}) vào vị trí Mg(^{2+}) tạo ra các trung tâm xúc tác hoạt động dưới ánh sáng khả kiến, mở rộng vùng hấp thụ ánh sáng từ UV sang vùng khả kiến (395 – 495 nm), giảm năng lượng vùng cấm xuống 2,51 – 3,14 eV.

Hiệu suất phân hủy Rh-B cao của các mẫu cấy Cu(^{2+}) nhờ cơ chế tạo ra các gốc hydroxyl mạnh mẽ từ phản ứng giữa Cu(^{2+}), H(_2)O(_2) và ánh sáng LED, phù hợp với mô hình AOPs. So sánh với các vật liệu FeTiH và CuTiH trong cùng điều kiện, vật liệu CuMgAl cho hiệu suất cao hơn, chứng tỏ ưu thế của hệ vật liệu này.

Ảnh hưởng của pH và nồng độ Rh-B phù hợp với các nghiên cứu về quang xúc tác, cho thấy điều kiện môi trường ảnh hưởng lớn đến hiệu quả xử lý. Kết quả xử lý nước thải thực tế cho thấy vật liệu có thể ứng dụng hiệu quả trong thực tiễn, góp phần giảm thiểu ô nhiễm môi trường do nước thải dệt nhuộm.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ độ chuyển hóa Rh-B theo thời gian, phổ UV-Vis giảm đỉnh hấp thụ 553 nm, và bảng so sánh hiệu suất phân hủy ở các điều kiện khác nhau để minh họa rõ ràng hiệu quả xúc tác.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tối ưu hóa tỷ lệ cấy Cu(^{2+}) trong vật liệu
    Tiếp tục nghiên cứu và phát triển các mẫu vật liệu CuMgAl với tỷ lệ Cu từ 2,0 đến 3,0 mol để đạt hiệu suất xúc tác tối ưu, nâng cao khả năng phân hủy các chất ô nhiễm hữu cơ khác trong nước thải. Thời gian thực hiện: 6-12 tháng. Chủ thể: các nhóm nghiên cứu hóa học vật liệu.

  2. Mở rộng ứng dụng xử lý nước thải công nghiệp
    Áp dụng vật liệu Cu-Hydrotanxit trong xử lý nước thải dệt nhuộm tại các làng nghề và nhà máy, đặc biệt là các cơ sở nhỏ lẻ chưa có hệ thống xử lý hiệu quả. Mục tiêu giảm độ màu và chất hữu cơ trong nước thải đạt tiêu chuẩn môi trường. Thời gian: 1-2 năm. Chủ thể: doanh nghiệp, cơ quan quản lý môi trường.

  3. Nghiên cứu kết hợp vật liệu với các công nghệ xử lý khác
    Kết hợp vật liệu xúc tác với các phương pháp sinh học hoặc hóa lý để nâng cao hiệu quả xử lý, giảm chi phí vận hành và tăng tính bền vững của hệ thống xử lý nước thải. Thời gian: 12 tháng. Chủ thể: viện nghiên cứu, trường đại học.

  4. Phát triển quy trình tổng hợp vật liệu quy mô lớn
    Nghiên cứu quy trình tổng hợp vật liệu Cu-Hydrotanxit trên quy mô công nghiệp với chi phí hợp lý, đảm bảo chất lượng và tính đồng nhất của sản phẩm. Thời gian: 1-2 năm. Chủ thể: doanh nghiệp công nghệ hóa học, viện nghiên cứu.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Hóa học, Môi trường
    Luận văn cung cấp kiến thức chuyên sâu về tổng hợp và đặc trưng vật liệu hydrotanxit biến tính, phương pháp phân tích cấu trúc và ứng dụng quang xúc tác xử lý ô nhiễm nước, hỗ trợ nghiên cứu và học tập.

  2. Doanh nghiệp xử lý nước thải và công nghệ môi trường
    Cung cấp giải pháp vật liệu xúc tác mới hiệu quả, thân thiện môi trường, giúp cải thiện công nghệ xử lý nước thải dệt nhuộm, giảm chi phí và nâng cao hiệu quả xử lý.

