Luận văn thạc sĩ kỹ thuật hóa học nghiên cứu tổng hợp vật liệu nanocomposite ferrit magie titan dioxit

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật hóa học về tổng hợp vật liệu nanocomposite ferrit magie titan dioxit. Nghiên cứu chuyên sâu, tài liệu tham khảo hữu ích.

• Tác giả: Tống Hoàng Lin
• Người hướng dẫn: TS. Lý Tấn Nhiệm
• Trường học: Trường Đại học Bách khoa – ĐHQG - HCM
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Hóa Học
• Đề tài: Nghiên Cứu Tổng Hợp Vật Liệu Nanocomposite Ferrit Magie – Titan Dioxit/Graphene Aerogel Ứng Dụng Quang Phân Hủy Tinh Thể Tím
• Loại tài liệu: Luận Văn Thạc Sĩ
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng Quan Nanocomposite MgFe2O4 TiO2 Graphene Aerogel

Ô nhiễm môi trường nước do thuốc nhuộm đang là vấn đề cấp bách. Ngành dệt may thải ra lượng lớn nước thải chứa thuốc nhuộm, gây ảnh hưởng tiêu cực đến môi trường và sức khỏe con người. Tinh thể tím (Crystal Violet - CV), một loại thuốc nhuộm cation hữu cơ thuộc nhóm triphenylmethane, được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp dệt, giấy, và thú y. Cấu trúc phức tạp của CV khiến việc xử lý nước thải chứa chất này trở nên khó khăn. CV có công thức phân tử C25N3H30Cl và độ hấp thụ cực đại ở bước sóng 587 nm. Nó có tính kháng khuẩn, kháng nấm, và được sử dụng như một chất sát trùng. Do đó, việc nghiên cứu và phát triển các phương pháp hiệu quả để phân hủy tinh thể tím là vô cùng cần thiết. Các vật liệu nanocomposite hứa hẹn mang lại giải pháp tiềm năng cho vấn đề này.

1.1. Tình hình ô nhiễm chất màu và tác động

Sự phát triển kinh tế và công nghiệp hóa ở Việt Nam đi kèm với những tác động tiêu cực đến môi trường, đặc biệt là ô nhiễm nước. Ngành dệt may thải ra lượng lớn nước thải chứa thuốc nhuộm, gây ô nhiễm nguồn nước và ảnh hưởng đến hệ sinh thái. Theo thống kê, khoảng 10-15% lượng thuốc nhuộm sử dụng trong quá trình nhuộm bị thải ra môi trường. Điều này dẫn đến việc cần có các giải pháp xử lý hiệu quả để giảm thiểu tác động tiêu cực đến môi trường. Nước thải công nghiệp chứa dư lượng thuốc nhuộm hữu cơ là tác nhân chính dẫn đến tình trạng ô nhiễm môi trường ngày càng nghiêm trọng tại Việt Nam do lượng xả thải lớn trong thời gian ngắn và nồng độ chất ô nhiễm cao.

1.2. Chất màu tinh thể tím Cấu trúc và ứng dụng

Tinh thể tím (CV) là một loại thuốc nhuộm cation hữu cơ thuộc nhóm triphenylmethane, được sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp khác nhau như dệt, giấy, và thú y. CV có công thức phân tử C25N3H30Cl và độ hấp thụ cực đại ở bước sóng 587 nm. CV có tính kháng khuẩn, kháng nấm, và được sử dụng như một chất sát trùng. CV được sử dụng rộng rãi trong các ngành sản xuất như dệt, giấy, thuốc nhuộm Gram, và thú y. CV còn được dùng làm thuốc nhuộm màu tím cho các loại hàng dệt (bông và lụa), sơn, mực in, và làm chất chỉ thị pH.

