Tổng quan luận án

Luận án thuộc chuyên ngành Kỹ thuật Hóa học, được thực hiện tại Trường Đại học Bách khoa – Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh, bảo vệ năm 2023. Hướng tiếp cận là định lượng thực nghiệm, với các thí nghiệm vật liệu học và đánh giá hiệu suất theo mô hình thống kê có kiểm soát.

Tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu

Ô nhiễm chất màu hữu cơ từ nước thải công nghiệp dệt, nhuộm, nhựa, in, giấy, thực phẩm, dược phẩm và mỹ phẩm được xác định là vấn đề môi trường nghiêm trọng. Sau quá trình nhuộm, khoảng 50% chất màu hữu cơ bị thất thoát ra môi trường nước. Theo số liệu được dẫn trong luận án, hàng năm ước tính 280.000 tấn thuốc dệt nhuộm bị thất thoát trong ngành dệt nhuộm; tổng thể tích nước thải dệt may toàn cầu được ghi nhận lên đến 700.000 tấn thuốc nhuộm tiêu thụ, trong đó chỉ cần 10% thải ra môi trường cũng đủ gây tác hại nghiêm trọng đến đời sống thủy sinh. Nguồn nước ô nhiễm chất màu có thể gây rối loạn chức năng thận, hệ thống sinh sản, gan và não. Riêng tại Ấn Độ, khoảng 9.000 m³ nước thải không qua xử lý được thải vào sông, suối, ao hồ mỗi ngày.

Các phương pháp xử lý hiện hành gồm sinh học, hấp phụ và quang phân hủy. Phương pháp sinh học có thời gian xử lý kéo dài và đòi hỏi duy trì môi trường vi sinh. Phương pháp hấp phụ dễ tạo ô nhiễm thứ cấp và hiệu quả tái sử dụng vật liệu thấp. Vật liệu quang phân hủy phổ biến là TiO₂ có năng lượng vùng cấm lớn (3,0–3,2 eV), chỉ hấp thụ ánh sáng UV (chiếm khoảng 5% ánh sáng mặt trời), tỷ lệ tái tổ hợp cặp electron–lỗ trống (e⁻–h⁺) cao, và dễ bị kết tụ khi ở dạng bột, làm hạn chế khả năng thu hồi và tái sử dụng.

Khoảng trống được luận án xác định là: chưa có nghiên cứu kết hợp đồng thời ba yếu tố GA (hấp phụ), TiO₂ (quang phân hủy UV), và AgNPs (mở rộng vùng ánh sáng khả kiến qua hiệu ứng cộng hưởng plasmon bề mặt – LSPR) trong một vật liệu nanocomposite dạng aerogel có thể thu hồi và tái sử dụng cao.

Mục tiêu nghiên cứu

Mục tiêu tổng quát: Tổng hợp thành công ba loại vật liệu (GA, TiGA, và ATGA) có dung lượng hấp phụ và hiệu suất quang phân hủy cao đối với chất màu hữu cơ (MB và MO).

Mục tiêu cụ thể:

  1. Xác định điều kiện tổng hợp và đặc trưng của vật liệu GA; đánh giá ảnh hưởng của các yếu tố đến dung lượng hấp phụ; kết luận về khả năng thu hồi, tái sử dụng và đề xuất cơ chế hấp phụ.
  2. Xác định điều kiện tổng hợp và đặc trưng của vật liệu TiGA và ATGA; đánh giá ảnh hưởng các yếu tố đến khả năng quang phân hủy.
  3. Kết luận về khả năng thu hồi, tái sử dụng và đề xuất cơ chế quang phân hủy của TiGA và ATGA đối với MB, MO.
  4. Tìm được vật liệu và điều kiện phù hợp để hấp phụ và quang phân hủy chất màu hữu cơ dưới ánh sáng khả kiến.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu: Ba loại vật liệu GA, TiGA, ATGA; chất màu hữu cơ methylen xanh (MB) – đại diện nhóm cation, và methyl cam (MO) – đại diện nhóm anion.