  3. Cơ quan quản lý môi trường và chính sách
    Thông tin về tác hại của Rhodamin-B và các giải pháp xử lý tiên tiến giúp xây dựng chính sách quản lý chất thải, kiểm soát ô nhiễm và phát triển bền vững ngành công nghiệp dệt nhuộm.

  4. Các tổ chức nghiên cứu phát triển vật liệu và công nghệ xanh
    Tham khảo phương pháp tổng hợp vật liệu đồng kết tủa, ứng dụng AOPs trong xử lý ô nhiễm, mở rộng nghiên cứu phát triển vật liệu xúc tác mới cho các ứng dụng môi trường khác.

Câu hỏi thường gặp

  1. Vật liệu Cu-Hydrotanxit có ưu điểm gì so với các vật liệu xúc tác khác?
    Vật liệu có cấu trúc lớp kép ổn định, diện tích bề mặt lớn, khả năng hấp thụ ánh sáng khả kiến tốt nhờ cấy Cu(^{2+}), tạo ra gốc hydroxyl mạnh trong quá trình quang xúc tác, giúp phân hủy hiệu quả các chất hữu cơ bền vững như Rh-B.

  2. Phương pháp tổng hợp đồng kết tủa có ưu điểm gì?
    Phương pháp này tạo ra tinh thể hydrotanxit đồng đều, cấu trúc bền vững, ít tạp chất và diện tích bề mặt lớn. Quá trình già hóa và điều chỉnh pH giúp kiểm soát kích thước hạt và tính chất vật liệu.

  3. Tại sao cần bổ sung H(_2)O(_2) trong quá trình phân hủy Rh-B?
    H(_2)O(_2) là tiền chất tạo ra các gốc hydroxyl (OH•) trong quá trình oxy hóa nâng cao (AOPs), tăng cường khả năng phân hủy các hợp chất hữu cơ bền vững dưới tác động của ánh sáng và xúc tác.

  4. Ảnh hưởng của pH đến hiệu suất phân hủy Rh-B như thế nào?
    pH ảnh hưởng đến cấu trúc vật liệu và khả năng khuếch tán Rh-B. Môi trường pH từ 4 đến 8 là tối ưu, giúp duy trì cấu trúc vật liệu và tăng hiệu quả phân hủy. pH quá axit hoặc kiềm làm giảm hoạt tính xúc tác.

  5. Vật liệu này có thể ứng dụng trong xử lý nước thải thực tế không?
    Có, nghiên cứu đã chứng minh vật liệu CuMgAl2,0 xử lý nước thải dệt nhuộm chiếu cói đạt hiệu suất phân hủy chất màu khoảng 90% sau 360 phút chiếu sáng, cho thấy tính khả thi trong ứng dụng thực tế.

Kết luận

  • Đã tổng hợp thành công các mẫu vật liệu Cu-Hydrotanxit theo phương pháp đồng kết tủa với cấu trúc lớp kép ổn định và diện tích bề mặt lớn.
  • Vật liệu cấy Cu(^{2+}) có khả năng hấp thụ ánh sáng khả kiến và hoạt tính quang xúc tác cao, phân hủy Rh-B đạt trên 90% chỉ sau 30 phút chiếu sáng.
  • Khoảng pH tối ưu cho quá trình phân hủy Rh-B là từ 4,0 đến 8,0, phù hợp với điều kiện môi trường nước thải thực tế.
  • Vật liệu CuMgAl2,0 ứng dụng hiệu quả trong xử lý nước thải dệt nhuộm chiếu cói, đạt hiệu suất phân hủy chất màu khoảng 90% sau 360 phút.
  • Đề xuất tiếp tục nghiên cứu tối ưu vật liệu, mở rộng ứng dụng và phát triển quy trình tổng hợp quy mô công nghiệp nhằm góp phần bảo vệ môi trường nước.

Hành động tiếp theo: Khuyến khích các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp ứng dụng vật liệu Cu-Hydrotanxit trong xử lý nước thải, đồng thời phát triển các dự án nghiên cứu mở rộng để nâng cao hiệu quả và tính bền vững của công nghệ xử lý.