II. Thách Thức Xử Lý Tinh Thể Tím Trong Nước Thải

Mặc dù có nhiều ứng dụng, tinh thể tím lại gây ra những lo ngại về môi trường. Thuốc nhuộm tổng hợp, bao gồm CV, có cấu trúc phức tạp và khả năng phân hủy sinh học thấp, gây khó khăn trong việc loại bỏ chúng khỏi nước thải. CV có thể có các đặc tính gây hại, bao gồm tác động gây ung thư và gây đột biến đối với sức khỏe con người. Do đó, các phương pháp xử lý truyền thống thường không hiệu quả trong việc loại bỏ hoàn toàn CV khỏi môi trường. Việc phát triển các phương pháp xử lý tiên tiến, hiệu quả, và thân thiện với môi trường là vô cùng quan trọng. Nghiên cứu này tập trung vào ứng dụng vật liệu nanocomposite mới trong xử lý ô nhiễm tinh thể tím.

2.1. Khó khăn trong việc phân hủy sinh học CV

Thuốc nhuộm tổng hợp có cấu trúc phức tạp và khả năng phân hủy sinh học thấp, khó loại bỏ khỏi dòng nước bị ô nhiễm. Nhiều loại thuốc nhuộm có thể có các đặc tính gây hại, bao gồm tác động gây ung thư và gây đột biến đối với sức khỏe con người. Thuốc nhuộm tổng hợp có cấu trúc phức tạp và khả năng phân hủy sinh học thấp, khó loại bỏ khỏi dòng nước bị ô nhiễm và có thể có các đặc tính gây hại, bao gồm tác động gây ung thư và gây đột biến đối với sức khỏe con người.

2.2. Tác động tiêu cực của CV đến sức khỏe và môi trường

Đặc biệt, chất màu tinh thể tím tồn tại nhiều trong nước thải ngành dệt nhuộm gây ô nhiễm môi trường. CV có thể gây kích ứng da, mắt, và đường hô hấp. Tiếp xúc lâu dài với CV có thể gây ra các vấn đề sức khỏe nghiêm trọng hơn, bao gồm ung thư. Do đó, việc loại bỏ CV khỏi nước thải là rất quan trọng để bảo vệ sức khỏe con người và môi trường.

III. Cách Tổng Hợp Nanocomposite Quang Phân Hủy CV Hiệu Quả

Luận văn này tập trung vào quá trình tổng hợp vật liệu nanocomposite ba thành phần bằng phương pháp đồng kết tủa có hỗ trợ thủy nhiệt. Tiền chất được sử dụng là graphene oxit (GO), titan (IV) isopropoxit (TIP), và ferrit magie (MgFe2O4 - MFO). Ảnh hưởng của điều kiện tổng hợp (tỉ lệ GO:TIP và Hàm lượng MFO) đến hiệu suất quang phân hủy chất màu tinh thể tím (CV) được nghiên cứu. Tỉ lệ GO:TIP được khảo sát lần lượt là 1:0,5; 1:0,75; 1:1; 1:1,25; và 1:1,5; cùng với hàm lượng MFO được khảo sát lần lượt là 100, 150, 200, 250, và 300 mg. Quá trình này hứa hẹn tạo ra vật liệu quang xúc tác hiệu quả.

3.1. Phương pháp đồng kết tủa hỗ trợ thủy nhiệt

Phương pháp đồng kết tủa có hỗ trợ thủy nhiệt là một phương pháp hiệu quả để tổng hợp vật liệu nanocomposite với cấu trúc và tính chất được kiểm soát tốt. Quá trình này bao gồm việc kết tủa đồng thời các tiền chất kim loại trong dung dịch, sau đó xử lý nhiệt dưới áp suất cao để tạo ra vật liệu nanocomposite. Phương pháp này cho phép tạo ra vật liệu có kích thước hạt nano nhỏ, phân tán đồng đều, và diện tích bề mặt lớn.

3.2. Tiền chất GO TIP và MFO trong tổng hợp nanocomposite

Graphene oxit (GO) được sử dụng làm nền cho vật liệu nanocomposite, giúp tăng diện tích bề mặt và khả năng hấp phụ chất ô nhiễm. Titan (IV) isopropoxit (TIP) là tiền chất của titan dioxit (TiO2), một chất bán dẫn có tính quang xúc tác cao. Ferrit magie (MgFe2O4 - MFO) được thêm vào để tăng cường khả năng hấp thụ ánh sáng và cải thiện hiệu suất quang phân hủy.

