Tổng quan nghiên cứu

Ô nhiễm môi trường nước bởi các chất kháng sinh, đặc biệt là tetracycline hydrochloride (TC), đang trở thành vấn đề nghiêm trọng toàn cầu do tác động tiêu cực đến sức khỏe con người và hệ sinh thái. Theo ước tính, nồng độ kháng sinh trong nước thải sinh hoạt và công nghiệp có thể dao động từ vài microgam đến hàng chục miligam trên lít, gây ra sự kháng thuốc và ô nhiễm môi trường nghiêm trọng. Việc phát triển các vật liệu xúc tác quang hiệu quả để phân hủy các chất kháng sinh này trong môi trường nước là mục tiêu cấp thiết của nhiều nghiên cứu hiện nay.

Luận văn tập trung vào tổng hợp và nghiên cứu vật liệu xúc tác quang WO3/g-C3N4 ứng dụng trong phân hủy chất kháng sinh tetracycline hydrochloride trong môi trường nước. Mục tiêu cụ thể là tổng hợp vật liệu composite WO3/g-C3N4 có năng lượng vùng cấm hẹp, hoạt động hiệu quả dưới ánh sáng nhìn thấy, đồng thời khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến hoạt tính quang xúc tác như pH môi trường và sự có mặt của các chất dập tắt gốc tự do. Phạm vi nghiên cứu được giới hạn trong quy mô phòng thí nghiệm tại Trường Đại học Quy Nhơn, với thời gian thực hiện trong năm 2023.

Nghiên cứu có ý nghĩa khoa học trong việc phát triển vật liệu xúc tác quang thế hệ mới, đồng thời mang ý nghĩa thực tiễn lớn trong xử lý ô nhiễm nước do các chất kháng sinh, góp phần bảo vệ môi trường và sức khỏe cộng đồng. Các chỉ số hiệu suất phân hủy TC được đánh giá qua các phương pháp quang phổ, với hiệu suất phân hủy đạt trên 90% trong điều kiện tối ưu, cho thấy tiềm năng ứng dụng rộng rãi của vật liệu này.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên lý thuyết xúc tác quang dị thể, trong đó chất bán dẫn hấp thụ photon ánh sáng có năng lượng lớn hơn hoặc bằng năng lượng vùng cấm (Eg), tạo ra cặp electron-lỗ trống quang sinh. Các electron và lỗ trống này di chuyển đến bề mặt vật liệu, tham gia vào các phản ứng oxy hóa-khử, sinh ra các gốc tự do như •OH và •O2-, có khả năng phân hủy các hợp chất hữu cơ bền vững như kháng sinh tetracycline.

Hai lý thuyết chính được áp dụng là:

  1. Lý thuyết vùng năng lượng chất bán dẫn: Mô tả cấu trúc vùng hóa trị (VB) và vùng dẫn (CB) của vật liệu, với khoảng cách năng lượng vùng cấm Eg quyết định khả năng hấp thụ ánh sáng và hoạt tính xúc tác quang.

  2. Mô hình hệ lai ghép dạng Z: Hệ WO3/g-C3N4 được thiết kế theo mô hình Z, trong đó electron từ vùng dẫn của WO3 chuyển sang vùng hóa trị của g-C3N4, hạn chế sự tái tổ hợp electron-lỗ trống, kéo dài thời gian sống của các điện tử quang sinh, nâng cao hiệu suất xúc tác.

Các khái niệm chính bao gồm: năng lượng vùng cấm (Eg), electron quang sinh, lỗ trống quang sinh, gốc hydroxyl (•OH), gốc superoxide (•O2-), và hiệu suất phân hủy quang xúc tác.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính là các mẫu vật liệu xúc tác quang WO3, g-C3N4 và composite WO3/g-C3N4 được tổng hợp trong phòng thí nghiệm. Phương pháp tổng hợp bao gồm:

  • Tổng hợp WO3 bằng phương pháp thủy nhiệt, sử dụng Na2WO4.2H2O làm tiền chất, điều chỉnh pH bằng HCl, xử lý ở 120°C trong 12 giờ, sau đó nung ở 500°C.

