Tổng quan nghiên cứu

Ô nhiễm môi trường nước do các chất hữu cơ, đặc biệt là chất kháng sinh, đang trở thành vấn đề nghiêm trọng toàn cầu. Theo ước tính, lượng chất thải kháng sinh thải ra môi trường nước ngày càng tăng, gây ảnh hưởng tiêu cực đến hệ sinh thái và sức khỏe con người. Trong đó, tetracycline hydrochloride (TC) là một loại kháng sinh phổ biến, được sử dụng rộng rãi trong y tế, thú y và nuôi trồng thủy sản, đã được phát hiện tồn tại trong nhiều nguồn nước mặt, nước ngầm và nước uống. Việc xử lý hiệu quả các chất kháng sinh này là cấp thiết nhằm giảm thiểu tác động ô nhiễm.

Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là tổng hợp vật liệu xúc tác quang C-TiO2/g-C3N4 và ứng dụng trong phân hủy chất kháng sinh tetracycline trong môi trường nước. Nghiên cứu tập trung vào việc phát triển vật liệu lai ghép có khả năng hấp thụ ánh sáng trong vùng khả kiến, nâng cao hiệu quả xúc tác quang và khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến hoạt tính phân hủy TC. Phạm vi nghiên cứu được thực hiện trong quy mô phòng thí nghiệm tại Trường Đại học Quy Nhơn, với các phương pháp tổng hợp và đánh giá hoạt tính xúc tác quang trong điều kiện chiếu sáng đèn LED.

Ý nghĩa nghiên cứu thể hiện ở việc cung cấp quy trình tổng hợp vật liệu C-TiO2/g-C3N4 tối ưu, góp phần làm phong phú kho vật liệu xúc tác quang, đồng thời mở ra hướng ứng dụng công nghệ quang xúc tác thân thiện môi trường trong xử lý ô nhiễm nước do kháng sinh.

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:

  • Lý thuyết vùng năng lượng chất bán dẫn: Mô tả cấu trúc vùng hóa trị (VB) và vùng dẫn (CB) của vật liệu bán dẫn, với năng lượng vùng cấm (Eg) quyết định khả năng hấp thụ ánh sáng và tạo ra cặp electron-lỗ trống quang sinh. Vật liệu TiO2 có Eg khoảng 3,2 eV, chỉ hoạt động dưới ánh sáng tử ngoại, trong khi g-C3N4 có Eg khoảng 2,7 eV, hấp thụ được ánh sáng khả kiến.

  • Cơ chế xúc tác quang: Khi vật liệu bán dẫn được kích thích bởi ánh sáng có năng lượng lớn hơn hoặc bằng Eg, electron từ VB nhảy lên CB tạo ra electron và lỗ trống quang sinh. Các hạt này tương tác với oxy và nước tạo ra các gốc tự do như •OH và •O2− có khả năng oxy hóa và phân hủy các chất hữu cơ.

  • Mô hình lai ghép C-TiO2/g-C3N4: Kết hợp vật liệu TiO2 pha tạp carbon (C-TiO2) với g-C3N4 nhằm mở rộng vùng hấp thụ ánh sáng khả kiến, đồng thời giảm thiểu sự tái tổ hợp electron-lỗ trống, tăng hiệu quả xúc tác quang. C-TiO2 có thế khử vùng dẫn âm hơn thế khử của O2/O2•−, còn g-C3N4 có thế oxy hóa vùng hóa trị phù hợp để tạo gốc •OH.

Các khái niệm chính bao gồm: năng lượng vùng cấm (Eg), electron quang sinh, lỗ trống quang sinh, gốc tự do oxy hóa (•OH, •O2−), pha tạp carbon, vật liệu lai ghép dị thể.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Nghiên cứu sử dụng các hóa chất chuẩn gồm titanium tetraisopropoxide (TTIP), urea, tetracycline hydrochloride và các dung môi, hóa chất hỗ trợ tổng hợp. Dữ liệu thu thập từ các phân tích đặc trưng vật liệu và đánh giá hoạt tính xúc tác quang trong phòng thí nghiệm.

