## Tổng quan nghiên cứu

Ô nhiễm môi trường nước tại Việt Nam đang trở thành vấn đề nghiêm trọng, đặc biệt là ô nhiễm do các chất thải công nghiệp như nước thải dệt nhuộm chứa các hợp chất hữu cơ bền vững và độc hại. Theo ước tính, ngành dệt nhuộm thải ra lượng lớn nước thải có màu và chứa các chất khó phân hủy sinh học, gây ảnh hưởng tiêu cực đến sức khỏe cộng đồng và hệ sinh thái. Trong bối cảnh đó, việc phát triển các vật liệu xúc tác quang hóa có khả năng xử lý hiệu quả các chất ô nhiễm hữu cơ dưới ánh sáng khả kiến là rất cần thiết nhằm giảm chi phí và tăng hiệu quả xử lý.

Mục tiêu nghiên cứu tập trung vào tổng hợp vật liệu compozit Cu-Ti-Hydrotanxit, đánh giá đặc trưng cấu trúc và khả năng ứng dụng làm xúc tác xử lý hai loại thuốc nhuộm phổ biến là metylen xanh và rhodamin-B trong môi trường nước. Nghiên cứu được thực hiện tại Trường Đại học Sư phạm - Đại học Thái Nguyên trong năm 2019, với phạm vi khảo sát từ tổng hợp vật liệu, đặc trưng cấu trúc đến ứng dụng xử lý nước thải thực tế từ làng nghề dệt chiếu cói, tỉnh Thái Bình.

Kết quả nghiên cứu góp phần lựa chọn được các mẫu vật liệu biến tính có hoạt tính quang xúc tác cao dưới ánh sáng khả kiến, mở ra hướng ứng dụng thực tiễn trong xử lý nước thải dệt nhuộm, góp phần bảo vệ môi trường và sức khỏe cộng đồng.

## Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

### Khung lý thuyết áp dụng

- **Vật liệu Hydrotanxit (HT):** Là khoáng sét anion có cấu trúc lớp kép, gồm lớp hydroxit kim loại hóa trị II và III xen kẽ với lớp anion và phân tử nước. Hydrotanxit có khả năng trao đổi anion cao và tính hấp phụ tốt, được ứng dụng rộng rãi trong xúc tác và xử lý môi trường.

- **TiO2 và TiO2 biến tính:** TiO2 là chất xúc tác quang hóa hiệu quả dưới ánh sáng tử ngoại, tạo ra các cặp electron-lỗ trống (e⁻-h⁺) để phân hủy các chất hữu cơ bền. Việc biến tính TiO2 bằng các kim loại chuyển tiếp như Cu²⁺ giúp mở rộng vùng hấp thụ ánh sáng sang vùng khả kiến, tăng hiệu quả xúc tác dưới ánh sáng mặt trời hoặc đèn LED.

- **Quá trình oxy hóa tiên tiến (AOPs):** Sử dụng các gốc tự do hydroxyl (OH•) mạnh để phân hủy hoàn toàn các hợp chất hữu cơ độc hại thành CO2 và H2O, là phương pháp xử lý nước thải hiệu quả.

- **Thuật ngữ chuyên ngành:** Xúc tác quang hóa, hydrotanxit, TiO2 biến tính, oxy hóa tiên tiến, hấp phụ, phân hủy quang hóa, phổ UV-Vis DRS, BET, XRD, TEM, EDS.

### Phương pháp nghiên cứu

- **Nguồn dữ liệu:** Nghiên cứu thực nghiệm tổng hợp 16 mẫu vật liệu compozit Cu-Ti-Hydrotanxit với các tỉ lệ mol Cu²⁺ và Ti⁴⁺ khác nhau, khảo sát đặc trưng cấu trúc và hoạt tính xúc tác.

- **Phương pháp tổng hợp:** Phương pháp đồng kết tủa ở pH cố định 9,5, già hóa gel ở 120°C trong 24 giờ, sấy khô và nung mẫu ở 500°C để tạo vật liệu biến tính.

- **Phương pháp phân tích:** 
  - XRD để xác định cấu trúc tinh thể và khoảng cách lớp.
  - TEM và SEM để quan sát hình thái và kích thước hạt.
  - EDS để phân tích thành phần nguyên tố.
  - BET để đo diện tích bề mặt và kích thước mao quản.
  - UV-Vis DRS để xác định vùng hấp thụ ánh sáng và năng lượng vùng cấm.

- **Khảo sát hoạt tính xúc tác:** Đo hiệu suất hấp phụ và phân hủy quang hóa thuốc nhuộm Rhodamin-B và Metylen xanh dưới ánh sáng đèn LED 30W, điều chỉnh pH môi trường, sử dụng H2O2 làm chất oxi hóa.

- **Timeline nghiên cứu:** Tổng hợp và đặc trưng vật liệu trong 3 tháng đầu, khảo sát hoạt tính xúc tác trong 3 tháng tiếp theo, ứng dụng xử lý nước thải thực tế và đánh giá tái sử dụng xúc tác trong 2 tháng cuối năm 2019.

