Nghiên cứu tổng hợp xúc tác nano titan đioxit mang trên vật liệu SBA-15 và ứng dụng trong xử lý kháng sinh norfloxacin

• Tác giả: Hà Văn Giang
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Thị Thu Trang
• Trường học: Học viện Khoa học và Công nghệ
• Chuyên ngành: Kỹ thuật môi trường
• Đề tài: Nghiên cứu tổng hợp xúc tác nano titan đioxit mang trên vật liệu mao quản trung bình SBA-15 và ứng dụng trong xử lý kháng sinh Norfloxacin
• Loại tài liệu: luận văn
• Năm xuất bản: 2020
• Địa điểm: Hà Nội

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CÁM ƠN
• MỤC LỤC
• DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT
• DANH MỤC BẢNG
• DANH MỤC HÌNH
• MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU VẬT LIỆU NANO TIO2 TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC
• 1.1. Tình hình nghiên cứu trong nước
• 1.2. Tình hình nghiên cứu ở nước ngoài
• 2. CHƯƠNG 2: NGUYÊN VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 2.1. HÓA CHẤT VÀ THIẾT BỊ
• 2.2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 2.2.1. Phương pháp chế tạo vật liệu
• 2.2.2. Phương pháp đánh giá cấu trúc vật liệu
• 2.2.3. Phương pháp đánh giá hoạt tính quang xúc tác
• 2.2.4. Đánh giá hiệu quả xử lý nước thải chứa kháng sinh Norfloxaxin
• 2.2.5. Phương pháp xử lý số liệu
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 3.1. KẾT QUẢ ĐÁNH GIÁ ĐẶC TRƯNG CẤU TRÚC VẬT LIỆU
• 3.1.1. Nhiễu xạ tia X (XRD)
• 3.1.2. Kết quả phổ hồng ngoại (IR)
• 3.1.3. Kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM)
• 3.1.4. Kết quả diện tích BET
• 3.2. KẾT QUẢ ĐÁNH GIÁ HOẠT TÍNH XÚC TÁC HẤP PHỤ CỦA VẬT LIỆU TIO2/SBA-15 TRONG PHẢN ỨNG PHÂN HỦY NORFLOXACIN
• 3.2.1. Khảo sát thời gian đạt cân bằng hấp phụ
• 3.2.2. Hoạt tính xúc tác hấp phụ của vật liệu TiO2/SBA15
• 3.2.3. Ảnh hưởng của hàm lượng xúc tác TiO2/SBA-15
• 3.2.4. Ảnh hưởng của hàm lượng chất phản ứng
• 3.2.5. Ảnh hưởng của nhiệt độ phản ứng
• 3.2.6. Độ ổn định của xúc tác
• 3.3. ỨNG DỤNG VẬT LIỆU TIO2/SBA15 XỬ LÝ NƯỚC THẢI CHỨA KHÁNG SINH NORFLOXACIN
• KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

I. Tình hình nghiên cứu vật liệu nano TiO2 trong và ngoài nước

Nghiên cứu về xúc tác nano TiO2 đã thu hút sự quan tâm lớn từ các nhà khoa học trong và ngoài nước. Tại Việt Nam, nhiều công trình đã được thực hiện nhằm nâng cao hiệu quả quang xúc tác của TiO2. Các nghiên cứu này chủ yếu tập trung vào việc cải thiện hoạt tính quang xúc tác thông qua việc pha tạp các kim loại và oxit kim loại. Ví dụ, tác giả Đồng Kim Loan đã sử dụng phương pháp sol-gel để chế tạo màng TiO2 có tỷ lệ anatase cao, cho thấy khả năng xử lý hiệu quả chất màu trong nước thải. Tại nước ngoài, TiO2 được sử dụng rộng rãi trong các nghiên cứu về xử lý ô nhiễm nước, với nhiều phương pháp oxy hóa khác nhau được áp dụng. Giri và cộng sự đã nghiên cứu hiệu quả phân hủy dược phẩm bằng các kỹ thuật oxy hóa khác nhau, cho thấy TiO2 có khả năng xử lý tốt các hợp chất hữu cơ. Những nghiên cứu này chứng minh rằng titan đioxit là một trong những chất xúc tác quang hóa hiệu quả nhất hiện nay.

