Tổng quan nghiên cứu

Ô nhiễm môi trường nước do các chất ô nhiễm hữu cơ, đặc biệt là chất màu hữu cơ và hợp chất phenolic, đang trở thành vấn đề nghiêm trọng ảnh hưởng đến sức khỏe con người và hệ sinh thái. Trong đó, chất màu tinh thể tím (crystal violet - CV) là một trong những chất khó phân hủy, tồn tại phổ biến trong nước thải ngành dệt nhuộm với nồng độ tồn dư có thể lên đến 50% so với lượng hóa chất ban đầu. CV không chỉ gây ô nhiễm nguồn nước mà còn có tác động độc hại như ung thư gan, tổn thương mắt, da, và đường hô hấp. Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là tổng hợp và khảo sát vật liệu composite kẽm oxit-titan dioxit trên cơ sở graphene aerogel (ZnO-TiO2/GA - ZTG) nhằm ứng dụng trong quang phân hủy hiệu quả các chất màu hữu cơ trong nước, đặc biệt là CV. Nghiên cứu được thực hiện tại Trường Đại học Bách khoa – Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh trong giai đoạn từ tháng 2 đến tháng 7 năm 2023. Hiệu suất quang phân hủy CV của vật liệu ZTG đạt trên 99%, đồng thời mở rộng ứng dụng xử lý các chất màu khác như methyl orange (MO), rhodamine B (RhB), methylene blue (MB) và hợp chất phenolic para-nitrophenol (p-NP). Kết quả nghiên cứu góp phần nâng cao hiệu quả xử lý ô nhiễm hữu cơ trong nước, đồng thời phát triển vật liệu xúc tác quang thân thiện môi trường, tiết kiệm chi phí và có khả năng tái sử dụng cao.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

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

  • Cơ chế quang phân hủy chất ô nhiễm hữu cơ: Khi vật liệu bán dẫn như ZnO và TiO2 hấp thụ photon có năng lượng lớn hơn hoặc bằng năng lượng vùng cấm, các electron (e⁻) được kích thích từ vùng hóa trị (VB) lên vùng dẫn (CB), tạo ra các lỗ trống (h⁺). Các cặp e⁻-h⁺ này tham gia vào các phản ứng oxy hóa-khử, sinh ra các gốc tự do •OH, •O2⁻ có khả năng phân hủy các chất ô nhiễm thành CO2, H2O và các hợp chất vô cơ đơn giản.

  • Mô hình vật liệu composite ZnO-TiO2/GA: Sự kết hợp ZnO và TiO2 tạo thành liên kết dị thể giúp giảm tốc độ tái tổ hợp e⁻-h⁺, mở rộng vùng hấp thụ ánh sáng và tăng hiệu suất quang phân hủy. Graphene aerogel (GA) với cấu trúc 3D xốp, diện tích bề mặt lớn, đóng vai trò làm chất nền giúp tăng khả năng hấp phụ chất ô nhiễm và dẫn truyền điện tử, từ đó nâng cao hiệu quả xúc tác.

  • Mô hình thiết kế thí nghiệm Plackett-Burman và Box-Behnken: Phương pháp Plackett-Burman được sử dụng để sàng lọc các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất quang phân hủy, trong khi mô hình Box-Behnken thuộc phương pháp bề mặt đáp ứng (RSM) giúp khảo sát ảnh hưởng đồng thời và tối ưu hóa các yếu tố chính như pH, nồng độ CV ban đầu và lượng vật liệu xúc tác.

Các khái niệm chính bao gồm: năng lượng vùng cấm, gốc tự do quang hóa, hiệu suất quang phân hủy, vật liệu composite, và mô hình thiết kế thí nghiệm.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Nghiên cứu sử dụng các hóa chất chuẩn như ZnO, titan (IV) isopropoxide, graphene oxide (GO), và các chất màu hữu cơ CV, MO, RhB, MB, p-NP. Vật liệu ZTG được tổng hợp bằng phương pháp đồng kết tủa có hỗ trợ thủy nhiệt.

  • Phương pháp tổng hợp: Ba giai đoạn chính gồm tổng hợp GO bằng phương pháp Hummers cải tiến, tổng hợp nano ZnO thủy nhiệt, và tổng hợp vật liệu ZTG bằng đồng kết tủa kết hợp thủy nhiệt ở 180°C. Lượng ZnO được khảo sát ở các mức 0, 100, 200, 300, và 400 mg để xác định lượng phù hợp.