## Kết quả nghiên cứu và thảo luận

### Những phát hiện chính

- **Cấu trúc vật liệu:** Các mẫu vật liệu Cu-Ti-Hydrotanxit với tỉ lệ mol Cu²⁺ = 0,025-0,05 và Ti⁴⁺ = 0,05-0,4 giữ được cấu trúc lớp kép đặc trưng của hydrotanxit, khoảng cách lớp giảm khi tăng Ti⁴⁺. Mẫu có tỉ lệ Ti⁴⁺ ≥ 0,5 mất cấu trúc lớp kép, chuyển sang dạng vô định hình.

- **Diện tích bề mặt và mao quản:** Diện tích bề mặt BET tăng từ 16,08 m²/g (mẫu H) lên đến 330,65 m²/g (mẫu CuTiH-0,5), trong khi đường kính mao quản giảm từ 28,9 nm xuống 3,2 nm khi tăng tỉ lệ Ti⁴⁺, cho thấy sự gia tăng khả năng hấp phụ.

- **Năng lượng vùng cấm:** Các mẫu biến tính có năng lượng vùng cấm giảm mạnh (2,38 - 3,02 eV không nung, 1,94 - 3,02 eV nung), mở rộng vùng hấp thụ ánh sáng sang vùng khả kiến, phù hợp với hoạt tính quang xúc tác dưới ánh sáng đèn LED.

- **Khả năng hấp phụ:** Hiệu suất hấp phụ Metylen xanh tăng rõ rệt khi tỉ lệ Ti⁴⁺ tăng từ 0,3 đến 0,6, đạt trên 98% với nồng độ 20 ppm sau 105 phút. Khả năng hấp phụ Rhodamin-B trong bóng tối thấp (<5%).

- **Khả năng phân hủy quang hóa:** Mẫu CuTiH-0,05 và CuTiH500-0,1 đạt độ chuyển hóa Rhodamin-B trên 90% sau 120-180 phút chiếu sáng. Độ chuyển hóa Metylen xanh đạt trên 90% với các mẫu có tỉ lệ Ti⁴⁺ từ 0,05 đến 0,3. Mẫu nung 500°C có hoạt tính thấp hơn do mất cấu trúc lớp kép.

- **Ảnh hưởng pH:** pH tối ưu cho phân hủy Rhodamin-B và Metylen xanh là khoảng 6-8, phù hợp với điều kiện xử lý nước thải thực tế.

- **Ứng dụng thực tế:** Vật liệu CuTiH-0,05 xử lý nước thải dệt nhuộm chiếu cói pha loãng 30 lần đạt hiệu suất phân hủy trên 85% sau 450 phút chiếu sáng. Xúc tác có thể tái sử dụng ít nhất 2 lần mà không giảm hiệu quả đáng kể.

### Thảo luận kết quả

Kết quả cho thấy vật liệu compozit Cu-Ti-Hydrotanxit có cấu trúc lớp kép ổn định và diện tích bề mặt lớn là yếu tố quyết định đến hiệu quả hấp phụ và quang xúc tác. Việc biến tính TiO2 bằng Cu²⁺ trên chất mang hydrotanxit giúp giảm năng lượng vùng cấm, mở rộng vùng hấp thụ ánh sáng sang khả kiến, từ đó tăng hiệu quả phân hủy các hợp chất hữu cơ bền như Rhodamin-B và Metylen xanh dưới ánh sáng đèn LED công suất thấp.

So sánh với các nghiên cứu trước đây về TiO2 biến tính, vật liệu tổng hợp trong nghiên cứu này có ưu điểm về cấu trúc lớp kép và khả năng tái tạo cấu trúc sau nung, đồng thời hiệu suất xử lý nước thải thực tế cao, phù hợp với điều kiện môi trường Việt Nam. Việc xác định pH tối ưu và khả năng tái sử dụng xúc tác góp phần nâng cao tính ứng dụng thực tiễn và kinh tế của công nghệ.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ hiệu suất hấp phụ và phân hủy theo thời gian, bảng so sánh diện tích bề mặt và năng lượng vùng cấm, cũng như hình ảnh TEM và XRD minh họa cấu trúc vật liệu.

## Đề xuất và khuyến nghị

- **Phát triển quy trình tổng hợp vật liệu Cu-Ti-Hydrotanxit:** Tối ưu tỉ lệ mol Cu²⁺ và Ti⁴⁺ trong khoảng 0,025-0,05 và 0,05-0,4 để đảm bảo cấu trúc lớp kép và hiệu suất xúc tác cao. Thời gian: 6 tháng. Chủ thể: các phòng thí nghiệm nghiên cứu vật liệu.