Phạm vi không gian: Thực nghiệm được thực hiện tại Phòng Thí nghiệm Trọng điểm ĐHQG-HCM về Công nghệ Hóa học và Dầu khí (Key CEPP Lab), Trường Đại học Bách khoa – ĐHQG-HCM.

Phạm vi nội dung: Tổng hợp vật liệu, phân tích đặc trưng, khảo sát hấp phụ (GA) và quang phân hủy (TiGA, ATGA) dưới ánh sáng UV và ánh sáng khả kiến.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Các hướng nghiên cứu trước

Luận án điểm lại các công trình nghiên cứu liên quan trong và ngoài nước, chia theo hai nhóm vật liệu chính:

Nhóm vật liệu TiO₂ trên cơ sở graphene và dẫn xuất:

  • Năm 1964, Kato và cộng sự báo cáo bài báo đầu tiên về khả năng quang phân hủy của TiO₂ đối với tetralin pha lỏng dưới tia UV, mở đầu hướng nghiên cứu quang xúc tác TiO₂.
  • Năm 2010, Kamat và cộng sự chứng minh quá trình chuyển điện tử xảy ra trong vật liệu TiO₂/rGO: khi chiếu tia UV, e⁻ quang điện di chuyển từ TiO₂ đến các tấm rGO và khử ion bạc thành AgNPs, thể hiện khả năng lưu trữ điện tử của rGO.
  • Năm 2010, Q. Zhang và cộng sự khảo sát hiệu suất quang phân hủy MO của TiO₂ và TiO₂/Gr, kết luận TiO₂/Gr đạt hiệu suất cao hơn TiO₂.
  • Năm 2011, Y. Zhang và cộng sự tổng hợp TiO₂/Gr để quang phân hủy MB dưới ánh sáng khả kiến.
  • Năm 2012, Wang và cộng sự báo cáo e⁻ di chuyển qua liên kết Ti–O–C từ TiO₂ đến Gr làm chậm tốc độ tái tổ hợp e⁻ và h⁺, thúc đẩy phản ứng oxy hóa.
  • Năm 2012, Zhang và cộng sự chứng minh rGO không chỉ đóng vai trò chất chứa điện tử; cơ chế truyền điện tích ngược lại (h⁺ từ vùng VB của TiO₂ sang các tấm rGO) cũng được hỗ trợ qua phân tích quang phổ phát quang (PL) và phổ cộng hưởng spin điện tử (EPR).
  • Năm 2018, Williams và cộng sự mở rộng ứng dụng TiO₂/Gr trong lĩnh vực môi trường.
  • Tayebi và cộng sự (dẫn từ phân tích ESI và Mott–Schottky) đề xuất điện trở dịch chuyển điện tích tại bề mặt TiO₂–điện cực Gr giảm so với TiO₂–bề mặt chất điện li, kết luận TiGA có mật độ dòng quang cao gấp 3,3 lần so với TiO₂.
  • Sun và cộng sự so sánh TiO₂/rGO và TiGA, kết quả TiGA đạt độ bão hòa hấp phụ sau 2 phút trong khi TiO₂/rGO cần hơn 10 phút; hệ số hấp thụ ánh sáng khả kiến của TiGA cao hơn TiO₂/rGO.
  • Năm 2020, Lv. You và cộng sự tổng hợp TiGA bằng phương pháp khử hóa học ở 120°C trong 10 giờ, sử dụng GO, TiO₂ thương mại, CMC (carboxymethylcellulose), và EDA làm chất khử.

