Tổng quan nghiên cứu

Tình trạng khan hiếm nước và ô nhiễm môi trường đang là vấn đề cấp bách toàn cầu, đặc biệt tại các khu vực có mật độ dân số cao và phát triển công nghiệp nhanh. Theo ước tính, đến năm 2025 sẽ có khoảng 1,8 tỷ người rơi vào tình trạng khan hiếm nước tuyệt đối khi mức cung cấp nước dưới 100 m³/người/năm. Tại Việt Nam, nước thải từ các làng nghề dệt nhuộm và các nhà máy dệt nhuộm là nguồn gây ô nhiễm nghiêm trọng, với đặc trưng như nhiệt độ cao, độ màu và COD lớn, chứa nhiều hợp chất hữu cơ bền khó phân hủy như phenol và Rhodamine B (RhB). Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là khảo sát động học quá trình oxi hóa phân hủy RhB và Phenol sử dụng quang xúc tác biến tính TiO2 pha tạp Fe trên chất mang tro trấu (Fe-TiO2/RHA), nhằm nâng cao hiệu quả xử lý nước thải dệt nhuộm. Nghiên cứu được thực hiện trong phạm vi điều kiện phòng thí nghiệm tại Hà Nội, năm 2014, với các chỉ số hiệu quả như hằng số tốc độ phản ứng, hiệu suất phân hủy và ảnh hưởng của các yếu tố môi trường như pH, hàm lượng xúc tác, cường độ chiếu sáng. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển công nghệ xử lý nước thải dệt nhuộm hiệu quả, thân thiện môi trường và tận dụng nguồn nguyên liệu tro trấu phong phú tại Việt Nam.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

  • Cơ chế quang xúc tác TiO2: TiO2 tồn tại chủ yếu ở dạng tinh thể anatas và rutil, trong đó anatas có hoạt tính quang xúc tác cao hơn. Khi chiếu sáng với bước sóng nhỏ hơn 387 nm, electron trong TiO2 được kích thích từ vùng hóa trị lên vùng dẫn, tạo ra các lỗ trống (h+) và electron (e−) quang sinh. Các lỗ trống có thế khử chuẩn 3,00 V có khả năng oxi hóa nước tạo ra gốc hydroxyl ·OH, tác nhân chính trong quá trình phân hủy các chất hữu cơ. Mô hình động học Langmuir-Hinshelwood được áp dụng để mô tả tốc độ phản ứng quang xúc tác, với phương trình:

$$ r = \frac{kKC}{1 + KC} $$

với $k$ là hằng số tốc độ phản ứng, $K$ là hệ số hấp phụ, và $C$ là nồng độ chất phản ứng.

  • Biến tính TiO2 bằng Fe và tro trấu: Pha tạp Fe vào TiO2 giúp giảm năng lượng vùng cấm, mở rộng vùng hoạt động sang ánh sáng khả kiến, đồng thời làm tăng thời gian sống của electron và lỗ trống, giảm sự tái kết hợp. Tro trấu (RHA) được sử dụng làm chất mang với thành phần chính là SiO2 (86,9–97,3%), có khả năng hấp phụ tốt, giúp cố định xúc tác, dễ dàng thu hồi và tăng hiệu quả xử lý.

  • Đặc trưng vật liệu: Phổ tán xạ năng lượng tia X (EDX) xác định thành phần nguyên tố; phổ nhiễu xạ tia X (XRD) xác định pha tinh thể; hiển vi điện tử quét (SEM) quan sát kích thước và phân bố hạt; phổ UV-Vis khảo sát khả năng hấp thụ ánh sáng.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Dữ liệu thu thập từ các thí nghiệm tổng hợp và khảo sát quang xúc tác Fe-TiO2/RHA trong phòng thí nghiệm tại Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội.

  • Tổng hợp vật liệu: Sử dụng phương pháp sol-gel kết hợp thủy nhiệt để tổng hợp xúc tác Fe-TiO2 trên chất mang tro trấu. Tiền chất là tetra isopropyl ortho titanate (TIOT), Fe(NO3)3.9H2O làm nguồn Fe, tro trấu xử lý axit HNO3 và nung ở 600°C.

