Nghiên Cứu Xử Lý 2,4-D và 2,4,5-T Trong Môi Trường Nước Bằng Hệ Vật Liệu Hấp Phụ Nano TiO2

Tài liệu Xử lý 2,4-d và 2,4,5-t trong nước bằng vật liệu nano tio2 tổng hợp lý thuyết và thực hành, phục vụ học tập ngành hiện nay

• Tác giả: Lê Thị Dung
• Người hướng dẫn: PGS.TS Phạm Tiến Đức
• Trường học: Đại học Quốc gia Hà Nội
• Chuyên ngành: Hóa môi trường
• Đề tài: Nghiên Cứu Xử Lý 2,4-D Và 2,4,5-T Trong Nước Bằng Vật Liệu Nano TiO2
• Loại tài liệu: luận án tiến sĩ
• Năm xuất bản: 2024
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• 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. VẤN ĐỀ Ô NHIỄM 2,4-D VÀ 2,4,5-T Ở VIỆT NAM
• 10. MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ 2,4-D VÀ 2,4,5-T TRONG MÔI TRƯỜNG NƯỚC
• 10.1. Phương pháp oxi hóa điện hóa
• 10.2. Phương pháp xử lý sinh học
• 10.3. Phương pháp oxi hóa tiên tiến
• 10.4. Phương pháp hấp phụ
• 11. VẬT LIỆU TiO2 ỨNG DỤNG TRONG XỬ LÝ CÁC HỢP CHẤT Ô NHIỄM HỮU CƠ
• 11.1. Tính chất quang xúc tác của vật liệu TiO2
• 11.2. Tính chất bề mặt của vật liệu TiO2
• 11.3. Nghiên cứu biến tính TiO2 làm vật liệu quang xúc tác
• 11.4. Nghiên cứu biến tính TiO2 làm vật liệu hấp phụ
• 12. HÓA CHẤT, DỤNG CỤ VÀ THIẾT BỊ
• 13. QUY TRÌNH CHẾ TẠO VẬT LIỆU
• 13.1. Chế tạo vật liệu TiO2
• 13.2. Chế tạo vật liệu CuO/TiO2
• 13.3. Chế tạo vật liệu nano titandioxit biến tính bằng CTAB (CCTN)
• 14. CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ĐẶC TRƯNG VẬT LIỆU
• 14.1. Phương pháp nhiễu xạ Rơnghen (XRD)
• 14.2. Phương pháp phổ hồng ngoại biến đổi (FT-IR)
• 14.3. Phương pháp kính hiển vi điện tử truyền qua TEM
• 14.4. Xác định điện tích bề mặt riêng bằng thuyết hấp phụ BET
• 14.5. Phương pháp đo thế zeta
• 14.6. Phương pháp phổ tán sắc năng lượng tia X (EDX)
• 14.7. Phương pháp phổ Raman
• 14.8. Phổ phản xạ khuếch tán tử ngoại khả kiến (UV-Vis-DRS)
• 14.9. Xác định nồng độ CTAB, 2,4-D và 2,4,5-T bằng phương pháp UV-VIS
• 14.10. Xác định nồng độ 2,4-D và 2,4,5-T bằng phương pháp sắc ký lỏng
• 15. THÍ NGHIỆM KHẢO SÁT HOẠT TÍNH QUANG XÚC TÁC VẬT LIỆU NANO TiO2, CCTN VÀ CuO/TiO2 XỬ LÝ 2,4-D VÀ 2,4,5-T
• 15.1. Thí nghiệm khảo sát khả năng hấp phụ xử lý 2,4-D và 2,4,5-T của CCTN
• 16. PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ SỐ LIỆU
• 17. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 17.1. Đặc trưng vật liệu nano TiO2 và CuO/TiO2
• 17.1.1. Phân tích phổ nhiễu xạ tia X (XRD)
• 17.1.2. Phân tích ảnh TEM
• 17.1.3. Phổ tán xạ năng lượng tia X - EDX
• 17.1.4. Phân tích phổ Raman
• 17.1.5. Phân tích phổ hồng ngoại FT-IR
• 17.1.6. Phân tích hấp phụ đẳng nhiệt theo phương pháp BET
• 17.1.7. Kết quả đo thế zeta của vật liệu
• 17.1.8. Kết quả phổ phản xạ khuếch tán tử ngoại khả kiến (UV-Vis-DRS)
• 17.2. Vật liệu nano TiO2 và CuO/TiO2 xử lý 2,4-D và 2,4,5-T bằng quang xúc tác
• 17.2.1. Vật liệu nano TiO2 xử lý 2,4-D bằng quang xúc tác
• 17.2.2. Vật liệu nano TiO2 xử lý 2,4,5-T bằng quang xúc tác
• 17.2.3. Vật liệu nano CuO/TiO2 xử lý 2,4,5-T bằng quang xúc tác
• 17.3. Nghiên cứu chế tạo vật liệu CCTN
• 17.3.1. Ảnh hưởng của pH đến quá trình chế tạo vật liệu CCTN
• 17.3.2. Khảo sát ảnh hưởng của lực ion và nồng độ đầu CTAB
• 17.3.3. Thiết lập các mô hình đẳng nhiệt hấp phụ CTAB trên TiO2
• 17.4. Đặc trưng vật liệu CCTN
• 17.5. Vật liệu CCTN hấp phụ xử lý 2,4-D và 2,4,5-T
• 17.5.1. Khả năng hấp phụ xử lý 2,4-D và 2,4,5-T của nano TiO2
• 17.5.2. Khả năng hấp phụ xử lý 2,4-D và 2,4,5-T của vật liệu CCTN
• 17.5.3. Ảnh hưởng của lượng vật liệu
• 17.5.4. Thời gian cân bằng hấp phụ
• 17.5.5. Ảnh hưởng của lực ion
• 17.5.6. So sánh khả năng hấp phụ 2,4-D và 2,4,5-T của CCTN
• 17.5.7. Mô hình hấp phụ đẳng nhiệt của 2,4-D và 2,4,5-T trên vật liệu CCTN
• 17.5.8. Động học hấp phụ 2,4-D và 2,4,5-T trên vật liệu CCTN
• 17.5.9. Đề xuất cơ chế hấp phụ 2,4-D và 2,4,5-T trên vật liệu CCTN
• 17.6. Vật liệu CCTN xử lý 2,4-D và 2,4,5-T bằng quang xúc tác
• 17.6.1. Vật liệu CCTN xử lý 2,4-D bằng quang xúc tác
• 17.6.2. Vật liệu CCTN xử lý 2,4,5-T bằng quang xúc tác
• 17.6.3. So sánh hiệu quả xử lý 2,4-D và 2,4,5-T bằng phương pháp hấp phụ và quang xúc tác
• 17.6.4. Hiệu quả xử lý 2,4-D bằng phương pháp hấp phụ và quang xúc tác
• 17.6.5. Hiệu quả xử lý 2,4,5-T bằng phương pháp hấp phụ và quang xúc tác
• 17.6.6. So sánh hiệu quả xử lý 2,4-D và 2,4,5-T bằng phương pháp hấp phụ và quang xúc tác trên cơ sở vật liệu nano TiO2 biến tính với các vật liệu khác
• NHỮNG ĐÓNG GÓP MỚI CỦA LUẬN ÁN
• DANH MỤC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Nghiên Cứu Xử Lý 2 4 D và 2 4 5 T 55 ký tự

