Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh ô nhiễm môi trường ngày càng nghiêm trọng, nước thải từ các cơ sở sản xuất thuốc phóng, đặc biệt là thuốc phóng hai gốc chứa nitroglyxerin (NG) và Centralit II (Cent II), được xem là nguồn gây ô nhiễm nguy hiểm do tính độc hại và khó phân hủy của các hợp chất này. Theo ước tính, hàm lượng NG trong thuốc phóng hai gốc chiếm từ 25% đến 50%, đồng thời NG có độc tính cao, có thể gây chết người khi vượt ngưỡng tiếp xúc 2,0 mg/m³ không khí. Việc xử lý nước thải chứa NG và Cent II là một thách thức lớn đối với ngành công nghiệp quốc phòng và bảo vệ môi trường.

Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là chế tạo vật liệu xúc tác quang trên cơ sở Cuprous Oxide (Cu2O) nhằm ứng dụng trong xử lý nước thải sản xuất thuốc phóng hai gốc, tập trung vào phân hủy các hợp chất NG và Cent II. Nghiên cứu được thực hiện trong phạm vi phòng thí nghiệm tại Việt Nam, với thời gian nghiên cứu từ năm 2014, nhằm đề xuất quy trình xử lý nước thải hiệu quả, thân thiện môi trường và có tính khả thi cao.

Ý nghĩa của nghiên cứu được thể hiện qua việc nâng cao hiệu quả xử lý nước thải độc hại, giảm thiểu ô nhiễm môi trường, đồng thời góp phần phát triển công nghệ xử lý nước thải công nghiệp quốc phòng bằng vật liệu xúc tác quang có chi phí hợp lý và hiệu suất cao. Các chỉ số đánh giá như độ chuyển hóa NG và Cent II, chỉ số COD (Chemical Oxygen Demand) được sử dụng làm metrics quan trọng để đo lường hiệu quả xử lý.

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:

  • Cơ chế xúc tác quang bán dẫn: Khi vật liệu bán dẫn như Cu2O hấp thụ photon có năng lượng lớn hơn hoặc bằng năng lượng vùng cấm (Eg ≈ 2 eV), sẽ tạo ra các cặp electron (e⁻) và lỗ trống (h⁺). Các electron và lỗ trống này tham gia vào các phản ứng oxy hóa-khử để phân hủy các hợp chất hữu cơ độc hại trong nước thải.

  • Hiệu suất lượng tử và tái kết hợp điện tử-lỗ trống: Hiệu suất xúc tác quang phụ thuộc vào khả năng ngăn chặn sự tái kết hợp của electron và lỗ trống, từ đó tăng thời gian tồn tại và hiệu quả chuyển điện tích đến các chất phản ứng.

  • Tính chất vật liệu Cu2O: Cu2O là chất bán dẫn loại p, có năng lượng vùng cấm khoảng 2,14 eV, hấp thụ ánh sáng vùng khả kiến (bước sóng < 580 nm). Kích thước hạt nano Cu2O ảnh hưởng đến năng lượng vùng cấm và hiệu suất xúc tác. Cu2O có độc tính thấp, giá thành rẻ, và khả năng xúc tác quang tốt cho các phản ứng phân hủy hợp chất hữu cơ như NG và Cent II.

Các khái niệm chính bao gồm: xúc tác quang bán dẫn, hiệu suất lượng tử, vật liệu nano Cu2O, phân hủy quang hóa hợp chất nitro hữu cơ, và chỉ số COD.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Nước thải mẫu được chuẩn bị từ thuốc phóng hai gốc dạng lá của nhà máy sản xuất thuốc phóng Z192/Tổng cục Công nghiệp Quốc phòng. Các hóa chất tinh khiết như CuSO4·2H2O, glucôzơ, kali natri tartarat, NaOH được sử dụng để tổng hợp vật liệu Cu2O.

