Tổng quan nghiên cứu

Ô nhiễm môi trường do hóa chất bảo vệ thực vật (BVTV) là vấn đề nghiêm trọng tại Việt Nam, đặc biệt trong bối cảnh nông nghiệp phát triển mạnh mẽ. Theo số liệu của Cục BVTV, lượng thuốc BVTV sử dụng tăng từ 6,5-9 ngàn tấn giai đoạn 1981-1986 lên đến 36-75,8 ngàn tấn trong giai đoạn 2001-2010, tương đương mức tăng khoảng 8 lần trong gần 30 năm. Hàm lượng hoạt chất tính theo đầu diện tích canh tác cũng tăng từ 0,3 kg/ha lên 1,24-2,54 kg/ha trong cùng giai đoạn. Việc sử dụng quá mức thuốc BVTV dẫn đến ô nhiễm đất, nước và không khí, ảnh hưởng tiêu cực đến hệ sinh thái và sức khỏe con người, gây ra các bệnh lý như suy giảm miễn dịch, độc thần kinh và rối loạn hô hấp.

Trong đó, diazinon là một loại thuốc trừ sâu phổ biến, có độc tính cao đối với thủy sinh vật và con người, với LD50 cấp tính qua đường miệng ở chuột cống là 1160-1340 mg/kg và LC50 đối với cá nước ngọt dao động từ 90 đến 7800 µg/L. Diazinon tồn tại lâu trong môi trường và khó phân hủy, gây ô nhiễm nghiêm trọng nguồn nước.

Mục tiêu nghiên cứu là tổng hợp hệ xúc tác quang vùng khả kiến dạng Z dựa trên CoWO4, rGO và g-C3N4 nhằm nâng cao hiệu quả xử lý diazinon trong môi trường nước. Nghiên cứu tập trung vào việc khảo sát cấu trúc, đặc tính vật liệu và đánh giá hiệu quả phân hủy diazinon dưới ánh sáng khả kiến. Phạm vi nghiên cứu thực hiện tại phòng thí nghiệm Trọng điểm Vật liệu Tiên tiến, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội, năm 2022. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong phát triển công nghệ xử lý ô nhiễm thuốc BVTV, góp phần bảo vệ môi trường và sức khỏe cộng đồng.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên lý thuyết quang xúc tác bán dẫn, trong đó vật liệu xúc tác quang hoạt động dưới ánh sáng khả kiến để tạo ra các cặp electron-lỗ trống, sinh ra các gốc tự do như •OH và •O2– có khả năng oxy hóa các chất hữu cơ ô nhiễm. Hệ xúc tác quang dạng Z (Z-Scheme) được áp dụng nhằm cải thiện hiệu quả phân tách electron-lỗ trống, giảm tái tổ hợp và tăng hoạt tính quang xúc tác.

Hai lý thuyết chính được sử dụng gồm:

  • Cơ chế quang xúc tác bán dẫn: Khi vật liệu nhận năng lượng ánh sáng đủ lớn, electron từ vùng hóa trị nhảy lên vùng dẫn, tạo lỗ trống quang sinh. Các lỗ trống có thể oxy hóa nước thành gốc •OH, electron khử oxy tạo gốc •O2–, các gốc này phân hủy chất ô nhiễm thành CO2 và H2O.

  • Hệ xúc tác quang dạng Z thế hệ II (ASS-Z): Sử dụng chất dẫn điện rắn (rGO) làm cầu nối vận chuyển electron giữa hai vật liệu bán dẫn CoWO4 và g-C3N4, giúp tăng hiệu quả phân tách điện tử, giảm tái tổ hợp và nâng cao hoạt tính xúc tác.

Các khái niệm chính bao gồm: năng lượng vùng cấm (Eg), electron-lỗ trống quang sinh, gốc tự do oxy hóa, vật liệu bán dẫn p và n, graphitic carbon nitride (g-C3N4), graphen oxit dạng khử (rGO), và coban vonframat (CoWO4).

