Tổng quan nghiên cứu

Ô nhiễm môi trường nước bởi các hợp chất hữu cơ độc hại đang là vấn đề nghiêm trọng trong bối cảnh phát triển công nghiệp và đô thị hóa. Theo ước tính, lượng nước thải công nghiệp chứa các chất hữu cơ độc hại ngày càng gia tăng, ảnh hưởng tiêu cực đến sức khỏe con người và hệ sinh thái. Trong đó, phương pháp xử lý các hợp chất này bằng xúc tác quang dưới ánh sáng mặt trời được xem là giải pháp thân thiện và hiệu quả. Tuy nhiên, các vật liệu xúc tác quang truyền thống như ZnO có độ rộng vùng cấm lớn (khoảng 3,36 eV), chỉ hoạt động hiệu quả trong vùng ánh sáng tử ngoại, hạn chế khả năng ứng dụng thực tế. Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là tổng hợp và biến tính vật liệu ZnO bằng graphitic carbon nitride (g-C3N4) để tạo composite g-C3N4/ZnO có hoạt tính xúc tác quang trong vùng ánh sáng khả kiến, nhằm nâng cao hiệu quả phân hủy các hợp chất hữu cơ độc hại trong nước. Nghiên cứu được thực hiện trong phạm vi tổng hợp vật liệu và khảo sát hoạt tính xúc tác quang trên dung dịch methylene blue (MB) dưới ánh sáng LED tại Trường Đại học Quy Nhơn. Kết quả nghiên cứu góp phần phát triển vật liệu xúc tác quang mới, hiệu quả, thân thiện môi trường, mở rộng ứng dụng trong xử lý nước thải công nghiệp.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên lý thuyết vùng của chất bán dẫn, trong đó chất xúc tác quang hoạt động nhờ quá trình kích thích tạo cặp electron - lỗ trống quang sinh khi hấp thụ ánh sáng có năng lượng lớn hơn hoặc bằng năng lượng vùng cấm (Eg). Các electron và lỗ trống này tham gia phản ứng oxy hóa khử, tạo ra các gốc tự do như HO• và O2•-, có khả năng phân hủy các hợp chất hữu cơ thành CO2 và H2O. Tuy nhiên, quá trình tái tổ hợp electron - lỗ trống làm giảm hiệu quả xúc tác. Do đó, việc tạo composite giữa ZnO và g-C3N4 nhằm giảm tái tổ hợp, mở rộng vùng hấp thụ ánh sáng vào vùng khả kiến, tăng hiệu suất xúc tác. Các khái niệm chính bao gồm: năng lượng vùng cấm (Eg), cặp electron - lỗ trống quang sinh, cơ chế quang xúc tác, vật liệu composite, và mô hình động học Langmuir-Hinshelwood dùng để đánh giá tốc độ phản ứng xúc tác.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính là các mẫu vật liệu ZnO, g-C3N4 và composite g-C3N4/ZnO được tổng hợp bằng phương pháp nung pha rắn tại Trường Đại học Quy Nhơn. Cỡ mẫu gồm các mẫu vật liệu được chuẩn bị theo tỷ lệ khối lượng melamine và zinc acetate dihydrate, với quy trình nung ở 520°C trong 4 giờ. Phương pháp phân tích đặc trưng vật liệu bao gồm: nhiễu xạ tia X (XRD) để xác định cấu trúc tinh thể; phổ hồng ngoại (IR) để nhận diện liên kết hóa học; hiển vi điện tử quét (SEM) khảo sát hình thái và kích thước hạt; phổ tán xạ năng lượng tia X (EDS) xác định thành phần nguyên tố; phổ UV-Vis DRS để xác định vùng hấp thụ ánh sáng và năng lượng vùng cấm. Hoạt tính xúc tác quang được đánh giá qua phản ứng phân hủy methylene blue dưới ánh sáng LED 220V - 40W, với nồng độ MB ban đầu 5 mg/L và khối lượng xúc tác 0,05 g. Thời gian nghiên cứu kéo dài đủ để xác định thời gian cân bằng hấp phụ và hiệu suất phân hủy MB. Phân tích động học sử dụng mô hình Langmuir-Hinshelwood để tính hằng số tốc độ phản ứng.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Đặc trưng vật liệu g-C3N4: XRD cho thấy peak đặc trưng ở 27,3° và 13,2°, tương ứng với cấu trúc tri-s-triazine; phổ IR xác định các liên kết C-N, C=N và nhóm amine; phổ UV-Vis DRS xác định năng lượng vùng cấm khoảng 2,70 eV, phù hợp với tài liệu. Kích thước hạt không được nêu rõ nhưng vật liệu có khả năng hấp thụ ánh sáng trong vùng khả kiến.

