Nghiên cứu xử lý 2,4-D và 2,4,5-T trong môi trường nước bằng hệ vật liệu hấp phụ quang xúc tác nano TiO2 biến tính

• Tác giả: Lê Thị Dung
• Người hướng dẫn: Pgs.Ts Phạm Tiến Đức
• Trường học: Trường Đại học Khoa học Tự nhiên
• Chuyên ngành: Hoá môi trường
• Đề tài: Nghiên cứu xử lý 2,4-D và 2,4,5-T trong môi trường nước bằng hệ vật liệu hấp phụ, quang xúc tác nano TiO2 biến tính
• Loại tài liệu: Luận án tiến sĩ
• Năm xuất bản: 2024
• Địa điểm: Hà Nội

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• 1. MỤC LỤC
• 2. DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT
• 3. DANH MỤC HÌNH
• 4. DANH MỤC BẢNG
• 5. LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI
• 6. MỤC ĐÍCH CỦA ĐỀ TÀI
• 7. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU
• 8. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI
• 9. NHỮNG ĐÓNG GÓP MỚI CỦA LUẬN ÁN
• PHỤ LỤC
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

I. Tổng Quan Về Xử Lý 2 4 D 2 4 5 T Bằng Nano TiO2 55 ký tự

Ô nhiễm môi trường, đặc biệt là ô nhiễm nguồn nước, là một trong những vấn đề cấp bách của thế kỷ 21. Theo WHO, ô nhiễm là mối đe dọa lớn hơn cả chiến tranh. Nguồn nước đang bị phơi nhiễm bởi nhiều hóa chất độc hại, trong đó có thuốc bảo vệ thực vật (BVTV). Hai hợp chất phenoxy axit, 2,4-D và 2,4,5-T, từng đóng vai trò quan trọng trong nông nghiệp. Tuy nhiên, do độc tính cao, chúng đã bị cấm ở nhiều quốc gia, bao gồm Việt Nam. Dù vậy, tồn dư của chúng trong đất vẫn còn rất cao, gây nguy hiểm cho môi trường và sức khỏe con người. Các phương pháp xử lý tiên tiến như xúc tác quang hóa và hấp phụ sử dụng vật liệu mới đang thu hút sự quan tâm. Vật liệu nano TiO2, với khả năng xúc tác quang hóa, được xem là tiềm năng để phân hủy các hợp chất hữu cơ độc hại. Tuy nhiên, cần biến tính TiO2 để tăng hiệu quả.

1.1. Tác hại của 2 4 D và 2 4 5 T đến môi trường nước

Hợp chất 2,4-D và 2,4,5-T có độc tính cao, có khả năng phá hủy tế bào, tác động đến cơ chế sinh trưởng, phát triển của sâu bệnh, cỏ dại và cả cây trồng, vì thế khi các hợp chất này đi vào môi trường nước gây ra những tác động nguy hiểm đến môi trường đất, nước, không khí và các loài sinh vật sống trong đó có con người. Nhiều kĩ thuật, công nghệ xử lý tồn dư 2,4-D và 2,4,5-T, đã được nghiên cứu áp dụng, và phát triển trong những năm gần đây. Hiện nay, nhiều quốc gia trong đó có Việt Nam đã cấm sử dụng hoàn toàn các hợp chất 2,4-D và 2,4,5-T cũng như các dẫn xuất của chúng do lo ngại về độc tính nghiêm trọng ảnh hưởng đến mắt, hệ thần kinh, hệ miễn dịch, và nguy cơ gây ung thư máu.

1.2. Ưu điểm của vật liệu nano TiO2 trong xử lý ô nhiễm

Vật liệu nano TiO2 có khả năng xúc tác quang hóa phân hủy các hợp chất hữu cơ, thuốc trừ sâu, thuốc diệt cỏ, các hợp chất phenolic và nhiều hóa chất độc hại khác. Ưu điểm chính của xúc tác quang hóa đó là các quá trình “hóa học xanh”, bao gồm các điều kiện phản ứng êm dịu, thân thiện với môi trường, dễ kết hợp với các quá trình khác (như tạo màng). Vật liệu này an toàn với môi trường và có tính bền vững hóa học cao, thích hợp cho quá trình xử lý nước ô nhiễm.

II. Thách Thức Vấn Đề Tồn Đọng 2 4 D 2 4 5 T Trong Nước 59 ký tự

Mặc dù đã bị cấm, 2,4-D và 2,4,5-T vẫn tồn tại ở nồng độ cao trong môi trường, đặc biệt là trong đất và nước tại nhiều địa phương ở Việt Nam. Theo các nghiên cứu, hàm lượng của chúng có thể lên tới hàng trăm nghìn đến hàng triệu µg/kg đất. Điều này đặt ra một thách thức lớn trong việc bảo vệ nguồn nước và sức khỏe cộng đồng. Các phương pháp xử lý hiện tại chưa thực sự hiệu quả hoặc còn hạn chế về chi phí, tính khả thi trong điều kiện thực tế. Vì vậy, cần có những giải pháp mới, hiệu quả hơn để loại bỏ chất ô nhiễm này khỏi môi trường.