  • Phân tích động học: Thí nghiệm phân hủy RhB và Phenol trong dung dịch với các điều kiện biến đổi pH (2–8), hàm lượng xúc tác (60–200 mg/100 ml), cường độ chiếu sáng (15–36 W), và tác nhân oxi hóa bổ trợ (H2O2, K2S2O8). Nồng độ RhB khảo sát từ 10–80 mg/l, Phenol từ 5–60 mg/l. Nồng độ chất còn lại được xác định bằng phương pháp đo quang ở bước sóng 553 nm (RhB) và 510 nm (Phenol).

  • Timeline nghiên cứu: Quá trình tổng hợp và khảo sát kéo dài trong khoảng 6 tháng, bao gồm giai đoạn chuẩn bị vật liệu, thí nghiệm động học, phân tích đặc trưng vật liệu và xử lý số liệu.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Đặc trưng vật liệu Fe-TiO2/RHA: Phổ EDX cho thấy thành phần gồm Fe (6,49%), C (42,59%), Si (0,86%), Ti (49,58%) và O (0,49%). XRD xác nhận cấu trúc TiO2 chủ yếu ở dạng anatas với kích thước hạt nano khoảng 8,2 nm. SEM cho thấy hạt xúc tác phân bố đồng đều, kích thước dưới 10 nm. Phổ UV-Vis cho thấy vật liệu biến tính mở rộng vùng hấp thụ ánh sáng sang vùng khả kiến (400–600 nm), trong khi TiO2 nguyên bản chỉ hấp thụ dưới 400 nm.

  2. Động học phân hủy RhB: Tốc độ phản ứng phân hủy RhB tuân theo động học bậc nhất theo mô hình Langmuir-Hinshelwood với hằng số tốc độ k’ đạt 0,0442 phút⁻¹ tại nồng độ RhB 20 mg/l, pH 4, xúc tác 1,2 g/l, chiếu sáng 36 W. Hiệu suất phân hủy đạt 98% sau 90 phút. Khi nồng độ RhB tăng trên 20 mg/l, tốc độ phản ứng giảm do cản trở ánh sáng và bão hòa bề mặt xúc tác.

  3. Ảnh hưởng của pH: Tốc độ phân hủy RhB và Phenol cao nhất ở pH 4 và 5 tương ứng, giảm khi pH lệch xa các giá trị này. Điều này liên quan đến trạng thái ion hóa của các chất và bề mặt xúc tác, ảnh hưởng đến hấp phụ và tạo gốc ·OH.

  4. Ảnh hưởng hàm lượng xúc tác: Tăng hàm lượng xúc tác từ 60 mg đến 120 mg/100 ml làm tăng tốc độ phân hủy do tăng diện tích bề mặt xúc tác. Tuy nhiên, vượt quá 120 mg, tốc độ không tăng hoặc giảm nhẹ do hiện tượng che khuất ánh sáng và kết tụ hạt.

  5. Ảnh hưởng cường độ chiếu sáng: Tốc độ phân hủy tăng theo công suất đèn từ 15 W đến 36 W, chứng tỏ ánh sáng là yếu tố quyết định trong quá trình quang xúc tác.

  6. Ảnh hưởng tác nhân oxi hóa bổ trợ: Thêm H2O2 hoặc K2S2O8 làm tăng tốc độ phân hủy do tạo thêm gốc ·OH, tối ưu ở nồng độ khoảng 0,3–0,5 mM.