  2. Đặc trưng vật liệu ZnO: XRD xác nhận cấu trúc wurtzite với kích thước tinh thể khoảng 45 nm; phổ IR ghi nhận liên kết Zn-O và nhóm OH trên bề mặt; SEM cho thấy hạt hình cầu kích thước khoảng 50 nm; phổ UV-Vis DRS xác định năng lượng vùng cấm 3,25 eV, bờ hấp thụ ánh sáng nằm trong vùng tử ngoại (λ ≈ 382 nm). Thành phần nguyên tố Zn và O chiếm lần lượt 22,03% và 77,97% khối lượng theo EDS.

  3. Đặc trưng composite g-C3N4/ZnO: XRD thể hiện sự kết hợp thành công giữa ZnO và g-C3N4 với các peak đặc trưng của cả hai vật liệu; phổ IR cho thấy sự dịch chuyển nhẹ của các liên kết C=N và C-N, chứng tỏ tương tác giữa hai thành phần; SEM cho thấy hình thái hạt mờ hơn do sự bao phủ của g-C3N4; EDS xác định thành phần C (16,10%), N (29,39%), Zn (40,26%) và O (14,25%). Phổ UV-Vis DRS cho thấy bờ hấp thụ ánh sáng mở rộng vào vùng khả kiến (λ > 445 nm) với năng lượng vùng cấm giảm còn 2,79 eV.

  4. Hoạt tính xúc tác quang: Thời gian cân bằng hấp phụ của composite là 120 phút, tương tự ZnO và g-C3N4. Hiệu suất phân hủy MB sau 7 giờ chiếu sáng đạt 86,59% với composite, vượt xa ZnO (45,23%) và g-C3N4 (30,21%). Hằng số tốc độ phản ứng k của composite là 0,276, gấp 3,29 lần ZnO và 5,41 lần g-C3N4, chứng tỏ hiệu quả xúc tác được cải thiện rõ rệt nhờ giảm tái tổ hợp electron - lỗ trống và mở rộng vùng hấp thụ ánh sáng.

Thảo luận kết quả

Sự kết hợp giữa ZnO và g-C3N4 tạo ra composite có khả năng hấp thụ ánh sáng vùng khả kiến tốt hơn nhờ giảm năng lượng vùng cấm từ 3,25 eV xuống 2,79 eV. Điều này giúp vật liệu hoạt động hiệu quả dưới ánh sáng LED phổ rộng, phù hợp với điều kiện thực tế. Ngoài ra, cơ chế chuyển electron từ vùng dẫn của ZnO sang g-C3N4 làm giảm quá trình tái tổ hợp electron - lỗ trống, tăng thời gian tồn tại các cặp điện tích quang sinh, từ đó tăng sinh các gốc tự do oxy hóa mạnh. Kết quả động học theo mô hình Langmuir-Hinshelwood với hệ số hồi quy R² ≥ 0,969 cho thấy quá trình phân hủy MB tuân theo động học bậc một, minh chứng cho tính ổn định và hiệu quả của composite. So sánh với các nghiên cứu trước đây, hiệu suất và tốc độ phân hủy MB của composite g-C3N4/ZnO trong nghiên cứu này tương đương hoặc vượt trội, khẳng định tiềm năng ứng dụng trong xử lý nước thải. Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ phân hủy MB theo thời gian và bảng so sánh hằng số tốc độ phản ứng giữa các mẫu.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tối ưu hóa tỷ lệ thành phần composite: Thực hiện nghiên cứu điều chỉnh tỷ lệ melamine và zinc acetate để tối ưu hóa hiệu suất xúc tác quang, nhằm đạt hiệu quả phân hủy cao hơn trong thời gian ngắn hơn. Chủ thể thực hiện: nhóm nghiên cứu hóa vô cơ, thời gian 6-12 tháng.

  2. Mở rộng khảo sát ứng dụng thực tế: Thử nghiệm phân hủy các hợp chất hữu cơ độc hại khác trong nước thải công nghiệp tại các địa phương, đánh giá hiệu quả và độ bền của composite trong môi trường phức tạp. Chủ thể thực hiện: các trung tâm nghiên cứu môi trường, thời gian 12-18 tháng.

  3. Phát triển quy trình tổng hợp quy mô lớn: Nghiên cứu và thiết kế quy trình tổng hợp composite g-C3N4/ZnO trên quy mô công nghiệp với chi phí hợp lý, đảm bảo tính đồng nhất và chất lượng vật liệu. Chủ thể thực hiện: doanh nghiệp công nghệ vật liệu, thời gian 18-24 tháng.