1.1. Tình hình nghiên cứu trong nước

Tại Việt Nam, các nghiên cứu về vật liệu nano TiO2 đã được thực hiện tại nhiều cơ sở nghiên cứu. Các nhà khoa học đã tìm cách nâng cao hiệu quả quang xúc tác của TiO2 thông qua việc pha tạp và biến tính. Nghiên cứu của Nguyễn Việt Cường cho thấy khả năng xử lý phenol lên đến 90% bằng chất xúc tác quang hóa N-TiO2/SiO2. Các nghiên cứu này không chỉ mang tính chất lý thuyết mà còn hướng tới ứng dụng thực tiễn trong xử lý nước thải. Tuy nhiên, các vật liệu này vẫn gặp khó khăn trong việc ứng dụng do chỉ hoạt động hiệu quả trong vùng tử ngoại và khó thu hồi sau phản ứng.

1.2. Tình hình nghiên cứu ở nước ngoài

Nghiên cứu về xúc tác nano TiO2 ở nước ngoài đã đạt được nhiều thành tựu đáng kể. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng TiO2 có khả năng xử lý hiệu quả nhiều loại dược phẩm ô nhiễm trong nước. Các phương pháp oxy hóa nâng cao (AOPs) đã được áp dụng để cải thiện hiệu quả xử lý. Nghiên cứu của Taicheng An cho thấy TiO2 có thể đạt hiệu quả xử lý trên 98% đối với các hợp chất hữu cơ. Những kết quả này khẳng định vị thế của TiO2 trong lĩnh vực xử lý ô nhiễm môi trường.

II. Giới thiệu về vật liệu SBA 15

Vật liệu SBA-15 là một trong những chất mang quan trọng trong nghiên cứu xúc tác nano. Với cấu trúc mao quản đồng đều và diện tích bề mặt lớn, SBA-15 cho phép tăng cường khả năng hấp phụ của titan đioxit. Nghiên cứu cho thấy, việc cố định TiO2 trên SBA-15 không chỉ cải thiện độ phân tán của TiO2 mà còn tăng cường khả năng hoạt hóa các chất ô nhiễm hữu cơ. Diện tích bề mặt riêng của SBA-15 có thể lên tới 1000 m2/g, giúp tăng cường hiệu quả xử lý các hợp chất hữu cơ bền, khó phân hủy. Sự kết hợp giữa TiO2 và SBA-15 tạo ra một hệ xúc tác hấp phụ có khả năng xử lý nước thải chứa kháng sinh như Norfloxacin một cách hiệu quả.

2.1. Đặc điểm cấu trúc của SBA 15

SBA-15 có cấu trúc mao quản trung bình với kích thước lỗ xốp từ 2 đến 30 nm. Cấu trúc này cho phép tăng cường khả năng hấp phụ và hoạt hóa các chất ô nhiễm. Việc sử dụng SBA-15 làm chất mang cho TiO2 giúp cải thiện đáng kể hiệu quả quang xúc tác. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng, việc cố định TiO2 trên SBA-15 không chỉ tăng cường khả năng hấp phụ mà còn tạo ra các liên kết Ti-O-Si thuận lợi cho việc hoạt hóa các chất ô nhiễm hữu cơ.

2.2. Ứng dụng của SBA 15 trong xử lý nước thải

SBA-15 đã được ứng dụng rộng rãi trong xử lý nước thải chứa các hợp chất hữu cơ khó phân hủy. Việc kết hợp SBA-15 với TiO2 tạo ra một hệ xúc tác có khả năng xử lý hiệu quả Norfloxacin trong nước thải. Các nghiên cứu cho thấy, hệ xúc tác TiO2/SBA-15 có thể đạt hiệu quả xử lý cao, đồng thời giảm thiểu ô nhiễm môi trường. Điều này mở ra hướng đi mới trong việc ứng dụng vật liệu nano trong xử lý ô nhiễm nước.

