Nghiên Cứu Vật Liệu TiO2 Trong Xử Lý Phẩm Màu Dưới 71 Tại Đại Học Quốc Gia Hà Nội

Titanium dioxide (TiO2) là chất rắn màu trắng, khi đun nóng có màu vàng, khi làm lạnh thì trở lại màu trắng. Tinh thể TiO2 có độ cứng cao, khó nóng chảy (Tnc = 1870°C). Ngoài dạng vô định hình, nó có ba dạng tinh thể là anatase, rutile và brookite. Rutile là dạng bền phổ biến nhất của TiO2, có mạng lưới tứ phương trong đó mỗi ion Ti4+ được ion O2- bao quanh kiểu bát diện, đây là kiến trúc điển hình của hợp chất có công thức MX2, anatase và brookite là các dạng giả bền và chuyển thành rutile khi nung nóng. Tất cả các dạng tinh thể đó của TiO2 tồn tại trong tự nhiên như là các khoáng, nhưng chỉ có rutile và anatase ở dạng đơn tinh thể là được tổng hợp ở nhiệt độ thấp. Cấu trúc mạng lưới tinh thể của rutile, anatase và brookite đều được xây dựng từ các đa diện phối trí tám mặt (octahedra) TiO6 nối với nhau qua cạnh hoặc qua đỉnh oxy chung. Mỗi ion Ti4+ được bao quanh bởi tám mặt tạo bởi sáu ion O2-.

Năm 1930, khái niệm xúc tác quang ra đời. Trong hóa học nó dùng để nói đến những phản ứng xảy ra dưới tác dụng đồng thời của chất xúc tác và ánh sáng, hay nói cách khác, ánh sáng chính là nhân tố kích hoạt chất xúc tác, giúp cho phản ứng xảy ra. Nguyên lý cơ bản về khả năng quang xúc tác trên các chất bán dẫn là khi được kích thích bởi ánh sáng có năng lượng lớn hay bằng độ rộng vùng cấm của chất bán dẫn (thường là tia tử ngoại do độ rộng vùng cấm của nó khá lớn ~3.2 eV) sẽ tạo ra cặp electron - lỗ trống (e-, h+) ở vùng dẫn và vùng hóa trị. Những cặp electron – lỗ trống này sẽ di chuyển ra bề mặt để thực hiện phản ứng oxy hóa - khử. Các lỗ trống có thể tham gia trực tiếp vào phản ứng oxy hóa các chất độc hại, hoặc có thể tham gia vào giai đoạn trung gian tạo thành các gốc tự do hoạt động như OH•, O−•. Tương tự như thế các electron sẽ tham gia vào các quá trình khử tạo thành các gốc tự do. Các gốc tự do sẽ tiếp tục oxy hóa các chất hữu cơ bị hấp phụ trên bề mặt chất xúc tác thành sản phẩm cuối cùng không độc hại là CO2 và H2O.

Nước thải dệt nhuộm chứa nhiều hợp chất hữu cơ mang màu, có cấu trúc bền, khó phân hủy sinh học và có độc tính cao đối với người và động, thực vật. Ô nhiễm nước thải trong ngành công nghiệp dệt nhuộm là một vấn đề cần quan tâm giải quyết, nhằm bảo vệ sức khỏe cộng đồng và cải thiện môi trường sinh thái. Các phẩm màu này có thể gây ảnh hưởng đến hệ sinh thái nước, làm giảm độ trong của nước, cản trở quá trình quang hợp của thực vật thủy sinh, và gây ảnh hưởng đến sức khỏe của các loài sinh vật sống trong nước.

Một yếu tố hạn chế của chất bán dẫn TiO2 là có năng lượng vùng cấm cao. Năng lượng vùng cấm của rutile là 3,0 eV; của anatase là 3,2 eV nên chỉ có tia UV với < 388 nm là có khả năng kích hoạt nano TiO2. Trong khi đó, ánh sáng mặt trời có lượng tia UV chỉ chiếm 3-5% nên việc ứng dụng khả năng xúc tác quang hóa TiO2 sử dụng nguồn năng lượng sạch là ánh sáng mặt trời hiện vẫn chưa được ứng dụng rộng rãi.

Vật liệu bentonit được xử lý để loại bỏ tạp chất và tăng diện tích bề mặt. Sau đó, TiO2 được phân tán trên bentonit bằng phương pháp khuấy trộn hoặc siêu âm. Hỗn hợp được sấy khô và nung ở nhiệt độ cao để tạo thành vật liệu composite TiO2/bentonit.

Graphene oxit được thêm vào hỗn hợp TiO2 và bentonit để cải thiện khả năng hấp thụ ánh sáng và vận chuyển điện tích của vật liệu composite. Graphene oxit giúp tăng cường hiệu quả phân hủy quang xúc tác của TiO2 đối với phẩm màu DB71.

Các phương pháp như nhiễu xạ tia X (XRD), hiển vi điện tử quét (SEM), và phổ UV-Vis được sử dụng để xác định cấu trúc, hình thái, và tính chất quang học của vật liệu composite TiO2/bentonit và TiO2/graphene oxit.

Tiến hành khảo sát hoạt tính quang xúc tác của vật liệu Fe-TiO2/Bentonit dưới ánh sáng khả kiến. Đánh giá khả năng phân hủy phẩm màu DB71 của vật liệu trong điều kiện khác nhau.

Xác định dung lượng hấp phụ cực đại của vật liệu Fe-TiO2/Bentonit đối với phẩm màu DB71. Đánh giá khả năng hấp phụ của vật liệu và so sánh với các vật liệu khác.

Sử dụng phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD) để phân tích cấu trúc tinh thể của vật liệu Fe-TiO2/Bentonit. Xác định các pha tinh thể có trong vật liệu và đánh giá ảnh hưởng của Fe đến cấu trúc của TiO2.

Công nghệ TiO2 có thể được sử dụng để xử lý nước thải dệt nhuộm, loại bỏ các phẩm màu và các chất ô nhiễm hữu cơ khác. Quá trình xử lý có thể được thực hiện trong các hệ thống phản ứng quang xúc tác, sử dụng ánh sáng mặt trời hoặc đèn UV.

TiO2 cũng có thể được sử dụng trong xử lý nước sinh hoạt để loại bỏ các chất ô nhiễm hữu cơ và vi khuẩn. Việc sử dụng TiO2 trong xử lý nước sinh hoạt có thể giúp cải thiện chất lượng nước và bảo vệ sức khỏe cộng đồng.

Đánh giá chi phí và hiệu quả của công nghệ TiO2 trong xử lý nước thải và nước sinh hoạt. So sánh với các công nghệ xử lý nước khác để xác định tính khả thi kinh tế của công nghệ TiO2.

Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình tổng hợp vật liệu TiO2 và vật liệu composite của nó. Tối ưu hóa các thông số như nhiệt độ, thời gian, và tỉ lệ các chất phản ứng để đạt được hiệu quả xử lý phẩm màu cao nhất.

Nghiên cứu các phương pháp để tăng độ bền và khả năng tái sử dụng của vật liệu TiO2. Điều này có thể bao gồm việc sử dụng các chất bảo vệ hoặc biến tính bề mặt vật liệu.

Nghiên cứu và phát triển các vật liệu TiO2 thế hệ mới với khả năng hấp thụ ánh sáng khả kiến tốt hơn và hiệu quả xử lý phẩm màu cao hơn. Điều này có thể bao gồm việc sử dụng các phương pháp doping hoặc tạo cấu trúc nano phức tạp.