Tổng quan nghiên cứu

Ô nhiễm nước thải bởi chất màu và kháng sinh ngày càng gia tăng theo tốc độ phát triển kinh tế và dân số, gây ra những tác động nghiêm trọng đến môi trường và sức khỏe cộng đồng. Nhiều con sông lớn đang bị ô nhiễm nặng, đặc biệt là ô nhiễm kháng sinh với nồng độ cao, tạo điều kiện cho vi khuẩn phát triển khả năng kháng thuốc. Do đó, việc nghiên cứu các biện pháp xử lý ô nhiễm chất màu và kháng sinh trong nước thải là cấp thiết. Các phương pháp truyền thống như hấp phụ vật lý, phân hủy sinh học, và quá trình oxi hóa bằng tác nhân mạnh như tia tử ngoại, H2O2, ozone vẫn còn hạn chế về hiệu suất và có thể tạo ra các chất trung gian độc hại.

Xu hướng hiện nay tập trung vào các quá trình oxi hóa nâng cao (AOPs), trong đó quang xúc tác TiO2 được xem là giải pháp tiềm năng nhờ khả năng phân hủy các chất ô nhiễm hữu cơ ở nhiệt độ thường và trong môi trường nước. TiO2 tồn tại ba pha tinh thể chính: anatase, rutile và brookite, trong đó anatase được nghiên cứu nhiều nhất do hoạt tính quang xúc tác cao. Tuy nhiên, pha brookite với cấu trúc tinh thể orthorhombic đang thu hút sự quan tâm nhờ tiềm năng ứng dụng trong xử lý nước thải, mặc dù việc tổng hợp đơn pha brookite có độ tinh khiết cao còn gặp nhiều khó khăn.

Luận văn tập trung nghiên cứu tổng hợp vật liệu quang xúc tác TiO2 pha brookite dạng màng bằng công nghệ in 3D định hướng, nhằm ứng dụng xử lý nước thải ô nhiễm chất màu Rose bengal (RB) và kháng sinh Sulfamethoxazole (SMX). Mục tiêu chính là chế tạo màng xúc tác TiO2 brookite có khả năng tái sử dụng, giảm chi phí và nâng cao hiệu quả xử lý ô nhiễm. Nghiên cứu thực hiện trong phạm vi tổng hợp vật liệu nano TiO2 brookite, tạo màng bằng công nghệ in 3D trên bề mặt thủy tinh, khảo sát hiệu quả quang xúc tác trong điều kiện chiếu sáng UV tại phòng thí nghiệm.

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:

  • Quang xúc tác TiO2: TiO2 là chất xúc tác bán dẫn với năng lượng vùng cấm khoảng 3,0-3,2 eV, hấp thụ hiệu quả ánh sáng tử ngoại để tạo ra các cặp điện tử-lỗ trống, từ đó sinh ra các gốc tự do oxi hóa mạnh như OH, O2- giúp phân hủy các chất ô nhiễm hữu cơ trong nước.

  • Pha tinh thể brookite của TiO2: Pha brookite có cấu trúc orthorhombic, ít bền nhiệt hơn anatase và rutile, khó tổng hợp đơn pha nhưng có tiềm năng ứng dụng quang xúc tác cao nhờ kích thước hạt nano nhỏ và diện tích bề mặt lớn.

  • Công nghệ in 3D (Direct Ink Writing - DIW): Phương pháp in 3D dạng lỏng cho phép tạo màng vật liệu nano đồng đều trên bề mặt thủy tinh, giúp cải thiện độ bám dính, khả năng tái sử dụng và hiệu quả quang xúc tác của màng TiO2.

Các khái niệm chính bao gồm: năng lượng vùng cấm (Eg), quá trình oxi hóa nâng cao (AOPs), điện tử vùng dẫn (CB), lỗ trống vùng hóa trị (VB), và các gốc tự do oxi hóa.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Vật liệu nano TiO2 pha brookite được tổng hợp từ tiền chất titan (IV) isopropoxit (TTIP) bằng phương pháp sol-gel kết hợp thủy nhiệt trong môi trường axit nitric 3M. Màng TiO2 được tạo bằng công nghệ in 3D DIW trên bề mặt lam kính đã xử lý plasma jet để tăng độ bám dính.

  • Phương pháp phân tích đặc trưng vật liệu: Sử dụng giản đồ nhiễu xạ tia X (XRD) để xác định pha tinh thể và kích thước hạt; phổ tán xạ Raman để phân tích dao động mạng tinh thể; kính hiển vi điện tử quét SEM và TEM để khảo sát hình thái và kích thước hạt; phổ hấp thụ UV-Vis để đánh giá hiệu suất quang xúc tác; phổ hồng ngoại FTIR để nghiên cứu tương tác bề mặt vật liệu với chất ô nhiễm.

  • Phương pháp khảo sát hiệu quả quang xúc tác: Thí nghiệm phân hủy chất màu Rose bengal (RB) và kháng sinh Sulfamethoxazole (SMX) trong dung dịch 10 ppm dưới chiếu sáng UV với các mẫu xúc tác dạng màng TiO2-DC668, TiO2-PVA và dạng bột TiO2 brookite. Hiệu suất phân hủy được tính dựa trên sự giảm cường độ hấp thụ cực đại tại bước sóng đặc trưng của chất ô nhiễm theo thời gian chiếu sáng.