III. Nghiên cứu xử lý Norfloxacin

Norfloxacin là một loại kháng sinh phổ biến, gây ô nhiễm nghiêm trọng trong môi trường nước. Việc xử lý Norfloxacin bằng xúc tác nano TiO2/SBA-15 đã cho thấy hiệu quả cao trong các thí nghiệm. Nghiên cứu đã chỉ ra rằng, thời gian phản ứng, hàm lượng xúc tác và nồng độ chất phản ứng đều ảnh hưởng đến hiệu quả xử lý. Các thí nghiệm cho thấy, với hàm lượng xúc tác tối ưu, hiệu quả xử lý Norfloxacin có thể đạt trên 90%. Điều này chứng tỏ rằng việc sử dụng TiO2/SBA-15 là một giải pháp khả thi trong xử lý nước thải chứa kháng sinh.

3.1. Đánh giá hiệu quả xử lý

Các thí nghiệm đã được thực hiện để đánh giá hiệu quả xử lý Norfloxacin bằng hệ xúc tác TiO2/SBA-15. Kết quả cho thấy, hệ xúc tác này có khả năng phân hủy Norfloxacin hiệu quả, với thời gian phản ứng ngắn và hàm lượng xúc tác tối ưu. Việc sử dụng TiO2/SBA-15 không chỉ giúp xử lý hiệu quả mà còn giảm thiểu ô nhiễm môi trường, góp phần bảo vệ sức khỏe cộng đồng.

3.2. Ứng dụng thực tiễn

Việc ứng dụng TiO2/SBA-15 trong xử lý nước thải chứa Norfloxacin không chỉ mang lại hiệu quả cao mà còn có tính khả thi trong thực tiễn. Hệ xúc tác này có thể được áp dụng trong các nhà máy xử lý nước thải, giúp giảm thiểu ô nhiễm và bảo vệ môi trường. Nghiên cứu này mở ra hướng đi mới trong việc ứng dụng công nghệ nano trong xử lý ô nhiễm nước, đồng thời khẳng định vai trò quan trọng của titan đioxit trong lĩnh vực này.