  • Phân tích đặc trưng vật liệu: Sử dụng các kỹ thuật hiện đại như XRD, FTIR, phổ Raman, EDS, SEM, TEM, TGA, XPS, hấp phụ-giải hấp khí N2, UV-Vis và UV-DRS để xác định cấu trúc, thành phần, hình thái, tính chất nhiệt và quang học của vật liệu.

  • Phân tích hiệu suất quang phân hủy: Thí nghiệm khảo sát ảnh hưởng riêng lẻ các yếu tố pH, nồng độ CV ban đầu, lượng vật liệu, thời gian hấp phụ và thời gian quang phân hủy bằng mô hình Plackett-Burman. Ba yếu tố ảnh hưởng nhất được khảo sát đồng thời bằng mô hình Box-Behnken để tối ưu điều kiện.

  • Khảo sát độ bền và tái sử dụng: Vật liệu ZTG3 được thử nghiệm qua 10 chu kỳ thu hồi và tái sử dụng, đánh giá sự thay đổi cấu trúc bằng FTIR, XRD và SEM.

  • Khảo sát cơ chế quang phân hủy: Sử dụng các chất bắt gốc tự do như benzoquinone (BQ), ammonium oxalate (AO), và isopropanol (IPA) để xác định vai trò của các gốc •O2⁻, h⁺, và •OH trong quá trình phân hủy CV.

  • Mở rộng ứng dụng: Đánh giá khả năng quang phân hủy các chất màu MO, RhB, MB và hợp chất phenolic p-NP dưới điều kiện tối ưu.

  • Thiết lập mô hình cột xúc tác quang phân hủy: Xây dựng mô hình cột xúc tác sử dụng vật liệu ZTG3 để khảo sát hiệu quả xử lý chất màu CV trong điều kiện thực tế.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Ảnh hưởng lượng ZnO đến hiệu suất quang phân hủy CV: Vật liệu ZTG3 với lượng ZnO 300 mg đạt hiệu suất quang phân hủy CV cao nhất, trên 99%, vượt trội so với các mẫu khác. Hiệu suất của ZTG3 cao hơn khoảng 15% so với vật liệu ZnO đơn lẻ.

  2. Đặc trưng vật liệu ZTG3: Phân tích XRD xác nhận sự tồn tại đồng thời của pha ZnO và TiO2 trên nền GA. FTIR và phổ Raman cho thấy các nhóm chức năng đặc trưng của GA và oxit kim loại. SEM và TEM minh họa cấu trúc 3D xốp, phân bố đồng đều các hạt nano ZnO và TiO2 trên GA. Diện tích bề mặt riêng tăng từ 46 lên 57 m²/g so với vật liệu không có GA, góp phần nâng cao khả năng hấp phụ.

  3. Ảnh hưởng các yếu tố quang phân hủy: Mô hình Plackett-Burman xác định pH, nồng độ CV ban đầu và lượng vật liệu là ba yếu tố ảnh hưởng lớn nhất. Mô hình Box-Behnken tối ưu điều kiện ở pH khoảng 7, nồng độ CV 10 mg/L và lượng vật liệu 0,1 g/L, đạt hiệu suất quang phân hủy trên 99%. Thời gian hấp phụ cân bằng khoảng 30 phút, thời gian quang phân hủy tối ưu là 120 phút.

  4. Khả năng thu hồi và tái sử dụng: Vật liệu ZTG3 duy trì hiệu suất trên 90% sau 10 chu kỳ tái sử dụng, khối lượng vật liệu giảm dưới 5%. Phân tích FTIR, XRD và SEM sau 10 chu kỳ không ghi nhận sự biến đổi cấu trúc đáng kể, chứng tỏ độ bền và ổn định cao.

  5. Cơ chế quang phân hủy: Các chất bắt gốc tự do cho thấy gốc •OH đóng vai trò chủ đạo trong quá trình phân hủy CV, tiếp theo là •O2⁻ và h⁺. Cơ chế quang phân hủy được đề xuất dựa trên sự chuyển dịch electron từ ZnO sang TiO2 và sự dẫn truyền điện tử trên GA, làm giảm tái tổ hợp e⁻-h⁺, tăng sinh các gốc oxy hóa mạnh.

  6. Khả năng xử lý mở rộng: Vật liệu ZTG3 đạt hiệu suất quang phân hủy lần lượt 95% với MO, 93% với RhB, 90% với MB và 88% với p-NP trong thời gian 120 phút. Hiệu quả xử lý tính theo mg chất màu phân hủy trên g vật liệu trên giờ cũng đạt mức cao, chứng tỏ tính ứng dụng rộng rãi.

