NGHIÊN CỨU XU LY 2,4-D VÀ 2,4,5-T TRONG MOI TRƯỜNG NƯỚC BANG HE VAT LIEU HAP PHU, QUANG XÚC TÁC NANO TiO: BIEN TÍNH

• Tác giả: Lê Thị Dung
• Người hướng dẫn: PTS. Phạm Tiến Đức
• Trường học: Đại học Quốc gia Hà Nội - Trường Đại học Khoa học Tự nhiên
• Chuyên ngành: Hóa 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. CHƯƠNG 1: VẤN ĐỀ Ô NHIỄM 2,4-D VÀ 2,4,5-T Ở VIỆT NAM
• 1.1. 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
• 1.2. Một số phương pháp xử lý 2,4-D và 2,4,5-T trong môi trường nước. Phương pháp oxi hóa điện hóa
• 1.3. 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
• 1.4. Quy trình chế tạo vật liệu. 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 Ronghen (XRD)
• 1.5. Phương pháp phổ hồng ngoại biến đổi (FT-IR)
• 1.6. Phương pháp kính hiển vi điện tử truyền qua TEM. Xác định diện 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
• 1.7. 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. 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
• 2. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 2.1. Đặc trưng vật liệu nano TiO2 và CuO/TiO2
• 2.2. Phân tích phổ nhiễu xạ tia X (XRD). Phân tích ảnh TEM
• 2.3. Phổ tán xạ năng lượng tia X - EDX. Phân tích phổ Raman. Phân tích phổ hồng ngoại FT-IR. Phân tích hấp phụ đăng 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)
• 2.4. Vật liệu nano TiO2 và CuO/TiO2 xử lý 2,4-D và 2,4,5-T bằng quang xúc tác
• 2.5. Vật liệu nano TiO2 xử lý 2,4-D bằng quang xúc tác
• 2.6. Vật liệu nano TiO2 xử lý 2,4,5-T bằng quang xúc tác
• 2.7. Vật liệu nano CuO/TiO2 xử lý 2,4,5-T bằng quang xúc tác
• 2.8. 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 đăng nhiệt hấp phụ CTAB trên TiO2
• 2.9. Đặc trưng vật liệu CCTN
• 2.10. Vật liệu CCTN hấp phụ xử lý 2,4-D và 2,4,5-T
• 2.11. Khả năng hấp phụ xử lý 2,4-D và 2,4,5-T của nano TiO2
• 2.12. Khả năng hấp phụ xử lý 2,4-D và 2,4,5-T của vật liệu CCTN
• 2.13. Ảnh hưởng của pH. Thời gian cân bằng hấp phụ. So sánh khả năng hấp phụ 2,4-D và 2,4,5-T của CCTN. Mô hình hấp phụ đăng 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
• 2.14. Vật liệu CCTN xử lý 2,4-D và 2,4,5-T bằng quang xúc tác
• 2.15. Vật liệu CCTN xử lý 2,4-D bằng quang xúc tác
• 2.16. Vật liệu CCTN xử lý 2,4,5-T bằng quang xúc tác
• 2.17. So sánh hiệu quả xử lý 2,4-D và 2,4,5-T bằng phương pháp hấp phụ và quang xúc tác
• 2.18. Hiệu quả xử lý 2,4-D bằng phương pháp hấp phụ và quang xúc tác
• 2.19. Hiệu quả xử lý 2,4,5-T bằng phương pháp hấp phụ và quang xúc tác
• 2.20. 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
• 3. NHỮNG ĐÓNG GÓP MỚI CỦA LUẬN ÁN
• DANH MỤC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• PHỤ LỤC