Thảo luận kết quả

Kết quả cho thấy vật liệu Fe-TiO2/RHA có khả năng hấp thụ ánh sáng khả kiến tốt hơn TiO2 nguyên bản, nhờ pha tạp Fe và sử dụng tro trấu làm chất mang. Điều này làm tăng hiệu quả quang xúc tác trong điều kiện chiếu sáng thực tế, phù hợp với ánh sáng mặt trời có hàm lượng tia tử ngoại thấp. Động học phân hủy RhB và Phenol phù hợp với mô hình Langmuir-Hinshelwood, cho thấy quá trình hấp phụ và phản ứng bề mặt là bước giới hạn tốc độ. So sánh với các nghiên cứu trước đây, hiệu suất phân hủy RhB đạt 98% sau 90 phút vượt trội hơn nhiều nghiên cứu sử dụng TiO2 biến tính khác như TiO2/SiO2-C (70% sau 90 phút). Việc sử dụng tro trấu không chỉ giúp cố định xúc tác, dễ thu hồi mà còn tận dụng nguồn nguyên liệu nông nghiệp dồi dào, giảm chi phí và ô nhiễm môi trường. Các yếu tố pH, hàm lượng xúc tác, cường độ chiếu sáng và tác nhân oxi hóa bổ trợ đều ảnh hưởng rõ rệt đến hiệu quả phân hủy, cho phép tối ưu hóa điều kiện vận hành trong ứng dụng thực tế. Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ thể hiện sự phụ thuộc của ln(C0/C) theo thời gian, biểu đồ hiệu suất phân hủy theo pH, hàm lượng xúc tác và cường độ chiếu sáng để minh họa rõ ràng các xu hướng.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Ứng dụng xúc tác Fe-TiO2/RHA trong xử lý nước thải dệt nhuộm: Khuyến nghị các cơ sở sản xuất dệt nhuộm, đặc biệt là làng nghề và nhà máy quy mô vừa và nhỏ, áp dụng công nghệ quang xúc tác Fe-TiO2/RHA để xử lý nước thải, nhằm giảm COD, độ màu và các hợp chất độc hại như RhB và Phenol. Thời gian triển khai dự kiến 6–12 tháng.

  2. Tối ưu điều kiện vận hành: Đề xuất duy trì pH trong khoảng 4–5, hàm lượng xúc tác khoảng 1,2 g/l, sử dụng nguồn sáng có cường độ tương đương 36 W hoặc ánh sáng mặt trời cường độ cao để đạt hiệu quả tối ưu. Chủ thể thực hiện là các kỹ sư môi trường và nhà quản lý vận hành hệ thống xử lý.

  3. Phát triển quy trình tổng hợp xúc tác quy mô công nghiệp: Khuyến khích nghiên cứu mở rộng quy mô tổng hợp xúc tác Fe-TiO2/RHA bằng phương pháp sol-gel kết hợp thủy nhiệt, tận dụng nguồn tro trấu nông nghiệp tại địa phương, giảm chi phí nguyên liệu và xử lý chất thải nông nghiệp. Thời gian nghiên cứu và phát triển khoảng 12–18 tháng.

  4. Kết hợp với các phương pháp xử lý khác: Đề xuất kết hợp quang xúc tác với các phương pháp keo tụ, sinh học hoặc hấp phụ để xử lý nước thải dệt nhuộm có thành phần phức tạp, nhằm nâng cao hiệu quả xử lý tổng thể và giảm chi phí vận hành. Chủ thể thực hiện là các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp xử lý môi trường.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Hóa môi trường: Luận văn cung cấp cơ sở lý thuyết và thực nghiệm chi tiết về quang xúc tác TiO2 biến tính, phương pháp tổng hợp và khảo sát động học, giúp mở rộng kiến thức và phát triển nghiên cứu mới.

  2. Doanh nghiệp xử lý nước thải và công nghệ môi trường: Thông tin về vật liệu xúc tác Fe-TiO2/RHA và các điều kiện vận hành giúp doanh nghiệp lựa chọn công nghệ phù hợp, tối ưu hóa quy trình xử lý nước thải dệt nhuộm.

  3. Cơ quan quản lý môi trường và chính sách: Cung cấp dữ liệu khoa học về hiệu quả xử lý các hợp chất độc hại trong nước thải dệt nhuộm, hỗ trợ xây dựng tiêu chuẩn và quy định xử lý nước thải ngành dệt.

