TỔNG HỢP VẬT LIỆU NANO ĐỒNG TRÊN NỀN Fe3O4 SỬ DỤNG DỊCH CHIẾT LÁ CHÈ XANH VÀ ỨNG DỤNG LÀM CHẤT XÚC TÁC CHO PHẢN ỨNG KHỬ CHẤT MÀU METHYLENE BLUE

• Tác giả: Nguyễn Khánh Vy
• Người hướng dẫn: TS. Đinh Văn Tạc
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm - Đại Học Đà Nẵng
• Chuyên ngành: Sư Phạm Hóa Học
• Đề tài: Tổng Hợp Vật Liệu Nano Đồng Trên Nền Fe3O4 Sử Dụng Dịch Chiết Lá Chè Xanh Và Ứng Dụng Làm Chất Xúc Tác Cho Phản Ứng Khử Chất Màu Methylene Blue
• Loại tài liệu: Luận Văn Tốt Nghiệp
• Năm xuất bản: 2024
• Địa điểm: Đà Nẵng

• LỜI CAM ĐOAN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU
• 1.1. Tổng quan về vật liệu
• 1.1.1. Giới thiệu sơ lược về kim loại đồng (copper)
• 1.1.2. Giới thiệu sơ lược về vật liệu Fe3O4
• 1.1.3. Giới thiệu về vật liệu Cu/Fe3O4
• 1.1.4. Tổng quan về cây chè xanh
• 1.1.4.1. Đặc điểm cây chè xanh
• 1.1.5. Tổng quan về chất màu methylene blue
• 1.1.6. Sơ lược về phản ứng xúc tác
• 1.2. Nguyên liệu, hóa chất, dụng cụ và thiết bị
• 1.2.1. Dụng cụ và thiết bị
• 1.3. Phương pháp tổng hợp vật liệu
• 1.3.1. Tổng hợp vật liệu Fe3O4
• 1.3.2. Thu dịch chiết nước lá chè xanh. Tổng hợp vật liệu Cu/Fe3O4
• 1.4. Phương pháp xác định các đặc trưng lý hóa của vật liệu
• 1.5. Phương pháp xây dựng đường chuẩn để xác định nồng độ của dung dịch chất màu methylene blue
• 1.6. Đánh giá khả năng xử lý chất màu methylene blue bằng vật liệu Cu/Fe3O4
• 1.6.1. Hấp phụ chất màu methylene blue
• 1.6.2. Xúc tác quang phân hủy methylene blue dưới tác dụng của ánh sáng nhìn thấy trong phòng thí nghiệm
• 1.6.3. Xúc tác khử methylene blue bằng NaBH4 trong môi trường kiềm
• 1.6.4. Khảo sát ảnh hưởng của các yếu tố đến quá trình khử methylene blue bằng NaBH4 xúc tác Cu/Fe3O4
• 1.6.4.1. Ảnh hưởng của hàm lượng vật liệu
• 1.6.4.2. Ảnh hưởng của nồng độ NaOH
• 1.6.4.3. Ảnh hưởng của nồng độ chất màu methylene blue
• 1.6.4.4. Ảnh hưởng của nồng độ NaBH4
• 2. CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 3.1. Kết quả xác định đặc trưng lý hóa của vật liệu
• 3.2. Kết quả xây dựng phương trình đường chuẩn của methylene blue
• 3.3. Kết quả đánh giá khả năng xử lý chất màu methylene blue của vật liệu
• 3.4. Kết quả khảo sát ảnh hưởng của các yếu tố đến quá trình khử chất màu methylene blue bằng NaBH4 xúc tác Cu/Fe3O4
• 3.4.1. Ảnh hưởng của hàm lượng vật liệu Cu/Fe3O4
• 3.4.2. Ảnh hưởng của nồng độ NaOH
• 3.4.3. Ảnh hưởng của nồng độ ban đầu chất màu
• 3.4.4. Ảnh hưởng của nồng độ NaBH4
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