IV. Yếu Tố Ảnh Hưởng Hiệu Suất Quang Phân Hủy Tinh Thể Tím

Nồng độ CV được xác định bằng phương pháp hấp thụ tử ngoại và khả kiến (UV – Vis). Đặc trưng của vật liệu MFO pha tạp TiO2 trên cơ sở GA (MFO – TiO2/GA (MTG)) được xác định bằng các phương pháp phân tích hiện đại: Kính hiển vi điện tử quét (SEM), tán xạ năng lượng tia X (EDS), hồng ngoại biến đổi Fourier (FTIR), nhiễu xạ tia X (XRD), Raman, phân tích nhiệt trọng lượng (TGA), phương pháp hấp phụ đẳng nhiệt (BET), và quang điện tử tia X (XPS). Việc hiểu rõ các yếu tố này là then chốt để tối ưu hóa quá trình quang phân hủy.

4.1. Ảnh hưởng của pH đến hiệu suất phân hủy CV

pH của dung dịch có ảnh hưởng lớn đến hiệu suất quang phân hủy CV. Trong môi trường axit, bề mặt vật liệu có xu hướng tích điện dương, tạo điều kiện thuận lợi cho việc hấp phụ các ion âm CV. Tuy nhiên, pH quá thấp có thể làm giảm hoạt tính của vật liệu quang xúc tác. Trong môi trường kiềm, bề mặt vật liệu tích điện âm, gây khó khăn cho việc hấp phụ CV.

4.2. Ảnh hưởng của nồng độ CV ban đầu và lượng vật liệu

Nồng độ CV ban đầu và lượng vật liệu quang xúc tác cũng ảnh hưởng đến hiệu suất quang phân hủy. Nồng độ CV quá cao có thể làm giảm lượng ánh sáng chiếu đến bề mặt vật liệu, làm giảm hiệu suất quang phân hủy. Lượng vật liệu quá ít có thể không đủ để hấp phụ và phân hủy CV.

4.3. Ảnh hưởng của thời gian hấp phụ và thời gian chiếu sáng

Thời gian hấp phụ và thời gian chiếu sáng cũng là những yếu tố quan trọng. Thời gian hấp phụ đủ để CV hấp phụ lên bề mặt vật liệu là cần thiết trước khi quá trình quang phân hủy diễn ra. Thời gian chiếu sáng cần đủ để vật liệu quang xúc tác hấp thụ ánh sáng và tạo ra các gốc tự do, từ đó phân hủy CV.

V. Kết Quả Nghiên Cứu và Cơ Chế Quang Phân Hủy CV

Ảnh hưởng của từng yếu tố đến hiệu suất quang phân hủy CV của MTG như: Hàm lượng, nồng độ CV ban đầu, pH, thời gian hấp phụ, và thời gian chiếu sáng, được khảo sát theo mô hình Plackett – Burman. Sau đó, ảnh hưởng đồng thời các yếu tố (hàm lượng vật liệu, nồng độ, và pH) được khảo sát bằng phương pháp bề mặt đáp ứng, thiết kế thí nghiệm theo mô hình Box – Behnken. Tính ổn định của vật liệu cũng được thử nghiệm qua mười chu kỳ thu hồi và tái sử dụng. Nghiên cứu cũng đề xuất cơ chế quang phân hủy CV của vật liệu MTG.

5.1. Phân tích đặc trưng vật liệu MTG150

Các phương pháp phân tích như SEM, EDS, FTIR, XRD, Raman, TGA, BET, và XPS được sử dụng để xác định cấu trúc, thành phần, và tính chất của vật liệu MTG150. Kết quả phân tích cho thấy vật liệu MTG150 có cấu trúc nanocomposite với sự phân tán đồng đều của MFO và TiO2 trên nền graphene aerogel. Vật liệu có diện tích bề mặt lớn và khả năng hấp thụ ánh sáng tốt.

