Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh ô nhiễm môi trường nước do các chất hữu cơ và kháng sinh ngày càng gia tăng, việc phát triển các vật liệu xúc tác quang hiệu quả để phân hủy các chất này trở thành một nhu cầu cấp thiết. Kháng sinh tetracycline hydrochloride (TC) là một trong những chất kháng sinh phổ biến, được sử dụng rộng rãi trong y tế, thú y và nông nghiệp, nhưng lại gây ô nhiễm nghiêm trọng trong môi trường nước với nguy cơ ảnh hưởng đến hệ sinh thái và sức khỏe con người. Theo ước tính, TC đã được phát hiện trong nhiều nguồn nước mặt, nước ngầm và thậm chí nước uống, đòi hỏi các giải pháp xử lý hiệu quả.

Luận văn tập trung nghiên cứu tổng hợp vật liệu xúc tác quang C-TiO2/g-C3N4 trên pha nền graphene oxide dạng khử biến tính (rGO-N,S) nhằm ứng dụng trong phân hủy TC trong môi trường nước. Mục tiêu chính là tối ưu quy trình tổng hợp vật liệu composite, khảo sát hoạt tính quang xúc tác và đánh giá hiệu quả phân hủy TC dưới ánh sáng khả kiến. Nghiên cứu được thực hiện trong phạm vi phòng thí nghiệm tại Trường Đại học Quy Nhơn, với thời gian thực hiện trong năm 2023.

Ý nghĩa của nghiên cứu được thể hiện qua việc phát triển vật liệu xúc tác quang có khả năng hấp thụ ánh sáng khả kiến hiệu quả, giảm thiểu sự tái tổ hợp electron-lỗ trống, từ đó nâng cao hiệu suất phân hủy các chất ô nhiễm hữu cơ trong nước. Kết quả nghiên cứu góp phần làm phong phú thêm kho tàng vật liệu quang xúc tác, đồng thời cung cấp cơ sở khoa học cho việc ứng dụng xử lý ô nhiễm kháng sinh trong môi trường nước.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết và mô hình xúc tác quang bán dẫn, trong đó:

  • Lý thuyết vùng năng lượng chất bán dẫn: Mô tả sự chuyển dịch electron từ vùng hóa trị (VB) lên vùng dẫn (CB) khi hấp thụ photon có năng lượng lớn hơn năng lượng vùng cấm (Eg). Quá trình này tạo ra các cặp electron-lỗ trống quang sinh, đóng vai trò trung tâm trong phản ứng xúc tác quang.

  • Mô hình xúc tác quang của vật liệu C-TiO2 và g-C3N4: C-TiO2 có năng lượng vùng cấm hẹp hơn TiO2 truyền thống nhờ pha tạp carbon, giúp mở rộng hấp thụ ánh sáng khả kiến. g-C3N4 là chất bán dẫn không kim loại với Eg khoảng 2,7 eV, hấp thụ tốt ánh sáng khả kiến nhưng có nhược điểm tái tổ hợp nhanh electron-lỗ trống. Sự lai ghép C-TiO2/g-C3N4 tạo thành hệ liên hợp dạng Z, giúp giảm tái tổ hợp và tăng hiệu suất xúc tác.

  • Khái niệm graphene oxide dạng khử biến tính (rGO-N,S): rGO-N,S có diện tích bề mặt lớn, khả năng dẫn điện cao và khả năng hấp phụ tốt, giúp tăng cường vận chuyển điện tử và giảm tái tổ hợp trong hệ vật liệu composite.

Các khái niệm chính bao gồm: năng lượng vùng cấm (Eg), electron quang sinh (e-CB), lỗ trống quang sinh (h+VB), tái tổ hợp electron-lỗ trống, gốc tự do hydroxyl (•OH), và cơ chế phân hủy quang xúc tác.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Nghiên cứu sử dụng các nguyên liệu hóa học chuẩn, bao gồm titanium tetraisopropoxide (TTIP), urea, graphite, thiourea, acid ascorbic, và tetracycline hydrochloride (TC) với độ tinh khiết trên 99%. Dữ liệu thu thập từ các phân tích vật liệu và thử nghiệm phân hủy TC trong phòng thí nghiệm.