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Nghiên cứu thực nghiệm tổng hợp vật liệu CoWO4, g-C3N4, rGO và hệ CoWO4/rGO/g-C3N4; khảo sát đặc tính vật liệu bằng các phương pháp XRD, SEM-EDX, FTIR, UV-Vis, PL; đánh giá hiệu quả xử lý diazinon trong dung dịch nước.

  • Phương pháp phân tích: Phân tích cấu trúc tinh thể bằng nhiễu xạ tia X (XRD); khảo sát hình thái bề mặt và thành phần nguyên tố bằng kính hiển vi điện tử quét (SEM) kết hợp phổ tán xạ năng lượng tia X (EDX); xác định liên kết hóa học bằng phổ hồng ngoại (FTIR); đo năng lượng vùng cấm và khả năng hấp thụ ánh sáng bằng phổ UV-Vis; đánh giá tốc độ tái tổ hợp electron-lỗ trống qua phổ huỳnh quang (PL); đo tổng lượng cacbon hữu cơ (TOC) để đánh giá hiệu quả phân hủy diazinon.

  • Timeline nghiên cứu: Tổng hợp vật liệu và khảo sát đặc tính trong 3 tháng đầu; đánh giá hoạt tính xúc tác và khảo sát ảnh hưởng hàm lượng rGO trong 3 tháng tiếp theo; phân tích kết quả và hoàn thiện luận văn trong 2 tháng cuối năm 2022.

  • Cỡ mẫu và chọn mẫu: Sử dụng các mẫu vật liệu tổng hợp với tỷ lệ CoWO4/g-C3N4 cố định 1:10, tỷ lệ rGO thay đổi 0%, 2,5% và 5% so với g-C3N4 để khảo sát ảnh hưởng hàm lượng rGO đến hiệu quả xúc tác.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Đặc trưng cấu trúc vật liệu: Giản đồ XRD cho thấy các mẫu CoWO4, g-C3N4 và hệ CoWO4/rGO/g-C3N4 đều có các pic đặc trưng rõ ràng, chứng tỏ vật liệu được tổng hợp thành công với cấu trúc tinh thể ổn định. Mẫu g-C3N4 có pic mạnh tại góc 2θ = 27,6° và 13,2°, tương ứng với mặt tinh thể (002) và (001).

  2. Ảnh hưởng hàm lượng rGO đến hoạt tính xúc tác: Hệ CoWO4/2,5%rGO/g-C3N4 đạt hiệu suất phân hủy diazinon cao nhất, lên đến khoảng 91% sau 8 giờ chiếu sáng, vượt trội so với CoWO4/g-C3N4 (khoảng 75%) và CoWO4/5%rGO/g-C3N4 (khoảng 85%). Điều này cho thấy rGO với hàm lượng tối ưu giúp tăng hiệu quả phân tách electron-lỗ trống, giảm tái tổ hợp, nhưng khi vượt quá 5% sẽ gây cản trở ánh sáng và giảm hiệu quả.

  3. Hiệu quả xử lý diazinon: Đo TOC cho thấy lượng cacbon hữu cơ giảm từ 20 mg/L ban đầu xuống còn khoảng 1,8 mg/L sau xử lý bằng hệ xúc tác CoWO4/2,5%rGO/g-C3N4, tương đương hiệu suất khoáng hóa trên 90%. So sánh với các vật liệu đơn lẻ, hiệu quả xử lý tăng khoảng 30-40%.

  4. Phổ huỳnh quang (PL): Cường độ PL của hệ CoWO4/rGO/g-C3N4 thấp hơn đáng kể so với CoWO4 và g-C3N4 đơn lẻ, chứng tỏ tốc độ tái tổ hợp electron-lỗ trống giảm, góp phần nâng cao hoạt tính xúc tác.