5.2. Cơ chế quang phân hủy CV của vật liệu MTG150

Nghiên cứu đề xuất cơ chế quang phân hủy CV của vật liệu MTG150. Khi vật liệu được chiếu sáng, TiO2 hấp thụ ánh sáng và tạo ra các cặp electron-lỗ trống. Các electron di chuyển đến bề mặt vật liệu và phản ứng với oxy hòa tan để tạo ra các gốc superoxide (O2-). Các lỗ trống phản ứng với nước để tạo ra các gốc hydroxyl (OH). Các gốc tự do này tấn công và phân hủy CV thành các sản phẩm vô hại.

5.3. Ảnh hưởng của các gốc tự do trong cơ chế quang phân hủy

Ảnh hưởng của các gốc tự do •O2–, h+, và •OH đóng vai trò chính trong quá trình quang phân hủy CV đã được khảo sát. Kết quả cho thấy các gốc tự do này đóng vai trò quan trọng trong việc phân hủy CV. Việc loại bỏ các gốc tự do này làm giảm đáng kể hiệu suất quang phân hủy.

VI. Kết Luận và Hướng Nghiên Cứu Nanocomposite Tương Lai

Nghiên cứu này đã thành công trong việc tổng hợp vật liệu nanocomposite MgFe2O4-TiO2/Graphene Aerogel và ứng dụng nó trong quang phân hủy tinh thể tím. Vật liệu MTG150 cho thấy hiệu suất quang phân hủy cao và khả năng tái sử dụng tốt. Kết quả nghiên cứu này mở ra hướng đi tiềm năng cho việc phát triển các vật liệu quang xúc tác hiệu quả để xử lý ô nhiễm nước thải. Các nghiên cứu tiếp theo có thể tập trung vào việc tối ưu hóa điều kiện tổng hợp và đánh giá khả năng ứng dụng của vật liệu trong xử lý các chất ô nhiễm khác.

6.1. Tiềm năng ứng dụng thực tiễn của nanocomposite

Vật liệu nanocomposite có tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong xử lý ô nhiễm môi trường, đặc biệt là xử lý nước thải chứa thuốc nhuộm. Vật liệu có thể được sử dụng trong các hệ thống xử lý nước thải công nghiệp hoặc được tích hợp vào các màng lọc để loại bỏ chất ô nhiễm. Việc sử dụng vật liệu nanocomposite có thể giúp giảm thiểu chi phí và năng lượng tiêu thụ so với các phương pháp xử lý truyền thống.

6.2. Hướng nghiên cứu và phát triển vật liệu quang xúc tác mới

Các nghiên cứu tiếp theo có thể tập trung vào việc tối ưu hóa điều kiện tổng hợp vật liệu để tăng hiệu suất quang phân hủy. Việc nghiên cứu các vật liệu nanocomposite mới với các thành phần khác nhau cũng có thể mang lại những kết quả thú vị. Ngoài ra, việc đánh giá khả năng ứng dụng của vật liệu trong xử lý các chất ô nhiễm khác nhau cũng là một hướng đi tiềm năng.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1. Tình hình ô nhiễm chất màu Việt Nam là nước đang phát triển, các ngành kinh tế ngày một lớn mạnh, khu công nghiệp mới được xây dựng ngày càng nhiều ở thành thị và nông thôn. Công nghiệp hóa hiện đại hóa phát triển thúc đẩy kinh tế xã hội lớn mạnh, tuy nhiên điều đó dẫn đến một số tác động tiêu cực tới môi trường như: Ô nhiễm nước, không khí, và đất. Nhiều nguyên nhân gây ra ô nhiễm môi trường nước như: Nước thải từ các nguồn công nghiệp, nông nghiệp, và sinh hoạt.