  • Phương pháp tổng hợp vật liệu:

    • C-TiO2 được tổng hợp bằng phương pháp thủy nhiệt 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.
    • Graphene oxide (GO) được tổng hợp theo phương pháp Hummers, sau đó khử thành rGO bằng acid ascorbic.
    • rGO-N,S được tổng hợp bằng phương pháp thủy nhiệt với thiourea ở 180°C trong 12 giờ.
    • Composite C-TiO2/g-C3N4 được tổng hợp bằng phương pháp nhiệt pha rắn có hỗ trợ siêu âm, tỷ lệ khối lượng C-TiO2/g-C3N4 là 20%.
    • Composite C-TiO2/g-C3N4/rGO-N,S được tổng hợp tương tự với tỷ lệ rGO-N,S thay đổi từ 10% đến 25%.

  • Phương pháp phân tích vật liệu:

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

  • Phương pháp đánh giá hoạt tính quang xúc tác: Phân hủy tetracycline hydrochloride trong dung dịch nước dưới chiếu sáng đèn LED 30W, nồng độ TC ban đầu 10 mg/L, khối lượng xúc tác 0,1 g trong 200 mL dung dịch. Nồng độ TC được xác định bằng phương pháp trắc quang. Thời gian khảo sát lên đến 180 phút.

  • Timeline nghiên cứu: Tổng hợp vật liệu và đặc trưng trong 6 tháng đầu, đánh giá hoạt tính quang xúc tác trong 3 tháng tiếp theo, phân tích dữ liệu và hoàn thiện luận văn trong 3 tháng cuối năm 2023.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Đặc trưng cấu trúc và thành phần vật liệu:

    • XRD cho thấy vật liệu composite C-TiO2/g-C3N4/rGO-N,S (CTCr-x) có cấu trúc pha anatase chủ đạo của TiO2 và cấu trúc g-C3N4 ổn định.
    • EDX xác định thành phần nguyên tố C, N, O, Ti, S phân bố đồng đều, với tỷ lệ rGO-N,S tăng từ 10% đến 25%.
    • Diện tích bề mặt BET của CTCr-20 đạt khoảng 120 m²/g, cao hơn so với C-TiO2 (khoảng 60 m²/g) và g-C3N4 (khoảng 80 m²/g).

  2. Khả năng hấp thụ ánh sáng và năng lượng vùng cấm:

    • Phổ UV-Vis DRS cho thấy vật liệu composite mở rộng vùng hấp thụ ánh sáng đến khoảng 600 nm, vượt trội so với TiO2 truyền thống chỉ hấp thụ dưới 388 nm.
    • Năng lượng vùng cấm Eg của CTCr-20 được xác định khoảng 2,4 eV, thấp hơn so với TiO2 nguyên bản (3,2 eV) và g-C3N4 (2,7 eV).

  3. Hiệu suất phân hủy tetracycline (TC):

    • Vật liệu CTCr-20 đạt hiệu suất phân hủy TC lên đến 92% sau 180 phút chiếu sáng, cao hơn đáng kể so với C-TiO2 (khoảng 40%) và g-C3N4 (khoảng 35%).
    • Thời gian cân bằng hấp phụ TC trên CTCr-20 là khoảng 30 phút, nhanh hơn so với các vật liệu đơn lẻ.
    • Ảnh hưởng của pH cho thấy hiệu suất phân hủy cao nhất ở pH khoảng 6-7, phù hợp với điều kiện môi trường nước tự nhiên.

  4. Khả năng tái sử dụng và ổn định xúc tác:

    • Sau 5 chu kỳ sử dụng, hiệu suất phân hủy TC của CTCr-20 chỉ giảm nhẹ khoảng 5%, chứng tỏ tính ổn định và khả năng tái sử dụng cao.

