Tổng quan nghiên cứu

Tỉnh Hà Nam, nằm trong khu vực hạ lưu sông Đáy, đang đối mặt với tình trạng ô nhiễm amoni trong nước ngầm nghiêm trọng. Theo kết quả quan trắc của Sở Tài nguyên và Môi trường tỉnh, hàm lượng amoni tại nhiều địa phương như Duy Tiên, Bình Lục và thành phố Phủ Lý vượt mức tiêu chuẩn quốc gia QCVN 02:2009/BYT từ 3 đến hơn 7 lần, gây nguy cơ sức khỏe nghiêm trọng cho người dân. Amoni trong nước uống vượt mức 3 mg/l có thể chuyển hóa thành các hợp chất có khả năng gây ung thư, đồng thời làm giảm hiệu quả khử trùng clo và tạo điều kiện cho vi khuẩn phát triển.

Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là chế tạo vật liệu quang xúc tác bán dẫn pha tạp CuO-ZnO trên nền vật liệu gốm nhằm xử lý nước ngầm nhiễm amoni tại Hà Nam. Nghiên cứu tập trung đánh giá hiệu quả xử lý amoni của vật liệu, khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến hoạt tính xúc tác và xây dựng mô hình xử lý nước ngầm phù hợp với điều kiện thực tế địa phương. Phạm vi nghiên cứu bao gồm chế tạo vật liệu và thử nghiệm trong phòng thí nghiệm với mẫu nước ngầm lấy từ các khu vực có mức độ ô nhiễm cao trên địa bàn tỉnh.

Ý nghĩa của nghiên cứu thể hiện qua việc cung cấp giải pháp xử lý amoni hiệu quả, tiết kiệm chi phí, phù hợp với điều kiện kinh tế xã hội của vùng nông thôn Hà Nam, góp phần cải thiện chất lượng nguồn nước sinh hoạt và bảo vệ sức khỏe cộng đồng. Kết quả nghiên cứu cũng mở ra hướng ứng dụng vật liệu quang xúc tác trong xử lý ô nhiễm nước ngầm tại các khu vực tương tự trên cả nước.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai lý thuyết chính: lý thuyết xúc tác quang hóa và lý thuyết vật liệu bán dẫn pha tạp.

  • Xúc tác quang hóa: Quá trình xúc tác quang hóa sử dụng các chất xúc tác bán dẫn như ZnO, CuO để tạo ra các gốc oxy hóa mạnh (OH·, O2·-) dưới tác dụng của ánh sáng có năng lượng lớn hơn năng lượng vùng cấm của vật liệu. Các gốc này có khả năng phân hủy các chất ô nhiễm hữu cơ và vô cơ trong nước, trong đó có amoni. Hiệu suất xúc tác phụ thuộc vào khả năng hấp thụ ánh sáng, sự phân tách điện tử - lỗ trống và các yếu tố môi trường như pH, cường độ ánh sáng.

  • Vật liệu bán dẫn pha tạp CuO-ZnO: ZnO là chất bán dẫn loại n với độ rộng vùng cấm khoảng 3.37 eV, hấp thụ chủ yếu ánh sáng tử ngoại. CuO là chất bán dẫn loại p với độ rộng vùng cấm hẹp hơn (khoảng 1.2 eV), khi pha tạp vào ZnO giúp mở rộng phổ hấp thụ ánh sáng sang vùng khả kiến, tăng hiệu quả quang xúc tác dưới ánh sáng mặt trời. Vật liệu được chế tạo trên nền gốm xây dựng có độ bền cơ học cao, khả năng cố định xúc tác tốt, phù hợp cho ứng dụng xử lý nước liên tục.

Ba khái niệm chính được sử dụng trong nghiên cứu gồm: năng lượng vùng cấm (band gap), hiệu suất lượng tử (quantum efficiency) và quá trình tái kết hợp điện tử - lỗ trống (recombination).

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Nước ngầm được lấy mẫu tại 15 điểm trên địa bàn tỉnh Hà Nam, tập trung ở các huyện Duy Tiên, Bình Lục, Lý Nhân và thành phố Phủ Lý, nơi có hàm lượng amoni vượt tiêu chuẩn từ 3 đến 7 lần. Dữ liệu về đặc tính vật liệu được thu thập qua các phương pháp phân tích SEM, XRD, EDX.

  • Phương pháp chế tạo vật liệu: Vật liệu CuO-ZnO được tổng hợp bằng phương pháp đồng kết tủa hóa học (wet chemical co-precipitation) với tỷ lệ CuO 10% trọng lượng trên ZnO. Vật liệu được chế tạo dưới dạng bột và dạng cố định trên nền gốm xây dựng, sau đó nung ở 450°C để ổn định cấu trúc.

  • Phương pháp phân tích: Đặc trưng vật liệu được đánh giá bằng kính hiển vi điện tử quét (SEM) để quan sát hình thái bề mặt, nhiễu xạ tia X (XRD) để xác định pha tinh thể, phổ tán sắc năng lượng tia X (EDX) để phân tích thành phần hóa học. Nồng độ amoni trong nước được xác định theo quy chuẩn SMEWW 4500-NH3 F:2012 bằng phương pháp phenat.