Trong quá trình nhuộm màu, phần lớn thuốc nhuộm không bám vào sợi vải và bị thất thoát vào nước thải [10]. Khoảng 10 – 15 % thuốc nhuộm được thải ra ngoài môi trường trong quá trình nhuộm. Ước tính trung bình nhuộm một chiếc áo phông sẽ sử dụng 16 – 20 lít nước, dẫn đến trung bình ngành dệt may toàn cầu thải 40.000 tấn nước chứa thuốc nhuộm vào hệ thống xả thải như thể hiện ở Hình 1.1: Ô nhiễm môi trường nước do thuốc nhuộm Nước thải công nghiệp có thể được xem là tác nhân chính dẫn đến tình trạng ô nhiễm môi trường ngày càng nghiêm trọng tại Việt Nam do lượng xả thải lớn trong thời gian ngắn và nồng độ chất ô nhiễm cao. Đối với các ngành công nghiệp như: Dược phẩm, hóa mỹ phẩm, thuốc nhuộm, xà phòng, chất tẩy rửa, nhựa, dệt nhuộm, lọc dầu, v.

thải ra môi trường một lượng lớn nước thải chứa dư lượng thuốc nhuộm 1 hữu cơ [11]. Thuốc nhuộm tổng hợp có cấu trúc phức tạp và khả năng phân hủy sinh học thấp, khó loại bỏ khỏi dòng nước bị ô nhiễm và có thể có các đặc tính gây hại, bao gồm tác động gây ung thư và gây đột biến đối với sức khỏe con người [12]. Đặc biệt, chất màu tinh thể tím tồn tại nhiều trong nước thải ngành dệt nhuộm gây ô nhiễm môi trường. Chất màu tinh thể tím 1.

Cấu trúc và tính chất Tinh thể tím là một loại thuốc nhuộm cation hữu cơ thuộc nhóm triphenylmethane [13]. Thuốc nhuộm triphenylmethane là hợp chất tổng hợp được sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp khác nhau và gây khó khăn trong việc loại bỏ thuốc nhuộm này ra khỏi nước thải do có cấu trúc phức tạp [14]. CV có công thức phân tử là C25N3H30Cl (M = 407,979 g/mol) chứa ba nhóm aryl gắn với một cacbon trung tâm [15]. Độ hấp thu cực đại của CV ở bước sóng 587 nm.

Đồng thời, CV có tính kháng khuẩn, kháng nấm, và anthelmintic được xem là chất sát trùng phổ biến. Ứng dụng của chất màu tinh thể tím Tinh thể tím được sử dụng rộng rãi trong các ngành sản xuất như dệt, giấy, thuốc nhuộm Gram, và thú y [13], [16]. CV được dùng làm thuốc nhuộm màu tím cho các loại hàng dệt (bông và lụa), sơn, mực in, và làm chất chỉ thị pH [15]. CV dùng để nhuộm Gram trong sinh học từ năm 1884.

Trong y học, CV có tính kháng khuẩn, kháng nấm, và kháng giun; CV còn được dùng như một chất khử trùng ngoài da, cuốn rốn trẻ sơ sinh; CV được sử dụng để kiểm soát nấm và ký sinh trùng đường ruột ở người; và ngăn ngừa nhiễm trùng ở bệnh nhân bỏng trước khi thuốc kháng sinh được phát hiện [16]. Trong ngành thú y, CV được dùng làm thuốc khử trùng ngoài da cho động vật, thuốc thú y, phụ gia vào thức ăn cho gia cầm để ức chế sự lan truyền của nấm mốc, ký sinh trùng đường ruột, và nấm. Tuy nhiên, CV có mặt trong nước thải gây ô nhiễm nguồn nước. Ảnh hưởng môi trường Nước thải có tổng hàm lượng chất ô nhiễm hữu cơ (chemical oxygen demand (COD)) và nhu cầu oxy sinh hóa (biochemical oxygen demand (BOD)) cao dẫn đến các tác động tiêu cực đến hệ sinh thái dưới nước [14].