Tổng quan nghiên cứu

Ô nhiễm nguồn nước do các hợp chất dược phẩm, đặc biệt là kháng sinh, đang trở thành vấn đề môi trường nghiêm trọng tại Việt Nam và trên thế giới. Theo ước tính, nồng độ kháng sinh Norfloxacin trong nước thải có thể đạt tới 3,54 µg/l, gây ra tác động tiêu cực đến hệ sinh thái và sức khỏe cộng đồng. Norfloxacin là một kháng sinh nhóm Fluoroquinolone được sử dụng rộng rãi trong điều trị các bệnh nhiễm trùng, tuy nhiên, do khả năng phân hủy sinh học kém, nó tồn tại lâu dài trong môi trường nước, dẫn đến nguy cơ phát triển vi khuẩn kháng thuốc. Mục tiêu nghiên cứu là tổng hợp và đánh giá hiệu quả xúc tác nano Titan đioxit (TiO2) cố định trên vật liệu mao quản trung bình SBA-15 trong xử lý nước thải chứa Norfloxacin. Nghiên cứu được thực hiện tại Việt Nam trong giai đoạn 2019-2020, tập trung vào việc nâng cao hoạt tính quang xúc tác và khả năng hấp phụ của vật liệu TiO2/SBA-15 nhằm cải thiện hiệu quả xử lý kháng sinh trong nước thải. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển công nghệ xử lý nước thải dược phẩm, góp phần bảo vệ môi trường và sức khỏe cộng đồng, đồng thời mở rộng ứng dụng của vật liệu nano TiO2 trong lĩnh vực kỹ thuật môi trường.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên hai lý thuyết chính: lý thuyết quang xúc tác bán dẫn và cấu trúc vật liệu mao quản trung bình. Lý thuyết quang xúc tác mô tả quá trình kích hoạt TiO2 dưới tác dụng của ánh sáng tử ngoại, tạo ra các cặp electron (e⁻) và lỗ trống (h⁺) có khả năng oxy hóa và khử các chất ô nhiễm hữu cơ như Norfloxacin. Cơ chế quang xúc tác bao gồm sự hấp thụ photon, tạo cặp e⁻/h⁺, phản ứng oxy hóa khử trên bề mặt xúc tác và sự tái kết hợp electron-lỗ trống ảnh hưởng đến hiệu suất xúc tác. Vật liệu mao quản trung bình SBA-15 có cấu trúc lục giác với kích thước mao quản đồng đều từ 2 đến 30 nm, diện tích bề mặt riêng lớn (600-1000 m²/g) và độ bền nhiệt cao, tạo điều kiện thuận lợi cho việc cố định TiO2 và tăng diện tích tiếp xúc với chất ô nhiễm. Các khái niệm chính bao gồm: quang xúc tác TiO2, vật liệu mao quản trung bình SBA-15, hấp phụ bề mặt, và phân hủy kháng sinh Norfloxacin.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính được thu thập từ các mẫu vật liệu TiO2/SBA-15 tổng hợp trong phòng thí nghiệm và mẫu nước thải chứa Norfloxacin. Phương pháp tổng hợp vật liệu sử dụng kỹ thuật sol-gel kết hợp với quá trình thủy nhiệt để cố định TiO2 trên SBA-15. Cỡ mẫu vật liệu được chuẩn bị với các tỷ lệ TiO2 khác nhau nhằm khảo sát ảnh hưởng đến hiệu quả xúc tác. Phân tích cấu trúc vật liệu được thực hiện bằng các kỹ thuật hóa lý như nhiễu xạ tia X (XRD), phổ hồng ngoại (IR), kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) và đo diện tích bề mặt BET. Hiệu quả xử lý Norfloxacin được đánh giá qua các thí nghiệm quang xúc tác dưới ánh sáng UV, đo nồng độ Norfloxacin còn lại bằng phổ UV-Vis. Phân tích số liệu sử dụng phương pháp thống kê mô tả và so sánh tỷ lệ phân hủy theo các điều kiện khác nhau như hàm lượng xúc tác, nồng độ chất phản ứng và nhiệt độ. Thời gian nghiên cứu kéo dài khoảng 12 tháng, từ tháng 1/2019 đến tháng 12/2019.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Đặc trưng cấu trúc vật liệu TiO2/SBA-15: Kết quả XRD cho thấy vật liệu có cấu trúc mao quản trung bình với góc quét 2θ từ 0,5 đến 10°, xác định được khoảng cách d100 và độ dày thành mao quản tw theo công thức $tw = a_0 - D_{pore}$. Diện tích bề mặt riêng của vật liệu đạt khoảng 600 m²/g, gấp 4-5 lần so với TiO2 nano thông thường. TEM cho thấy TiO2 phân tán đồng đều trên bề mặt SBA-15 với kích thước hạt nano dưới 10 nm.

2. Hiệu quả xử lý Norfloxacin: Vật liệu TiO2/SBA-15 với hàm lượng TiO2 1,0% đạt hiệu suất phân hủy Norfloxacin lên đến 92% sau 120 phút chiếu sáng UV, cao hơn 30% so với TiO2 không cố định. Tăng hàm lượng xúc tác trên 1,0% không làm tăng đáng kể hiệu quả do hiện tượng kết tụ hạt. Nồng độ Norfloxacin ban đầu ảnh hưởng rõ rệt đến tốc độ phân hủy, với hiệu suất giảm từ 92% xuống còn 75% khi nồng độ tăng từ 10 mg/L lên 30 mg/L.

3. Ảnh hưởng của nhiệt độ và thời gian phản ứng: Nhiệt độ phản ứng tăng từ 25°C lên 40°C làm tăng hiệu quả phân hủy Norfloxacin khoảng 15%, do tăng cường hoạt động xúc tác và vận tốc phản ứng. Thời gian phản ứng kéo dài đến 180 phút giúp đạt hiệu suất phân hủy tối đa trên 95%.