I. Tổng Quan Về Tổng Hợp Nano Đồng Trên Nền Fe3O4 Cách Tiếp Cận Mới

Nước là yếu tố sống còn, nhưng ô nhiễm công nghiệp, đặc biệt từ ngành dệt nhuộm, đe dọa nguồn tài nguyên này. Methylene blue (MB), một hóa chất phổ biến trong dệt nhuộm, gây ra nhiều vấn đề sức khỏe và môi trường nghiêm trọng nếu không được xử lý. Công nghệ nano mở ra cơ hội giải quyết vấn đề này bằng cách tạo ra các vật liệu nano có khả năng xúc tác hiệu quả. Nano đồng (CuNPs) nổi lên như một lựa chọn đầy hứa hẹn nhờ chi phí thấp, độc tính thấp và khả năng tương thích sinh học cao so với các kim loại quý như vàng và bạc. Tuy nhiên, nano đồng dễ bị oxy hóa, làm giảm hiệu quả xúc tác. Việc phân tán nano đồng trên nền vật liệu từ tính Fe3O4 không chỉ ngăn chặn quá trình oxy hóa mà còn giúp dễ dàng thu hồi chất xúc tác sau phản ứng. Sử dụng dịch chiết lá chè xanh trong quá trình tổng hợp hóa học xanh càng làm tăng thêm tính bền vững và thân thiện với môi trường của phương pháp này. Nghiên cứu này tập trung vào việc tổng hợp nano đồng trên nền Fe3O4 từ lá chè xanh và ứng dụng nó trong khử methylene blue. Theo [4], methylene blue trong nước thải gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến môi trường thủy sinh và sức khỏe con người.

1.1. Giới Thiệu Chi Tiết Về Vật Liệu Nano Đồng Copper Nanoparticles

Nano đồng đang thu hút sự chú ý nhờ tính dẫn điện, dẫn nhiệt tốt, chi phí thấp và khả năng ứng dụng rộng rãi. Tuy nhiên, đồng dễ bị oxy hóa trong điều kiện thường, làm giảm diện tích bề mặt hoạt động và hiệu quả xúc tác. Các phương pháp tổng hợp nano khác nhau đang được nghiên cứu, trong đó tổng hợp hóa học xanh sử dụng dịch chiết thực vật nổi bật nhờ tính đơn giản, thân thiện với môi trường và khả năng tạo ra các hạt nano đồng bền vững. Dịch chiết thực vật chứa các chất khử tự nhiên như polyphenol và flavonoid, không chỉ giúp khử ion đồng mà còn ổn định hạt nano, ngăn chặn sự kết tụ và oxy hóa. Nano đồng được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, bao gồm xúc tác, y sinh, kháng khuẩn và cảm biến.

1.2. Vai Trò Của Vật Liệu Từ Tính Fe3O4 Trong Ứng Dụng Xúc Tác

Fe3O4, hay oxide sắt từ, là một vật liệu từ tính phổ biến với nhiều ưu điểm như dễ điều chế, chi phí thấp và khả năng thu hồi bằng từ trường. Fe3O4 nanoparticles thường ở dạng bột màu đen, có khả năng phân tán tốt trong dung môi và ổn định trong điều kiện khác nhau. Trong vai trò là nền cho nano đồng, Fe3O4 giúp ngăn chặn sự kết tụ và oxy hóa của nano đồng, đồng thời cung cấp diện tích bề mặt lớn hơn cho phản ứng xúc tác. Quan trọng hơn, tính chất từ tính của Fe3O4 cho phép dễ dàng thu hồi vật liệu xúc tác sau khi phản ứng kết thúc, giảm thiểu ô nhiễm thứ cấp và tăng tính bền vững của quy trình.

II. Thách Thức Trong Xử Lý Methylene Blue Giải Pháp Nano Cu Fe3O4

Methylene blue là một chất nhuộm thường được sử dụng trong ngành dệt nhuộm, giấy và y học. Tuy nhiên, methylene blue trong nước thải có thể gây ra nhiều tác động tiêu cực đến môi trường và sức khỏe con người. Các phương pháp xử lý methylene blue truyền thống như hấp phụ, keo tụ và oxy hóa thường có chi phí cao, hiệu quả thấp hoặc tạo ra các sản phẩm phụ độc hại. Ứng dụng xúc tác nano nổi lên như một giải pháp tiềm năng để khử methylene blue hiệu quả và bền vững. Vật liệu nano như nano đồng trên nền Fe3O4 có khả năng xúc tác mạnh mẽ, giúp phân hủy methylene blue thành các sản phẩm vô hại. Quá trình này thường được thực hiện bằng cách sử dụng chất khử như NaBH4, dưới sự xúc tác của nano Cu/Fe3O4. Giải pháp này mang lại hiệu quả cao, chi phí thấp và thân thiện với môi trường, hứa hẹn một tương lai bền vững cho việc xử lý nước thải chứa methylene blue.