  7. Hiệu quả mô hình cột xúc tác: Mô hình cột xúc tác quang phân hủy sử dụng ZTG3 xử lý CV đạt hiệu suất trên 85% trong điều kiện dòng chảy liên tục, cho thấy tiềm năng ứng dụng thực tế trong xử lý nước thải.

Thảo luận kết quả

Hiệu suất quang phân hủy cao của vật liệu ZTG3 so với ZnO hoặc TiO2 đơn lẻ được giải thích bởi sự hình thành liên kết dị thể giữa ZnO và TiO2, giúp giảm tốc độ tái tổ hợp e⁻-h⁺, đồng thời GA làm tăng diện tích bề mặt và khả năng hấp phụ chất ô nhiễm. Kết quả này phù hợp với các nghiên cứu gần đây về vật liệu composite oxit kim loại trên nền graphene aerogel. Việc tối ưu các yếu tố pH, nồng độ và lượng vật liệu theo mô hình Box-Behnken giúp đạt hiệu suất tối đa, đồng thời tiết kiệm nguyên liệu và thời gian xử lý. Độ bền và khả năng tái sử dụng cao của ZTG3 là điểm mạnh quan trọng, giảm chi phí vận hành và tác động môi trường. Cơ chế quang phân hủy được xác định qua các chất bắt gốc tự do phù hợp với lý thuyết quang hóa bán dẫn, trong đó gốc •OH là tác nhân chính phân hủy chất màu. Khả năng xử lý đa dạng các chất màu và hợp chất phenolic mở rộng ứng dụng của vật liệu trong xử lý nước thải công nghiệp. Mô hình cột xúc tác cho thấy tính khả thi trong ứng dụng thực tế, tuy nhiên cần nghiên cứu thêm về quy mô và điều kiện vận hành để tối ưu hiệu quả.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ hiệu suất quang phân hủy theo thời gian, biểu đồ Pareto thể hiện ảnh hưởng các yếu tố, hình ảnh SEM/TEM minh họa cấu trúc vật liệu, và bảng so sánh hiệu suất xử lý các chất màu khác nhau.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Triển khai ứng dụng vật liệu ZTG3 trong xử lý nước thải công nghiệp: Khuyến nghị các nhà máy dệt nhuộm và xử lý nước thải áp dụng vật liệu ZTG3 trong mô hình cột xúc tác quang phân hủy để nâng cao hiệu quả loại bỏ chất màu hữu cơ, giảm thiểu ô nhiễm môi trường. Thời gian thực hiện đề xuất trong vòng 12 tháng.

  2. Nghiên cứu mở rộng quy mô và điều kiện vận hành mô hình cột xúc tác: Đề xuất các trung tâm nghiên cứu và doanh nghiệp phối hợp khảo sát quy mô pilot, tối ưu lưu lượng, thời gian tiếp xúc và điều kiện pH nhằm đảm bảo hiệu suất và tính kinh tế. Thời gian thực hiện 6-12 tháng.

  3. Phát triển vật liệu composite mới dựa trên nền graphene aerogel: Khuyến khích nghiên cứu thêm các vật liệu composite kết hợp các oxit kim loại khác hoặc tạp chất nhằm nâng cao khả năng hấp thụ ánh sáng và tăng hiệu suất quang phân hủy. Chủ thể thực hiện là các nhóm nghiên cứu trong lĩnh vực vật liệu và môi trường.

  4. Đào tạo và chuyển giao công nghệ: Tổ chức các khóa đào tạo, hội thảo cho cán bộ kỹ thuật và nhà quản lý về công nghệ tổng hợp và ứng dụng vật liệu ZTG3 trong xử lý nước thải, nhằm thúc đẩy ứng dụng rộng rãi. Thời gian triển khai trong 6 tháng.

  5. Theo dõi và đánh giá tác động môi trường: Các cơ quan quản lý môi trường cần phối hợp với doanh nghiệp giám sát hiệu quả xử lý và tác động lâu dài của vật liệu ZTG3 trong thực tế, đảm bảo an toàn và bền vững.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Kỹ thuật Hóa học, Môi trường: Luận văn cung cấp quy trình tổng hợp vật liệu composite tiên tiến, phương pháp phân tích đặc trưng và thiết kế thí nghiệm tối ưu, giúp nâng cao kiến thức và kỹ năng nghiên cứu.

  2. Doanh nghiệp xử lý nước thải công nghiệp: Các công ty trong ngành dệt nhuộm, sản xuất giấy, hóa chất có thể áp dụng vật liệu ZTG3 và mô hình cột xúc tác để cải thiện hiệu quả xử lý nước thải, giảm chi phí vận hành và đáp ứng tiêu chuẩn môi trường.