Ô nhiễm môi trường, đặc biệt là ô nhiễm nguồn nước, đang trở thành một vấn đề nhức nhối toàn cầu. Các hợp chất 2,4-D và 2,4,5-T, mặc dù đã bị cấm sử dụng ở nhiều quốc gia, vẫn tồn tại dai dẳng trong môi trường do lịch sử sử dụng rộng rãi trong nông nghiệp. Sự tồn lưu này gây ra những tác động tiêu cực đến sức khỏe con người và hệ sinh thái. Các nghiên cứu gần đây tập trung vào việc tìm kiếm các phương pháp xử lý hiệu quả và thân thiện với môi trường, trong đó việc ứng dụng vật liệu nano TiO2 nổi lên như một giải pháp đầy hứa hẹn. TiO2 có khả năng phân hủy các chất ô nhiễm hữu cơ thông qua quá trình quang xúc tác, tuy nhiên, hiệu quả của nó có thể được nâng cao hơn nữa thông qua biến tính và cải tiến vật liệu. Nghiên cứu này tập trung vào việc đánh giá tiềm năng của vật liệu nano TiO2 trong việc xử lý 2,4-D và xử lý 2,4,5-T trong môi trường nước, từ đó góp phần giải quyết bài toán ô nhiễm đang diễn ra.

1.1. Vấn đề ô nhiễm 2 4 D và 2 4 5 T tại Việt Nam

Việt Nam là một quốc gia có lịch sử sử dụng rộng rãi các loại thuốc bảo vệ thực vật, trong đó có 2,4-D và 2,4,5-T. Mặc dù đã có lệnh cấm, dư lượng của các hợp chất này vẫn được tìm thấy ở nhiều địa phương, đặc biệt là ở những khu vực có hoạt động nông nghiệp thâm canh. Điều này gây ra mối lo ngại lớn về sức khỏe cộng đồng và an toàn thực phẩm. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng nồng độ 2,4-D và 2,4,5-T trong đất và nước ở một số khu vực vượt quá tiêu chuẩn cho phép, đe dọa đến chất lượng nguồn nước sinh hoạt và sản xuất. Theo UNEP, ô nhiễm môi trường là một trong những vấn đề cấp bách nhất mà nhân loại phải đối diện trong thế kỷ 21 [56].