CV có màu sậm, tốc độ phân hủy thấp, và thành phần phức tạp nên làm giảm khả năng tái tạo oxy, giảm độ truyền qua của ánh sáng mặt trời, ảnh hưởng đến quá trình quang hợp, tác động đến đời 2 sống thủy sinh, và ảnh hưởng xấu tới cảnh quan môi trường. CV chuyển hóa thành các chất có tác động độc hại, gây ung thư, và đột biến đối với hệ động vật và thực vật. Hơn nữa, do cấu trúc đa vòng, có cộng hưởng, và liên hợp p dẫn đến CV bền và khó bị phân hủy trong môi trường tự nhiên. Thuốc nhuộm này gây nguy hiểm do tính ổn định, độ màu, và nồng độ.

CV được phân loại là hóa chất nguy hiểm, có thể gây tác động bất lợi đến động thực vật và kể cả con người. Đặc biệt, CV được coi là chất gây ung thư, tăng nhịp tim, sốc, và tổn thương hệ thần kinh trung ương [13], [17], [18]. Do đó, vấn đề tìm ra phương pháp hiệu quả để xử lý chất màu CV là cần thiết. Phương pháp xử lý Phương pháp xử lý ô nhiễm chất màu hữu cơ trong nước gồm: Ozon hóa, điện hóa, sinh học, hấp phụ, quang phân hủy, v.

Ozon hoá Ozon (O3) là tác nhân oxy hóa mạnh với thế oxy hóa là 2,07 V có khả năng xảy ra phản ứng với nhiều chất hữu cơ, chất vô cơ trong nước, có thể làm sạch nước thải khỏi phenol, sản phẩm dầu mỏ, H2S, các hợp chất của asen, chất hoạt động bề mặt, xyanua, thuốc nhuộm, hydrocacbon thơm, thuốc kháng sinh, v. Quá trình ozon hóa sử dụng ánh sáng hồ quang điện hoặc nguồn chiếu xạ tia tử ngoại (Ultraviolet (UV)) tạo ra O3 để oxy hóa và phân hủy các chất hữu cơ gây ô nhiễm. Ưu điểm của quá trình này là diễn ra tự nhiên, tốc độ xử lý nhanh, không cần sự hỗ trợ của các tác nhân hóa học khác và khả năng loại bỏ các chất ô nhiễm vô cơ, hữu cơ, và vi sinh vật cao. Nhược điểm là vốn đầu tư lớn, tiêu tốn năng lượng, O3 dễ ăn mòn vật liệu, và quá trình tạo O3 có thể phát sinh chất độc [20].

Điện hoá Phương pháp này dựa trên cơ sở quá trình oxy hóa/khử xảy ra trên các điện cực. Ở anot, nước và các ion clorua bị oxy hóa dẫn đến sự hình thành O2, O3, Cl2, và các gốc là tác nhân oxy hóa các chất hữu cơ trong dung dịch. Quá trình khử các hợp chất hữu cơ ở catot, kết hợp với phản ứng oxy hóa và keo tụ điện hóa giúp tăng hiệu suất xử lý. Đây là phương pháp được chứng minh hiệu quả đối với việc xử lý chất màu, kim loại nặng, và chất rắn lơ lửng của nước thải dệt nhuộm, và các hợp chất kháng sinh.

Tuy nhiên, phương pháp điện hóa có nhược điểm là tiêu tốn năng lượng và chi phí cho điện cực cao [21]. Sinh học Phương pháp sinh học dựa vào các hệ nấm sợi, nấm men, vi khuẩn kỵ khí, và hiếu khí để phân hủy các hợp chất hữu cơ [22]. Cấu trúc vòng thơm của hợp chất kháng sinh được sử dụng làm nguồn nguyên liệu cho quá trình sinh trưởng của nấm và vi khuẩn. Phương pháp sinh học có khả năng loại bỏ các hợp chất kháng sinh với độ chọn lọc cao, hiệu quả cao, chi phí thấp, điều kiện vận hành dễ dàng, và thân thiện môi trường.