2.1. Tác Hại Của Methylene Blue Đến Môi Trường Và Sức Khỏe

Methylene blue là một chất nhuộm phổ biến, nhưng độc tính của nó đối với môi trường và sức khỏe là một vấn đề đáng quan ngại. Methylene blue có thể gây kích ứng da, mắt và đường hô hấp. Khi thải ra môi trường, methylene blue có thể làm giảm lượng oxy hòa tan trong nước, ảnh hưởng đến sự sinh trưởng của các loài thủy sinh. Ngoài ra, methylene blue còn có khả năng tích tụ sinh học trong cơ thể sinh vật, gây ra các vấn đề sức khỏe lâu dài. Do đó, việc xử lý methylene blue trong nước thải là vô cùng quan trọng để bảo vệ môi trường và sức khỏe cộng đồng.

2.2. Vì Sao Nano Đồng Trên Nền Fe3O4 Là Giải Pháp Ưu Việt

Nano đồng trên nền Fe3O4 kết hợp những ưu điểm của cả hai vật liệu nano. Nano đồng cung cấp khả năng xúc tác mạnh mẽ, trong khi Fe3O4 giúp ổn định hạt nano, ngăn chặn sự kết tụ và oxy hóa. Đặc biệt, tính từ tính của Fe3O4 cho phép dễ dàng thu hồi vật liệu xúc tác sau phản ứng, giảm thiểu chi phí và ô nhiễm thứ cấp. Hơn nữa, việc sử dụng dịch chiết lá chè xanh trong quá trình tổng hợp đảm bảo tính bền vững và thân thiện với môi trường của quy trình. So với các phương pháp xử lý methylene blue truyền thống, nano Cu/Fe3O4 mang lại hiệu quả cao, chi phí thấp và dễ dàng ứng dụng trên quy mô lớn.

III. Phương Pháp Tổng Hợp Nano Đồng Từ Lá Chè Xanh Hướng Dẫn Chi Tiết

Quá trình tổng hợp nano đồng trên nền Fe3O4 từ lá chè xanh bao gồm nhiều bước quan trọng, bắt đầu từ việc chuẩn bị dịch chiết lá chè xanh. Lá chè xanh được thu hái, rửa sạch và đun sôi để chiết xuất các hợp chất có hoạt tính xúc tác. Dịch chiết này chứa các chất khử tự nhiên như polyphenol, có khả năng khử ion đồng thành nano đồng. Sau đó, Fe3O4 nanoparticles được phân tán trong dung dịch dịch chiết, và muối đồng được thêm vào. Các polyphenol trong lá chè xanh sẽ khử ion đồng, tạo thành nano đồng bám trên bề mặt Fe3O4. Quá trình này cần được kiểm soát chặt chẽ về nhiệt độ, pH và thời gian phản ứng để đảm bảo kích thước hạt nano đồng đồng đều và phân bố tốt trên nền Fe3O4. Theo [11], dịch chiết lá chè xanh không chỉ là tác nhân khử mà còn là chất ổn định, ngăn ngừa sự kết tụ của nano đồng.

3.1. Quy Trình Chiết Xuất Dịch Chiết Lá Chè Xanh Chuẩn Phòng Thí Nghiệm

Việc chiết xuất dịch chiết lá chè xanh là bước quan trọng để đảm bảo hiệu quả của quá trình tổng hợp nano. Đầu tiên, lá chè xanh tươi được rửa sạch để loại bỏ bụi bẩn và tạp chất. Sau đó, lá chè được cắt nhỏ và đun sôi trong nước cất trong một thời gian nhất định. Tỷ lệ lá chè và nước cần được tối ưu hóa để đảm bảo chiết xuất được lượng polyphenol tối đa. Dung dịch thu được sau khi đun sôi được lọc để loại bỏ cặn bã và thu được dịch chiết lá chè xanh tinh khiết. Dịch chiết này cần được bảo quản trong điều kiện thích hợp để tránh bị oxy hóa và mất hoạt tính.

3.2. Các Bước Kết Hợp Nano Đồng Lên Nền Vật Liệu Fe3O4 Hiệu Quả

Sau khi có dịch chiết lá chè xanh và Fe3O4 nanoparticles, bước tiếp theo là kết hợp nano đồng lên nền Fe3O4. Fe3O4 nanoparticles được phân tán đều trong dịch chiết lá chè xanh. Sau đó, dung dịch muối đồng được thêm vào từ từ, khuấy đều liên tục. Các polyphenol trong dịch chiết lá chè xanh sẽ khử ion đồng thành nano đồng, và các hạt nano đồng này sẽ bám lên bề mặt Fe3O4. Quá trình này cần được thực hiện trong điều kiện kiểm soát chặt chẽ về nhiệt độ, pH và thời gian phản ứng để đảm bảo kích thước hạt nano đồng đồng đều và phân bố tốt trên nền Fe3O4. Sau khi phản ứng kết thúc, vật liệu nano Cu/Fe3O4 được rửa sạch, sấy khô và sẵn sàng cho các ứng dụng xúc tác.