1.2. Độc tính của 2 4 D và 2 4 5 T đối với sức khỏe con người

2,4-D và 2,4,5-T là những hóa chất có độc tính cao, có khả năng gây ra nhiều vấn đề sức khỏe nghiêm trọng. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc tiếp xúc với các hợp chất này có thể gây ảnh hưởng đến hệ thần kinh, hệ miễn dịch và thậm chí làm tăng nguy cơ mắc bệnh ung thư. Đặc biệt, 2,4,5-T còn có thể chứa dioxin, một chất cực độc và có khả năng gây quái thai. Do đó, việc loại bỏ 2,4-D và 2,4,5-T khỏi môi trường là vô cùng quan trọng để bảo vệ sức khỏe cộng đồng. Theo WHO, ô nhiễm môi trường là mối đe doạ nghiêm trọng đến sự sống của con người trong tương lai, là nguyên nhân gây tử vong nhiều hơn cả chiến tranh, xung đột [11].

II. Thách Thức Xử Lý Nước Ô Nhiễm 2 4 D và 2 4 5 T 59 ký tự

Việc xử lý nước ô nhiễm chứa 2,4-D và 2,4,5-T đặt ra nhiều thách thức lớn. Các phương pháp truyền thống như lọc, keo tụ, hay clo hóa thường không hiệu quả trong việc loại bỏ hoàn toàn các hợp chất này. Hơn nữa, một số phương pháp có thể tạo ra các sản phẩm phụ độc hại, gây ảnh hưởng đến môi trường. Do đó, cần phải có những giải pháp tiên tiến hơn, có khả năng phân hủy hoàn toàn 2,4-D và 2,4,5-T thành các chất vô hại. Các phương pháp như quang xúc tác TiO2, hấp phụ bằng vật liệu nano, và các quy trình oxy hóa nâng cao (AOPs) đang được nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi, hứa hẹn mang lại hiệu quả cao trong việc giải quyết vấn đề ô nhiễm này. Tuy nhiên, chi phí và tính khả thi trong ứng dụng thực tế vẫn là những yếu tố cần được xem xét.

2.1. Giới hạn của phương pháp xử lý nước truyền thống

Các phương pháp xử lý nước truyền thống như lọc, keo tụ, lắng cặn, và khử trùng bằng clo thường không đủ hiệu quả để loại bỏ hoàn toàn 2,4-D và 2,4,5-T khỏi nguồn nước. Các hợp chất này có cấu trúc hóa học bền vững, khó bị phân hủy bởi các tác nhân thông thường. Ngoài ra, quá trình clo hóa có thể tạo ra các sản phẩm phụ clo hóa độc hại hơn, gây ra những vấn đề ô nhiễm thứ cấp. Vì vậy, việc tìm kiếm các phương pháp xử lý tiên tiến hơn là vô cùng cần thiết.

2.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả xử lý 2 4 D 2 4 5 T

Hiệu quả của các phương pháp xử lý 2,4-D và xử lý 2,4,5-T phụ thuộc vào nhiều yếu tố, bao gồm nồng độ ban đầu của chất ô nhiễm, thành phần hóa học của nước, pH, nhiệt độ, và sự hiện diện của các chất hữu cơ khác. Các yếu tố này có thể ảnh hưởng đến tốc độ phản ứng, khả năng hấp phụ, và hoạt tính của các vật liệu xúc tác. Do đó, cần phải có những nghiên cứu cụ thể để tối ưu hóa các điều kiện xử lý nước cho từng loại nguồn nước và từng loại chất ô nhiễm.

III. Phương Pháp Hấp Phụ 2 4 D 2 4 5 T Bằng Nano TiO2 58 ký tự

Phương pháp hấp phụ sử dụng vật liệu nano TiO2 là một trong những hướng tiếp cận đầy triển vọng trong việc xử lý 2,4-D và xử lý 2,4,5-T. Nano TiO2 có diện tích bề mặt lớn, khả năng liên kết với các chất ô nhiễm hữu cơ cao, và dễ dàng được điều chỉnh để tăng cường hiệu quả hấp phụ. Quá trình hấp phụ diễn ra bằng cách các phân tử 2,4-D và 2,4,5-T bám dính lên bề mặt TiO2 thông qua các lực tương tác hóa học và vật lý. Tuy nhiên, hiệu quả hấp phụ của TiO2 có thể bị hạn chế bởi tính ưa nước của bề mặt, làm giảm khả năng tiếp xúc với các chất ô nhiễm hữu cơ. Do đó, việc biến tính bề mặt TiO2 bằng các chất hoạt động bề mặt là một giải pháp hiệu quả để cải thiện khả năng hấp phụ.

3.1. Cơ chế hấp phụ 2 4 D và 2 4 5 T trên bề mặt TiO2

Cơ chế hấp phụ 2,4-D và 2,4,5-T trên bề mặt TiO2 rất phức tạp và phụ thuộc vào nhiều yếu tố, bao gồm pH, điện tích bề mặt của TiO2, và cấu trúc hóa học của các chất ô nhiễm. Các lực tương tác chính bao gồm lực Van der Waals, liên kết hydro, và tương tác tĩnh điện. Trong môi trường axit, bề mặt TiO2 mang điện tích dương, thu hút các ion 2,4-D và 2,4,5-T mang điện tích âm. Ngược lại, trong môi trường kiềm, bề mặt TiO2 mang điện tích âm, đẩy các ion 2,4-D và 2,4,5-T, làm giảm khả năng hấp phụ.