  • Phương pháp tổng hợp Cu2O: Phương pháp khử muối Cu2+ trong dung dịch kiềm sử dụng glucôzơ làm tác nhân khử, kết hợp với muối kali natri tartarat và ethylen glycol làm chất phân tán. Các điều kiện phản ứng được tối ưu gồm tỷ lệ mol Cu2+/glucôzơ = 0,15, tỷ lệ mol EG/Cu2+ = 0,6, nhiệt độ 30°C, tốc độ khuấy 100 vòng/phút, thời gian 30 phút.

  • Phương pháp phân tích: Thành phần pha và kích thước hạt Cu2O được xác định bằng phổ nhiễu xạ tia X (XRD) và ảnh hiển vi điện tử quét (SEM). Thành phần nguyên tố được phân tích bằng phổ tán xạ năng lượng tia X (EDX). Diện tích bề mặt và độ xốp được đo bằng phương pháp BET.

  • Thử nghiệm xử lý nước thải: Dung dịch mẫu chứa NG và Cent II được xử lý xúc tác quang bằng Cu2O dưới các nguồn sáng khác nhau: đèn tử ngoại UV, đèn thủy ngân công suất 160 W, và ánh sáng mặt trời. Nồng độ NG và Cent II sau xử lý được xác định bằng sắc ký lỏng cao áp (HPLC) và phổ UV-Vis. Chỉ số COD được đo để đánh giá mức độ phân hủy các hợp chất hữu cơ.

  • Timeline nghiên cứu: Tổng hợp vật liệu và khảo sát điều kiện tối ưu trong 2 tháng đầu; thử nghiệm xử lý nước thải và phân tích kết quả trong 3 tháng tiếp theo; đề xuất quy trình xử lý và hoàn thiện luận văn trong tháng cuối.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Tổng hợp vật liệu Cu2O:

    • Kích thước hạt Cu2O thu được dao động từ 200 đến 350 nm với kích thước tinh thể khoảng 29,8 nm.
    • Điều kiện tối ưu: tỷ lệ mol Cu2+/glucôzơ = 0,15; tỷ lệ mol EG/Cu2+ = 0,6; nhiệt độ 30°C; tốc độ khuấy 100 vòng/phút; thời gian 30 phút.
    • Kích thước hạt giảm khi tăng hàm lượng chất phân tán ethylen glycol, tuy nhiên khi tỷ lệ EG/Cu2+ vượt quá 0,6 thì kích thước hạt không thay đổi đáng kể.

  2. Khả năng xúc tác quang của Cu2O:

    • Dưới ánh sáng tử ngoại UV, sau 60 phút xử lý, độ chuyển hóa NG đạt 60,83%, Cent II đạt 63,63%. Sau 150 phút, Cent II được phân hủy hoàn toàn (100%), NG đạt 67,65%.
    • Khi sử dụng đèn thủy ngân, sau 60 phút, NG chuyển hóa 56,29%, Cent II 82,85%; sau 150 phút, NG đạt 70,42%, Cent II duy trì khoảng 85,7%.
    • Dưới ánh sáng mặt trời, sau 6 giờ chiếu, độ chuyển hóa NG lên đến 97%, Cent II đạt 100%.
    • Hàm lượng Cu2O xúc tác từ 0,5 g đến 2 g không ảnh hưởng đáng kể đến hiệu suất xử lý trong 60 phút, tuy nhiên hàm lượng cao hơn giúp tăng tốc độ phân hủy trong thời gian ngắn.

  3. Đánh giá chỉ số COD:

    • Chỉ số COD giảm từ 170 mg/l xuống còn 80 mg/l sau 120 phút xử lý xúc tác quang, chứng tỏ sự phân hủy các hợp chất hữu cơ trong nước thải.
    • Quá trình phân hủy tạo ra các sản phẩm trung gian như glyxerin, axeton, đinitroglyxerin, mononitroglyxerin, có độ độc thấp hơn.