  • Phương pháp tổng hợp:

    • C-TiO2 được tổng hợp bằng phương pháp thủy nhiệt, sử dụng TTIP và ethylene glycol, xử lý ở 180°C trong 12 giờ.
    • g-C3N4 được tổng hợp bằng phương pháp nhiệt pha rắn từ urea, nung ở 530°C trong 2 giờ.
    • Vật liệu lai ghép C-TiO2/g-C3N4 được tổng hợp bằng phương pháp nhiệt pha rắn có hỗ trợ siêu âm, trộn hỗn hợp C-TiO2 và g-C3N4 trong ethanol, siêu âm 20 phút, sau đó nung ở 530°C trong 2 giờ.

  • Phương pháp phân tích đặc trưng vật liệu:

    • Nhiễu xạ tia X (XRD) xác định cấu trúc tinh thể.
    • Phổ tán xạ năng lượng tia X (EDX) xác định thành phần nguyên tố.
    • Phổ phản xạ khuếch tán tử ngoại khả kiến (UV-Vis DRS) xác định vùng hấp thụ và năng lượng vùng cấm.
    • Phổ quang phát quang (PL) đánh giá khả năng tái tổ hợp electron-lỗ trống.
    • Hiển vi điện tử quét (SEM) quan sát hình thái bề mặt.
    • Phổ hồng ngoại (IR) xác định liên kết hóa học đặc trưng.
    • Phổ quang điện tử tia X (XPS) phân tích trạng thái hóa học và thành phần bề mặt.
    • Phương pháp BET đo diện tích bề mặt và kích thước mao quản.

  • Phương pháp đánh giá hoạt tính xúc tác quang: Phân hủy tetracycline trong dung dịch nước dưới chiếu sáng đèn LED 30 W, khảo sát ảnh hưởng của pH, thời gian hấp phụ cân bằng, và tác động của các chất dập tắt gốc tự do.

  • Cỡ mẫu và timeline: Nghiên cứu thực hiện trong phạm vi phòng thí nghiệm với các mẫu vật liệu CTC-x (x = 10, 20, 30, 40% tỉ lệ khối lượng C-TiO2/g-C3N4). Thời gian nghiên cứu kéo dài trong năm 2023.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Đặc trưng vật liệu C-TiO2/g-C3N4 (CTC-x):

    • XRD cho thấy vật liệu lai ghép giữ được cấu trúc anatase của TiO2 và cấu trúc g-C3N4, không xuất hiện pha tinh thể lạ.
    • Phổ UV-Vis DRS ghi nhận sự dịch chuyển bước sóng hấp thụ về vùng ánh sáng khả kiến, với năng lượng vùng cấm giảm từ 3,2 eV (TiO2) xuống khoảng 2,6 eV ở CTC-2.
    • Phổ PL cho thấy cường độ phát quang giảm đáng kể ở vật liệu lai ghép so với TiO2 và g-C3N4 riêng lẻ, chứng tỏ giảm tái tổ hợp electron-lỗ trống.

  2. Hoạt tính quang xúc tác phân hủy tetracycline:

    • Vật liệu CTC-2 (20% C-TiO2) đạt hiệu suất phân hủy TC cao nhất, lên đến khoảng 85% sau 120 phút chiếu sáng, vượt trội hơn so với C-TiO2 và g-C3N4 đơn lẻ (lần lượt khoảng 40% và 30%).
    • Thời gian đạt cân bằng hấp phụ của TC trên vật liệu là khoảng 30 phút, đảm bảo điều kiện phản ứng ổn định.
    • Động học phân hủy tuân theo mô hình Langmuir-Hinshelwood với hằng số tốc độ k của CTC-2 cao gấp 2,5 lần so với C-TiO2.