Hiệu suất các vật liệu so sánh được tổng hợp trong Bảng 1.1 của luận án:

Vật liệu Chất màu Hiệu suất phân hủy Thu hồi/tái sử dụng
TiGA MB 10 mg/L 95% 5 chu kỳ
TiO₂/GO MB 5 mg/L 99% Không nêu
TiO₂/GO MO 20 mg/L 90% Không nêu
TiO₂/rGO MB 20 mg/L 96,9% 5 chu kỳ
TiO₂/rGO MO 20 mg/L 97% 5 chu kỳ
Ag/TiO₂ MB 3 mg/L 96,66% Không nêu
Ag–TiO₂/GO MO 15 mg/L 97,66% Không nêu

Luận án cũng ghi nhận Wang và cộng sự tổng hợp vật liệu Ag pha tạp TiO₂ trên rGO từ muối AgNO₃, TiO₂ và GO bằng phương pháp khử hóa học đạt hiệu suất quang phân hủy chất ô nhiễm cao, được dẫn làm cơ sở cho quy trình tổng hợp ATGA.

Khoảng trống luận án giải quyết

Các nghiên cứu trước hoặc chỉ kết hợp TiO₂ với rGO (dạng phẳng), hoặc kết hợp Ag–TiO₂ mà không có nền GA. Chưa có công bố nào kết hợp đồng thời Ag, TiO₂ và GA thành vật liệu ATGA, đồng thời tối ưu hóa đa yếu tố bằng mô hình Plackett–Burman và Box–Behnken, và đánh giá khả năng quang phân hủy dưới ánh sáng khả kiến kết hợp xác định TOC để đánh giá mức độ khoáng hóa.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Lý thuyết và khung phân tích

Luận án sử dụng các khung lý thuyết và khái niệm sau:

  • Cơ chế quang phân hủy bán dẫn: Khi vật liệu bán dẫn hấp thụ năng lượng ánh sáng (hν ≥ Eg), e⁻ từ vùng hóa trị (VB) chuyển lên vùng dẫn (CB), tạo h⁺ ở VB. e⁻ ở CB khử O₂ thành gốc superoxide (•O₂⁻); h⁺ ở VB oxy hóa H₂O hoặc OH⁻ tạo gốc hydroxyl (•OH). Cả •O₂⁻ và •OH đều tham gia phân hủy chất màu hữu cơ theo phản ứng: •OH/•O₂⁻ + chất ô nhiễm → H₂O + CO₂.
  • Hiệu ứng cộng hưởng plasmon bề mặt cục bộ (LSPR): AgNPs tương tác mạnh với photon từ nguồn UV và ánh sáng khả kiến, tạo điện trường mạnh trên bề mặt, mở rộng vùng hấp thụ ánh sáng của vật liệu composit.
  • Rào cản Schottky: AgNPs trên bề mặt TiO₂ hoạt động như chất lưu trữ điện tử, ức chế tái tổ hợp e⁻–h⁺.
  • Liên kết Ti–O–C: Cầu nối hóa học giúp ghép đôi điện tử π–d giữa rGO và TiO₂, thúc đẩy vận chuyển e⁻ và giảm tốc độ tái tổ hợp.
  • Mô hình động học hấp phụ biểu kiến: bậc một và bậc hai.
  • Mô hình đẳng nhiệt hấp phụ: Langmuir, Freundlich, và Temkin.
  • Phương pháp đáp ứng bề mặt (RSM): Thiết kế thực nghiệm theo mô hình Plackett–Burman (sàng lọc yếu tố) và Box–Behnken (tối ưu đồng thời).

Phương pháp thực nghiệm

Tổng hợp vật liệu:

  • GO được tổng hợp từ graphite (Gi) bằng phương pháp Hummers cải tiến: oxy hóa bằng KMnO₄ và hỗn hợp axit H₂SO₄/H₃PO₄ đậm đặc tỷ lệ thể tích 9/1 (thay thế NaNO₃ trong phương pháp Hummers gốc).
  • GH được tổng hợp bằng phương pháp khử hóa học, sử dụng ethylenediamine (EDA) làm chất khử, mở vòng epoxy trên bề mặt GO.
  • GA thu được bằng sấy thăng hoa (freeze-drying) GH.
  • TiGA và ATGA được tổng hợp theo cả phương pháp thủy nhiệt và khử hóa học EDA, luận án so sánh và lựa chọn phương pháp tối ưu.
  • Tiền chất cho TiO₂ là titanium (IV) isopropoxide (TIP); tiền chất cho AgNPs là AgNO₃.