Thảo luận kết quả

Hiệu quả xử lý nước thải bằng xúc tác quang Cu2O được giải thích bởi khả năng hấp thụ ánh sáng vùng khả kiến của Cu2O, tạo ra các cặp electron-lỗ trống tham gia phản ứng oxy hóa-khử phân hủy NG và Cent II. Kích thước hạt nano giúp tăng diện tích bề mặt tiếp xúc, nâng cao hiệu suất xúc tác. So với các nghiên cứu trước đây sử dụng TiO2 hoặc ZnO, Cu2O có ưu thế hấp thụ ánh sáng khả kiến tốt hơn, phù hợp với nguồn năng lượng mặt trời.

Biểu đồ thể hiện sự phụ thuộc độ chuyển hóa NG và Cent II theo thời gian và hàm lượng xúc tác cho thấy quá trình phân hủy diễn ra nhanh trong giai đoạn đầu, sau đó tăng chậm do sự giảm nồng độ chất ô nhiễm. Kết quả COD giảm rõ rệt minh chứng cho sự chuyển hóa các hợp chất độc hại thành các sản phẩm ít độc hơn, phù hợp với tiêu chuẩn môi trường.

So sánh với các phương pháp xử lý khác như hấp phụ than hoạt tính, vi sinh, điện phân, ozon hóa, phương pháp xúc tác quang Cu2O có ưu điểm về hiệu quả xử lý, chi phí thấp, thân thiện môi trường và khả năng ứng dụng thực tế cao.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Triển khai quy trình xử lý nước thải sử dụng Cu2O xúc tác quang:

    • Áp dụng quy trình gồm làm sạch cơ học, xử lý xúc tác quang với Cu2O dưới ánh sáng đèn thủy ngân hoặc ánh sáng mặt trời, sau đó lắng lọc và xử lý tiếp theo.
    • Mục tiêu giảm nồng độ NG và Cent II xuống dưới ngưỡng an toàn trong vòng 2 giờ xử lý.
    • Chủ thể thực hiện: các nhà máy sản xuất thuốc phóng, đơn vị quản lý môi trường công nghiệp.

  2. Tối ưu hóa điều kiện xúc tác:

    • Điều chỉnh hàm lượng Cu2O xúc tác khoảng 1-2 g/l để tăng tốc độ phân hủy trong thời gian ngắn.
    • Sử dụng ánh sáng mặt trời làm nguồn năng lượng chính để tiết kiệm chi phí điện năng.
    • Thời gian thực hiện: 6 giờ chiếu sáng để đạt hiệu quả tối ưu.

  3. Nâng cao chất lượng vật liệu xúc tác:

    • Nghiên cứu phối hợp Cu2O với các oxit kim loại khác hoặc phủ kim loại quý để giảm tái kết hợp electron-lỗ trống, tăng hiệu suất xúc tác.
    • Chủ thể thực hiện: các viện nghiên cứu, trung tâm công nghệ vật liệu.

  4. Giám sát và đánh giá môi trường:

    • Thiết lập hệ thống giám sát nồng độ NG, Cent II và chỉ số COD trước và sau xử lý để đảm bảo tuân thủ quy chuẩn môi trường.
    • Chủ thể thực hiện: cơ quan quản lý môi trường, nhà máy sản xuất.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Hóa vô cơ, Công nghệ môi trường:

    • Học hỏi phương pháp tổng hợp vật liệu xúc tác quang Cu2O và ứng dụng trong xử lý nước thải độc hại.
    • Áp dụng kiến thức vào các đề tài nghiên cứu liên quan đến xúc tác quang và xử lý ô nhiễm.

  2. Các kỹ sư và chuyên gia môi trường tại các nhà máy sản xuất thuốc phóng, thuốc nổ:

    • Tham khảo quy trình xử lý nước thải hiệu quả, thân thiện môi trường, phù hợp với đặc thù nước thải quốc phòng.
    • Áp dụng công nghệ xúc tác quang Cu2O để nâng cao hiệu quả xử lý.