  3. Cơ quan quản lý môi trường và chính sách: Thông tin về hiệu quả xử lý chất ô nhiễm hữu cơ và tính bền vững của vật liệu giúp xây dựng chính sách, quy chuẩn kỹ thuật và khuyến khích áp dụng công nghệ xanh.

  4. Nhóm phát triển công nghệ vật liệu và thiết bị xử lý: Các nhà phát triển công nghệ có thể dựa trên kết quả nghiên cứu để thiết kế vật liệu composite mới, cải tiến thiết bị xúc tác quang và mở rộng ứng dụng trong các lĩnh vực khác như y tế, năng lượng.

Câu hỏi thường gặp

  1. Vật liệu ZnO-TiO2/GA có ưu điểm gì so với vật liệu ZnO hoặc TiO2 đơn lẻ?
    Vật liệu composite kết hợp ZnO và TiO2 trên nền graphene aerogel giúp giảm tái tổ hợp electron-lỗ trống, tăng diện tích bề mặt và khả năng hấp phụ, từ đó nâng cao hiệu suất quang phân hủy chất ô nhiễm hữu cơ lên trên 99%, vượt trội so với vật liệu đơn lẻ.

  2. Phương pháp tổng hợp vật liệu ZTG được thực hiện như thế nào?
    Vật liệu được tổng hợp bằng phương pháp đồng kết tủa có hỗ trợ thủy nhiệt, sử dụng tiền chất ZnO, titan isopropoxide và graphene oxide, với quá trình thủy nhiệt ở 180°C giúp tạo cấu trúc 3D đồng nhất và phân tán hạt nano đều trên nền GA.

  3. Các yếu tố nào ảnh hưởng lớn nhất đến hiệu suất quang phân hủy CV?
    Theo mô hình Plackett-Burman và Box-Behnken, pH dung dịch, nồng độ CV ban đầu và lượng vật liệu xúc tác là ba yếu tố chính ảnh hưởng đến hiệu suất, với điều kiện tối ưu pH ~7, nồng độ CV 10 mg/L và lượng vật liệu 0,1 g/L.

  4. Vật liệu ZTG có khả năng tái sử dụng và bền vững như thế nào?
    Vật liệu duy trì hiệu suất trên 90% sau 10 chu kỳ tái sử dụng, không có sự biến đổi cấu trúc đáng kể theo phân tích FTIR, XRD và SEM, cho thấy độ bền cao và khả năng tái sử dụng hiệu quả, giảm chi phí vận hành.

  5. Vật liệu ZTG có thể ứng dụng xử lý các chất ô nhiễm hữu cơ khác ngoài CV không?
    Có, vật liệu ZTG đã được khảo sát và đạt hiệu suất quang phân hủy cao với các chất màu azo như methyl orange, rhodamine B, methylene blue và hợp chất phenolic para-nitrophenol, chứng tỏ tính ứng dụng rộng rãi trong xử lý nước thải công nghiệp.

Kết luận

  • Vật liệu ZnO-TiO2/graphene aerogel (ZTG3) được tổng hợp thành công bằng phương pháp đồng kết tủa thủy nhiệt với lượng ZnO tối ưu 300 mg, đạt hiệu suất quang phân hủy CV trên 99%.
  • Đặc trưng vật liệu được xác định qua nhiều kỹ thuật hiện đại, cho thấy cấu trúc 3D xốp, phân bố đồng đều hạt nano và diện tích bề mặt riêng lớn.
  • Các yếu tố pH, nồng độ CV và lượng vật liệu ảnh hưởng lớn đến hiệu suất, được tối ưu bằng mô hình Box-Behnken.
  • Vật liệu có độ bền cao, khả năng tái sử dụng tốt qua 10 chu kỳ mà không suy giảm hiệu suất đáng kể.
  • Cơ chế quang phân hủy chủ yếu dựa trên gốc •OH và sự dẫn truyền điện tử trên GA giúp giảm tái tổ hợp e⁻-h⁺, nâng cao hiệu quả phân hủy.

Next steps: Triển khai thử nghiệm mô hình cột xúc tác quy mô pilot, mở rộng nghiên cứu vật liệu composite mới và đào tạo chuyển giao công nghệ.

Call-to-action: Các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp trong lĩnh vực xử lý nước thải được khuyến khích áp dụng và phát triển công nghệ dựa trên vật liệu ZTG để góp phần bảo vệ môi trường và nâng cao hiệu quả xử lý ô nhiễm hữu cơ.