2.1. Mức độ tồn lưu 2 4 D và 2 4 5 T tại Việt Nam

Qua điều tra, nghiên cứu của nhiều tổ chức trong nước và quốc tế cho thấy, ở nhiều địa phương tại Việt Nam, mức độ tồn lưu của các hợp chất thuốc BVTV còn ở mức rất cao. Các hợp chất 2,4-D và 2,4,5-T có hàm lượng lên tới hàng vài trăm nghìn đến vài triệu µg/kg đất. Nhiều kĩ thuật, công nghệ xử lý nước tồn dư 2,4-D và 2,4,5-T, đã được nghiên cứu áp dụng, và phát triển trong những năm gần đây. Trong đó, phương pháp xúc tác quang hoá và phương pháp hấp phụ sử dụng các hệ vật liệu mới thu hút sự 11 quan tâm đặc biệt của các nhà khoa học thế giới.

2.2. Hạn chế của các phương pháp xử lý truyền thống

Các phương pháp xử lý truyền thống còn nhiều hạn chế về chi phí, hiệu quả, khả năng ứng dụng thực tế. Phương pháp xử lý sinh học thường chậm và phụ thuộc vào điều kiện môi trường. Phương pháp hóa học có thể tạo ra các sản phẩm phụ độc hại. Do đó, cần có các giải pháp tiên tiến, thân thiện với môi trường và có chi phí hợp lý hơn để xử lý 2 4 d và xử lý 2 4 5 t trong môi trường nước.

III. Cách Biến Tính Nano TiO2 Tối Ưu Xử Lý 2 4 D 2 4 5 T 58 ký tự

Vật liệu nano TiO2 có nhược điểm là năng lượng vùng cấm tương đối cao, đòi hỏi ánh sáng tử ngoại để kích hoạt. Để khắc phục, cần biến tính TiO2 bằng cách pha tạp kim loại chuyển tiếp (Fe, Cu, Ag, Pt...) hoặc phi kim (N, S, C...). Một hướng nghiên cứu mới là sử dụng chất hoạt động bề mặt để thay đổi đặc tính bề mặt, tăng khả năng hấp phụ chất hữu cơ và hoạt tính quang hóa. Nghiên cứu biến tính nano TiO2 bằng chất hoạt động bề mặt mang điện dương Cetyltrimethylammonium bromide (CTAB) để tạo ra vật liệu mới nano TiO2 biến tính CTAB (CCTN).

3.1. Các phương pháp biến tính nano TiO2 phổ biến

Nhiều nghiên cứu phát triển các phương pháp khác nhau nhằm biến tính TiO2 bằng cách pha tạp kim loại chuyển tiếp như Fe, Cu, Ag, Pt… hoặc các oxit của chúng và phi kim như N, S, C…với mục đích dịch chuyển ánh sáng kích thích từ vùng tử ngoại sang vùng ánh sáng nhìn thấy. Các phương pháp này giúp tăng khả năng hấp thụ ánh sáng và hiệu quả quang xúc tác của nano TiO2.

3.2. Ưu điểm của biến tính bằng chất hoạt động bề mặt CTAB

Một hướng nghiên cứu mới được phát triển là sử dụng chất hoạt động bề mặt làm thay đổi đặc tính bề mặt từ đó có thể gia tăng khả năng hấp phụ chất hữu cơ ưa nước và hoạt tính quang hoá của vật liệu TiO2. Chất hoạt động bề mặt mang điện dương Cetyltrimethylammonium bromide (CTAB) có thể tạo thành hệ vật liệu hấp phụ mới, giúp tăng cường khả năng hấp phụ và phân hủy 2,4-D và 2,4,5-T.

IV. Hệ Vật Liệu CCTN Hấp Phụ Quang Xúc Tác Hiệu Quả 55 ký tự

Hệ vật liệu nano TiO2 biến tính CTAB (CCTN) kết hợp ưu điểm của cả hai phương pháp: hấp phụ và quang xúc tác. CTAB giúp tăng khả năng hấp phụ 2,4-D và 2,4,5-T trên bề mặt TiO2, sau đó, TiO2 sẽ xúc tác quá trình phân hủy các chất này dưới ánh sáng. Sự kết hợp này hứa hẹn mang lại hiệu quả cao hơn so với việc sử dụng riêng lẻ từng phương pháp. Nghiên cứu tập trung vào tối ưu hóa điều kiện hấp phụ, động học hấp phụ, và đề xuất cơ chế hấp phụ của 2,4-D và 2,4,5-T trên vật liệu CCTN.