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

    • Sử dụng kết quả nghiên cứu để xây dựng tiêu chuẩn, quy định về xử lý nước thải công nghiệp quốc phòng.
    • Đánh giá và khuyến khích áp dụng công nghệ mới trong xử lý ô nhiễm.

  4. Các doanh nghiệp sản xuất vật liệu xúc tác và thiết bị xử lý nước thải:

    • Phát triển sản phẩm xúc tác quang Cu2O chất lượng cao, phù hợp với nhu cầu xử lý nước thải công nghiệp.
    • Thiết kế hệ thống xử lý nước thải ứng dụng công nghệ xúc tác quang.

Câu hỏi thường gặp

  1. Vật liệu Cu2O có ưu điểm gì so với TiO2 trong xử lý nước thải?
    Cu2O có năng lượng vùng cấm khoảng 2 eV, hấp thụ ánh sáng vùng khả kiến tốt hơn TiO2 (Eg ≈ 3,2 eV), giúp tận dụng hiệu quả ánh sáng mặt trời để xúc tác phân hủy các hợp chất hữu cơ độc hại như NG và Cent II.

  2. Thời gian xử lý nước thải bằng xúc tác quang Cu2O là bao lâu?
    Thời gian xử lý hiệu quả dao động từ 60 đến 360 phút tùy theo nguồn sáng và hàm lượng xúc tác, với ánh sáng mặt trời sau 6 giờ có thể đạt độ chuyển hóa NG lên đến 97% và Cent II 100%.

  3. Có thể tái sử dụng vật liệu xúc tác Cu2O không?
    Vật liệu Cu2O có thể tái sử dụng nhiều lần nếu được xử lý và bảo quản đúng cách, tuy nhiên hiệu suất xúc tác có thể giảm dần do sự kết cụm hoặc bám bẩn bề mặt.

  4. Phương pháp tổng hợp Cu2O có phức tạp không?
    Phương pháp khử muối Cu2+ bằng glucôzơ trong môi trường kiềm là phương pháp đơn giản, chi phí thấp, dễ thực hiện và kiểm soát kích thước hạt Cu2O hiệu quả.

  5. Quy trình xử lý nước thải có thể áp dụng ở quy mô công nghiệp không?
    Quy trình xử lý sử dụng Cu2O xúc tác quang có thể áp dụng ở quy mô công nghiệp, đặc biệt khi kết hợp với các công đoạn xử lý cơ học và hóa học, giúp nâng cao hiệu quả xử lý và giảm thiểu ô nhiễm môi trường.

Kết luận

  • Đã tổng hợp thành công vật liệu xúc tác quang Cu2O kích thước hạt 200-350 nm, kích thước tinh thể 29,8 nm, sử dụng glucôzơ làm tác nhân khử trong môi trường kiềm.
  • Xác định điều kiện tổng hợp tối ưu: tỷ lệ mol Cu2+/glucôzơ = 0,15; tỷ lệ mol EG/Cu2+ = 0,6; nhiệt độ 30°C; tốc độ khuấy 100 vòng/phút; thời gian 30 phút.
  • Cu2O có khả năng xúc tác quang phân hủy hiệu quả NG và Cent II trong nước thải sản xuất thuốc phóng, với độ chuyển hóa NG đạt đến 97% và Cent II 100% dưới ánh sáng mặt trời sau 6 giờ.
  • Chỉ số COD giảm rõ rệt sau xử lý, chứng tỏ giảm độc tính và cải thiện chất lượng nước thải.
  • Đề xuất quy trình xử lý nước thải sử dụng Cu2O xúc tác quang có thể áp dụng thực tế tại các nhà máy sản xuất thuốc phóng nhằm nâng cao hiệu quả xử lý và bảo vệ môi trường.

Hành động tiếp theo: Khuyến khích các nhà máy sản xuất thuốc phóng triển khai thử nghiệm quy trình xử lý nước thải sử dụng Cu2O xúc tác quang, đồng thời nghiên cứu mở rộng ứng dụng vật liệu này trong xử lý các loại nước thải công nghiệp khác.