Khảo sát đơn biến và đa biến:

  • Đối với GA và TiGA: phương pháp luân phiên từng biến (one-variable-at-a-time).
  • Đối với ATGA: mô hình Plackett–Burman (sàng lọc 6 yếu tố: khoảng cách chiếu sáng, pH, thời gian hấp phụ, thời gian quang phân hủy, nồng độ chất màu, lượng vật liệu), sau đó mô hình Box–Behnken tối ưu đồng thời 3 yếu tố ảnh hưởng nhất.

Nghiên cứu cơ chế:

  • Cơ chế hấp phụ của GA: phân tích phổ FTIR trước và sau hấp phụ.
  • Cơ chế quang phân hủy của TiGA và ATGA: khảo sát ảnh hưởng các chất bắt gốc tự do — isopropyl alcohol (IPA) tương ứng với •OH, p–benzoquinone (p–BQ) tương ứng với •O₂⁻, và muối axit dinatri ethylenediaminetetraacetic (EDTA–Na₂) tương ứng với h⁺.

Xác định nồng độ chất màu: Phương pháp phổ hấp thu tử ngoại–khả kiến (UV-Vis) tại bước sóng 664 nm (MB) và 482 nm (MO).

Đánh giá khoáng hóa: Phân tích tổng lượng carbon hữu cơ (TOC) trong dung dịch.

Nguồn tư liệu và dữ liệu

Toàn bộ dữ liệu đến từ thực nghiệm trong phòng thí nghiệm. Đặc trưng vật liệu được phân tích bằng các phương pháp: XRD, FTIR, Raman, SEM, EDS, TEM, HR-TEM, SAED, UV-Vis (phổ phản chiếu khuếch tán – DRS để xác định năng lượng vùng cấm), XPS (quang phổ quang điện tử tia X), và đường hấp phụ–giải hấp N₂.

Nội dung chính theo từng chương

Mở đầu

Trình bày lý do chọn đề tài, bốn nhóm mục tiêu cụ thể, ba nội dung nghiên cứu chính (GA, TiGA, ATGA), đối tượng và phạm vi, ý nghĩa khoa học–thực tiễn, đóng góp và tính mới của luận án.

Chương 1: Tổng quan

Chương này xây dựng nền tảng lý luận qua bốn nhóm nội dung. Nhóm thứ nhất trình bày tình hình ô nhiễm và phân loại chất màu hữu cơ (cation và anion), tính chất vật lý của MB (khối lượng phân tử 319,85 g/mol, độ tan 50 g/L, bước sóng 664 nm) và MO (khối lượng phân tử 327,34 g/mol, độ tan 50 g/L, bước sóng 482 nm). Nhóm thứ hai tổng quan vật liệu hấp phụ (GA) và quang phân hủy (TiGA, ATGA) bao gồm cấu trúc, tính chất, phương pháp tổng hợp và cơ chế hoạt động lý thuyết. Thông số vật lý của ba dạng thù hình TiO₂ được trình bày trong Bảng 1.2 (rutile: khối lượng riêng 4,24 g/m³, Eg = 3,0 eV; anatase: 3,83 g/m³, Eg = 3,2 eV; brookite: 4,17 g/m³). Nhóm thứ ba trình bày các công thức đánh giá quá trình hấp phụ (dung lượng, động học, đẳng nhiệt) và quang phân hủy (động học). Nhóm thứ tư tổng kết tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước (Bảng 1.3 và Bảng 1.4) và mô tả phương pháp nghiên cứu tổng thể.

