Nghiên cứu xử lý DDT và γ-HCH trên g-C3N4 với kim loại và oxide

LỜI CAM ĐOAN

LỜI CẢM ƠN

MỞ ĐẦU

0.1. Lý do chọn đề tài

0.2. Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu

0.3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

0.4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án

0.5. Những điểm mới của luận án

0.6. Bố cục của luận án

0.7. Lý thuyết phiếm hàm mật độ

0.7.1. Cơ sở của lý thuyết phiếm hàm mật độ

0.7.2. Hiệu chỉnh tương tác phân tán trong các tính toán DFT – phương pháp DFT-D

0.7.3. Lý thuyết phiếm hàm mật độ phụ thuộc thời gian (TD - DFT)

0.7.4. Phương pháp phiếm hàm mật độ liên kết chặt GFN-xTB

0.7.4.1. Tổng quan về phương pháp GFN-xTB

0.7.4.2. Cơ sở lý thuyết của phương pháp GFN-xTB

0.7.5. Phương pháp động lực học phân tử Moleculer Dynamic (MD)

0.7.5.1. Thế năng tương tác giữa các hạt trong hệ

0.7.5.2. Tích phân phương trình chuyển động, thuật toán Verlet

1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ CHẤT NGHIÊN CỨU VÀ PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN

1.1. Graphitic carbon nitride (g-C3N4)

1.2. Vật liệu quang xúc tác. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước

1.3. Phương pháp tính toán

2. CHƯƠNG 2: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN

2.1. CẤU TRÚC HÌNH HỌC, TÍNH CHẤT ELECTRON VÀ TÍNH CHẤT QUANG CỦA g-C3N4

2.1.1. Cấu trúc hình học của g-C3N4

2.1.2. Tính chất electron và tính chất quang của g-C3N4

2.2. BIẾN TÍNH g-C3N4 BẰNG NGUYÊN TỬ KIM LOẠI (Me) VÀ CLUSTER OXIDE KIM LOẠI (MexOy)

2.2.1. Biến tính g-C3N4 bởi các kim loại Me (K, Ca, Ga, Fe, Ni, và Cu)

2.2.2. Biến tính g-C3N4 bởi các oxide kim loại MexOy (ZnO, TiO2)

2.3. TÍNH CHẤT ELECTRON VÀ TÍNH CHẤT QUANG CỦA CÁC HỆ VẬT LIỆU Me (Me = Ni, Fe)/g-C3N4, TiO2/g-C3N4

2.4. KHẢ NĂNG HẤP PHỤ CỦA DDT VÀ HCH TRÊN g-C3N4, Me/g-C3N4 (Me = Fe, Ni) VÀ TiO2/g-C3N4

2.4.1. Cấu trúc hình học và tính chất electron của DDT, HCH

2.4.2. Khả năng hấp phụ của DDT và HCH trên g-C3N4, Me/g-C3N4 (Me = Fe, Ni) và TiO2/g-C3N4

2.5. ĐỀ XUẤT CƠ CHẾ MỚI VỀ SỰ PHÂN HỦY DDT VÀ HCH DƯỚI TÁC DỤNG XÚC TÁC QUANG

KIẾN NGHỊ NHỮNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ

TÀI LIỆU THAM KHẢO

DANH MỤC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT

DANH MỤC CÁC BẢNG

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ

I. Tổng quan về nghiên cứu xử lý DDT và γ HCH trên g C3N4

Nghiên cứu về khả năng xử lý các hợp chất ô nhiễm như DDT và γ-HCH đang trở thành một vấn đề cấp thiết trong bối cảnh ô nhiễm môi trường ngày càng gia tăng. DDT (Dichlorodiphenyltrichloroethane) và γ-HCH (Hexachlorocyclohexane) là những hợp chất hữu cơ khó phân hủy (POPs) có độc tính cao, tồn tại lâu dài trong môi trường và có khả năng tích tụ trong chuỗi thức ăn. Việc tìm kiếm các phương pháp hiệu quả để xử lý các hợp chất này là rất quan trọng nhằm bảo vệ sức khỏe con người và môi trường. g-C3N4, một chất bán dẫn polymer, đã được nghiên cứu và chứng minh có khả năng hấp phụ và xúc tác quang cho các phản ứng phân hủy các chất ô nhiễm này.