  3. Ảnh hưởng của pH và chất dập tắt gốc tự do:

    • Hiệu suất phân hủy TC cao nhất ở pH khoảng 6-7, giảm khi pH quá cao hoặc quá thấp do thay đổi dạng tồn tại của TC và điện tích bề mặt vật liệu.
    • Thí nghiệm dập tắt gốc cho thấy gốc •OH và •O2− đóng vai trò chủ đạo trong quá trình phân hủy, với hiệu suất giảm hơn 50% khi thêm chất dập tắt.

  4. Tái sử dụng chất xúc tác:

    • Vật liệu CTC-2 giữ được hơn 80% hiệu suất sau 5 chu kỳ sử dụng, chứng tỏ tính ổn định và khả năng tái sử dụng cao.

Thảo luận kết quả

Hiệu quả phân hủy TC của vật liệu C-TiO2/g-C3N4 vượt trội nhờ sự kết hợp ưu điểm của hai vật liệu: C-TiO2 mở rộng vùng hấp thụ ánh sáng khả kiến và g-C3N4 tăng diện tích bề mặt, đồng thời giảm tái tổ hợp electron-lỗ trống. Kết quả PL và UV-Vis DRS hỗ trợ cho cơ chế này. So với các nghiên cứu trước đây về TiO2 pha tạp hoặc g-C3N4 đơn lẻ, vật liệu lai ghép cho thấy sự cải thiện rõ rệt về hiệu suất xúc tác.

Biểu đồ thể hiện động học phân hủy TC minh họa sự tăng nhanh nồng độ sản phẩm phân hủy theo thời gian chiếu sáng, đồng thời bảng số liệu so sánh hằng số tốc độ k giữa các vật liệu cho thấy ưu thế của CTC-2. Sự ảnh hưởng của pH phù hợp với đặc tính hóa học của TC và điện tích bề mặt vật liệu, điều này tương đồng với các nghiên cứu về quang xúc tác phân hủy kháng sinh khác.

Khả năng tái sử dụng cao của vật liệu CTC-2 cho thấy tính ổn định cấu trúc và hoạt tính xúc tác, phù hợp cho ứng dụng thực tiễn trong xử lý nước thải chứa kháng sinh.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tối ưu quy trình tổng hợp vật liệu C-TiO2/g-C3N4:

    • Áp dụng phương pháp nhiệt pha rắn có hỗ trợ siêu âm với tỷ lệ C-TiO2/g-C3N4 khoảng 20% để đạt hiệu suất xúc tác tối ưu.
    • Thời gian nung 2 giờ ở 530°C trong điều kiện yếm khí, đảm bảo cấu trúc và hoạt tính vật liệu.

  2. Ứng dụng trong xử lý nước thải chứa kháng sinh:

    • Triển khai thử nghiệm quy mô pilot sử dụng đèn LED chiếu sáng vùng khả kiến, nhằm tận dụng hiệu quả quang xúc tác của vật liệu.
    • Đặt mục tiêu giảm nồng độ tetracycline trong nước thải xuống dưới ngưỡng an toàn trong vòng 2-3 giờ xử lý.

  3. Khảo sát ảnh hưởng của các yếu tố môi trường:

    • Nghiên cứu sâu hơn về ảnh hưởng pH, nhiệt độ và các ion hòa tan trong nước đến hiệu quả phân hủy để điều chỉnh quy trình xử lý phù hợp với từng nguồn nước cụ thể.

  4. Phát triển vật liệu xúc tác quang lai ghép mới:

    • Khuyến khích nghiên cứu kết hợp C-TiO2/g-C3N4 với các vật liệu bán dẫn khác hoặc pha tạp thêm nguyên tố nhằm tăng cường hiệu suất và mở rộng ứng dụng.

Các giải pháp trên nên được thực hiện trong vòng 1-2 năm tiếp theo, phối hợp giữa các viện nghiên cứu và doanh nghiệp xử lý môi trường để đưa công nghệ vào ứng dụng thực tế.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Nhà nghiên cứu và học viên ngành Hóa học, Vật liệu:

    • Nắm bắt quy trình tổng hợp và đặc trưng vật liệu xúc tác quang tiên tiến, phục vụ nghiên cứu phát triển vật liệu mới.