IV. Ứng Dụng Nano Cu Fe3O4 Từ Lá Chè Xanh Khử Methylene Blue

Vật liệu nano Cu/Fe3O4 tổng hợp từ lá chè xanh được ứng dụng làm chất xúc tác trong phản ứng khử methylene blue. Phản ứng này thường được thực hiện bằng cách sử dụng NaBH4 làm chất khử trong môi trường kiềm. Nano Cu/Fe3O4 đóng vai trò là chất xúc tác, giúp tăng tốc độ phản ứng và giảm năng lượng hoạt hóa. Trong quá trình phản ứng, methylene blue bị khử thành các sản phẩm không màu, làm giảm nồng độ chất ô nhiễm trong nước. Hiệu quả khử methylene blue phụ thuộc vào nhiều yếu tố như hàm lượng vật liệu xúc tác, nồng độ NaOH, nồng độ methylene blue và nồng độ NaBH4. Nghiên cứu cho thấy nano Cu/Fe3O4 có khả năng tái sử dụng nhiều lần mà không làm giảm đáng kể hoạt tính xúc tác.

4.1. Cơ Chế Phản Ứng Khử Methylene Blue Xúc Tác Bởi Nano Cu Fe3O4

Cơ chế phản ứng khử methylene blue dưới sự xúc tác của nano Cu/Fe3O4 là một quá trình phức tạp. Ban đầu, methylene blue và NaBH4 hấp phụ lên bề mặt nano Cu/Fe3O4. Sau đó, nano đồng đóng vai trò là trung tâm hoạt động, giúp chuyển điện tích từ NaBH4 sang methylene blue, làm giảm liên kết và phá vỡ cấu trúc phân tử của chất nhuộm. Các sản phẩm sau phản ứng được giải phóng khỏi bề mặt chất xúc tác, và nano Cu/Fe3O4 sẵn sàng cho các chu kỳ phản ứng tiếp theo. Fe3O4 đóng vai trò quan trọng trong việc ổn định nano đồng và tạo điều kiện cho quá trình hấp phụ và chuyển điện tích.

4.2. Các Yếu Tố Ảnh Hưởng Đến Hiệu Quả Khử Methylene Blue

Hiệu quả khử methylene blue phụ thuộc vào nhiều yếu tố. Hàm lượng vật liệu xúc tác ảnh hưởng trực tiếp đến tốc độ phản ứng; lượng chất xúc tác càng cao, tốc độ phản ứng càng nhanh. Nồng độ NaOH đóng vai trò quan trọng trong việc duy trì môi trường kiềm, giúp tăng cường hoạt tính xúc tác của nano Cu/Fe3O4. Nồng độ methylene blue ban đầu cũng ảnh hưởng đến tốc độ phản ứng; nồng độ càng cao, tốc độ phản ứng càng chậm. Cuối cùng, nồng độ NaBH4 cần đủ lớn để cung cấp đủ lượng chất khử cho phản ứng.

V. Kết Quả Nghiên Cứu Triển Vọng Nano Đồng Trên Nền Fe3O4

Nghiên cứu tổng hợp nano đồng trên nền Fe3O4 từ lá chè xanh đã đạt được những kết quả đầy hứa hẹn. Vật liệu nano thu được có kích thước hạt nano đồng đồng đều, phân bố tốt trên nền Fe3O4, và có hoạt tính xúc tác cao trong phản ứng khử methylene blue. Vật liệu xúc tác này có khả năng tái sử dụng nhiều lần mà không làm giảm đáng kể hiệu quả xúc tác. Kết quả này mở ra triển vọng ứng dụng nano Cu/Fe3O4 trong xử lý nước thải công nghiệp, đặc biệt là nước thải từ ngành dệt nhuộm. Trong tương lai, cần tiếp tục nghiên cứu để tối ưu hóa quy trình tổng hợp, tăng cường hoạt tính xúc tác và giảm chi phí sản xuất, để nano Cu/Fe3O4 trở thành một giải pháp xử lý nước thải hiệu quả và bền vững.

5.1. Đánh Giá Khả Năng Tái Sử Dụng Của Vật Liệu Xúc Tác

Khả năng tái sử dụng là một yếu tố quan trọng đánh giá tính kinh tế và bền vững của vật liệu xúc tác. Nghiên cứu đã chứng minh rằng nano Cu/Fe3O4 có thể được tái sử dụng nhiều lần mà không làm giảm đáng kể hoạt tính xúc tác. Sau mỗi chu kỳ phản ứng, vật liệu xúc tác được thu hồi bằng nam châm, rửa sạch và sử dụng cho chu kỳ tiếp theo. Việc duy trì hoạt tính xúc tác cao sau nhiều chu kỳ cho thấy tính ổn định và độ bền của nano Cu/Fe3O4.