  4. Người làm trong ngành nông nghiệp và tái chế chất thải: Thông tin về ứng dụng tro trấu làm chất mang xúc tác giúp phát triển các giải pháp tái sử dụng phế phẩm nông nghiệp, giảm thiểu ô nhiễm môi trường và tạo giá trị kinh tế.

Câu hỏi thường gặp

  1. Quang xúc tác TiO2 biến tính Fe có ưu điểm gì so với TiO2 nguyên bản?
    TiO2 biến tính Fe mở rộng vùng hấp thụ ánh sáng sang vùng khả kiến (400–600 nm), tăng hiệu quả quang xúc tác dưới ánh sáng mặt trời, giảm sự tái kết hợp electron-lỗ trống, từ đó nâng cao hiệu suất phân hủy các chất ô nhiễm như RhB và Phenol.

  2. Tại sao sử dụng tro trấu làm chất mang xúc tác?
    Tro trấu có thành phần chính là SiO2, có khả năng hấp phụ tốt, độ bền cơ học cao, giúp cố định xúc tác, dễ thu hồi sau phản ứng, đồng thời tận dụng nguồn nguyên liệu nông nghiệp phong phú, giảm chi phí và ô nhiễm môi trường.

  3. Ảnh hưởng của pH đến quá trình phân hủy RhB và Phenol như thế nào?
    pH ảnh hưởng đến trạng thái ion hóa của chất ô nhiễm và bề mặt xúc tác, tối ưu ở pH 4 cho RhB và pH 5 cho Phenol, giúp tăng hấp phụ và tạo gốc hydroxyl ·OH, từ đó tăng tốc độ phân hủy.

  4. Mô hình động học Langmuir-Hinshelwood được áp dụng ra sao?
    Mô hình này mô tả tốc độ phản ứng quang xúc tác dựa trên sự hấp phụ chất phản ứng lên bề mặt xúc tác và phản ứng bề mặt. Phản ứng tuân theo động học bậc nhất khi nồng độ chất phản ứng thấp, phù hợp với dữ liệu phân hủy RhB và Phenol trong nghiên cứu.

  5. Có thể áp dụng công nghệ này trong xử lý nước thải thực tế không?
    Có thể, với điều kiện tối ưu về pH, hàm lượng xúc tác và cường độ chiếu sáng, công nghệ quang xúc tác Fe-TiO2/RHA có thể xử lý hiệu quả nước thải dệt nhuộm tại các làng nghề và nhà máy, góp phần giảm ô nhiễm môi trường.

Kết luận

  • Vật liệu Fe-TiO2/RHA được tổng hợp thành công với kích thước hạt nano (~8,2 nm), cấu trúc anatas ổn định và khả năng hấp thụ ánh sáng khả kiến được cải thiện rõ rệt.
  • Quá trình phân hủy RhB và Phenol tuân theo mô hình động học Langmuir-Hinshelwood, với hiệu suất phân hủy RhB đạt 98% sau 90 phút ở nồng độ 20 mg/l.
  • Các yếu tố pH, hàm lượng xúc tác, cường độ chiếu sáng và tác nhân oxi hóa bổ trợ ảnh hưởng đáng kể đến hiệu quả quang xúc tác.
  • Ứng dụng tro trấu làm chất mang không chỉ nâng cao hiệu quả xúc tác mà còn tận dụng nguồn nguyên liệu nông nghiệp, giảm chi phí và ô nhiễm môi trường.
  • Đề xuất triển khai công nghệ quang xúc tác Fe-TiO2/RHA trong xử lý nước thải dệt nhuộm tại các cơ sở sản xuất, đồng thời phát triển quy trình tổng hợp xúc tác quy mô công nghiệp.

Hành động tiếp theo: Khuyến khích các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp phối hợp thử nghiệm quy mô pilot, đồng thời hoàn thiện quy trình tổng hợp xúc tác để ứng dụng rộng rãi trong xử lý nước thải công nghiệp.