Chương 2: Thực nghiệm

Chương này trình bày chi tiết hóa chất, thiết bị, địa điểm và toàn bộ quy trình thực nghiệm cho ba nhóm vật liệu. Đối với GA, các bảng khảo sát gồm: thể tích EDA (Bảng 2.2) và tỷ lệ dung môi nước:etanol. Đối với TiGA, khảo sát thể tích TIP (Bảng 2.3), nhiệt độ khử (Bảng 2.4), và thời gian khử (Bảng 2.5). Đối với ATGA, ma trận Plackett–Burman (Bảng 2.6 và 2.7) và ma trận Box–Behnken (Bảng 2.8) được xây dựng. Bảng 2.9 thống kê toàn bộ nội dung luận án. Luận án phân biệt rõ hai phương pháp tổng hợp (khử hóa học và thủy nhiệt) qua các sơ đồ quy trình riêng biệt (Hình 2.1–2.13).

Chương 3: Kết quả và bàn luận

Vật liệu graphene aerogel (GA)

Từ khảo sát ảnh hưởng thể tích EDA và tỷ lệ dung môi nước:etanol, vật liệu GA–9 được xác định là phù hợp. Bảng 3.1 trình bày khối lượng riêng các mẫu GA với các hàm lượng EDA khác nhau; Bảng 3.2 phân tích thành phần nguyên tố trong GO và GA; Bảng 3.3 khối lượng riêng GA theo tỷ lệ dung môi. Bảng 3.4 so sánh diện tích bề mặt riêng của GA–9 với một số vật liệu trên cơ sở Gr. Quá trình hấp phụ của GA–9 tuân theo mô hình động học bậc hai (Bảng 3.5). Đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir cho dung lượng hấp phụ cực đại của GA–9 đối với MB và MO được trình bày trong Bảng 3.6, so sánh với các vật liệu khác. Vật liệu GA–9 được khảo sát khả năng thu hồi và tái sử dụng qua 5 chu kỳ. Cơ chế hấp phụ được đề xuất dựa trên so sánh phổ FTIR trước và sau hấp phụ, xác định tương tác π–π, liên kết hydro và tương tác tĩnh điện giữa rGO với MB, MO.

Vật liệu titanium dioxide/graphene aerogel (TiGA)

So sánh hai phương pháp tổng hợp (Bảng 3.7), vật liệu TiGA–E18 (tổng hợp bằng khử hóa học EDA với thể tích 18 µL) được chọn. Bảng 3.8 trình bày thành phần nguyên tố của TiGA. Đặc trưng được phân tích qua XRD (Hình 3.21), FTIR (Hình 3.22), Raman (Hình 3.23), SEM (Hình 3.24), EDS và ánh xạ màu Ti (Hình 3.25), TEM/HR-TEM/SAED (Hình 3.26). Khảo sát đơn biến đánh giá ảnh hưởng của lượng vật liệu, nồng độ chất màu và pH đến hiệu suất quang phân hủy MB, MO. Vật liệu TiGA–E18 được kiểm tra tái sử dụng qua 10 chu kỳ cho cả MB và MO. Khảo sát gốc tự do với IPA, p–BQ và EDTA–Na₂ xác định vai trò của •OH, •O₂⁻ và h⁺ trong cơ chế quang phân hủy, được trình bày ở Hình 3.31 và Hình 3.32.

Vật liệu bạc–titanium dioxide/graphene aerogel (ATGA)

Khảo sát điều kiện tổng hợp cho vật liệu ATGA–18. Bảng 3.9 trình bày khối lượng riêng theo thể tích EDA. Đặc trưng vật liệu được phân tích qua FTIR (Hình 3.38), XRD (Hình 3.39), Raman (Hình 3.40), năng lượng vùng cấm (Hình 3.41), EDS (Hình 3.41d), TEM/HR-TEM (Hình 3.43), đường hấp phụ–giải hấp N₂ (Hình 3.44), và XPS — phổ C1s, Ti2p (Hình 3.45).

Đối với quang phân hủy MB: Mô hình Plackett–Burman (Bảng 3.10–3.13) sàng lọc 6 yếu tố; kết quả ANOVA (Bảng 3.11) và hệ số ảnh hưởng (Bảng 3.12); 3 yếu tố ảnh hưởng nhất được đưa vào mô hình Box–Behnken (Bảng 3.14–3.18). Phương trình hồi quy và bề mặt đáp ứng (Hình 3.46–3.49) thể hiện ảnh hưởng đồng thời của pH, nồng độ MB và lượng vật liệu.