4. Độ ổn định của xúc tác: Sau 5 chu kỳ sử dụng, hiệu suất xử lý Norfloxacin chỉ giảm nhẹ khoảng 5%, chứng tỏ vật liệu TiO2/SBA-15 có độ bền cao và khả năng tái sử dụng tốt trong điều kiện vận hành thực tế.

Thảo luận kết quả

Hiệu quả cao của vật liệu TiO2/SBA-15 trong xử lý Norfloxacin được giải thích bởi sự kết hợp giữa diện tích bề mặt lớn của SBA-15 và hoạt tính quang xúc tác mạnh của TiO2 anatase. Cấu trúc mao quản đồng đều giúp tăng khả năng hấp phụ Norfloxacin lên bề mặt xúc tác, đồng thời giảm thiểu sự tái kết hợp electron-lỗ trống, nâng cao hiệu suất phân hủy. So với các nghiên cứu trước đây sử dụng TiO2 dạng bột hoặc cố định trên các chất mang khác như than hoạt tính, vật liệu TiO2/SBA-15 cho hiệu quả xử lý vượt trội nhờ đặc tính vật liệu mao quản trung bình và liên kết Ti-O-Si bền vững. Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ thể hiện sự biến thiên hiệu suất phân hủy theo thời gian, hàm lượng xúc tác và nhiệt độ, cũng như bảng so sánh hiệu quả giữa các vật liệu xúc tác khác nhau. Kết quả này khẳng định tiềm năng ứng dụng của TiO2/SBA-15 trong xử lý nước thải chứa kháng sinh, góp phần giảm thiểu ô nhiễm môi trường và hạn chế sự phát triển vi khuẩn kháng thuốc.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Tăng cường nghiên cứu tối ưu hóa vật liệu: Thực hiện các thí nghiệm điều chỉnh hàm lượng TiO2 và kích thước mao quản SBA-15 nhằm nâng cao hiệu quả xúc tác, giảm chi phí sản xuất. Thời gian thực hiện trong 12 tháng, do các viện nghiên cứu và trường đại học chuyên ngành kỹ thuật môi trường đảm nhiệm.

2. Phát triển quy trình công nghiệp hóa: Xây dựng quy trình tổng hợp vật liệu TiO2/SBA-15 quy mô lớn, đảm bảo tính đồng nhất và ổn định của xúc tác trong vận hành thực tế. Mục tiêu giảm chi phí sản xuất ít nhất 20% trong vòng 2 năm, phối hợp với các doanh nghiệp công nghệ môi trường.

3. Ứng dụng thử nghiệm trong xử lý nước thải y tế: Triển khai thí điểm xử lý nước thải chứa Norfloxacin tại các bệnh viện và cơ sở y tế, đánh giá hiệu quả xử lý và khả năng tái sử dụng xúc tác. Thời gian thực hiện 6-12 tháng, do các trung tâm xử lý nước thải và viện nghiên cứu môi trường thực hiện.

4. Đào tạo và chuyển giao công nghệ: Tổ chức các khóa đào tạo kỹ thuật cho cán bộ vận hành và kỹ sư môi trường về công nghệ quang xúc tác TiO2/SBA-15, đồng thời xây dựng tài liệu hướng dẫn vận hành. Thời gian 6 tháng, do các trường đại học và viện nghiên cứu phối hợp thực hiện.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Nhà nghiên cứu và giảng viên kỹ thuật môi trường: Nghiên cứu sâu về vật liệu quang xúc tác, phát triển công nghệ xử lý nước thải dược phẩm, ứng dụng các kỹ thuật phân tích vật liệu nano.

2. Chuyên gia và kỹ sư vận hành hệ thống xử lý nước thải: Áp dụng vật liệu TiO2/SBA-15 trong thiết kế và vận hành các hệ thống xử lý nước thải y tế, công nghiệp có chứa kháng sinh.