4.1. Cơ chế hấp phụ và quang xúc tác của CCTN

Cơ chế hấp phụ của CTAB làm tăng khả năng hấp phụ các chất hữu cơ trên bề mặt nano TiO2. Sau đó, dưới tác dụng của ánh sáng, TiO2 đóng vai trò quang xúc tác, phân hủy các chất hữu cơ này thành các sản phẩm vô hại. Sự kết hợp này tạo ra hiệu ứng hiệp đồng, giúp tăng cường hiệu quả xử lý 2 4 d và xử lý 2 4 5 t.

4.2. Tối ưu hóa điều kiện hấp phụ và động học hấp phụ

Nghiên cứu cần tập trung vào tối ưu hóa các điều kiện như pH, nhiệt độ, nồng độ CTAB để đạt hiệu quả hấp phụ cao nhất. Đồng thời, cần nghiên cứu động học hấp phụ để hiểu rõ quá trình hấp phụ diễn ra như thế nào, từ đó đề xuất cơ chế hấp phụ phù hợp cho 2,4-D và 2,4,5-T trên vật liệu CCTN.

V. Kết Quả Nghiên Cứu Ứng Dụng CCTN Xử Lý Nước Ô Nhiễm 59 ký tự

Nghiên cứu đánh giá hoạt tính quang xúc tác của TiO2, CuO/TiO2, và khả năng hấp phụ, quang xúc tác của CCTN trong việc xử lý 2,4-D và 2,4,5-T trong môi trường nước. Kết quả cho thấy CCTN có khả năng hấp phụ và phân hủy 2,4-D và 2,4,5-T hiệu quả hơn so với các vật liệu khác. Nghiên cứu này cung cấp giải pháp tiềm năng để xử lý ô nhiễm 2,4-D và 2,4,5-T trong nước, góp phần bảo vệ môi trường và sức khỏe cộng đồng.

5.1. So sánh hiệu quả xử lý của CCTN với TiO2 và CuO TiO2

Nghiên cứu cho thấy vật liệu CCTN hiệu quả hơn trong việc hấp phụ và phân hủy 2,4-D và 2,4,5-T so với TiO2 và CuO/TiO2. Sự biến tính bằng CTAB giúp tăng cường khả năng hấp phụ, trong khi TiO2 vẫn duy trì khả năng quang xúc tác. Sự kết hợp này mang lại hiệu quả vượt trội.

5.2. Ứng dụng thực tế của CCTN trong xử lý nước thải

Vật liệu CCTN có thể được ứng dụng để xử lý nước thải chứa 2,4-D và 2,4,5-T từ các khu vực nông nghiệp hoặc công nghiệp. Quá trình xử lý có thể được thực hiện bằng cách cho CCTN tiếp xúc với nước thải, sau đó chiếu sáng để kích hoạt quá trình quang xúc tác, phân hủy các chất ô nhiễm. Việc này góp phần xử lý nước ô nhiễm hiệu quả.

VI. Tương Lai Vật Liệu CCTN Tiềm Năng Ứng Dụng Rộng Rãi 56 ký tự

Nghiên cứu về vật liệu CCTN mở ra hướng đi mới trong lĩnh vực xử lý ô nhiễm môi trường. Trong tương lai, có thể tiếp tục nghiên cứu để tối ưu hóa CCTN, giảm chi phí sản xuất, và tăng khả năng tái sử dụng. CCTN có tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong xử lý nước thải, xử lý đất ô nhiễm, và làm sạch không khí. Việc phát triển và ứng dụng vật liệu nano này góp phần xây dựng một môi trường sống xanh, sạch, và bền vững.

6.1. Hướng nghiên cứu tiếp theo để tối ưu hóa CCTN

Các nghiên cứu tiếp theo có thể tập trung vào việc tìm kiếm các chất hoạt động bề mặt khác hiệu quả hơn CTAB, hoặc điều chỉnh cấu trúc của nano TiO2 để tăng khả năng hấp thụ ánh sáng. Đồng thời, cần nghiên cứu về khả năng tái sử dụng của CCTN sau nhiều chu kỳ xử lý để đảm bảo tính bền vững của vật liệu.

6.2. Tiềm năng ứng dụng của CCTN trong các lĩnh vực khác

Ngoài việc xử lý nước ô nhiễm, CCTN còn có tiềm năng ứng dụng trong xử lý đất ô nhiễm, bằng cách trộn CCTN vào đất để hấp phụ và phân hủy các chất ô nhiễm. Hơn nữa, CCTN có thể được sử dụng trong các hệ thống lọc không khí để loại bỏ các chất ô nhiễm hữu cơ bay hơi.