Thảo luận kết quả

Hiệu quả vượt trội của vật liệu composite C-TiO2/g-C3N4/rGO-N,S được giải thích bởi cơ chế lai ghép liên hợp dạng Z, giúp giảm thiểu sự tái tổ hợp electron-lỗ trống, kéo dài thời gian sống của các cặp điện tử quang sinh. Sự có mặt của rGO-N,S với diện tích bề mặt lớn và khả năng dẫn điện cao tạo điều kiện thuận lợi cho việc vận chuyển điện tử, đồng thời tăng khả năng hấp phụ TC trên bề mặt xúc tác.

So sánh với các nghiên cứu trước đây, hiệu suất phân hủy TC của CTCr-20 cao hơn từ 3 đến 5 lần so với vật liệu C-TiO2 hoặc g-C3N4 đơn lẻ, phù hợp với các báo cáo về vật liệu lai ghép tương tự trong xử lý ô nhiễm nước. Biểu đồ thể hiện sự giảm nồng độ TC theo thời gian phản ứng minh họa rõ ràng hiệu quả xúc tác, trong khi phổ PL cho thấy cường độ phát quang giảm, chứng tỏ sự giảm tái tổ hợp electron-lỗ trống.

Kết quả này khẳng định tính khả thi của việc sử dụng vật liệu composite C-TiO2/g-C3N4/rGO-N,S trong ứng dụng xử lý ô nhiễm kháng sinh trong môi trường nước, góp phần bảo vệ nguồn nước và sức khỏe cộng đồng.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tối ưu hóa quy trình tổng hợp vật liệu composite:

    • Áp dụng phương pháp nhiệt pha rắn có hỗ trợ siêu âm với tỷ lệ rGO-N,S khoảng 20% để đạt hiệu suất xúc tác tối ưu.
    • Thời gian nung 2 giờ ở 530°C và tốc độ gia nhiệt 5°C/phút được khuyến nghị để đảm bảo cấu trúc vật liệu ổn định.

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

    • Triển khai thử nghiệm quy mô pilot tại các nhà máy xử lý nước thải có chứa TC và các chất hữu cơ tương tự trong vòng 12 tháng.
    • Sử dụng đèn LED chiếu sáng vùng khả kiến để tiết kiệm năng lượng và tăng hiệu quả xúc tác.

  3. Nâng cao khả năng tái sử dụng xúc tác:

    • Phát triển các phương pháp tách và tái sử dụng xúc tác hiệu quả, giảm thiểu hao hụt vật liệu trong quá trình vận hành.
    • Khảo sát ảnh hưởng của các yếu tố môi trường như pH, nhiệt độ, và các ion có mặt trong nước đến hiệu suất xúc tác.

  4. Mở rộng nghiên cứu ứng dụng:

    • Nghiên cứu khả năng phân hủy các loại kháng sinh và chất hữu cơ khác trong môi trường nước.
    • Phát triển vật liệu composite tương tự với các biến thể pha tạp khác để nâng cao hiệu suất và đa dạng hóa ứng dụng.

Các giải pháp trên cần được thực hiện phối hợp giữa các viện nghiên cứu, doanh nghiệp xử lý môi trường và các cơ quan quản lý để đảm bảo tính khả thi và hiệu quả lâu dài.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

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

    • Nắm bắt quy trình tổng hợp và đặc trưng vật liệu xúc tác quang composite hiện đại.
    • Áp dụng kiến thức vào nghiên cứu phát triển vật liệu mới và ứng dụng xử lý môi trường.

  2. Chuyên gia và kỹ sư môi trường:

    • Hiểu rõ cơ chế phân hủy kháng sinh trong nước bằng xúc tác quang.
    • Áp dụng công nghệ xử lý nước thải hiệu quả, thân thiện môi trường.

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

    • Tham khảo quy trình tổng hợp vật liệu composite có hiệu suất cao.
    • Phát triển sản phẩm xúc tác quang ứng dụng thực tế trong xử lý ô nhiễm.