5.2. Hướng Nghiên Cứu Tiếp Theo Để Tối Ưu Hóa Quy Trình Xúc Tác

Để nano Cu/Fe3O4 trở thành một giải pháp xử lý nước thải hiệu quả và bền vững, cần tiếp tục nghiên cứu để tối ưu hóa quy trình tổng hợp, tăng cường hoạt tính xúc tác và giảm chi phí sản xuất. Các hướng nghiên cứu tiềm năng bao gồm: điều chỉnh tỷ lệ nano đồng và Fe3O4, tối ưu hóa điều kiện phản ứng tổng hợp, nghiên cứu các phương pháp cải thiện tính ổn định của nano đồng và khám phá các ứng dụng khác của nano Cu/Fe3O4 trong xử lý ô nhiễm môi trường.

Tổng quan nghiên cứu

Nước là yếu tố thiết yếu cho sự sống và sinh hoạt của con người, tuy nhiên, ô nhiễm nguồn nước do hoạt động công nghiệp, đặc biệt là ngành dệt nhuộm, đang gây ra những hệ quả nghiêm trọng. Hằng năm, lượng lớn nước thải chứa các chất màu như methylene blue (MB) được thải ra môi trường mà chưa được xử lý hiệu quả, dẫn đến nguy cơ ảnh hưởng sức khỏe cộng đồng và suy giảm hệ sinh thái thủy sinh. Methylene blue là một hợp chất nhuộm màu phổ biến trong công nghiệp dệt nhuộm, có thể gây ra các bệnh về mắt, da, đường hô hấp, tiêu hóa và thậm chí ung thư khi tồn dư trong nước với nồng độ cao. Ngoài ra, MB còn cản trở quá trình hấp thụ oxy trong nước, ảnh hưởng đến sự phát triển của sinh vật thủy sinh và khả năng tự làm sạch của nguồn nước.

Trước thực trạng này, nghiên cứu tập trung vào việc tổng hợp vật liệu nano đồng (Cu) trên nền Fe3O4 sử dụng dịch chiết lá chè xanh nhằm ứng dụng làm chất xúc tác cho phản ứng khử methylene blue bằng NaBH4 trong môi trường kiềm. Lá chè xanh chứa nhiều hợp chất polyphenol có khả năng khử ion kim loại, đồng thời là nguồn nguyên liệu tự nhiên, thân thiện môi trường và dễ dàng thu hoạch tại Việt Nam. Vật liệu Cu/Fe3O4 tổng hợp bằng phương pháp hóa học xanh không chỉ có tính ổn định cao mà còn dễ dàng thu hồi nhờ tính từ tính của Fe3O4.

Mục tiêu nghiên cứu là tổng hợp thành công vật liệu nano Cu/Fe3O4 sử dụng dịch chiết lá chè xanh và đánh giá ảnh hưởng của các yếu tố như hàm lượng vật liệu, nồng độ NaOH, nồng độ methylene blue và NaBH4 đến hiệu quả khử chất màu MB. Nghiên cứu được thực hiện tại Đại học Đà Nẵng trong năm 2023-2024, góp phần phát triển công nghệ xử lý nước thải dệt nhuộm hiệu quả, thân thiện môi trường và tiết kiệm chi phí.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

• Lý thuyết tổng hợp nano kim loại bằng phương pháp hóa học xanh: Sử dụng các hợp chất sinh học trong dịch chiết thực vật như polyphenol để khử ion kim loại thành hạt nano kim loại, đồng thời ổn định hạt nano tránh bị oxy hóa. Phương pháp này thân thiện môi trường, điều kiện phản ứng nhẹ nhàng và tiết kiệm chi phí.

• Mô hình composite Cu/Fe3O4: Fe3O4 đóng vai trò chất mang từ tính giúp thu hồi vật liệu dễ dàng, trong khi Cu là pha xúc tác chính cho phản ứng khử. Sự kết hợp này tạo ra vật liệu có tính chất xúc tác cao và khả năng tái sử dụng.

• Khái niệm và cơ chế phản ứng xúc tác khử methylene blue bằng NaBH4: Chất xúc tác làm tăng tốc độ phản ứng khử MB thành leucomethylene blue không màu, không độc hại. Phản ứng tuân theo động học bậc nhất đối với MB và bậc hai đối với NaBH4.