Tuy nhiên, nhược điểm phương pháp là yêu cầu phải thiết lập, duy trì môi trường của hệ nấm, vi khuẩn, và thời gian xử lý dài. Hấp phụ Hấp phụ thường được sử dụng để loại bỏ các tác nhân ô nhiễm trong nước với ưu điểm là hiệu quả xử lý cao, tiết kiệm chi phí, và có thể tái sử dụng chất hấp phụ. Hiệu quả của quá trình hấp phụ chịu ảnh hưởng của các yếu tố sau [23]: (1) Bản chất của chất hấp phụ; (2) Hóa tính của dung dịch; (3) Bản chất của chất bị hấp phụ. Tuy nhiên, vấn đề giải hấp và tái sử dụng vật liệu sau hấp phụ vẫn còn khó khăn và có thể tạo ra chất ô nhiễm mới.

Quang phân hủy Phương pháp quang phân hủy sử dụng các oxit kim loại với vai trò là chất xúc tác để loại bỏ các chất ô nhiễm có trong nước thải. Tính chất quang của oxit kim loại dựa vào sự giải phóng các điện tử (electron (e‒)) từ vùng hóa trị sang vùng dẫn dưới sự chiếu xạ của ánh sáng có bước sóng thích hợp. Quá trình này tạo thành các e‒ ở vùng dẫn và lỗ trống (hole (h+)) ở vùng hóa trị, từ đó, các cặp e‒ và h+ bắt đầu quá trình quang phân hủy. Các h+ phản ứng với phân tử nước tạo thành các gốc tự do hydroxyl (•OH) và e‒ ở vùng dẫn khử các phân tử oxy tạo ra các gốc tự do (•O2‒).

Các gốc tự do này phản ứng chuyển đổi chất ô nhiễm thành các sản phẩm khoáng hóa đơn giản, CO2, H2O, v. Phương pháp quang phân hủy có các ưu điểm như hiệu quả xử lý cao, thời gian ngắn, quy trình đơn giản, dễ sử dụng, vật liệu có khả năng thu hồi, và tái sử dụng. Tuy nhiên, nhược điểm của phương pháp là quá trình xử lý phụ thuộc nhiều vào điều kiện xử lý, vật liệu dễ bị phân hủy, và phạm vi ứng dụng vật liệu hẹp. Phương pháp quang phân hủy với ưu điểm là có thể phân hủy hiệu quả các chất ô nhiễm hữu cơ thành sản phẩm cuối cùng là CO2 và H2O và các axit vô cơ mà tạo ra 4 sản phẩm ô nhiễm thứ cấp.

Do đó, trong luận văn này sử dụng phương pháp quang phân hủy để xử lý chất màu CV. Đồng thời, vật liệu quang phân hủy cũng là yếu tố quan trọng. Vật liệu quang phân hủy Vật liệu quang phân hủy thường là chất bán dẫn có năng lượng vùng cấm hấp thu ánh sáng từ quang phổ mặt trời dẫn đến kích thích của e‒ từ vùng hóa trị (valence band (VB)) đến vùng dẫn (conduction band (CB)). Nhiều oxit kim loại đã được sử dụng làm vật liệu xúc tác quang phân hủy trong xử lý nước như: TiO2, ZnO, SrTiO3, WO3, Fe2O3, CdS, v.

Cơ chế quang phân hủy của vật liệu bán dẫn được thể hiện ở Hình 1. Khi được kích thích bởi các photon ánh sáng có năng lượng thích hợp (hν ≥ Eg), dẫn đến việc kích thích và di chuyển của các e‒ từ vùng hóa trị lên vùng dẫn (eCB‒), đồng thời tạo ra lỗ trống (hVB+) ở vùng hóa trị được thể hiện ở Phương trình (1. Quá trình quang phân hủy xảy ra theo hai hướng: Trực tiếp và gián tiếp. Trực tiếp, hVB+ thực hiện quá trình oxy hóa các chất ô nhiễm được trình bày ở Phương trình (1.

Gián tiếp, eCB‒ kết hợp với O2, hVB+ kết hợp với H2O tạo ra các gốc tự do lần lượt là •O2‒ và •OH được thể hiện ở Phương trình (1.