  • Tổng hợp g-C3N4 bằng phương pháp nhiệt pha rắn từ urea, nung ở 530°C trong 2 giờ.

  • Tổng hợp composite WO3/g-C3N4 bằng phương pháp nhiệt pha rắn, trộn hỗn hợp WO3 và g-C3N4 theo tỷ lệ mol khác nhau, siêu âm phân tán, nung ở 530°C trong điều kiện yếm khí.

Phương pháp phân tích đặc trưng vật liệu gồm: nhiễu xạ tia X (XRD) xác định cấu trúc tinh thể; phổ hồng ngoại (IR) xác định nhóm chức; hiển vi điện tử quét (SEM) quan sát hình thái bề mặt; phổ tán xạ năng lượng tia X (EDX) xác định thành phần nguyên tố; phổ phản xạ khuếch tán tử ngoại-khả kiến (UV-Vis DRS) xác định vùng hấp thụ và năng lượng vùng cấm; phổ quang phát quang (PL) đánh giá khả năng tái tổ hợp điện tử-lỗ trống; đo hấp phụ - khử hấp phụ đẳng nhiệt N2 (BET) xác định diện tích bề mặt và kích thước mao quản; phổ quang điện tử tia X (XPS) phân tích trạng thái hóa học bề mặt.

Hoạt tính quang xúc tác được đánh giá qua phản ứng phân hủy tetracycline hydrochloride trong dung dịch nước dưới chiếu sáng đèn LED 30 W, đo nồng độ TC còn lại bằng phương pháp quang phổ UV-Vis tại bước sóng 355 nm. Các thí nghiệm khảo sát ảnh hưởng của pH, thời gian hấp phụ, và các chất dập tắt gốc tự do cũng được tiến hành để làm rõ cơ chế phân hủy.

Cỡ mẫu nghiên cứu gồm nhiều mẫu vật liệu với tỷ lệ WO3/g-C3N4 khác nhau (0,5/1; 1/1; 1,5/1; 2/1), được lựa chọn dựa trên hiệu suất phân hủy TC tối ưu. Phân tích số liệu sử dụng mô hình động học Langmuir-Hinshelwood để xác định hằng số tốc độ phân hủy.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Đặc trưng vật liệu WO3/g-C3N4: Kết quả XRD cho thấy vật liệu composite duy trì cấu trúc tinh thể của cả WO3 và g-C3N4, không xuất hiện pha tạp. Phổ UV-Vis DRS xác định năng lượng vùng cấm của composite giảm xuống khoảng 2,6 eV, thấp hơn so với WO3 (2,8 eV) và g-C3N4 (2,7 eV), cho thấy khả năng hấp thụ ánh sáng nhìn thấy được cải thiện. Diện tích bề mặt BET của composite đạt khoảng 45 m²/g, lớn hơn so với các vật liệu đơn lẻ.

  2. Hoạt tính quang xúc tác phân hủy TC: Vật liệu composite WO3/g-C3N4 với tỷ lệ mol 1/1 (WC-1) đạt hiệu suất phân hủy TC lên đến 92% sau 180 phút chiếu sáng, cao hơn 1,8 lần so với g-C3N4 và 2,3 lần so với WO3 riêng lẻ. Hằng số tốc độ phân hủy k của WC-1 đạt 0,015 min⁻¹, vượt trội so với các mẫu khác.

  3. Ảnh hưởng của pH môi trường: Hiệu suất phân hủy TC trên WC-1 đạt cao nhất ở pH khoảng 6, giảm đáng kể khi pH < 4 hoặc pH > 8. Điều này liên quan đến dạng ion hóa của TC và điểm đẳng điện của vật liệu (pH ~ 5,8), ảnh hưởng đến quá trình hấp phụ và tương tác bề mặt.

  4. Cơ chế phân hủy và vai trò các gốc tự do: Thí nghiệm sử dụng các chất dập tắt gốc tự do cho thấy gốc hydroxyl (•OH) và gốc superoxide (•O2-) đóng vai trò chủ đạo trong quá trình phân hủy TC. Sự chuyển dịch electron từ vùng dẫn của WO3 sang vùng hóa trị của g-C3N4 theo mô hình hệ Z làm giảm tái tổ hợp electron-lỗ trống, kéo dài thời gian sống của các điện tử quang sinh, nâng cao hiệu quả xúc tác.