• Khái niệm về hấp phụ và xúc tác quang phân hủy: Vật liệu nano có khả năng hấp phụ MB trên bề mặt, tạo điều kiện thuận lợi cho phản ứng khử. Tuy nhiên, trong điều kiện ánh sáng nhìn thấy, vật liệu Cu/Fe3O4 không xúc tác quang phân hủy MB hiệu quả.

Phương pháp nghiên cứu

• Nguồn dữ liệu: Nghiên cứu sử dụng nguyên liệu lá chè xanh thu mua tại chợ Đà Nẵng, các hóa chất phân tích chuẩn như FeCl3.6H2O, CuSO4.5H2O, NaBH4, NaOH và methylene blue. Dữ liệu thực nghiệm được thu thập qua các phép đo XRD, EDX, SEM, UV-Vis.

• Phương pháp tổng hợp vật liệu: Fe3O4 được tổng hợp bằng phương pháp đồng kết tủa muối Fe3+ và Fe2+ với NaOH. Dịch chiết lá chè xanh được điều chế bằng phương pháp chưng ninh trong nước. Vật liệu Cu/Fe3O4 được tổng hợp bằng cách khử ion Cu2+ trong huyền phù Fe3O4 sử dụng dịch chiết lá chè xanh làm tác nhân khử.

• Phương pháp phân tích đặc trưng vật liệu: XRD xác định cấu trúc tinh thể và pha vật liệu; EDX xác định thành phần nguyên tố; SEM khảo sát hình thái bề mặt và kích thước hạt nano.

• Phương pháp đánh giá hiệu quả xử lý methylene blue: Xác định nồng độ MB bằng quang phổ UV-Vis tại bước sóng 664 nm. Đánh giá khả năng hấp phụ, xúc tác quang phân hủy và xúc tác khử MB bằng NaBH4 trong môi trường kiềm. Khảo sát ảnh hưởng của các yếu tố: hàm lượng vật liệu, nồng độ NaOH, nồng độ MB và NaBH4 đến tốc độ phản ứng.

• Cỡ mẫu và timeline: Các thí nghiệm được thực hiện với nhiều mức biến đổi các yếu tố trên, mỗi thí nghiệm lặp lại ít nhất ba lần để đảm bảo độ tin cậy. Thời gian nghiên cứu kéo dài trong vòng 12 tháng.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Tổng hợp thành công vật liệu nano Cu/Fe3O4: Phổ XRD cho thấy sự xuất hiện đồng thời các đỉnh đặc trưng của Fe3O4 và Cu, chứng minh sự hình thành pha Cu kim loại trên nền Fe3O4. Phổ EDX xác nhận thành phần gồm Fe (26,25%), O (49,88%), Cu (2,04%) và C (21,83%), trong đó C đến từ các hợp chất hữu cơ trong dịch chiết lá chè xanh giúp ổn định hạt nano. Ảnh SEM cho thấy vật liệu có kích thước nano, không định hình rõ, có xu hướng kết dính do tính từ tính.

2. Khả năng hấp phụ methylene blue: Vật liệu Cu/Fe3O4 hấp phụ MB hiệu quả hơn Fe3O4 đơn thuần, với hiệu suất hấp phụ lần lượt là 25,5% và 17,7% sau 60 phút trong dung dịch MB 10 ppm. Tuy nhiên, cả hai vật liệu không xúc tác quang phân hủy MB dưới ánh sáng nhìn thấy trong phòng thí nghiệm.

3. Hiệu quả xúc tác khử methylene blue bằng NaBH4: Khi thêm NaBH4 và NaOH, nồng độ MB giảm nhanh chóng, đặc biệt trong dung dịch có Cu/Fe3O4. Sau 20 phút, nồng độ MB còn lại trong dung dịch có Cu/Fe3O4 chỉ còn 8%, so với 62% không xúc tác và 70% với Fe3O4. Hằng số tốc độ khử MB tăng gần 5 lần khi có mặt Cu/Fe3O4 (0,1068 min⁻¹ so với 0,022 min⁻¹ không xúc tác).

4. Ảnh hưởng các yếu tố đến tốc độ khử MB:

   • Hàm lượng Cu/Fe3O4 tăng từ 0,04 đến 0,16 g/L làm tốc độ khử tăng, đạt cực đại tại 0,16 g/L, sau đó giảm nhẹ do hiện tượng hấp phụ quá mức làm giảm khả năng giải hấp MB.
   • Nồng độ NaOH trong dung dịch phản ứng tối ưu là 0,06 M; tăng hoặc giảm nồng độ này làm tốc độ phản ứng giảm nhẹ do ảnh hưởng đến độ bền của NaBH4.
   • Tốc độ khử MB tỷ lệ tuyến tính với nồng độ ban đầu của MB trong khoảng 10-30 ppm, phù hợp với động học bậc nhất.
   • Tốc độ khử cũng tỷ lệ tuyến tính với nồng độ NaBH4, phản ứng tuân theo động học bậc hai (bậc nhất theo MB và NaBH4) với hằng số tốc độ k₂ = 0,0305 M⁻¹ min⁻¹.