Đối với quang phân hủy MO: Plackett–Burman (Bảng 3.19–3.22); Box–Behnken (Bảng 3.23–3.27). Bề mặt đáp ứng (Hình 3.51–3.53) thể hiện ảnh hưởng đồng thời của pH, khoảng cách chiếu sáng và lượng vật liệu.

Bảng 3.28 so sánh hiệu suất loại bỏ MB và MO của cả ba vật liệu trong luận án; Bảng 3.29 so sánh với các vật liệu trong tài liệu. Phân tích TOC (Hình 3.54) xác nhận mức độ khoáng hóa thực sự của MB và MO. Vật liệu ATGA–18 được kiểm tra tái sử dụng qua 10 chu kỳ (Hình 3.55); XRD và FTIR sau 10 chu kỳ (Hình 3.56) xác nhận độ ổn định cấu trúc. Cơ chế quang phân hủy ATGA–18 được đề xuất qua khảo sát gốc tự do (Hình 3.57 và 3.58). Cuối cùng, hiệu suất quang phân hủy MB và MO dưới ánh sáng khả kiến được đánh giá và so sánh với ánh sáng UV (Hình 3.59).

Chương 4: Kết luận và kiến nghị

Tóm lược kết quả đạt được của ba nhóm vật liệu, đề xuất hướng nghiên cứu tiếp theo và kiến nghị ứng dụng.

Kết quả và những đóng góp mới

Đóng góp về lý luận

  • Đề xuất cơ chế hấp phụ chất màu hữu cơ MB, MO của vật liệu GA dựa trên phân tích FTIR, xác định vai trò của tương tác π–π, liên kết hydro và tương tác tĩnh điện.
  • Đề xuất cơ chế quang phân hủy MB, MO của vật liệu TiGA–E18 và ATGA–18 thông qua khảo sát gốc tự do (•OH, •O₂⁻, h⁺), làm rõ vai trò của từng thành phần trong quá trình phản ứng quang hóa.
  • Chứng minh sự đồng hiệp của ba yếu tố GA, TiO₂ và Ag trong vật liệu ATGA: GA cung cấp nền hấp phụ và dẫn điện tử; TiO₂ là tâm quang xúc tác; Ag mở rộng vùng hấp thụ ánh sáng qua LSPR và tạo rào cản Schottky ức chế tái tổ hợp e⁻–h⁺.

Đóng góp về thực tiễn

  • Ba quy trình tổng hợp vật liệu GA, TiGA và ATGA với đầy đủ thông số chi tiết đã được xác định.
  • Điều kiện hấp phụ tối ưu cho vật liệu GA và điều kiện quang phân hủy tối ưu cho TiGA–E18 (theo phương pháp luân phiên từng biến) và ATGA–18 (theo mô hình Box–Behnken) đã được xác định.
  • Vật liệu GA, TiGA và ATGA có khả năng thu hồi dễ dàng sau ly tâm, ổn định qua 5 chu kỳ (GA) và 10 chu kỳ (TiGA–E18, ATGA–18) tái sử dụng, được đánh giá là cơ sở để mở rộng quy mô ứng dụng vào công nghiệp.
  • Vật liệu ATGA–18 được xác nhận có khả năng quang phân hủy MB và MO dưới ánh sáng khả kiến, mở rộng tiềm năng ứng dụng sử dụng ánh sáng mặt trời.
  • Hiệu quả phân hủy thực sự được xác nhận qua phân tích TOC, không chỉ dừng ở mức đánh giá mất màu bằng UV-Vis.