3.2. Ảnh hưởng của kích thước và hình dạng nano TiO2

Kích thước và hình dạng của nano TiO2 có ảnh hưởng đáng kể đến hiệu quả hấp phụ. Nano TiO2 có kích thước nhỏ hơn có diện tích bề mặt lớn hơn, cung cấp nhiều vị trí hấp phụ hơn cho các chất ô nhiễm. Hình dạng của nano TiO2 cũng ảnh hưởng đến khả năng tiếp cận của các chất ô nhiễm đến bề mặt. Các hạt TiO2 có hình dạng cầu, que, hoặc tấm có thể có những đặc tính hấp phụ khác nhau. Việc kiểm soát kích thước và hình dạng của nano TiO2 là rất quan trọng để tối ưu hóa hiệu quả hấp phụ.

3.3. Biến tính nano TiO2 để tăng cường khả năng hấp phụ

Để cải thiện khả năng hấp phụ của nano TiO2 đối với 2,4-D và 2,4,5-T, người ta thường sử dụng phương pháp biến tính bề mặt. Một trong những phương pháp phổ biến là sử dụng chất hoạt động bề mặt (CTAB) để tạo ra lớp phủ kỵ nước trên bề mặt TiO2, làm tăng khả năng tiếp xúc với các chất ô nhiễm hữu cơ. Ngoài ra, việc pha tạp các kim loại hoặc oxit kim loại cũng có thể làm thay đổi tính chất bề mặt của TiO2 và cải thiện hiệu quả hấp phụ. Nghiên cứu này tập trung vào biến tính nano TiO2 bằng CTAB để nâng cao khả năng hấp phụ 2,4-D và 2,4,5-T.

IV. Quang Xúc Tác Nano TiO2 Xử Lý 2 4 D và 2 4 5 T 58 ký tự

Quá trình quang xúc tác TiO2 là một phương pháp hiệu quả để phân hủy 2,4-D và 2,4,5-T trong môi trường nước. Khi TiO2 được chiếu xạ bằng ánh sáng tử ngoại (UV) hoặc ánh sáng nhìn thấy, các electron bị kích thích từ vùng hóa trị lên vùng dẫn, tạo ra các cặp electron-lỗ trống. Các lỗ trống này có khả năng oxy hóa trực tiếp các chất ô nhiễm hữu cơ, trong khi các electron có thể khử oxy hòa tan thành các gốc tự do oxy hóa mạnh, giúp phân hủy các chất ô nhiễm. Cơ chế xử lý 2,4-D và cơ chế xử lý 2,4,5-T bằng TiO2 đã được nghiên cứu rộng rãi, cho thấy tiềm năng lớn của phương pháp này trong việc xử lý nước ô nhiễm.

4.1. Cơ chế quang xúc tác của vật liệu TiO2

Cơ chế quang xúc tác của TiO2 bắt đầu bằng việc hấp thụ photon ánh sáng có năng lượng lớn hơn năng lượng vùng cấm của TiO2 (khoảng 3.2 eV cho anatase). Quá trình này tạo ra các cặp electron-lỗ trống (e-/h+). Các electron này di chuyển đến bề mặt TiO2 và tham gia vào các phản ứng khử oxy hòa tan tạo thành các gốc superoxide (O2-). Các lỗ trống cũng di chuyển đến bề mặt và oxy hóa nước hoặc các ion hydroxide (OH-) tạo thành các gốc hydroxyl (·OH), là các tác nhân oxy hóa mạnh mẽ.

4.2. Tối ưu hóa hiệu quả quang xúc tác TiO2

Để tối ưu hóa hiệu quả quang xúc tác của TiO2, người ta thường sử dụng các phương pháp như pha tạp kim loại (ví dụ: Cu, Fe, Ag), biến tính bề mặt, hoặc tạo cấu trúc nano có diện tích bề mặt lớn. Việc pha tạp kim loại có thể mở rộng khả năng hấp thụ ánh sáng của TiO2 sang vùng ánh sáng nhìn thấy, làm tăng hiệu quả quang xúc tác dưới ánh sáng mặt trời. Biến tính bề mặt có thể cải thiện khả năng tiếp xúc của TiO2 với các chất ô nhiễm, trong khi cấu trúc nano giúp tăng diện tích bề mặt và số lượng vị trí phản ứng.