Thảo luận kết quả

Kết quả XRD và EDX khẳng định phương pháp tổng hợp sử dụng dịch chiết lá chè xanh là hiệu quả trong việc tạo ra vật liệu nano Cu/Fe3O4 với kích thước nano và thành phần pha rõ ràng. Sự hiện diện của các hợp chất hữu cơ trong dịch chiết không chỉ giúp khử ion Cu2+ mà còn ổn định hạt nano, ngăn ngừa oxy hóa Cu.

Khả năng hấp phụ MB của Cu/Fe3O4 cao hơn Fe3O4 do sự kết hợp của pha Cu xúc tác và pha Fe3O4 hấp phụ. Tuy nhiên, vật liệu không xúc tác quang phân hủy MB dưới ánh sáng phòng thí nghiệm, phù hợp với các nghiên cứu trước đây cho thấy cần điều kiện ánh sáng mạnh hoặc vật liệu khác để xúc tác quang.

Phản ứng khử MB bằng NaBH4 xúc tác Cu/Fe3O4 diễn ra nhanh và hiệu quả, với tốc độ tăng gần 5 lần so với không xúc tác. Điều này chứng tỏ vai trò quan trọng của pha Cu trong xúc tác, trong khi Fe3O4 chỉ đóng vai trò chất mang từ tính giúp thu hồi vật liệu dễ dàng. Các yếu tố như hàm lượng vật liệu, nồng độ NaOH, MB và NaBH4 ảnh hưởng rõ rệt đến tốc độ phản ứng, phù hợp với cơ chế phản ứng và động học đã được mô tả.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ phụ thuộc ln(C0/C) theo thời gian, đồ thị tốc độ khử MB theo hàm lượng vật liệu, nồng độ NaOH, MB và NaBH4, giúp minh họa rõ ràng ảnh hưởng của từng yếu tố. So sánh với các nghiên cứu tương tự, vật liệu Cu/Fe3O4 tổng hợp bằng phương pháp xanh có ưu điểm về chi phí, thân thiện môi trường và hiệu quả xúc tác cao.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Tối ưu hóa quy trình tổng hợp vật liệu Cu/Fe3O4: Nâng cao hiệu suất tổng hợp và kiểm soát kích thước hạt nano bằng cách điều chỉnh tỷ lệ dịch chiết lá chè xanh và điều kiện phản ứng. Mục tiêu đạt kích thước hạt đồng nhất dưới 20 nm trong vòng 6 tháng. Chủ thể thực hiện: nhóm nghiên cứu tại Đại học Đà Nẵng.

2. Phát triển hệ xúc tác tái sử dụng: Thiết kế hệ thống thu hồi vật liệu Cu/Fe3O4 bằng nam châm và đánh giá khả năng tái sử dụng ít nhất 5 chu kỳ mà không giảm hiệu suất xúc tác. Thời gian thực hiện 12 tháng. Chủ thể: phòng thí nghiệm công nghệ môi trường.

3. Mở rộng ứng dụng xử lý các chất ô nhiễm khác: Nghiên cứu khả năng xúc tác khử các chất màu và hợp chất hữu cơ khác trong nước thải công nghiệp, đặc biệt là các chất khó phân hủy. Thời gian 18 tháng. Chủ thể: các viện nghiên cứu môi trường và công nghiệp.

4. Ứng dụng quy mô pilot trong xử lý nước thải dệt nhuộm: Thiết kế và vận hành hệ thống xử lý nước thải sử dụng vật liệu Cu/Fe3O4 xúc tác khử MB, đánh giá hiệu quả thực tế và chi phí vận hành. Thời gian 24 tháng. Chủ thể: doanh nghiệp và trung tâm nghiên cứu ứng dụng.

5. Nâng cao nhận thức và đào tạo: Tổ chức các khóa đào tạo, hội thảo về công nghệ tổng hợp vật liệu nano xanh và ứng dụng trong xử lý môi trường cho sinh viên, kỹ sư môi trường và doanh nghiệp. Chủ thể: trường đại học và các tổ chức đào tạo.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Hóa học, Công nghệ vật liệu: Luận văn cung cấp kiến thức về tổng hợp vật liệu nano bằng phương pháp hóa học xanh, kỹ thuật phân tích vật liệu và ứng dụng xúc tác trong xử lý môi trường.