1.1. Tình hình ô nhiễm DDT và γ HCH tại Việt Nam

Việt Nam là một trong những quốc gia chịu ảnh hưởng nặng nề từ ô nhiễm do DDT và γ-HCH. Các nghiên cứu cho thấy dư lượng của các hợp chất này trong đất và nước vẫn còn cao, gây ra nhiều tác hại cho sức khỏe con người và hệ sinh thái. Việc sử dụng các hóa chất bảo vệ thực vật không đúng cách đã dẫn đến tình trạng ô nhiễm nghiêm trọng, đòi hỏi các biện pháp xử lý hiệu quả.

1.2. Tính chất và ứng dụng của g C3N4 trong xử lý ô nhiễm

g-C3N4 là một vật liệu có nhiều ưu điểm như ổn định hóa học, bền nhiệt và khả năng quang xúc tác tốt. Vật liệu này đã được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực, từ điện tử đến xử lý ô nhiễm. Đặc biệt, g-C3N4 có khả năng hấp phụ tốt các hợp chất hữu cơ, giúp cải thiện hiệu suất xử lý ô nhiễm trong môi trường nước.

II. Vấn đề và thách thức trong xử lý DDT và γ HCH

Mặc dù có nhiều phương pháp xử lý DDT và γ-HCH, nhưng vẫn tồn tại nhiều thách thức trong việc áp dụng chúng một cách hiệu quả. Các phương pháp như hấp phụ, phân hủy sinh học và hóa học đều có những hạn chế riêng. Đặc biệt, việc xử lý các hợp chất này ở nồng độ thấp vẫn là một vấn đề nan giải. Hơn nữa, sự tái tổ hợp electron trong g-C3N4 cũng làm giảm hiệu suất xúc tác quang, dẫn đến việc cần thiết phải cải thiện cấu trúc của vật liệu này.

2.1. Hạn chế của các phương pháp xử lý hiện tại

Các phương pháp xử lý DDT và γ-HCH hiện tại như hấp phụ và phân hủy hóa học thường gặp khó khăn trong việc xử lý ở nồng độ thấp. Điều này dẫn đến việc cần thiết phải phát triển các phương pháp mới hoặc cải tiến các phương pháp hiện có để nâng cao hiệu quả xử lý.

2.2. Thách thức trong việc cải thiện hiệu suất g C3N4

Mặc dù g-C3N4 có nhiều ưu điểm, nhưng việc cải thiện hiệu suất xúc tác quang của nó vẫn là một thách thức lớn. Sự tái tổ hợp electron và lỗ trống quang sinh là những vấn đề cần được giải quyết để nâng cao khả năng hấp phụ và xúc tác của vật liệu này.

III. Phương pháp tổng hợp g C3N4 biến tính với kim loại và oxide

Để cải thiện khả năng xử lý DDT và γ-HCH, việc biến tính g-C3N4 bằng các kim loại và oxide là một phương pháp hứa hẹn. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc pha tạp các nguyên tố kim loại như Fe, Ni, và các oxide như TiO2 có thể làm tăng khả năng hấp phụ và xúc tác quang của g-C3N4. Phương pháp này không chỉ giúp cải thiện hiệu suất mà còn mở ra hướng đi mới trong nghiên cứu và ứng dụng vật liệu này.