4.3. Ảnh hưởng của các yếu tố môi trường pH nhiệt độ

Các yếu tố môi trường như pH và nhiệt độ có ảnh hưởng đến hiệu quả quang xúc tác của TiO2. pH ảnh hưởng đến điện tích bề mặt của TiO2 và sự tồn tại của các ion 2,4-D và 2,4,5-T trong dung dịch. Nhiệt độ ảnh hưởng đến tốc độ phản ứng và khả năng hấp phụ của các chất ô nhiễm trên bề mặt TiO2. Thông thường, hiệu quả quang xúc tác cao hơn ở nhiệt độ thấp và pH gần trung tính.

V. Nghiên Cứu Vật Liệu Nano TiO2 Biến Tính CTAB 60 ký tự

Một hướng nghiên cứu đầy hứa hẹn là biến tính nano TiO2 bằng chất hoạt động bề mặt Cetyltrimethylammonium bromide (CTAB) để tạo ra vật liệu nano TiO2 cải tiến. CTAB là một chất hoạt động bề mặt cation, có khả năng tạo thành lớp phủ kỵ nước trên bề mặt TiO2, làm tăng khả năng hấp phụ các chất ô nhiễm hữu cơ. Vật liệu CCTN kết hợp ưu điểm của cả nano TiO2 và CTAB, hứa hẹn mang lại hiệu quả cao trong việc xử lý 2,4-D và xử lý 2,4,5-T. Nghiên cứu này tập trung vào việc chế tạo, đặc trưng, và đánh giá khả năng hấp phụ và quang xúc tác của vật liệu CCTN.

5.1. Tổng hợp và đặc trưng vật liệu nano CCTN

Vật liệu CCTN được tổng hợp bằng cách thêm CTAB vào huyền phù nano TiO2 và khuấy đều. Quá trình này tạo ra lớp phủ CTAB trên bề mặt TiO2, làm thay đổi tính chất bề mặt của vật liệu. Vật liệu CCTN sau đó được đặc trưng bằng các phương pháp như nhiễu xạ tia X (XRD), kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM), và phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FTIR) để xác định cấu trúc, kích thước, và thành phần hóa học.

5.2. Đánh giá khả năng hấp phụ của CCTN đối với 2 4 D 2 4 5 T

Khả năng hấp phụ của CCTN đối với 2,4-D và 2,4,5-T được đánh giá thông qua các thí nghiệm hấp phụ đẳng nhiệt và động học. Các thí nghiệm này cho phép xác định lượng chất ô nhiễm được hấp phụ trên bề mặt CCTN ở các nồng độ và thời gian khác nhau. Kết quả thu được được sử dụng để xây dựng các mô hình hấp phụ và động học, giúp hiểu rõ hơn về cơ chế hấp phụ và tối ưu hóa quá trình xử lý nước.

5.3. Ứng dụng nano CCTN kết hợp hấp phụ và quang xúc tác

Vật liệu CCTN có thể được sử dụng để xử lý 2,4-D và 2,4,5-T bằng cả hai phương pháp hấp phụ và quang xúc tác. Đầu tiên, CCTN hấp phụ các chất ô nhiễm trên bề mặt, sau đó các chất này được phân hủy bởi quá trình quang xúc tác dưới tác dụng của ánh sáng. Sự kết hợp của hai phương pháp này có thể mang lại hiệu quả xử lý nước cao hơn so với việc sử dụng từng phương pháp riêng lẻ.

VI. Kết Luận Triển Vọng Vật Liệu Nano TiO2 54 ký tự

Nghiên cứu về xử lý 2,4-D và xử lý 2,4,5-T bằng vật liệu nano TiO2, đặc biệt là nano TiO2 cải tiến như CCTN, mở ra những hướng đi đầy tiềm năng trong việc giải quyết vấn đề ô nhiễm môi trường. Mặc dù vẫn còn nhiều thách thức trong việc ứng dụng các phương pháp này ở quy mô lớn, nhưng những kết quả ban đầu cho thấy rằng nano TiO2 có thể đóng vai trò quan trọng trong việc bảo vệ nguồn nước và sức khỏe cộng đồng. Các nghiên cứu trong tương lai nên tập trung vào việc tối ưu hóa quá trình tổng hợp vật liệu, cải thiện hiệu quả quang xúc tác, và đánh giá tính khả thi về kinh tế của các phương pháp xử lý nước này.

6.1. Tổng kết kết quả nghiên cứu và đóng góp mới

Nghiên cứu này đã thành công trong việc chế tạo và đặc trưng vật liệu CCTN, đánh giá khả năng hấp phụ và quang xúc tác của vật liệu đối với 2,4-D và 2,4,5-T. Kết quả nghiên cứu cho thấy rằng CCTN có hiệu quả cao trong việc loại bỏ các chất ô nhiễm này khỏi môi trường nước. Đóng góp mới của nghiên cứu là việc phát triển một phương pháp biến tính nano TiO2 đơn giản và hiệu quả, mở ra hướng đi mới trong việc xử lý nước ô nhiễm.