I. Tổng Quan Nghiên Cứu Xử Lý 2 4 D và 2 4 5 T Giải Pháp

Ô nhiễm môi trường, đặc biệt là ô nhiễm nguồn nước, đang là vấn đề cấp bách toàn cầu. Các hợp chất 2,4-D và 2,4,5-T, mặc dù có vai trò quan trọng trong nông nghiệp, lại gây ra những tác động tiêu cực đến môi trường và sức khỏe con người. Nhiều quốc gia đã cam kết hạn chế hoặc ngừng sử dụng các hợp chất này do lo ngại về độc tính. Tuy nhiên, dư lượng của chúng vẫn tồn tại ở mức cao trong môi trường. Nghiên cứu này tập trung vào việc tìm kiếm các giải pháp hiệu quả để xử lý 2,4-D và 2,4,5-T trong nước, sử dụng vật liệu hấp phụ và quang xúc tác nano TiO2 biến tính. Phương pháp quang xúc tác được đánh giá cao vì tính "hóa học xanh", còn hấp phụ nổi bật với tính an toàn và hiệu quả ngay cả ở nồng độ ô nhiễm thấp. Việc ứng dụng công nghệ nano hứa hẹn mang lại những đột phá trong lĩnh vực này, giúp bảo vệ nguồn nước và sức khỏe cộng đồng. Chương trình Môi trường Liên hợp quốc UNEP cảnh báo ô nhiễm môi trường là một trong những vấn đề cấp bách nhất mà nhân loại phải đối diện trong thế kỷ 21. Theo Tổ chức Y tế thế giới WHO, ô nhiễm môi trường là mối đe dọa nghiêm trọng đến sự sống của con người trong tương lai, là nguyên nhân gây tử vong nhiều hơn cả chiến tranh, xung đột.

1.1. Tác động của 2 4 D và 2 4 5 T tới Môi Trường Nước

2,4-D và 2,4,5-T có độc tính cao và 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 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. Điều này gây ảnh hưởng đến đa dạng sinh học và sức khỏe con người khi sử dụng nguồn nước ô nhiễm. Việc xử lý triệt để các hợp chất này là vô cùng quan trọng.

1.2. Ưu điểm của phương pháp Hấp Phụ và Quang Xúc Tác Nano

Phương pháp xúc tác quang hóa có những ưu điểm chính 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). Trong khi đó, ưu điểm của phương pháp hấp phụ là tính an toàn, độ chọn lọc tốt, và hiệu quả cao với các chất ô nhiễm dù ở nồng độ rất thấp. Vat liệu xúc tác trên cơ sở titan dioxit (TiO2) đã và đang được nghiên cứu rộng rãi do khả năng thương mại hoá cao, an toàn với môi trường và bền vững hóa học.

II. Thách Thức Xử Lý 2 4 D và 2 4 5 T Vật Liệu TiO2

Mặc dù phương pháp quang xúc tác sử dụng TiO2 mang lại nhiều tiềm năng, vẫn còn những thách thức cần vượt qua. Năng lượng vùng cấm của nano TiO2 tương đối cao, đòi hỏi năng lượng kích thích lớn. Do đó, việc biến tính TiO2 là cần thiết để tăng hiệu quả xử lý nước và khả năng hấp phụ. Các nghiên cứu tập trung vào việc pha tạp kim loại chuyển tiếp hoặc sử dụng chất hoạt động bề mặt để thay đổi đặc tính bề mặt của TiO2. Hiện nay, chưa có nhiều nghiên cứu công bố về việc biến tính TiO2 bằng chất hoạt động bề mặt và ứng dụng trong xử lý 2,4-D và 2,4,5-T. Do vậy, biến tính nano TiO2 bằng chat hoạt động bề mặt mang điện dương Cetyltrimethylammonium bromide (CTAB) tạo thành hệ vật liệu mới nano TiO2 biến tính CTAB (CCTN) nhằm ứng dụng xử lý hợp chất 2,4-D va 2,4,5-T trong môi trường nước là hướng nghiên cứu còn rất mới và có nhiều tiềm năng.

2.1. Giới Hạn về Năng Lượng Vùng Cấm của Vật Liệu Nano TiO2

Nhược điểm của vật liệu nano TiO2 với vai trò xúc tác quang hoá chính là năng lượng vùng cấm tương đối cao (3,2 eV). Chính vì thế, nhiều nghiên cứu phát trién các phương pháp khác nhau nhăm biến tính TiO2 bang cách pha tap kim loại chuyền 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. Điều này hạn chế khả năng hấp thụ ánh sáng mặt trời và giảm hiệu quả xúc tác.