  • Timeline nghiên cứu: Tổng hợp vật liệu và tạo màng trong vòng 2 tháng; phân tích đặc trưng vật liệu trong 1 tháng; khảo sát hiệu quả quang xúc tác và độ bền màng trong 2 tháng; tổng hợp và thảo luận kết quả trong 1 tháng.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Tổng hợp vật liệu TiO2 pha brookite đơn pha: Giản đồ XRD xác nhận các đỉnh đặc trưng của pha brookite tại các góc 25,4°, 25,7°, 30,8° và 36,3°. Kích thước hạt nano được tính bằng công thức Scherrer khoảng 12 nm. Phổ Raman thể hiện các mode dao động đặc trưng của brookite với cường độ mạnh nhất tại 156 cm⁻¹. Hình ảnh SEM và TEM cho thấy hạt nano TiO2 có dạng cầu, kích thước dưới 10 nm, phân bố đồng đều.

  2. Đặc tính màng TiO2-DC668: Màng TiO2-DC668 có độ dày trung bình khoảng 3,73 μm, bề mặt phẳng, hạt TiO2 phân tán đồng đều trong ma trận polime DC668. So sánh với màng TiO2-PVA, màng DC668 có độ bền cao hơn, ít bong tróc và khả năng in tốt hơn.

  3. Hiệu quả quang xúc tác phân hủy chất màu RB: Màng TiO2-PVA đạt hiệu suất phân hủy RB khoảng 45% sau 15 phút chiếu sáng và gần 100% sau 4 giờ. Màng TiO2-DC668 đạt 32% sau 15 phút và hiệu suất thấp hơn so với dạng bột TiO2 brookite, dù lượng xúc tác trong màng gấp đôi. Hiệu suất phân hủy tăng khi kích thước màng và công suất đèn UV tăng, cho thấy ảnh hưởng rõ rệt của các yếu tố này đến hoạt tính quang xúc tác.

  4. Độ bền hoạt tính của màng TiO2-DC668: Sau 3 lần sử dụng liên tiếp (mỗi lần 5 giờ), hoạt tính quang xúc tác gần như không thay đổi. Sau 1 tháng bảo quản, hiệu suất giảm khoảng 7%, màng không bị bong tróc hay đổi màu, chứng tỏ khả năng tái sử dụng tốt.

Thảo luận kết quả

Kết quả cho thấy phương pháp tổng hợp kết hợp sol-gel và thủy nhiệt trong môi trường axit nitric thành công tạo ra vật liệu TiO2 pha brookite đơn pha với kích thước nano đồng đều, phù hợp cho ứng dụng quang xúc tác. Việc sử dụng công nghệ in 3D DIW để tạo màng xúc tác trên bề mặt thủy tinh giúp khắc phục hạn chế của xúc tác dạng bột về thu hồi và tái sử dụng.

Màng TiO2-DC668 có ưu điểm về độ bền cơ học và khả năng bám dính nhờ ma trận polime DC668, tuy nhiên polime này cũng làm giảm hiệu quả hấp thụ photon và hoạt tính quang xúc tác so với mẫu bột do cản trở ánh sáng và sự tiếp xúc trực tiếp của hạt TiO2 với chất ô nhiễm. Màng TiO2-PVA có hiệu suất cao hơn nhưng độ bền kém, dễ bong tróc khi tiếp xúc với nước.

So sánh với các nghiên cứu trước đây về TiO2 anatase, pha brookite trong nghiên cứu này thể hiện tiềm năng ứng dụng trong xử lý nước thải ô nhiễm chất màu và kháng sinh, đặc biệt khi kết hợp với công nghệ in 3D để tạo màng xúc tác có thể tái sử dụng. Các biểu đồ phổ hấp thụ UV-Vis và phổ IR minh họa rõ sự phân hủy chất ô nhiễm và tương tác bề mặt vật liệu trong quá trình quang xúc tác.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tối ưu hóa thành phần mực in và điều kiện in 3D: Điều chỉnh tỷ lệ polime DC668 và chất trợ tạo màng để cân bằng giữa độ bền màng và hiệu suất quang xúc tác, giảm thiểu hiện tượng cản trở ánh sáng, dự kiến thực hiện trong 6 tháng, do nhóm nghiên cứu vật liệu và kỹ thuật in 3D.

  2. Nâng cao hiệu quả quang xúc tác dưới ánh sáng khả kiến: Nghiên cứu pha tạp hoặc kết hợp TiO2 brookite với các vật liệu khác để mở rộng phổ hấp thụ ánh sáng, tăng hiệu quả xử lý trong điều kiện ánh sáng tự nhiên, thời gian 1 năm, phối hợp với viện nghiên cứu quang học.

  3. Mở rộng quy mô ứng dụng thực tế: Thiết kế hệ thống xử lý nước thải sử dụng màng TiO2 brookite dạng màng in 3D tại các khu công nghiệp hoặc đô thị có ô nhiễm chất màu và kháng sinh, đánh giá hiệu quả và chi phí, thời gian 1-2 năm, phối hợp với các đơn vị quản lý môi trường.