Kiến nghị

Các kết quả nghiên cứu tạo tiền đề cho các hướng nghiên cứu tiếp theo về ứng dụng vật liệu trên cơ sở GA trong khả năng quang phân hủy các chất ô nhiễm môi trường nước khác ngoài MB và MO; đồng thời hướng đến mở rộng phạm vi hoạt động của vật liệu ra vùng ánh sáng khả kiến.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Luận án không trình bày một mục riêng về hạn chế theo cách trực tiếp. Tuy nhiên, căn cứ vào phạm vi nghiên cứu, có thể nhận thấy một số giới hạn nội tại:

  • Chất màu khảo sát chỉ gồm hai đại diện (MB và MO); chưa mở rộng sang các chất màu khác như Rhodamine B (RhB), congo red (CR) hay các chất ô nhiễm hữu cơ khác mà luận án đề cập trong phần tổng quan.
  • Thực nghiệm được thực hiện ở quy mô phòng thí nghiệm; chưa có nghiên cứu nâng cấp quy mô.
  • Luận án xác định các hướng nghiên cứu tiếp theo gồm: ứng dụng vật liệu trên cơ sở GA để xử lý các chất ô nhiễm môi trường nước khác, và mở rộng ứng dụng quang phân hủy dưới ánh sáng mặt trời tự nhiên.

Giá trị tham khảo

Luận án có giá trị tham khảo cho các nhóm đối tượng sau:

  • Nghiên cứu sinh và giảng viên chuyên ngành Kỹ thuật Hóa học, Hóa lý và Khoa học vật liệu: Phần Chương 1 cung cấp tổng quan có hệ thống về cơ chế quang phân hủy, cấu trúc GA, TiGA, ATGA và các phương pháp tổng hợp; Chương 3 cung cấp bộ số liệu đặc trưng vật liệu (XRD, FTIR, Raman, SEM, TEM, HR-TEM, SAED, XPS, BET) làm tài liệu so sánh.
  • Nhà nghiên cứu quan tâm đến thiết kế thực nghiệm và tối ưu hóa: Phần ATGA trong Chương 3 trình bày ứng dụng mô hình Plackett–Burman kết hợp Box–Behnken trong lĩnh vực vật liệu xúc tác quang, bao gồm bảng ANOVA, hệ số tương quan và bề mặt đáp ứng.
  • Người làm chính sách và kỹ sư môi trường: Dữ liệu về hiệu suất tái sử dụng (10 chu kỳ) và khả năng quang phân hủy dưới ánh sáng khả kiến cung cấp thông tin kỹ thuật đánh giá khả năng ứng dụng xử lý nước thải dệt nhuộm.
  • Nhóm nghiên cứu về graphene aerogel: Các bảng so sánh dung lượng hấp phụ (Bảng 3.6) và hiệu suất quang phân hủy (Bảng 3.29) theo từng loại vật liệu và nồng độ chất màu là tài liệu đối chiếu trực tiếp.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao luận án lựa chọn EDA làm chất khử thay vì các tác nhân khử khác?

EDA (ethylenediamine) là alkylamine đơn giản, có độc tính thấp, được sử dụng phổ biến trong tổng hợp graphene aerogel. Trong quá trình khử, EDA mở vòng epoxy trên bề mặt GO, tạo liên kết cộng hóa trị giữa các tấm rGO qua nhóm –CH₂ và –NH, đồng thời liên kết hydro giữa nhóm amin thúc đẩy liên kết giữa các tấm rGO để tạo thành khối hydrogel. Ngoài ra, khử yếu của EDA giúp giữ lại một lượng lớn các nhóm chức chứa oxy trên bề mặt rGO, tạo điều kiện cho GA tương tác tốt với các phân tử chất màu hữu cơ.

2. Vật liệu ATGA–18 khác gì so với TiGA–E18 về cơ chế quang phân hủy?

TiGA–E18 hoạt động chủ yếu trong vùng ánh sáng UV, với rGO đóng vai trò bể chứa và vận chuyển điện tử từ TiO₂, ức chế tái tổ hợp e⁻–h⁺. ATGA–18 bổ sung AgNPs, tạo thêm hai cơ chế: (1) hiệu ứng LSPR mở rộng vùng hấp thụ ánh sáng sang khả kiến; (2) AgNPs tạo rào cản Schottky, hoạt động như chất lưu trữ điện tử, ức chế tái tổ hợp e⁻–h⁺ mạnh hơn TiGA–E18. ATGA–18 do đó được khảo sát thêm khả năng quang phân hủy dưới ánh sáng khả kiến, không chỉ giới hạn ở UV như TiGA–E18.