  • Phương pháp thử nghiệm xử lý amoni: Thí nghiệm xử lý amoni được thực hiện trong mô hình vật lý dạng chảy liên tục, khảo sát ảnh hưởng của các yếu tố như tỷ lệ vật liệu xúc tác, loại ánh sáng kích thích (ánh sáng mặt trời, đèn LED), thời gian tiếp xúc, cường độ chiếu sáng, pH dung dịch và nồng độ amoni ban đầu.

  • Timeline nghiên cứu: Quá trình nghiên cứu kéo dài trong năm 2018, bao gồm giai đoạn chế tạo vật liệu (3 tháng), đánh giá đặc trưng vật liệu (2 tháng), thử nghiệm xử lý amoni và khảo sát các yếu tố ảnh hưởng (4 tháng), xây dựng mô hình và đánh giá hiệu quả xử lý mẫu nước thực tế (3 tháng).

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Đặc trưng vật liệu CuO-ZnO/gốm: SEM cho thấy vật liệu có bề mặt xốp, phân bố đồng đều các hạt CuO trên ZnO với kích thước nano khoảng 50-100 nm. XRD xác nhận sự tồn tại đồng thời các pha ZnO (hexagonal wurtzite) và CuO (monoclinic) với độ tinh khiết cao. EDX phân tích thành phần hóa học cho thấy tỷ lệ Cu chiếm khoảng 10% trọng lượng, phù hợp với thiết kế.

  2. Ảnh hưởng tỷ lệ vật liệu đến hiệu quả xử lý amoni: Khi tăng tỷ lệ CuO trong vật liệu từ 0% đến 10%, hiệu quả xử lý amoni tăng từ 45% lên 87% sau 120 phút chiếu sáng. Tỷ lệ 10% CuO được xác định là tối ưu, vượt trội hơn so với ZnO đơn thuần (hiệu quả 60%).

  3. Ảnh hưởng loại ánh sáng và thời gian chiếu sáng: Dưới ánh sáng mặt trời, hiệu quả xử lý amoni đạt 90% sau 150 phút, trong khi dưới đèn LED chỉ đạt 75% cùng thời gian. Thời gian chiếu sáng càng dài, tỷ lệ loại bỏ amoni càng cao, tuy nhiên hiệu quả tăng chậm sau 120 phút.

  4. Ảnh hưởng pH và nồng độ amoni ban đầu: pH tối ưu cho quá trình xử lý là khoảng 7-8, hiệu quả giảm đáng kể khi pH < 5 hoặc > 9. Nồng độ amoni ban đầu càng cao (từ 10 mg/l đến 50 mg/l), hiệu quả xử lý giảm từ 90% xuống còn khoảng 65%, do quá tải gốc oxy hóa.

Thảo luận kết quả

Kết quả cho thấy vật liệu CuO-ZnO/gốm có khả năng xúc tác quang hóa hiệu quả trong việc xử lý amoni trong nước ngầm, nhờ sự kết hợp giữa CuO và ZnO mở rộng phổ hấp thụ ánh sáng sang vùng khả kiến và tăng cường sự phân tách điện tử - lỗ trống. Hình ảnh SEM và phổ XRD minh họa rõ cấu trúc nano và pha tinh thể ổn định của vật liệu, góp phần nâng cao hoạt tính xúc tác.

So sánh với các nghiên cứu trước đây sử dụng TiO2 hoặc ZnO đơn thuần, vật liệu pha tạp CuO-ZnO thể hiện hiệu quả xử lý amoni cao hơn khoảng 20-30%, đặc biệt dưới ánh sáng mặt trời tự nhiên. Điều này phù hợp với mục tiêu tận dụng nguồn bức xạ tự nhiên để giảm chi phí vận hành.

Biểu đồ thể hiện mối quan hệ giữa thời gian chiếu sáng và tỷ lệ loại bỏ amoni có thể minh họa rõ xu hướng tăng hiệu quả xử lý, đồng thời bảng số liệu phân tích pH và nồng độ amoni giúp xác định điều kiện tối ưu cho quá trình xúc tác. Kết quả cũng cho thấy hạn chế khi nồng độ amoni quá cao hoặc pH không phù hợp, cần điều chỉnh trong ứng dụng thực tế.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Ứng dụng vật liệu CuO-ZnO/gốm trong hệ thống xử lý nước ngầm tại Hà Nam: Triển khai lắp đặt mô hình xử lý nước ngầm quy mô nhỏ tại các khu vực có mức độ ô nhiễm amoni cao, nhằm giảm hàm lượng amoni xuống dưới ngưỡng an toàn trong vòng 6 tháng.

  2. Tối ưu hóa điều kiện vận hành mô hình: Điều chỉnh pH nước đầu vào trong khoảng 7-8, duy trì thời gian chiếu sáng tối thiểu 120 phút và cường độ ánh sáng phù hợp để đạt hiệu quả xử lý trên 85%. Chủ thể thực hiện là các đơn vị quản lý môi trường địa phương phối hợp với các cơ sở nghiên cứu.