Thảo luận kết quả

Hiệu quả xử lý diazinon cao của hệ xúc tác CoWO4/rGO/g-C3N4 được giải thích bởi cơ chế xúc tác quang dạng Z thế hệ II, trong đó rGO đóng vai trò cầu nối dẫn điện tử giữa CoWO4 và g-C3N4, giúp tăng thời gian tồn tại của các điện tử và lỗ trống, từ đó sinh ra nhiều gốc tự do oxy hóa hơn. Kết quả này phù hợp với các nghiên cứu trước đây về hệ xúc tác quang dạng Z và vai trò của rGO trong việc giảm tái tổ hợp.

Biểu đồ so sánh hiệu suất phân hủy diazinon giữa các mẫu vật liệu có thể được trình bày dưới dạng biểu đồ cột, thể hiện rõ sự vượt trội của hệ CoWO4/2,5%rGO/g-C3N4. Bảng tổng hợp các chỉ số TOC trước và sau xử lý cũng minh họa hiệu quả khoáng hóa.

Ngoài ra, việc tăng hàm lượng rGO quá mức làm giảm hiệu quả do che phủ bề mặt xúc tác, cản trở hấp thụ ánh sáng và làm giảm diện tích bề mặt xúc tác tiếp xúc với diazinon. Điều này nhấn mạnh tầm quan trọng của việc tối ưu hóa tỷ lệ rGO trong hệ vật liệu.

Kết quả nghiên cứu góp phần mở rộng ứng dụng của hệ xúc tác quang dạng Z trong xử lý ô nhiễm thuốc BVTV, đặc biệt là diazinon, đồng thời cung cấp cơ sở khoa học cho việc phát triển các vật liệu xúc tác quang hiệu quả, thân thiện môi trường.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tối ưu hóa tỷ lệ rGO trong hệ xúc tác: Khuyến nghị sử dụng tỷ lệ rGO khoảng 2,5% so với g-C3N4 để đạt hiệu quả xử lý diazinon tối ưu, tránh vượt quá 5% gây giảm hiệu suất. Thời gian thực hiện: 6 tháng; chủ thể: các phòng thí nghiệm nghiên cứu vật liệu.

  2. Ứng dụng hệ xúc tác CoWO4/rGO/g-C3N4 trong xử lý nước thải nông nghiệp: Đề xuất triển khai thử nghiệm quy mô pilot tại các vùng sản xuất nông nghiệp có sử dụng diazinon, nhằm đánh giá hiệu quả thực tế và khả năng tái sử dụng xúc tác. Thời gian: 12 tháng; chủ thể: các trung tâm xử lý môi trường, doanh nghiệp công nghệ môi trường.

  3. Nâng cao công suất chiếu sáng khả kiến: Khuyến khích nghiên cứu kết hợp hệ xúc tác với nguồn sáng tự nhiên hoặc đèn LED công suất cao để tăng hiệu quả phân hủy trong điều kiện thực tế. Thời gian: 9 tháng; chủ thể: viện nghiên cứu, trường đại học.

  4. Phát triển vật liệu xúc tác quang dạng Z thế hệ mới: Khuyến nghị tiếp tục nghiên cứu các vật liệu bán dẫn mới kết hợp với rGO hoặc các chất dẫn điện khác nhằm nâng cao hiệu quả xúc tác, giảm chi phí và tăng độ bền. Thời gian: 18 tháng; chủ thể: các nhóm nghiên cứu vật liệu tiên tiến.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Hóa Môi trường: Luận văn cung cấp kiến thức chuyên sâu về tổng hợp và đặc trưng vật liệu xúc tác quang, cơ chế quang xúc tác dạng Z, giúp nâng cao hiểu biết và phát triển đề tài nghiên cứu liên quan.

  2. Chuyên gia công nghệ xử lý nước thải: Thông tin về hiệu quả xử lý diazinon bằng hệ xúc tác quang mới giúp ứng dụng trong thiết kế và vận hành các hệ thống xử lý nước thải nông nghiệp, giảm ô nhiễm môi trường.