- **Ứng dụng xử lý nước thải dệt nhuộm:** Áp dụng vật liệu CuTiH-0,05 trong xử lý nước thải tại các làng nghề dệt nhuộm với pH điều chỉnh 6-8, sử dụng đèn LED công suất 30W để giảm chi phí năng lượng. Thời gian: 1 năm. Chủ thể: các doanh nghiệp và cơ sở xử lý nước thải.

- **Nghiên cứu mở rộng:** Khảo sát khả năng xử lý các loại chất ô nhiễm hữu cơ khác trong nước thải công nghiệp bằng vật liệu tổng hợp. Thời gian: 1-2 năm. Chủ thể: các viện nghiên cứu môi trường.

- **Phát triển công nghệ tái sử dụng xúc tác:** Xây dựng quy trình thu hồi, tái sinh xúc tác sau xử lý để giảm chi phí và tăng hiệu quả kinh tế. Thời gian: 6 tháng. Chủ thể: các đơn vị xử lý nước thải và nghiên cứu công nghệ.

## Đối tượng nên tham khảo luận văn

- **Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Hóa học, Môi trường:** Nắm bắt kiến thức về vật liệu xúc tác quang hóa, phương pháp tổng hợp và ứng dụng trong xử lý ô nhiễm nước.

- **Doanh nghiệp xử lý nước thải công nghiệp:** Áp dụng công nghệ mới, vật liệu xúc tác hiệu quả để nâng cao chất lượng xử lý và giảm chi phí vận hành.

- **Cơ quan quản lý môi trường:** Tham khảo các giải pháp công nghệ tiên tiến để xây dựng chính sách và hướng dẫn xử lý nước thải dệt nhuộm.

- **Làng nghề dệt nhuộm truyền thống:** Áp dụng vật liệu xúc tác để cải thiện chất lượng nước thải, bảo vệ môi trường và sức khỏe cộng đồng.

## Câu hỏi thường gặp

1. **Vật liệu Cu-Ti-Hydrotanxit có ưu điểm gì so với TiO2 truyền thống?**  
   Vật liệu này có cấu trúc lớp kép ổn định, diện tích bề mặt lớn và năng lượng vùng cấm giảm, cho phép hoạt động hiệu quả dưới ánh sáng khả kiến, giảm chi phí năng lượng so với TiO2 truyền thống chỉ hoạt động dưới ánh sáng UV.

2. **Khả năng xử lý thuốc nhuộm Rhodamin-B và Metylen xanh như thế nào?**  
   Vật liệu đạt hiệu suất phân hủy trên 90% Rhodamin-B và Metylen xanh trong điều kiện chiếu sáng đèn LED 30W, pH 6-8, trong vòng 120-270 phút, phù hợp với xử lý nước thải thực tế.

3. **Có thể tái sử dụng vật liệu xúc tác không?**  
   Có, vật liệu có thể tái sử dụng ít nhất 2 lần sau khi thu hồi và xử lý, giữ được hiệu suất phân hủy trên 85%, giúp giảm chi phí vận hành.

4. **Phương pháp tổng hợp vật liệu có phức tạp không?**  
   Phương pháp đồng kết tủa ở pH cố định, già hóa gel ở 120°C và nung mẫu là quy trình đơn giản, dễ thực hiện trong phòng thí nghiệm với thiết bị tiêu chuẩn.

5. **Ứng dụng thực tế của nghiên cứu này là gì?**  
   Nghiên cứu cung cấp vật liệu xúc tác hiệu quả, thân thiện môi trường để xử lý nước thải dệt nhuộm tại các làng nghề truyền thống, góp phần giảm ô nhiễm và bảo vệ sức khỏe cộng đồng.

## Kết luận

- Đã tổng hợp thành công 16 mẫu vật liệu compozit Cu-Ti-Hydrotanxit với cấu trúc lớp kép đặc trưng và diện tích bề mặt lớn.  
- Vật liệu biến tính có năng lượng vùng cấm giảm, hoạt động hiệu quả dưới ánh sáng khả kiến, phân hủy Rhodamin-B và Metylen xanh đạt hiệu suất trên 90%.  
- Nhiệt độ nung 500°C làm giảm cấu trúc lớp kép và hiệu suất xúc tác, do đó ưu tiên sử dụng mẫu không nung hoặc nung nhẹ.  
- Ứng dụng xử lý nước thải dệt nhuộm thực tế tại làng nghề dệt chiếu cói đạt hiệu quả cao, xúc tác có thể tái sử dụng nhiều lần.  
- Đề xuất mở rộng nghiên cứu và ứng dụng công nghệ trong xử lý nước thải công nghiệp, góp phần bảo vệ môi trường bền vững.

**Hành động tiếp theo:** Triển khai thử nghiệm quy mô lớn tại các cơ sở xử lý nước thải, phát triển công nghệ tái sinh xúc tác và nghiên cứu ứng dụng cho các loại ô nhiễm khác.

**Hãy liên hệ với nhóm nghiên cứu để nhận tư vấn và hợp tác phát triển công nghệ xử lý nước thải hiệu quả.**