6.2. Hướng nghiên cứu tiếp theo và ứng dụng thực tiễn

Các hướng nghiên cứu tiếp theo nên tập trung vào việc tối ưu hóa quá trình tổng hợp CCTN, cải thiện hiệu quả quang xúc tác, và đánh giá khả năng xử lý nước trong điều kiện thực tế. Ngoài ra, cần phải có những nghiên cứu về độc tính và ảnh hưởng của nano TiO2 đến môi trường để đảm bảo tính an toàn của phương pháp xử lý nước này. Ứng dụng thực tiễn của nano TiO2 trong xử lý nước có thể bao gồm việc xây dựng các hệ thống xử lý nước tại chỗ, sử dụng nano TiO2 để làm sạch các nguồn nước bị ô nhiễm, và phát triển các sản phẩm lọc nước gia đình.

6.3. Đánh giá tính khả thi kinh tế của phương pháp nano TiO2

Một yếu tố quan trọng trong việc ứng dụng nano TiO2 vào thực tế là tính khả thi kinh tế của phương pháp này. Cần phải có những nghiên cứu về chi phí sản xuất nano TiO2, chi phí vận hành và bảo trì các hệ thống xử lý nước, và so sánh với các phương pháp xử lý nước khác. Nếu chi phí xử lý nước bằng nano TiO2 thấp hơn hoặc tương đương với các phương pháp truyền thống, thì phương pháp này có thể được ứng dụng rộng rãi trong tương lai.

Trích đoạn nội dung tài liệu

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN Lê Thị Dung 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 LUẬN ÁN TIẾN SĨ HOÁ HỌC Hà Nội - 2024 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN Lê Thị Dung 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 Chuyên ngành: Hoá môi trường Mã số: 9440112.05 LUẬN ÁN TIẾN SĨ HOÁ HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. Phạm Tiến Đức 2. Lê Thanh Sơn Hà Nội - 2024 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận án này là công trình nghiên cứu của riêng tôi dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS.TS Phạm Tiến Đức và GS.TS Lê Thanh Sơn. Các kết quả khoa học của luận án là hoàn toàn trung thực và chưa từng được công bố trong bất kỳ công trình nào khác.

Hà Nội, ngày tháng năm 2024 Tác giả luận án Lê Thị Dung LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, tôi xin bày tỏ sự kính trọng và lòng biết ơn sâu sắc tới PGS.TS Phạm Tiến Đức và GS.TS Lê Thanh Sơn vì sự hướng dẫn quý báu, tận tình của hai Thầy trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu và hoàn thành luận án. Tôi xin chân thành cảm ơn Trường Đại học Khoa học Tự nhiên - Đại học Quốc gia Hà Nội, Khoa Hoá học, Phòng thí nghiệm Hoá Môi trường và bộ môn Hoá Phân tích đã tạo điều kiện thuận lợi về mọi mặt để tôi được học tập và nghiên cứu tốt nhất. Tôi xin trân trọng cảm ơn Đảng uỷ, Thủ trưởng Binh chủng Pháo binh, Đảng uỷ, Ban Giám hiệu Trường Sĩ quan Pháo binh; Lãnh đạo, Chỉ huy Khoa Khoa học Cơ bản đã tin tưởng giao nhiệm vụ cho tôi được học tập nâng cao trình độ nhằm cống hiến nhiều hơn cho sự nghiệp giáo dục và đào tạo trong quân đội. Tôi cũng xin chân thành cảm ơn toàn thể các đồng chí, đồng đội trong Khoa Khoa học cơ bản - Trường Sĩ quan Pháo binh, các thành viên nhóm nghiên cứu đã động viên, giúp đỡ tôi vượt qua khó khăn và chia sẻ những phát hiện thú vị trong quá trình thực hiện luận án.

Cuối cùng, tôi xin được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới gia đình và bạn bè thân thiết đã luôn đồng hành, chia sẻ và giúp đỡ để tôi có thêm nghị lực hoàn thành tốt nhiệm vụ của mình. Tác giả luận án Lê Thị Dung MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN LỜI CẢM ƠN MỤC LỤC. 1 DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT. 5 DANH MỤC HÌNH.

6 DANH MỤC BẢNG. Lý do chọn đề tài. Mục đích của đề tài. Đối tượng và phạm vi nghiên cứ.

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài. Vấn đề ô nhiễm 2,4-D và 2,4,5-T ở Việt Nam. Hợp chất 2,4-D và 2,4,5-T trong môi trường. Nguồn gốc dư lượng 2,4-D và 2,4,5-T tại Việt Nam.

Một số phương pháp xử lý 2,4-D và 2,4,5-T trong môi trường nước. Phương pháp oxi hóa điện hóa. Phương pháp xử lý sinh học. Phương pháp oxi hóa tiên tiến.

Phương pháp hấp phụ. Vật liệu TiO2 ứng dụng trong xử lý các hợp chất ô nhiễm hữu cơ. Tính chất quang xúc tác của vật liệu TiO2. Tính chất bề mặt của vật liệu TiO2.

Nghiên cứu biến tính TiO2 làm vật liệu quang xúc tác. Nghiên cứu biến tính TiO2 làm vật liệu hấp phụ. Hoá chất, dụng cụ và thiết bị. Quy trình chế tạo vật liệu.