2.2. Nghiên Cứu Biến Tính TiO2 Hướng Đi Mới và Tiềm Năng Ứng Dụng

Bên cạnh đó, 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 thé gia tăng khả năng hấp phụ chất hữu co ưa nước và hoạt tính quang hoá của vật liệu TiO2. Hiện nay, tại Việt Nam cũng như trên thế giới chưa có nghiên cứu công bồ về biến tính vật liệu TiO2 bang chất hoạt động bề mặt và ứng dụng xử lý 2,4-D và 2,4,5-T.

III. Phương Pháp Chế Tạo Vật Liệu CuO TiO2 và CCTN Hiệu Quả

Luận án tập trung vào chế tạo và đặc trưng các vật liệu nano TiO2, CuO/TiO2 và CCTN. Vật liệu TiO2 được tạo ra bằng phương pháp sol-gel, CuO/TiO2 bằng phương pháp tẩm ướt, và CCTN thông qua biến tính bề mặt TiO2 bằng CTAB. Việc tối ưu hóa quy trình chế tạo là rất quan trọng để đảm bảo chất lượng và hiệu quả của vật liệu. Các phương pháp đặc trưng vật liệu như XRD, TEM, EDX, FT-IR, BET, và UV-Vis DRS được sử dụng để đánh giá cấu trúc, thành phần, và tính chất quang xúc tác của vật liệu. Quy trình chế tạo vật liệu nano TiO2; Quy trình chế tạo vật liệu CuO/TiO2; Sơ đồ tong hop vật liệu TiO2 biến tinh CTAB (CCTN).

3.1. Quy Trình Tổng Hợp Vật Liệu Nano TiO2 Bằng Phương Pháp Sol Gel

Phương pháp sol-gel là một kỹ thuật hiệu quả để tạo ra vật liệu nano TiO2 với kích thước và hình thái được kiểm soát. Quá trình này bao gồm việc tạo ra một sol (dung dịch keo) từ các tiền chất kim loại, sau đó chuyển đổi thành gel và cuối cùng nung để tạo thành TiO2 tinh khiết.

3.2. Quy Trình Biến Tính Bề Mặt Nano TiO2 Bằng CTAB CCTN

CTAB là một chất hoạt động bề mặt mang điện dương, được sử dụng để biến tính bề mặt nano TiO2, tạo thành CCTN. Quá trình này giúp cải thiện khả năng hấp phụ của TiO2 đối với các chất ô nhiễm hữu cơ như 2,4-D và 2,4,5-T. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình biến tính, như pH và nồng độ CTAB, cần được tối ưu hóa.

IV. Cơ Chế Hấp Phụ 2 4 D 2 4 5 T Trên CCTN Đề Xuất Chi Tiết

Luận án tập trung vào nghiên cứu cơ chế hấp phụ của 2,4-D và 2,4,5-T trên vật liệu CCTN. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hấp phụ, như pH, lực ion, và nồng độ chất ô nhiễm, được khảo sát. Các mô hình đẳng nhiệt hấp phụ (Langmuir, Freundlich) được sử dụng để mô tả quá trình hấp phụ. Động học hấp phụ cũng được nghiên cứu để hiểu rõ hơn về tốc độ và cơ chế hấp phụ. Trên cơ sở đó, cơ chế hấp phụ của 2,4-D và 2,4,5-T trên CCTN được đề xuất. Mô tả quá trình hấp phụ 2,4-D và 2,4,5-T trên CCTN.

4.1. Ảnh Hưởng của pH và Lực Ion đến Khả Năng Hấp Phụ

pH và lực ion là hai yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến quá trình hấp phụ của 2,4-D và 2,4,5-T trên CCTN. Thay đổi pH có thể ảnh hưởng đến điện tích bề mặt của CCTN và sự ion hóa của các chất ô nhiễm, từ đó ảnh hưởng đến lực hút tĩnh điện giữa CCTN và các chất ô nhiễm. Lực ion cũng có thể ảnh hưởng đến quá trình hấp phụ bằng cách cạnh tranh với các chất ô nhiễm để liên kết với CCTN.