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

    • Đánh giá các giải pháp công nghệ mới trong kiểm soát ô nhiễm kháng sinh.
    • Xây dựng chính sách hỗ trợ nghiên cứu và ứng dụng công nghệ xanh.

Luận văn cung cấp tài liệu tham khảo quý giá cho các đối tượng trên nhằm thúc đẩy nghiên cứu và ứng dụng công nghệ xử lý ô nhiễm nước hiệu quả.

Câu hỏi thường gặp

  1. Vật liệu C-TiO2/g-C3N4/rGO-N,S có ưu điểm gì so với TiO2 truyền thống?
    Vật liệu composite này có năng lượng vùng cấm thấp hơn (khoảng 2,4 eV so với 3,2 eV của TiO2 anatase), mở rộng khả năng hấp thụ ánh sáng khả kiến, giảm tái tổ hợp electron-lỗ trống nhờ cấu trúc lai ghép và sự dẫn điện của rGO-N,S, từ đó nâng cao hiệu suất xúc tác quang.

  2. Tại sao lại chọn tetracycline hydrochloride (TC) làm chất ô nhiễm mẫu?
    TC là kháng sinh phổ biến, được phát hiện rộng rãi trong môi trường nước và có nguy cơ gây ô nhiễm nghiêm trọng. Việc phân hủy TC giúp kiểm soát ô nhiễm kháng sinh, bảo vệ hệ sinh thái và sức khỏe con người.

  3. Phương pháp tổng hợp vật liệu composite có khó khăn gì?
    Quá trình tổng hợp đòi hỏi kiểm soát nhiệt độ, thời gian và tỷ lệ pha tạp chính xác để đảm bảo cấu trúc vật liệu ổn định, đồng thời tránh sự kết tụ của rGO và duy trì tính chất dẫn điện cao.

  4. Hiệu suất phân hủy TC được đánh giá như thế nào?
    Hiệu suất được xác định bằng phương pháp trắc quang đo nồng độ TC còn lại trong dung dịch sau phản ứng quang xúc tác. Vật liệu CTCr-20 đạt hiệu suất phân hủy lên đến 92% sau 180 phút chiếu sáng.

  5. Vật liệu composite có thể tái sử dụng bao nhiêu lần?
    Nghiên cứu cho thấy vật liệu CTCr-20 giữ được trên 85% hiệu suất sau 5 chu kỳ sử dụng, chứng tỏ tính ổn định và khả năng tái sử dụng cao, phù hợp cho ứng dụng thực tế.

Kết luận

  • Đã tổng hợp thành công vật liệu composite C-TiO2/g-C3N4/rGO-N,S với cấu trúc pha anatase ổn định và diện tích bề mặt lớn, mở rộng vùng hấp thụ ánh sáng khả kiến.
  • Vật liệu composite thể hiện hiệu suất phân hủy tetracycline hydrochloride trong nước lên đến 92% sau 180 phút chiếu sáng, vượt trội so với các vật liệu đơn lẻ.
  • Cơ chế lai ghép dạng Z và sự dẫn điện của rGO-N,S giúp giảm tái tổ hợp electron-lỗ trống, nâng cao hiệu quả xúc tác quang.
  • Vật liệu có tính ổn định cao, khả năng tái sử dụng tốt sau nhiều chu kỳ, phù hợp ứng dụng xử lý ô nhiễm nước.
  • Đề xuất tiếp tục tối ưu quy trình tổng hợp, mở rộng ứng dụng và triển khai thử nghiệm quy mô lớn trong thời gian tới.

Luận văn là tài liệu tham khảo quan trọng cho các nhà nghiên cứu và chuyên gia trong lĩnh vực vật liệu xúc tác quang và xử lý môi trường. Để tiếp tục phát triển, cần phối hợp nghiên cứu đa ngành và ứng dụng thực tiễn nhằm góp phần bảo vệ môi trường nước bền vững.