  3. Nâng cao nhận thức và đào tạo kỹ thuật cho người dân: Tổ chức các khóa tập huấn về lợi ích và cách vận hành mô hình xử lý nước sử dụng vật liệu quang xúc tác cho người dân nông thôn trong vòng 3 tháng, nhằm đảm bảo vận hành hiệu quả và bền vững.

  4. Mở rộng nghiên cứu và phát triển vật liệu mới: Khuyến khích các viện nghiên cứu tiếp tục phát triển các vật liệu quang xúc tác pha tạp khác có hiệu suất cao hơn, chi phí thấp hơn, phù hợp với điều kiện khí hậu và nguồn nước tại Việt Nam trong vòng 2 năm tới.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Kỹ thuật Môi trường: Nghiên cứu cung cấp cơ sở lý thuyết và thực nghiệm về vật liệu quang xúc tác xử lý ô nhiễm amoni, hỗ trợ phát triển các đề tài liên quan.

  2. Cơ quan quản lý môi trường và chính quyền địa phương: Tham khảo để xây dựng chính sách và triển khai các dự án xử lý nước ngầm ô nhiễm, đặc biệt tại các vùng nông thôn có nguồn nước bị amoni ảnh hưởng.

  3. Doanh nghiệp sản xuất vật liệu và thiết bị xử lý nước: Áp dụng công nghệ chế tạo vật liệu CuO-ZnO pha tạp và mô hình xử lý nước để phát triển sản phẩm mới, mở rộng thị trường.

  4. Người dân và cộng đồng tại các khu vực bị ô nhiễm nước ngầm: Hiểu rõ tác hại của amoni và các giải pháp xử lý hiệu quả, từ đó chủ động bảo vệ sức khỏe và cải thiện chất lượng nước sinh hoạt.

Câu hỏi thường gặp

  1. Vật liệu CuO-ZnO có ưu điểm gì so với TiO2 trong xử lý amoni?
    Vật liệu CuO-ZnO mở rộng phổ hấp thụ ánh sáng sang vùng khả kiến, tận dụng tốt ánh sáng mặt trời hơn TiO2 chỉ hấp thụ tia tử ngoại, giúp tăng hiệu quả xử lý amoni dưới điều kiện tự nhiên.

  2. Quá trình xử lý amoni bằng quang xúc tác diễn ra như thế nào?
    Dưới ánh sáng, vật liệu tạo ra các gốc oxy hóa mạnh như OH· và O2·- phân hủy amoni thành các hợp chất ít độc hại hơn, giảm nồng độ amoni trong nước.

  3. Ảnh hưởng của pH đến hiệu quả xử lý amoni ra sao?
    pH tối ưu là 7-8, khi pH quá thấp hoặc quá cao, hiệu quả giảm do ảnh hưởng đến sự tạo thành và ổn định các gốc oxy hóa trên bề mặt vật liệu.

  4. Mô hình xử lý nước ngầm có thể áp dụng ở quy mô nào?
    Mô hình phù hợp với quy mô hộ gia đình và cộng đồng nhỏ, có thể mở rộng cho các trạm xử lý nước cấp quy mô vừa và nhỏ tại vùng nông thôn.

  5. Chi phí vận hành mô hình xử lý này có cao không?
    Chi phí thấp hơn nhiều so với các phương pháp oxi hóa nâng cao truyền thống do tận dụng ánh sáng mặt trời và vật liệu bền, dễ tái sử dụng, phù hợp với điều kiện kinh tế của vùng nông thôn.

Kết luận

  • Vật liệu quang xúc tác pha tạp CuO-ZnO trên nền gốm được chế tạo thành công với cấu trúc nano ổn định, phân bố đồng đều, có khả năng hấp thụ ánh sáng vùng khả kiến.
  • Hiệu quả xử lý amoni trong nước ngầm đạt trên 85% dưới điều kiện tối ưu, vượt trội so với vật liệu ZnO đơn thuần.
  • Các yếu tố như tỷ lệ vật liệu, loại ánh sáng, thời gian chiếu sáng, pH và nồng độ amoni ban đầu ảnh hưởng rõ rệt đến hiệu suất xử lý.
  • Mô hình xử lý nước ngầm sử dụng vật liệu này phù hợp với điều kiện thực tế tại Hà Nam, có tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong xử lý ô nhiễm nước ngầm.
  • Đề xuất triển khai ứng dụng thực tế, đào tạo kỹ thuật và nghiên cứu phát triển vật liệu mới nhằm nâng cao hiệu quả và mở rộng phạm vi xử lý.

Hành động tiếp theo: Khuyến khích các cơ quan chức năng và doanh nghiệp phối hợp triển khai mô hình xử lý nước ngầm tại các khu vực ô nhiễm, đồng thời tiếp tục nghiên cứu cải tiến vật liệu và công nghệ xử lý.