4.2. Xây Dựng Mô Hình Đẳng Nhiệt Hấp Phụ Langmuir và Freundlich

Mô hình đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir và Freundlich được sử dụng để mô tả mối quan hệ giữa lượng chất ô nhiễm bị hấp phụ trên CCTN và nồng độ chất ô nhiễm trong dung dịch ở trạng thái cân bằng. Các thông số của mô hình, như dung lượng hấp phụ tối đa và hằng số hấp phụ, có thể cung cấp thông tin về khả năng hấp phụ của CCTN đối với 2,4-D và 2,4,5-T.

V. Đánh Giá Hiệu Quả Xử Lý 2 4 D và 2 4 5 T Bằng CCTN So Sánh

Luận án đánh giá hoạt tính quang xúc tác của TiO2, CuO/TiO2 và khả năng hấp phụ và quang xúc tác của CCTN để xử lý 2,4-D và 2,4,5-T trong nước. Hiệu quả xử lý của các vật liệu khác nhau được so sánh. Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả xử lý, như pH, thời gian phản ứng, và cường độ ánh sáng, được khảo sát. Kết quả cho thấy CCTN có tiềm năng ứng dụng cao trong xử lý ô nhiễm nước. Hiệu quả xử lý 2,4-D bằng phương pháp hấp phụ và quang xúc tác.

5.1. So Sánh Hiệu Quả Xúc Tác Quang của TiO2 và CuO TiO2

TiO2 và CuO/TiO2 được so sánh về hiệu quả xúc tác quang trong việc phân hủy 2,4-D và 2,4,5-T. Việc pha tạp CuO vào TiO2 có thể cải thiện khả năng hấp thụ ánh sáng nhìn thấy và tăng hiệu quả xúc tác quang.

5.2. Đánh Giá Ưu Điểm CCTN So Với Phương Pháp Xử Lý Khác

Hiệu quả xử lý của CCTN được so sánh với các phương pháp xử lý khác, như hấp phụ bằng TiO2 thông thường và các phương pháp xử lý truyền thống. Điều này giúp đánh giá ưu điểm của CCTN về hiệu quả, chi phí và tính thân thiện với môi trường.

VI. Kết Luận Triển Vọng Vật Liệu Nano Xử Lý Ô Nhiễm Nước

Nghiên cứu này đã thành công trong việc chế tạo và đặc trưng các vật liệu nano TiO2, CuO/TiO2, và CCTN cho ứng dụng xử lý 2,4-D và 2,4,5-T trong nước. CCTN cho thấy tiềm năng lớn trong việc hấp phụ và quang xúc tác các chất ô nhiễm này. Các kết quả nghiên cứu đóng góp vào việc phát triển các công nghệ xử lý nước hiệu quả và bền vững. Trong tương lai, cần tiếp tục nghiên cứu để tối ưu hóa quy trình chế tạo và ứng dụng CCTN trong thực tế. Những đóng góp mới của luận án.

6.1. Hướng Phát Triển Ứng Dụng CCTN Quy Mô Lớn Trong Tương Lai

Cần tiếp tục nghiên cứu để phát triển các phương pháp sản xuất CCTN quy mô lớn với chi phí thấp. Đồng thời, cần nghiên cứu khả năng tái sử dụng của CCTN và đánh giá ảnh hưởng của các chất ô nhiễm khác trong nước đến hiệu quả xử lý của CCTN.

6.2. Tiềm Năng Mở Rộng Nghiên Cứu sang Các Chất Ô Nhiễm Khác

Các kết quả nghiên cứu về CCTN có thể được mở rộng để nghiên cứu xử lý các chất ô nhiễm khác trong nước, như thuốc trừ sâu, thuốc diệt cỏ, và các hợp chất hữu cơ khó phân hủy. Việc phát triển các vật liệu nano đa chức năng có thể giúp xử lý đồng thời nhiều loại chất ô nhiễm trong nước.