  2. Chuyên gia môi trường và kỹ sư xử lý nước thải:

    • Áp dụng công nghệ quang xúc tác trong xử lý ô nhiễm nước, đặc biệt là loại bỏ các chất kháng sinh khó phân hủy.

  3. Doanh nghiệp sản xuất vật liệu xúc tác và thiết bị xử lý nước:

    • Tham khảo công nghệ tổng hợp vật liệu lai ghép hiệu quả, phát triển sản phẩm xúc tác quang ứng dụng trong công nghiệp.

  4. Cơ quan quản lý môi trường và chính sách:

    • Hiểu rõ về công nghệ xử lý ô nhiễm nước hiện đại, làm cơ sở xây dựng chính sách và quy chuẩn môi trường liên quan đến chất kháng sinh.

Câu hỏi thường gặp

  1. Vật liệu C-TiO2/g-C3N4 có ưu điểm gì so với TiO2 thuần?
    Vật liệu lai ghép có khả năng hấp thụ ánh sáng khả kiến tốt hơn nhờ pha tạp carbon và kết hợp với g-C3N4, đồng thời giảm tái tổ hợp electron-lỗ trống, nâng cao hiệu quả xúc tác quang.

  2. Tại sao chọn tetracycline làm chất ô nhiễm mẫu?
    Tetracycline là kháng sinh phổ biến, tồn tại rộng rãi trong môi trường nước và khó phân hủy, đại diện điển hình cho nhóm chất ô nhiễm hữu cơ dai dẳng cần xử lý.

  3. Phương pháp tổng hợp vật liệu có thể áp dụng quy mô lớn không?
    Phương pháp thủy nhiệt và nhiệt pha rắn có thể được điều chỉnh để sản xuất quy mô công nghiệp, tuy nhiên cần tối ưu điều kiện để đảm bảo tính đồng nhất và hiệu suất vật liệu.

  4. Ảnh hưởng của pH đến hiệu quả phân hủy như thế nào?
    pH ảnh hưởng đến dạng tồn tại của tetracycline và điện tích bề mặt vật liệu, hiệu quả phân hủy cao nhất ở pH trung tính (6-7), giảm ở pH quá cao hoặc quá thấp.

  5. Vật liệu có thể tái sử dụng bao nhiêu lần?
    Nghiên cứu cho thấy vật liệu CTC-2 giữ được hơn 80% hiệu suất sau 5 chu kỳ sử dụng, cho thấy tính ổn định và khả năng tái sử dụng tốt trong thực tế.

Kết luận

  • Đã tổng hợp thành công vật liệu xúc tác quang lai ghép C-TiO2/g-C3N4 với tỷ lệ tối ưu 20% C-TiO2, có cấu trúc tinh thể ổn định và khả năng hấp thụ ánh sáng khả kiến tốt.
  • Vật liệu CTC-2 thể hiện hiệu suất phân hủy tetracycline hydrochloride cao nhất, đạt khoảng 85% sau 120 phút chiếu sáng đèn LED.
  • Các yếu tố như pH môi trường và sự hiện diện của gốc tự do ảnh hưởng rõ rệt đến hiệu quả xúc tác quang.
  • Vật liệu có khả năng tái sử dụng tốt, giữ được hiệu suất trên 80% sau 5 chu kỳ, phù hợp ứng dụng thực tiễn.
  • Đề xuất tiếp tục tối ưu quy trình tổng hợp, mở rộng nghiên cứu ứng dụng và khảo sát các điều kiện môi trường khác nhau để phát triển công nghệ xử lý nước thải kháng sinh hiệu quả.

Khuyến khích các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp quan tâm phối hợp triển khai ứng dụng vật liệu trong xử lý ô nhiễm môi trường nước, góp phần bảo vệ sức khỏe cộng đồng và phát triển bền vững.