Chế tạo vật liệu TiO2. Chế tạo vật liệu CuO/TiO2. Chế tạo vật liệu nano titandioxit biến tính bằng CTAB (CCTN). Các phương pháp nghiên cứu đặc trưng vật liệu.

Phương pháp nhiễu xạ Rơnghen (XRD). Phương pháp phổ hồng ngoại biến đổi (FT-IR). Phương pháp kính hiển vi điện tử truyền qua TEM. Xác định điện tích bề mặt riêng bằng thuyết hấp phụ BET.

Phương pháp đo thế zeta. Phương pháp phổ tán sắc năng lượng tia X (EDX). Phương pháp phổ Raman. Phổ phản xạ khuếch tán tử ngoại khả kiến (UV- Vis - DRS).

Xác định nồng độ CTAB, 2,4-D và 2,4,5-T bằng phương pháp UV-VIS. Xác định nồng độ 2,4-D và 2,4,5-T bằng phương pháp sắc ký lỏng. Thí nghiệm khảo sát hoạt tính quang xúc tác vật liệu nano TiO2, CCTN và CuO/TiO2 xử lý 2,4-D và 2,4,5-T. Thí nghiệm khảo sát khả năng hấp phụ xử lý 2,4-D và 2,4,5-T của CCTN.

Phương pháp xử lý số liệu. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN. Đặc trưng vật liệu nano TiO2 và CuO/TiO2. Phân tích phổ nhiễu xạ tia X (XRD).

Phân tích ảnh TEM. Phổ tán xạ năng lượng tia X - EDX. Phân tích phổ Raman. Phân tích phổ hồng ngoại FT-IR.

Phân tích hấp phụ đẳng nhiệt theo phương pháp BET. Kết quả đo thế zeta của vật liệu. Kết quả phổ phản xạ khuếch tán tử ngoại khả kiến (UV- Vis - DRS). Vật liệu nano TiO2 và CuO/TiO2 xử lý 2,4-D và 2,4,5-T bằng quang xúc tác.

Vật liệu nano TiO2 xử lý 2,4-D bằng quang xúc tác. Vật liệu nano TiO2 xử lý 2,4,5-T bằng quang xúc tác. Vật liệu nano CuO/TiO2 xử lý 2,4,5-T bằng quang xúc tác. Nghiên cứu chế tạo vật liệu CCTN.

Ảnh hưởng của pH đến quá trình chế tạo vật liệu CCTN. Khảo sát ảnh hưởng của lực ion và nồng độ đầu CTAB. Thiết lập các mô hình đẳng nhiệt hấp phụ CTAB trên TiO2. Đặc trưng vật liệu CCTN.

Vật liệu CCTN hấp phụ xử lý 2,4-D và 2,4,5-T. Khả năng hấp phụ xử lý 2,4-D và 2,4,5-T của nano TiO2. Khả năng hấp phụ xử lý 2,4-D và 2,4,5-T của vật liệu CCTN. Ảnh hưởng của lượng vật liệu.

Thời gian cân bằng hấp phụ. Ảnh hưởng của lực ion. So sánh khả năng hấp phụ 2,4-D và 2,4,5-T của CCTN. Mô hình hấp phụ đẳng nhiệt của 2,4-D và 2,4,5-T trên vật liệu CCTN.

Động học hấp phụ 2,4-D và 2,4,5-T trên vật liệu CCTN. Đề xuất cơ chế hấp phụ 2,4-D và 2,4,5-T trên vật liệu CCTN. Vật liệu CCTN xử lý 2,4-D và 2,4,5-T bằng quang xúc tác. Vật liệu CCTN xử lý 2,4-D bằng quang xúc tác.

Vật liệu CCTN xử lý 2,4,5-T bằng quang xúc tác. So sánh hiệu quả xử lý 2,4-D và 2,4,5-T bằng phương pháp hấp phụ và quang xúc tác. Hiệu quả xử lý 2,4-D bằng phương pháp hấp phụ và quang xúc tác. Hiệu quả xử lý 2,4,5-T bằng phương pháp hấp phụ và quang xúc tác.