3. Doanh nghiệp công nghệ môi trường: Phát triển sản phẩm xúc tác quang TiO2/SBA-15, mở rộng thị trường xử lý nước thải dược phẩm, nâng cao hiệu quả và giảm chi phí vận hành.

4. Cơ quan quản lý môi trường và chính sách: Đánh giá hiệu quả công nghệ mới trong xử lý ô nhiễm nước thải, xây dựng tiêu chuẩn và quy định liên quan đến xử lý kháng sinh trong nước thải.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao chọn vật liệu SBA-15 làm chất mang cho TiO2?
   SBA-15 có diện tích bề mặt lớn (600-1000 m²/g), kích thước mao quản đồng đều (2-30 nm) và độ bền nhiệt cao, giúp tăng khả năng phân tán TiO2, nâng cao hiệu quả hấp phụ và xúc tác quang, đồng thời cải thiện độ ổn định của xúc tác trong quá trình xử lý.

2. Hiệu quả xử lý Norfloxacin bằng TiO2/SBA-15 so với TiO2 thông thường như thế nào?
   Vật liệu TiO2/SBA-15 đạt hiệu suất phân hủy Norfloxacin lên đến 92% sau 120 phút, cao hơn khoảng 30% so với TiO2 nano không cố định do diện tích bề mặt lớn và khả năng hấp phụ tốt hơn.

3. Các yếu tố nào ảnh hưởng đến hiệu quả quang xúc tác của TiO2/SBA-15?
   Hàm lượng TiO2, nồng độ Norfloxacin, nhiệt độ phản ứng và thời gian chiếu sáng là các yếu tố chính. Tối ưu hàm lượng TiO2 khoảng 1,0% và nhiệt độ 35-40°C giúp đạt hiệu quả cao nhất.

4. Vật liệu TiO2/SBA-15 có thể tái sử dụng bao nhiêu lần?
   Nghiên cứu cho thấy sau 5 chu kỳ sử dụng, hiệu suất chỉ giảm khoảng 5%, chứng tỏ vật liệu có độ bền cao và khả năng tái sử dụng tốt trong điều kiện vận hành thực tế.

5. Công nghệ này có thể áp dụng trong quy mô công nghiệp không?
   Vật liệu TiO2/SBA-15 có tiềm năng ứng dụng quy mô công nghiệp nhờ khả năng tổng hợp quy mô lớn, hiệu quả xử lý cao và độ bền tốt. Tuy nhiên, cần phát triển quy trình công nghiệp hóa và thử nghiệm thực tế tại các nhà máy xử lý nước thải.

Kết luận

• Đã tổng hợp thành công vật liệu xúc tác nano TiO2 cố định trên vật liệu mao quản trung bình SBA-15 với diện tích bề mặt lớn và cấu trúc đồng đều.
• Vật liệu TiO2/SBA-15 thể hiện hiệu quả quang xúc tác cao trong phân hủy kháng sinh Norfloxacin, đạt trên 90% sau 120 phút chiếu sáng UV.
• Các yếu tố như hàm lượng xúc tác, nồng độ chất phản ứng và nhiệt độ ảnh hưởng rõ rệt đến hiệu suất xử lý.
• Vật liệu có độ ổn định cao, khả năng tái sử dụng tốt sau nhiều chu kỳ vận hành.
• Đề xuất phát triển quy trình công nghiệp hóa và ứng dụng thử nghiệm trong xử lý nước thải y tế, đồng thời đào tạo chuyển giao công nghệ cho các đơn vị liên quan.

Tiếp theo, nghiên cứu sẽ tập trung vào tối ưu hóa vật liệu và mở rộng ứng dụng xử lý các loại kháng sinh khác trong môi trường thực tế. Đề nghị các nhà nghiên cứu, doanh nghiệp và cơ quan quản lý quan tâm phối hợp triển khai để nâng cao hiệu quả xử lý ô nhiễm dược phẩm trong nước thải.