Thảo luận kết quả

Hiệu suất phân hủy TC cao của vật liệu composite WO3/g-C3N4 so với các vật liệu đơn lẻ được giải thích bởi sự kết hợp ưu việt của hai chất bán dẫn có năng lượng vùng cấm hẹp, tạo thành hệ lai ghép dạng Z với khả năng phân tách điện tử hiệu quả. Kết quả này phù hợp với các nghiên cứu quốc tế về vật liệu composite tương tự, đồng thời khắc phục nhược điểm tái tổ hợp nhanh của các vật liệu bán dẫn truyền thống như TiO2.

Biểu đồ thể hiện sự giảm nồng độ TC theo thời gian chiếu sáng minh họa rõ ràng hiệu quả xúc tác vượt trội của WC-1. Bảng so sánh hằng số tốc độ phân hủy giữa các mẫu cũng cho thấy sự ưu việt của vật liệu composite.

Ảnh hưởng của pH được lý giải dựa trên đặc tính ion hóa của TC và điểm đẳng điện của vật liệu, ảnh hưởng đến hấp phụ và tương tác bề mặt, từ đó tác động đến hiệu suất phân hủy. Kết quả này tương đồng với các nghiên cứu về phân hủy các hợp chất hữu cơ khác trên vật liệu g-C3N4 và WO3.

Cơ chế phân hủy dựa trên sự sinh ra các gốc tự do mạnh như •OH và •O2- được xác nhận qua thí nghiệm dập tắt gốc, phù hợp với lý thuyết xúc tác quang và các nghiên cứu trước đây. Việc hạn chế tái tổ hợp electron-lỗ trống nhờ mô hình hệ Z là yếu tố then chốt nâng cao hiệu quả xúc tác.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tối ưu hóa tỷ lệ thành phần vật liệu: Khuyến nghị nghiên cứu tiếp tục điều chỉnh tỷ lệ mol WO3/g-C3N4 để đạt hiệu suất phân hủy tối ưu, tập trung vào khoảng tỷ lệ 0,8-1,2 trong vòng 6 tháng tới, do nhóm nghiên cứu thực hiện.

  2. Nâng cao diện tích bề mặt vật liệu: Áp dụng các kỹ thuật tổng hợp mới như tạo cấu trúc nano mao quản hoặc sử dụng giá thể hỗ trợ để tăng diện tích bề mặt, cải thiện khả năng hấp phụ và hoạt tính xúc tác, dự kiến hoàn thành trong 1 năm.

  3. Khảo sát ứng dụng thực tế: Thử nghiệm vật liệu trong xử lý nước thải thực tế tại các khu công nghiệp hoặc trang trại chăn nuôi có ô nhiễm kháng sinh, đánh giá hiệu quả và độ bền vật liệu trong điều kiện môi trường phức tạp, thực hiện trong 18 tháng.

  4. Phát triển hệ vật liệu lai ghép đa chức năng: Nghiên cứu kết hợp WO3/g-C3N4 với các vật liệu khác như graphene oxide hoặc các kim loại quý để tăng cường khả năng chuyển điện tử và tái sử dụng, hướng đến ứng dụng công nghiệp, thời gian nghiên cứu dự kiến 2 năm.

Các giải pháp trên nhằm nâng cao hiệu quả xử lý ô nhiễm kháng sinh trong nước, giảm thiểu tác động môi trường và tăng tính khả thi ứng dụng công nghệ xúc tác quang trong thực tế.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Hóa học, Vật liệu: Luận văn cung cấp kiến thức chuyên sâu về tổng hợp và đặc trưng vật liệu xúc tác quang, phương pháp phân tích hiện đại, giúp nâng cao hiểu biết và phát triển nghiên cứu trong lĩnh vực xúc tác quang.

  2. Chuyên gia môi trường và kỹ sư xử lý nước thải: Thông tin về hiệu quả phân hủy kháng sinh bằng vật liệu composite WO3/g-C3N4 hỗ trợ thiết kế các hệ thống xử lý nước thải tiên tiến, thân thiện môi trường.

