I. Phân hủy methyl orange
Phân hủy methyl orange là quá trình quan trọng trong xử lý nước thải công nghiệp, đặc biệt là từ ngành dệt nhuộm. Methyl orange là chất nhuộm azo phổ biến, khó phân hủy tự nhiên và gây ô nhiễm môi trường. Phương pháp quang xúc tác sử dụng titanium dioxide pha ferrite được nghiên cứu để tăng hiệu quả phân hủy. Quang xúc tác titanium dioxide kích hoạt bằng ánh sáng UV, nhưng việc pha tạp ferrite giúp mở rộng phản ứng sang vùng ánh sáng khả kiến, tăng hiệu suất sử dụng năng lượng mặt trời.
1.1. Cơ chế phân hủy methyl orange
Phân hủy methyl orange bằng quang xúc tác dựa trên sự tạo thành các gốc tự do như hydroxyl (•OH) và superoxide (O2•−). Khi titanium dioxide hấp thụ photon, electron được kích thích từ vùng hóa trị (VB) lên vùng dẫn (CB), tạo ra lỗ trống và electron tự do. Các lỗ trống oxy hóa nước hoặc OH− tạo gốc •OH, trong khi electron khử O2 tạo O2•−. Các gốc này phản ứng với methyl orange, phá vỡ cấu trúc phân tử thành CO2 và H2O.
1.2. Ứng dụng thực tế
Phân hủy methyl orange bằng titanium dioxide pha ferrite có tiềm năng lớn trong xử lý nước thải công nghiệp. Phương pháp này không chỉ hiệu quả mà còn thân thiện với môi trường, giảm thiểu việc sử dụng hóa chất độc hại. Titanium dioxide trong xử lý nước đã được chứng minh là an toàn và bền vững, đặc biệt khi kết hợp với ferrite để tăng khả năng tái sử dụng nhờ tính chất từ tính.
II. Quang xúc tác và titanium dioxide
Quang xúc tác là lĩnh vực nghiên cứu sử dụng chất xúc tác để tăng tốc phản ứng hóa học dưới ánh sáng. Titanium dioxide là chất xúc tác phổ biến nhờ tính ổn định hóa học, không độc hại và khả năng phân hủy chất hữu cơ. Tuy nhiên, titanium dioxide chỉ hoạt động hiệu quả dưới ánh sáng UV do bandgap lớn (3.2 eV). Việc pha tạp ferrite giúp mở rộng phản ứng sang vùng ánh sáng khả kiến, tăng hiệu suất sử dụng năng lượng mặt trời.
2.1. Cơ chế quang xúc tác
Quang xúc tác dựa trên sự hấp thụ photon để kích thích electron từ vùng hóa trị lên vùng dẫn, tạo ra các cặp electron-lỗ trống. Các lỗ trống oxy hóa chất hữu cơ, trong khi electron khử oxy tạo gốc tự do. Titanium dioxide là chất xúc tác lý tưởng nhờ bandgap phù hợp và tính ổn định cao. Tuy nhiên, việc tái hợp electron-lỗ trống nhanh làm giảm hiệu suất, đòi hỏi các biện pháp cải thiện như pha tạp ferrite.
2.2. Titanium dioxide pha ferrite
Titanium dioxide pha ferrite là vật liệu tổ hợp kết hợp tính chất quang xúc tác của titanium dioxide và tính chất từ tính của ferrite. Việc pha tạp ferrite giúp giảm bandgap của titanium dioxide, mở rộng phản ứng sang vùng ánh sáng khả kiến. Đồng thời, tính chất từ tính của ferrite cho phép tái sử dụng chất xúc tác dễ dàng bằng cách sử dụng từ trường ngoài, giảm chi phí và tăng tính bền vững.
III. Phương pháp quang xúc tác sử dụng titanium dioxide pha ferrite
Phương pháp quang xúc tác sử dụng titanium dioxide pha ferrite là giải pháp hiệu quả để phân hủy methyl orange và các chất ô nhiễm hữu cơ khác. Quá trình này kết hợp ưu điểm của titanium dioxide như tính ổn định và khả năng phân hủy mạnh với tính chất từ tính của ferrite, cho phép tái sử dụng chất xúc tác và mở rộng phản ứng sang vùng ánh sáng khả kiến.
3.1. Tổng hợp titanium dioxide pha ferrite
Titanium dioxide pha ferrite được tổng hợp bằng phương pháp thủy nhiệt, kết hợp titanium dioxide (P25) với ferrite (CuFe2O4). Quá trình này đảm bảo sự phân bố đồng đều của ferrite trên bề mặt titanium dioxide, tăng hiệu quả quang xúc tác. Các phương pháp phân tích như TEM, XRD và UV-Vis được sử dụng để xác định cấu trúc và tính chất của vật liệu tổ hợp.
3.2. Hiệu quả phân hủy methyl orange
Titanium dioxide pha ferrite cho thấy hiệu quả cao trong phân hủy methyl orange dưới cả ánh sáng UV và ánh sáng khả kiến. Các thí nghiệm cho thấy khả năng phân hủy đạt trên 90% trong thời gian ngắn, đồng thời chất xúc tác có thể tái sử dụng nhiều lần nhờ tính chất từ tính. Kết quả này mở ra tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong xử lý nước thải công nghiệp.