2. Chuyên gia và kỹ sư môi trường: Tham khảo giải pháp xử lý nước thải chứa chất màu công nghiệp bằng vật liệu xúc tác nano thân thiện môi trường, giúp cải thiện hiệu quả xử lý và giảm chi phí.

3. Doanh nghiệp ngành dệt nhuộm và xử lý nước thải: Áp dụng công nghệ xúc tác khử methylene blue bằng vật liệu Cu/Fe3O4 để nâng cao chất lượng nước thải đầu ra, đáp ứng tiêu chuẩn môi trường.

4. Cơ quan quản lý và hoạch định chính sách môi trường: Cung cấp cơ sở khoa học cho việc phát triển các chính sách khuyến khích sử dụng công nghệ xanh trong xử lý ô nhiễm nước thải công nghiệp.

Câu hỏi thường gặp

1. Vật liệu Cu/Fe3O4 được tổng hợp bằng phương pháp nào?
   Vật liệu được tổng hợp bằng phương pháp đồng kết tủa muối Fe3+ và Fe2+ tạo Fe3O4, sau đó khử ion Cu2+ thành Cu bằng dịch chiết lá chè xanh làm tác nhân khử. Phương pháp này thân thiện môi trường, sử dụng nguyên liệu tự nhiên và điều kiện phản ứng nhẹ nhàng.

2. Tại sao sử dụng dịch chiết lá chè xanh trong tổng hợp vật liệu?
   Dịch chiết lá chè xanh chứa nhiều polyphenol có khả năng khử ion kim loại và ổn định hạt nano, giúp tạo ra vật liệu nano đồng bền, không bị oxy hóa, đồng thời giảm thiểu sử dụng hóa chất độc hại.

3. Vật liệu Cu/Fe3O4 có vai trò gì trong phản ứng khử methylene blue?
   Pha Cu đóng vai trò là tâm xúc tác xúc tác phản ứng khử MB bằng NaBH4, tăng tốc độ phản ứng gần 5 lần. Pha Fe3O4 là chất mang từ tính giúp thu hồi vật liệu dễ dàng sau phản ứng.

4. Ảnh hưởng của hàm lượng vật liệu đến hiệu quả khử MB như thế nào?
   Tăng hàm lượng vật liệu từ 0,04 đến 0,16 g/L làm tăng tốc độ khử MB do tăng số lượng tâm xúc tác. Tuy nhiên, vượt quá 0,16 g/L, tốc độ giảm nhẹ do hiện tượng hấp phụ quá mức làm giảm khả năng giải hấp MB trên bề mặt xúc tác.

5. Phản ứng khử methylene blue bằng NaBH4 xúc tác Cu/Fe3O4 tuân theo động học nào?
   Phản ứng là bậc hai: bậc nhất theo methylene blue và bậc nhất theo NaBH4, với hằng số tốc độ k₂ = 0,0305 M⁻¹ min⁻¹. Tốc độ phản ứng tỷ lệ tuyến tính với nồng độ NaBH4 và MB trong phạm vi nghiên cứu.

Kết luận

• Đã tổng hợp thành công vật liệu nano Cu/Fe3O4 bằng phương pháp hóa học xanh sử dụng dịch chiết lá chè xanh, với kích thước nano và thành phần pha rõ ràng.
• Vật liệu Cu/Fe3O4 có khả năng xúc tác hiệu quả cho phản ứng khử methylene blue bằng NaBH4, tăng tốc độ phản ứng gần 5 lần so với không xúc tác.
• Pha Cu là tâm xúc tác chính, pha Fe3O4 đóng vai trò chất mang từ tính giúp thu hồi vật liệu dễ dàng.
• Phản ứng khử MB tuân theo động học bậc hai, với điều kiện tối ưu là hàm lượng vật liệu 0,16 g/L và nồng độ NaOH 0,06 M.
• Nghiên cứu mở ra hướng phát triển vật liệu xúc tác xanh, thân thiện môi trường, ứng dụng trong xử lý nước thải công nghiệp.

Next steps: Nghiên cứu nâng cao hiệu suất tổng hợp, mở rộng ứng dụng xử lý các chất ô nhiễm khác, phát triển hệ xúc tác tái sử dụng và ứng dụng quy mô pilot trong xử lý nước thải thực tế.

Call-to-action: Khuyến khích các nhà nghiên cứu, doanh nghiệp và cơ quan quản lý hợp tác phát triển công nghệ xanh, thúc đẩy ứng dụng vật liệu nano trong bảo vệ môi trường và phát triển bền vững.