  3. Doanh nghiệp sản xuất vật liệu xúc tác và công nghệ xử lý nước: Cơ sở khoa học và dữ liệu thực nghiệm giúp phát triển sản phẩm mới, cải tiến công nghệ xử lý ô nhiễm nước, tăng tính cạnh tranh trên thị trường.

  4. Cơ quan quản lý môi trường và chính sách: Cung cấp bằng chứng khoa học về hiệu quả công nghệ xử lý ô nhiễm kháng sinh, hỗ trợ xây dựng chính sách và quy chuẩn môi trường phù hợp.

Câu hỏi thường gặp

  1. Vật liệu WO3/g-C3N4 có ưu điểm gì so với các vật liệu xúc tác quang truyền thống?
    Vật liệu composite WO3/g-C3N4 có năng lượng vùng cấm hẹp (~2,6 eV), hoạt động hiệu quả dưới ánh sáng nhìn thấy, hạn chế tái tổ hợp electron-lỗ trống nhờ mô hình hệ Z, từ đó nâng cao hiệu suất phân hủy các chất hữu cơ bền vững như kháng sinh.

  2. Phương pháp tổng hợp vật liệu có phức tạp và tốn kém không?
    Phương pháp tổng hợp sử dụng các kỹ thuật nhiệt pha rắn và thủy nhiệt đơn giản, nguyên liệu phổ biến, chi phí hợp lý, phù hợp cho quy mô phòng thí nghiệm và có tiềm năng mở rộng công nghiệp.

  3. Hiệu suất phân hủy tetracycline đạt được trong nghiên cứu là bao nhiêu?
    Vật liệu composite WO3/g-C3N4 với tỷ lệ mol 1/1 đạt hiệu suất phân hủy TC lên đến 92% sau 180 phút chiếu sáng đèn LED 30 W trong điều kiện phòng thí nghiệm.

  4. Ảnh hưởng của pH đến hoạt tính xúc tác như thế nào?
    Hiệu suất phân hủy TC cao nhất ở pH khoảng 6, giảm khi pH quá thấp hoặc quá cao do ảnh hưởng đến dạng ion hóa của TC và tương tác bề mặt vật liệu, điều này cần được cân nhắc khi ứng dụng thực tế.

  5. Vật liệu có khả năng tái sử dụng và bền vững không?
    Nghiên cứu cho thấy vật liệu composite có khả năng tái sử dụng tốt, hiệu suất phân hủy chỉ giảm nhẹ sau 4 lần sử dụng liên tiếp, cho thấy tính ổn định và bền vững trong ứng dụng xử lý nước.

Kết luận

  • Đã tổng hợp thành công vật liệu xúc tác quang WO3/g-C3N4 với năng lượng vùng cấm hẹp, hoạt động hiệu quả dưới ánh sáng nhìn thấy.
  • Vật liệu composite thể hiện hiệu suất phân hủy tetracycline hydrochloride đạt trên 90% trong 180 phút chiếu sáng, vượt trội so với các vật liệu đơn lẻ.
  • Ảnh hưởng của pH và các chất dập tắt gốc tự do được khảo sát, làm rõ cơ chế phân hủy dựa trên mô hình hệ Z và vai trò của các gốc hydroxyl, superoxide.
  • Kết quả nghiên cứu góp phần phát triển vật liệu xúc tác quang thế hệ mới, có tiềm năng ứng dụng trong xử lý ô nhiễm nước do kháng sinh.
  • Đề xuất các hướng nghiên cứu tiếp theo bao gồm tối ưu hóa thành phần vật liệu, nâng cao diện tích bề mặt, thử nghiệm thực tế và phát triển hệ vật liệu đa chức năng.

Tiếp theo, nhóm nghiên cứu sẽ triển khai các đề xuất nhằm hoàn thiện và ứng dụng công nghệ trong quy mô lớn. Độc giả và các nhà nghiên cứu quan tâm được khuyến khích tham khảo và phát triển thêm từ kết quả này để góp phần bảo vệ môi trường nước bền vững.