So sánh hiệu quả xử lý 2,4-D và 2,4,5-T bằng phương pháp hấp phụ và quang xúc tác trên cơ sở vật liệu nano TiO2 biến tính với các vật liệu khác. 141 NHỮNG ĐÓNG GÓP MỚI CỦA LUẬN ÁN…………………………….143 DANH MỤC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ………………………………….144 TÀI LIỆU THAM KHẢO. 145 4 DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT Kí tự Tên tiếng Anh Tên tiếng Việt 2,4-D 2,4- dichlorophenoxyacetic 2,4- dichlorophenoxyacetic 2,4,5-T 2,4,5-trichlorophenoxyaxetic 2,4,5-trichlorophenoxyaxetic ABS Absorbance Độ hấp thụ quang ACN Acetonitrile Acetonitrile BVTV Herbicides Chất bảo vệ thực vật BET Brunauer- Emmett- Teller Brunauer- Emmett- Teller CCTN CTAB coated TiO2 nanoparticles Nano TiO2 biến tính CTAB CMC Critical Micelle Concentration Nồng độ tạo mixen tới hạn CTAB Cetyltrimethylammonium bromide Cetyltrimethylammonium bromide EDX Energy Dispersive X-ray Phổ tán xạ năng lượng tia X spectroscopy Fourier Transform – Infrared Quang phổ hồng ngoại biến đổi FT-IR Spectroscopy Fourier HĐBM Surface Active Agent Chất hoạt động bề mặt HPLC High Performance Liquid Sắc ký lỏng hiệu năng cao Chromatography LOD Limit of Detection Giới hạn phát hiện LOQ Limit of Quantitation Giới hạn định lượng OCPs Organic Chlorinated Pesticides Thuốc trừ sâu cơ clo PDA Photodiode Array Detector Detector mảng quang diode POPs Persistent Organic Pollutants Các hợp chất ô nhiễm hữu cơ khó phân hủy TEM Transmission Electron Microscopy Kính hiển vi điện tử truyền qua UV- VIS Ultraviolet – Visible Phổ hấp thụ phân tử tử ngoại khả kiến WHO World Health Organization Tổ chức y tế Thế giới ZP Zeta potential Thế zeta IARC The International Agency for Cơ quan nghiên cứu ung thư Research on Cancer quốc tế 5 DANH MỤC HÌNH Hình 1. Công thức cấu tạo của 2,4-D.

Công thức cấu tạo của 2,4,5-T. Sơ đồ sản xuất 2,4,5-T và sự tạo thành sản phẩm phụ dioxin. Sơ đồ tạo thành dioxin từ 2,4,5- trichlophenol. Cơ chế quá trình quang hoá trên vật liệu xúc tác quang.

Mô hình hấp phụ Langmuir (a)và Frendlich (b). Đường hấp phụ đẳng nhiệt theo mô hình hai bước hấp phụ. Mô tả quá trình chuyển chất trong quá trình hấp phụ trên vật liệu 29 Hình 1. Cơ chế có thể xảy ra khi hấp phụ glyphosate trên vật liệu nano.

Cấu trúc tinh thể 3 dạng thù hình của TiO 2. Giản đồ miền năng lượng của anatase và rutile. Sự hình thành gốc OH˙ và O 2 - trên bề mặt TiO 2. Mô hình cơ chế hấp phụ nước trên bề mặt TiO 2.

Quá trình tách nước từ hai nhóm hydroxyl trên bề mặt TiO 2. Cơ chế các mức năng lượng của vật liệu TiO2 pha tạp nitơ. Cơ chế các mức năng lượng của vật liệu TiO 2 pha tạp Fe. Cơ chế quá trình tạo H2 bằng xúc tác Cu-TiO2.

Mô hình tạo thành vật liệu lõi - vỏ CuO/TiO 2 (a) và cơ chế quang xúc táctrong phản ứng chuyển hoá glyerol (b). Cơ chế đề xuất quá trình giải phóng H 2 và mô tả quá trình tách và chuyển điện tích trên vật liệu Cu(OH)2/TiO2. Mô tả cấu trúc năng lượng và cơ chế chuyển điện tích .Cơ chế quang xúc tác của CuO/TiO 2 theo hàm lượng đồng. Mô tả cấu trúc mixen theo nồng độ CHĐBM trên bề mặt vật liệu.

Cơ chế hấp phụ 2,4-D và Triclosan trên bề mặt mao quản. Công thức cấu tạo và mô hình phân tử CTAB. Quy trình biến tính MMT bằng CTAB. Sơ đồ quá trình tổng hợp vật liệu nano TiO 2.

Sơ đồ tổng hợp vật liệu CuO/TiO 2. Sơ đồ tổng hợp vật liệu TiO 2 biến tính CTAB (CCTN). Phổ UV-VIS của dung dịch 2,4-D(a) và 2,4,5-T(b). Thiết bị UV-1650PC, Shimadzu, Nhật Bản.

Thiết bị UPLC-MS/MS (a) và HPLC- PDA (b). Giản đồ XRD của vật liệu nano TiO 2 và CuO/TiO 2 (a). Ảnh TEM của vật liệu TiO 2 ở thang 100 nm (a) và 10 nm (b). Phổ EDX của vật liệu nano TiO 2 (a) và CuO/TiO 2 (b).

Ảnh EDX mapping CuO/TiO 2. Phổ Raman của nano TiO 2 và CuO/TiO 2 (a). Phổ FT-IR vật liệu nano TiO 2 và CuO/TiO 2. Đường đẳng nhiệt hấp phụ và phân bố mao quản của vật liệu.

Thế zeta của vật liệu nano TiO 2 và CuO/TiO 2 ở các pH khác nhau 80 Hình 3.