  4. Nghiên cứu tái sử dụng và tuổi thọ màng xúc tác: Thực hiện các thử nghiệm dài hạn để đánh giá độ bền cơ học và hoạt tính quang xúc tác của màng sau nhiều chu kỳ sử dụng, đề xuất quy trình bảo dưỡng và tái sinh màng, thời gian 1 năm, do nhóm nghiên cứu vật liệu và môi trường.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Nhà nghiên cứu vật liệu quang xúc tác: Có thể áp dụng quy trình tổng hợp và công nghệ in 3D để phát triển vật liệu mới, nâng cao hiệu quả xử lý ô nhiễm.

  2. Chuyên gia môi trường và xử lý nước thải: Tham khảo giải pháp vật liệu xúc tác dạng màng để thiết kế hệ thống xử lý nước thải hiệu quả, tiết kiệm chi phí và dễ dàng tái sử dụng.

  3. Doanh nghiệp công nghệ môi trường: Áp dụng công nghệ in 3D để sản xuất màng xúc tác TiO2 brookite quy mô công nghiệp, mở rộng thị trường xử lý ô nhiễm nước thải.

  4. Sinh viên và học viên cao học ngành Vật lý chất rắn, Hóa học vật liệu, Môi trường: Nắm bắt kiến thức về tổng hợp vật liệu nano, kỹ thuật in 3D và ứng dụng quang xúc tác trong xử lý ô nhiễm, phục vụ nghiên cứu và học tập.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao chọn pha brookite thay vì anatase hay rutile?
    Pha brookite tuy khó tổng hợp đơn pha nhưng có kích thước hạt nhỏ, diện tích bề mặt lớn và tiềm năng quang xúc tác cao, đặc biệt trong xử lý nước thải ô nhiễm chất màu và kháng sinh, mở ra hướng nghiên cứu mới so với pha anatase phổ biến.

  2. Ưu điểm của công nghệ in 3D trong tạo màng xúc tác là gì?
    In 3D cho phép tạo màng đồng đều, kiểm soát độ dày và phân bố hạt nano chính xác trên bề mặt thủy tinh, giúp tăng độ bền, khả năng tái sử dụng và giảm chi phí so với phương pháp tạo màng truyền thống.

  3. Hiệu suất quang xúc tác của màng TiO2-DC668 so với dạng bột như thế nào?
    Màng TiO2-DC668 có hiệu suất phân hủy chất màu RB thấp hơn dạng bột do ma trận polime cản trở hấp thụ ánh sáng, nhưng bù lại có độ bền cao và dễ dàng tái sử dụng, phù hợp cho ứng dụng thực tế.

  4. Làm thế nào để cải thiện hiệu quả quang xúc tác dưới ánh sáng khả kiến?
    Có thể pha tạp TiO2 với các nguyên tố khác hoặc kết hợp với vật liệu hấp thụ ánh sáng khả kiến để mở rộng phổ hấp thụ, tăng hiệu quả kích hoạt xúc tác dưới ánh sáng mặt trời.

  5. Màng xúc tác có thể tái sử dụng bao lâu?
    Nghiên cứu cho thấy màng TiO2-DC668 giữ được hơn 90% hiệu suất sau 1 tháng sử dụng và nhiều chu kỳ phản ứng, không bị bong tróc hay biến đổi màu sắc, cho thấy khả năng tái sử dụng lâu dài trong xử lý nước thải.

Kết luận

  • Đã tổng hợp thành công vật liệu nano TiO2 pha brookite đơn pha với kích thước hạt khoảng 12 nm bằng phương pháp sol-gel kết hợp thủy nhiệt trong môi trường axit nitric.
  • Đã chế tạo màng xúc tác TiO2 brookite dạng màng trên bề mặt thủy tinh bằng công nghệ in 3D DIW, với độ dày màng khoảng 3,73 μm và phân bố hạt đồng đều trong ma trận polime DC668.
  • Màng TiO2-DC668 thể hiện hiệu quả quang xúc tác phân hủy chất màu Rose bengal và kháng sinh Sulfamethoxazole, đồng thời có độ bền cao, khả năng tái sử dụng tốt sau nhiều chu kỳ và bảo quản dài hạn.
  • Các yếu tố như kích thước màng, công suất đèn UV ảnh hưởng rõ rệt đến hiệu suất quang xúc tác, cần được tối ưu trong ứng dụng thực tế.
  • Đề xuất nghiên cứu tiếp tục tối ưu mực in, mở rộng ứng dụng dưới ánh sáng khả kiến và phát triển hệ thống xử lý nước thải quy mô lớn.

Luận văn mở ra hướng nghiên cứu mới về vật liệu quang xúc tác TiO2 pha brookite dạng màng ứng dụng công nghệ in 3D, góp phần nâng cao hiệu quả xử lý ô nhiễm nước thải chất màu và kháng sinh. Đề nghị các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp tiếp tục phát triển và ứng dụng công nghệ này trong thực tiễn.