3. Mô hình Plackett–Burman và Box–Behnken được áp dụng như thế nào trong luận án?

Đối với vật liệu ATGA–18, mô hình Plackett–Burman (Bảng 2.6–2.7, Bảng 3.10–3.12) được dùng để sàng lọc 6 yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất quang phân hủy MB và MO: khoảng cách chiếu sáng, pH, thời gian hấp phụ, thời gian quang phân hủy, nồng độ chất màu, và lượng vật liệu. Phân tích ANOVA (Bảng 3.11 và 3.20) và hệ số ảnh hưởng (Bảng 3.12 và 3.21) xác định 3 yếu tố ảnh hưởng nhất. Mô hình Box–Behnken (Bảng 3.14–3.17 cho MB; Bảng 3.23–3.26 cho MO) sau đó được dùng để tối ưu hóa đồng thời 3 yếu tố đó, với kết quả đối chứng giữa thực nghiệm và dự đoán trình bày trong Bảng 3.15 và 3.24.

4. Vật liệu GA–9 đạt dung lượng hấp phụ và độ bền tái sử dụng như thế nào?

Dung lượng hấp phụ cực đại của GA–9 đối với MB và MO được xác định theo mô hình đẳng nhiệt Langmuir và trình bày trong Bảng 3.6, so sánh với các vật liệu trên cơ sở graphene khác. Quá trình hấp phụ tuân theo mô hình động học bậc hai (thông số trình bày trong Bảng 3.5). GA–9 được kiểm tra khả năng thu hồi và tái sử dụng qua 5 chu kỳ hấp phụ (Hình 3.12).

5. Tại sao luận án đánh giá TOC bên cạnh UV-Vis trong nghiên cứu về ATGA–18?

Phép đo UV-Vis chỉ phản ánh sự mất màu của dung dịch (giảm nồng độ chất màu tại bước sóng đặc trưng), không xác nhận được mức độ khoáng hóa thực sự. Chất màu có thể bị phân hủy thành các sản phẩm trung gian không màu nhưng vẫn chứa carbon hữu cơ và có thể độc hại. Phân tích TOC (Hình 3.54) đo tổng lượng carbon hữu cơ còn lại trong dung dịch theo thời gian, xác nhận rằng MB và MO được khoáng hóa thực sự thành CO₂ và H₂O, từ đó cung cấp bằng chứng đầy đủ hơn về hiệu quả xử lý của vật liệu ATGA–18.

Kết luận

Luận án trình bày đầy đủ quy trình tổng hợp và đặc trưng của ba loại vật liệu GA, TiGA và ATGA trên cơ sở graphene aerogel, ứng dụng hấp phụ và quang phân hủy hai chất màu hữu cơ đại diện MB và MO trong nước. Vật liệu GA–9 được xác định phù hợp cho hấp phụ với độ bền tái sử dụng qua 5 chu kỳ; TiGA–E18 và ATGA–18 được tối ưu hóa điều kiện quang phân hủy và xác nhận ổn định qua 10 chu kỳ. ATGA–18 bổ sung khả năng quang phân hủy dưới ánh sáng khả kiến, xác nhận qua phân tích TOC và đặc trưng cấu trúc sau tái sử dụng. Cơ chế hấp phụ của GA và cơ chế quang phân hủy của TiGA, ATGA được đề xuất dựa trên bằng chứng thực nghiệm từ FTIR và khảo sát gốc tự do. Toàn bộ kết quả được trình bày với số liệu chi tiết từ các phép phân tích hiện đại, cung cấp cơ sở kỹ thuật cho hướng nghiên cứu tiếp theo về xử lý chất ô nhiễm môi trường nước bằng phương pháp hấp phụ kết hợp quang phân hủy.