  4. Nâng cao tính bền vững và tái sử dụng: Khảo sát khả năng tái sử dụng composite qua nhiều chu kỳ xúc tác, đồng thời nghiên cứu các phương pháp tái sinh vật liệu để giảm chi phí và tác động môi trường. Chủ thể thực hiện: nhóm nghiên cứu và doanh nghiệp, thời gian 12 tháng.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Hóa vô cơ, Vật liệu: Nghiên cứu cơ sở lý thuyết, phương pháp tổng hợp và đặc trưng vật liệu composite xúc tác quang, phục vụ phát triển đề tài liên quan.

  2. Chuyên gia môi trường và kỹ sư xử lý nước thải: Áp dụng kết quả nghiên cứu để lựa chọn vật liệu xúc tác quang hiệu quả, thân thiện môi trường trong xử lý nước thải công nghiệp.

  3. Doanh nghiệp sản xuất vật liệu xúc tác và thiết bị xử lý nước: Tham khảo quy trình tổng hợp và đánh giá hiệu suất vật liệu để phát triển sản phẩm mới, nâng cao giá trị cạnh tranh.

  4. Cơ quan quản lý môi trường và chính sách: Hiểu rõ tiềm năng ứng dụng công nghệ xúc tác quang trong xử lý ô nhiễm nước, từ đó xây dựng chính sách hỗ trợ nghiên cứu và ứng dụng công nghệ xanh.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao cần kết hợp ZnO với g-C3N4 để tạo composite?
    Việc kết hợp giúp giảm năng lượng vùng cấm từ 3,25 eV của ZnO xuống còn 2,79 eV, mở rộng vùng hấp thụ ánh sáng vào vùng khả kiến. Đồng thời, composite giảm quá trình tái tổ hợp electron - lỗ trống, tăng hiệu suất xúc tác quang.

  2. Phương pháp tổng hợp composite g-C3N4/ZnO được thực hiện như thế nào?
    Composite được tổng hợp bằng phương pháp nung pha rắn, trộn melamine và zinc acetate dihydrate theo tỷ lệ nhất định, nung ở 520°C trong 4 giờ, sau đó rửa và sấy mẫu.

  3. Hiệu suất phân hủy methylene blue của composite so với ZnO và g-C3N4 ra sao?
    Sau 7 giờ chiếu sáng, composite đạt hiệu suất 86,59%, cao hơn nhiều so với ZnO (45,23%) và g-C3N4 (30,21%), chứng tỏ hiệu quả xúc tác được cải thiện rõ rệt.

  4. Composite có thể tái sử dụng nhiều lần không?
    Theo nghiên cứu, composite g-C3N4/ZnO có khả năng tái sử dụng nhiều chu kỳ mà không mất hoạt tính đáng kể, phù hợp cho ứng dụng xử lý nước thải lâu dài.

  5. Ứng dụng thực tế của composite g-C3N4/ZnO là gì?
    Composite có thể ứng dụng trong xử lý nước thải công nghiệp chứa các hợp chất hữu cơ độc hại, tận dụng ánh sáng mặt trời hoặc nguồn sáng nhân tạo để phân hủy chất ô nhiễm, góp phần bảo vệ môi trường.

Kết luận

  • Đã tổng hợp thành công composite g-C3N4/ZnO với cấu trúc tinh thể rõ ràng, thành phần nguyên tố đồng nhất và năng lượng vùng cấm giảm so với ZnO đơn chất.
  • Composite thể hiện khả năng hấp thụ ánh sáng vùng khả kiến, mở rộng phạm vi hoạt động xúc tác quang dưới ánh sáng LED.
  • Hiệu suất phân hủy methylene blue của composite đạt 86,59% sau 7 giờ, vượt trội so với ZnO và g-C3N4 riêng lẻ.
  • Mô hình động học Langmuir-Hinshelwood phù hợp với quá trình xúc tác, hằng số tốc độ phản ứng của composite cao gấp 3-5 lần so với các vật liệu thành phần.
  • Đề xuất nghiên cứu tiếp tục tối ưu hóa thành phần, mở rộng ứng dụng thực tế và phát triển quy trình tổng hợp quy mô lớn nhằm ứng dụng hiệu quả trong xử lý ô nhiễm môi trường nước.

Luận văn mở ra hướng đi mới cho phát triển vật liệu xúc tác quang thân thiện môi trường, hiệu quả cao trong xử lý nước thải. Để tiếp tục phát huy kết quả, các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp được khuyến khích hợp tác nghiên cứu và ứng dụng thực tiễn.