I. Tổng quan lý thuyết
Trong nghiên cứu này, vật liệu xúc tác quang C-TiO2/g-C3N4 được giới thiệu như một giải pháp hiệu quả cho việc phân hủy kháng sinh trong nước. Kháng sinh tetracycline (TC) là một trong những chất ô nhiễm phổ biến, gây ra nhiều tác hại cho môi trường và sức khỏe con người. Công nghệ xúc tác quang sử dụng ánh sáng mặt trời để thúc đẩy phản ứng phân hủy các hợp chất hữu cơ là một phương pháp tiên tiến và thân thiện với môi trường. C-TiO2 có năng lượng vùng cấm rộng, nhưng chỉ hoạt động trong vùng ánh sáng tử ngoại, điều này hạn chế khả năng ứng dụng của nó. Do đó, nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc kết hợp C-TiO2 với g-C3N4 có thể cải thiện khả năng hấp thụ ánh sáng trong vùng nhìn thấy, từ đó nâng cao hiệu suất xúc tác quang.
1.1 Giới thiệu về vật liệu xúc tác quang
Xúc tác quang là quá trình hóa học diễn ra dưới tác động của ánh sáng, trong đó vật liệu nano như C-TiO2 và g-C3N4 đóng vai trò quan trọng. Cấu trúc của các vật liệu này cho phép tạo ra cặp electron và lỗ trống quang sinh, từ đó kích thích các phản ứng hóa học cần thiết để phân hủy các chất ô nhiễm. Việc nghiên cứu cơ chế xúc tác quang giúp làm rõ cách thức hoạt động của các vật liệu này trong việc xử lý nước thải chứa kháng sinh. Sự kết hợp giữa hai loại vật liệu C-TiO2 và g-C3N4 không chỉ tận dụng được cả hoạt tính khử và oxy hóa mà còn giảm thiểu sự tái tổ hợp giữa các electron và lỗ trống quang sinh, qua đó nâng cao hiệu suất quang xúc tác.
II. Phương pháp thực nghiệm
Nghiên cứu đã áp dụng nhiều phương pháp để tổng hợp và đánh giá hoạt tính của vật liệu xúc tác quang C-TiO2/g-C3N4. Các phương pháp như nhiễu xạ tia X (XRD), phổ hồng ngoại (IR), và hiển vi điện tử quét (SEM) được sử dụng để đặc trưng hóa cấu trúc và tính chất của vật liệu. Việc tổng hợp C-TiO2 được thực hiện thông qua phương pháp thủy nhiệt, trong khi g-C3N4 được tổng hợp bằng phương pháp nhiệt pha rắn. Các thử nghiệm phân hủy tetracycline trong môi trường nước được thực hiện để đánh giá hiệu suất xúc tác quang của vật liệu. Kết quả cho thấy, vật liệu C-TiO2/g-C3N4 có khả năng phân hủy TC hiệu quả trong điều kiện ánh sáng tự nhiên, mở ra triển vọng ứng dụng trong xử lý nước thải.
2.1 Tổng hợp vật liệu xúc tác quang
Quá trình tổng hợp C-TiO2/g-C3N4 bao gồm nhiều bước, bắt đầu từ việc trộn các nguyên liệu như titanium tetraisopropoxide (TTIP) và urea. Sau đó, hỗn hợp này được xử lý nhiệt để tạo ra cấu trúc vật liệu nano. Các yếu tố như nhiệt độ, thời gian phản ứng và tỷ lệ nguyên liệu được tối ưu hóa để đạt được hiệu suất tốt nhất. Việc sử dụng công nghệ xứ lý nước trong nghiên cứu này không chỉ nhằm giảm thiểu ô nhiễm mà còn tạo ra một quy trình thân thiện với môi trường, phù hợp với các tiêu chuẩn hiện hành trong xử lý nước thải.
III. Kết quả và thảo luận
Kết quả nghiên cứu cho thấy vật liệu nano C-TiO2/g-C3N4 có khả năng phân hủy tetracycline hiệu quả, với tỷ lệ phân hủy cao trong thời gian ngắn. Các thử nghiệm cho thấy rằng pH của môi trường có ảnh hưởng lớn đến hoạt tính quang xúc tác. Đặc biệt, vật liệu này thể hiện tính ổn định và khả năng tái sử dụng cao, điều này rất quan trọng trong ứng dụng thực tiễn. Phân tích động học cho thấy quá trình phân hủy tuân theo mô hình Langmuir-Hinshelwood, cho thấy sự tương tác giữa các chất bị hấp phụ trên bề mặt vật liệu và các gốc tự do sinh ra. Điều này chứng tỏ rằng xúc tác quang có thể là một giải pháp khả thi để xử lý ô nhiễm kháng sinh trong môi trường nước.
3.1 Hoạt tính quang xúc tác của vật liệu
Hoạt tính quang xúc tác của vật liệu C-TiO2/g-C3N4 được đánh giá thông qua các thử nghiệm thực nghiệm. Kết quả cho thấy, vật liệu này có khả năng hấp thụ ánh sáng trong vùng nhìn thấy tốt hơn so với C-TiO2 thuần. Sự kết hợp giữa hai loại vật liệu không chỉ cải thiện khả năng hấp thụ ánh sáng mà còn tăng cường sự hình thành các gốc tự do cần thiết cho quá trình phân hủy tetracycline. Các yếu tố như thời gian chiếu sáng, nồng độ chất kháng sinh và pH đều ảnh hưởng đến hiệu suất phân hủy. Nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc tối ưu hóa các điều kiện này có thể nâng cao đáng kể hiệu quả của quá trình xử lý nước thải.