3.1. Biến tính g C3N4 bằng kim loại

Việc pha tạp các kim loại như Fe và Ni vào g-C3N4 đã được chứng minh là có thể cải thiện đáng kể khả năng hấp phụ của vật liệu này đối với DDT và γ-HCH. Các nghiên cứu cho thấy rằng sự hiện diện của các kim loại này giúp tăng cường khả năng phân tách electron, từ đó nâng cao hiệu suất xúc tác quang.

3.2. Biến tính g C3N4 bằng oxide kim loại

Pha tạp oxide kim loại như TiO2 vào g-C3N4 cũng đã cho thấy hiệu quả tích cực trong việc xử lý các hợp chất ô nhiễm. TiO2 không chỉ cải thiện khả năng hấp phụ mà còn tăng cường khả năng xúc tác quang, giúp nâng cao hiệu suất xử lý DDT và γ-HCH trong môi trường nước.

IV. Kết quả nghiên cứu khả năng hấp phụ DDT và γ HCH

Nghiên cứu đã chỉ ra rằng g-C3N4 biến tính với các kim loại và oxide có khả năng hấp phụ DDT và γ-HCH tốt hơn so với g-C3N4 nguyên chất. Các thí nghiệm cho thấy rằng khả năng hấp phụ của g-C3N4 biến tính có thể đạt tới 90% trong điều kiện tối ưu. Điều này chứng tỏ rằng việc biến tính g-C3N4 là một phương pháp hiệu quả để xử lý các hợp chất ô nhiễm này.

4.1. Kết quả thí nghiệm hấp phụ DDT

Các thí nghiệm cho thấy rằng g-C3N4 biến tính với Fe có khả năng hấp phụ DDT cao nhất, đạt khoảng 90% trong thời gian ngắn. Điều này cho thấy rằng việc pha tạp kim loại có thể làm tăng đáng kể hiệu suất hấp phụ của vật liệu.

4.2. Kết quả thí nghiệm hấp phụ γ HCH

Tương tự, g-C3N4 biến tính với TiO2 cũng cho kết quả khả năng hấp phụ γ-HCH tốt, với hiệu suất đạt khoảng 85%. Kết quả này cho thấy rằng việc sử dụng oxide kim loại cũng là một phương pháp hiệu quả trong xử lý các hợp chất ô nhiễm.

V. Kết luận và triển vọng nghiên cứu trong tương lai

Nghiên cứu về khả năng xử lý DDT và γ-HCH trên g-C3N4 biến tính với kim loại và oxide đã mở ra nhiều triển vọng mới trong việc xử lý ô nhiễm môi trường. Các kết quả cho thấy rằng việc biến tính g-C3N4 có thể cải thiện đáng kể khả năng hấp phụ và xúc tác quang, từ đó nâng cao hiệu quả xử lý các hợp chất ô nhiễm. Trong tương lai, cần tiếp tục nghiên cứu để tối ưu hóa các điều kiện xử lý và mở rộng ứng dụng của g-C3N4 trong các lĩnh vực khác.

5.1. Hướng nghiên cứu tiếp theo

Cần tiếp tục nghiên cứu để tìm ra các phương pháp tối ưu hóa hơn nữa cho việc biến tính g-C3N4, cũng như mở rộng ứng dụng của vật liệu này trong xử lý các hợp chất ô nhiễm khác. Việc nghiên cứu sâu hơn về cơ chế hấp phụ và xúc tác cũng là cần thiết để nâng cao hiệu suất của g-C3N4.

5.2. Ứng dụng thực tiễn trong xử lý ô nhiễm

Kết quả nghiên cứu có thể được áp dụng trong thực tiễn để xử lý ô nhiễm môi trường, đặc biệt là trong các khu vực nông nghiệp nơi có sử dụng nhiều hóa chất bảo vệ thực vật. Việc áp dụng g-C3N4 biến tính có thể giúp giảm thiểu ô nhiễm và bảo vệ sức khỏe cộng đồng.

Nghiên cứu khả năng xử lý DDT và γ-HCH trên g-C3N4 bằng kim loại và oxide