  3. Doanh nghiệp sản xuất vật liệu xúc tác: Cung cấp quy trình tổng hợp vật liệu CoWO4/rGO/g-C3N4 và đánh giá hiệu quả xúc tác, hỗ trợ phát triển sản phẩm xúc tác quang thân thiện môi trường, có khả năng ứng dụng thực tiễn.

  4. Cơ quan quản lý môi trường và chính sách: Nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học cho việc xây dựng các chính sách quản lý và xử lý ô nhiễm thuốc BVTV, góp phần bảo vệ sức khỏe cộng đồng và phát triển bền vững.

Câu hỏi thường gặp

  1. Hệ xúc tác quang dạng Z là gì và có ưu điểm gì?
    Hệ xúc tác quang dạng Z là sự kết hợp hai vật liệu bán dẫn với cơ chế chuyển electron-lỗ trống theo hình chữ Z, giúp tăng hiệu quả phân tách điện tử, giảm tái tổ hợp, từ đó nâng cao hoạt tính xúc tác. Ví dụ, hệ CoWO4/rGO/g-C3N4 cho hiệu suất xử lý diazinon vượt trội so với vật liệu đơn lẻ.

  2. Tại sao rGO được sử dụng trong hệ xúc tác?
    rGO có khả năng dẫn điện tốt, giúp vận chuyển electron giữa hai vật liệu bán dẫn, giảm tốc độ tái tổ hợp electron-lỗ trống, tăng thời gian tồn tại của các gốc tự do oxy hóa. Điều này làm tăng hiệu quả phân hủy chất ô nhiễm.

  3. Hiệu quả xử lý diazinon của hệ xúc tác CoWO4/rGO/g-C3N4 như thế nào?
    Hệ xúc tác với 2,5% rGO đạt hiệu suất phân hủy diazinon khoảng 91% sau 8 giờ chiếu sáng, cao hơn 30-40% so với vật liệu đơn lẻ, đồng thời giảm TOC trong dung dịch xuống dưới 2 mg/L.

  4. Phương pháp tổng hợp vật liệu có phức tạp không?
    Quy trình tổng hợp vật liệu CoWO4, g-C3N4 và rGO sử dụng các phương pháp phổ biến như phản ứng kết tủa, nung nhiệt và khử hóa học, dễ thực hiện trong phòng thí nghiệm với thiết bị tiêu chuẩn.

  5. Luận văn có thể ứng dụng thực tế ra sao?
    Nghiên cứu cung cấp cơ sở để phát triển công nghệ xử lý nước thải chứa thuốc BVTV bằng xúc tác quang, góp phần giảm ô nhiễm môi trường nông nghiệp và bảo vệ sức khỏe cộng đồng.

Kết luận

  • Đã tổng hợp thành công hệ xúc tác quang vùng khả kiến dạng Z CoWO4/rGO/g-C3N4 với cấu trúc tinh thể ổn định và đặc tính quang học phù hợp.
  • Hệ xúc tác với 2,5% rGO cho hiệu suất phân hủy diazinon cao nhất, đạt khoảng 91% sau 8 giờ chiếu sáng.
  • rGO đóng vai trò quan trọng trong việc giảm tái tổ hợp electron-lỗ trống, nâng cao hoạt tính xúc tác.
  • Kết quả nghiên cứu mở ra hướng phát triển vật liệu xúc tác quang hiệu quả, thân thiện môi trường cho xử lý ô nhiễm thuốc BVTV.
  • Đề xuất tiếp tục nghiên cứu tối ưu hóa vật liệu và ứng dụng thực tế trong xử lý nước thải nông nghiệp trong các giai đoạn tiếp theo.

Hành động tiếp theo: Khuyến khích các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp ứng dụng kết quả để phát triển công nghệ xử lý môi trường bền vững, đồng thời mở rộng nghiên cứu các hệ xúc tác quang dạng Z mới.