Tổng quan nghiên cứu

Ô nhiễm môi trường nước do các chất ô nhiễm hữu cơ, đặc biệt là chất màu hữu cơ và hợp chất phenolic, đang trở thành vấn đề nghiêm trọng ảnh hưởng đến sức khỏe con người và hệ sinh thái. Trong đó, chất màu tinh thể tím (crystal violet - CV) là một trong những chất khó phân hủy, tồn tại phổ biến trong nước thải ngành dệt nhuộm với nồng độ tồn dư có thể lên đến 50% so với lượng hóa chất ban đầu. CV không chỉ gây ô nhiễm nguồn nước mà còn có khả năng gây ung thư, ảnh hưởng đến các cơ quan nội tạng và sinh vật thủy sinh. Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là tổng hợp và khảo sát vật liệu composite kẽm oxit-titan dioxit trên cơ sở graphene aerogel (ZnO-TiO2/GA - ZTG) nhằm ứng dụng trong quang phân hủy hiệu quả các chất màu hữu cơ trong nước, đặc biệt là CV. Nghiên cứu được thực hiện tại Trường Đại học Bách khoa – Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh trong giai đoạn từ tháng 2 đến tháng 7 năm 2023. Hiệu suất quang phân hủy CV của vật liệu ZTG đạt trên 99%, đồng thời mở rộng ứng dụng xử lý các chất màu khác như methyl orange (MO), rhodamine B (RhB), methylene blue (MB) và hợp chất phenolic para-nitrophenol (p-NP). Kết quả nghiên cứu góp phần phát triển vật liệu xúc tác quang phân hủy thân thiện môi trường, hiệu quả cao, đồng thời đề xuất mô hình cột xúc tác quang phân hủy 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 các lý thuyết và mô hình sau:

  • Cơ chế quang phân hủy chất ô nhiễm hữu cơ: Khi vật liệu bán dẫn như ZnO và TiO2 hấp thụ photon có năng lượng lớn hơn hoặc bằng năng lượng vùng cấm, các electron (e⁻) được kích thích từ vùng hóa trị (VB) lên vùng dẫn (CB), tạo ra các lỗ trống (h⁺) ở VB. Các cặp e⁻-h⁺ này tham gia vào các phản ứng oxy hóa-khử, tạo thành các gốc tự do •OH, •O2⁻ có khả năng phân hủy các chất ô nhiễm thành CO2, H2O và các hợp chất vô cơ đơn giản.

  • Mô hình composite ZnO-TiO2/GA: Sự kết hợp ZnO và TiO2 tạo thành liên kết dị thể giúp giảm tốc độ tái tổ hợp e⁻-h⁺, mở rộng vùng hấp thụ ánh sáng và tăng hiệu suất quang phân hủy. Graphene aerogel (GA) với cấu trúc 3D xốp, diện tích bề mặt lớn, đóng vai trò làm chất nền hỗ trợ hấp phụ chất ô nhiễm và dẫn truyền điện tử, làm chậm quá trình tái tổ hợp, nâng cao hiệu quả xúc tác.

  • Mô hình Plackett-Burman và Box-Behnken: Phương pháp thiết kế thí nghiệm Plackett-Burman được sử dụng để sàng lọc các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất quang phân hủy như pH, nồng độ CV ban đầu, lượng vật liệu, thời gian hấp phụ và thời gian quang phân hủy. Ba yếu tố ảnh hưởng nhất được khảo sát đồng thời bằng phương pháp bề mặt đáp ứng (RSM) theo mô hình Box-Behnken để tối ưu hóa điều kiện phản ứng.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Vật liệu ZTG được tổng hợp từ tiền chất ZnO, titan (IV) isopropoxide và graphene oxide (GO) với các lượng ZnO khảo sát lần lượt là 0, 100, 200, 300, và 400 mg. Vật liệu được tổng hợp bằng phương pháp đồng kết tủa có hỗ trợ thủy nhiệt ở 180°C.

  • Phương pháp phân tích đặc trưng: Các kỹ thuật hiện đại được sử dụng gồm nhiễu xạ tia X (XRD), phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FTIR), phổ Raman, phổ tán xạ năng lượng tia X (EDS), kính hiển vi điện tử quét (SEM), kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM), phân tích nhiệt trọng lượng (TGA), phổ quang điện tử tia X (XPS), và hấp phụ-giải hấp khí N2.

  • Phân tích hiệu suất quang phân hủy: Hiệu suất quang phân hủy CV được xác định dựa trên sự thay đổi nồng độ CV trước và sau phản ứng, tính theo phần trăm (%) theo công thức:

$$ H = \frac{C_0 - C_t}{C_0} \times 100% $$

trong đó $C_0$ và $C_t$ lần lượt là nồng độ CV ban đầu và sau thời gian quang phân hủy t.

  • Thiết kế thí nghiệm: Phương pháp Plackett-Burman được dùng để sàng lọc các yếu tố ảnh hưởng, tiếp theo mô hình Box-Behnken được áp dụng để khảo sát ảnh hưởng đồng thời của pH, nồng độ CV ban đầu và lượng vật liệu lên hiệu suất quang phân hủy.

  • Khảo sát khả năng thu hồi và tái sử dụng: Vật liệu ZTG3 được thử nghiệm qua 10 chu kỳ thu hồi và tái sử dụng để đánh giá độ bền và ổn định.

  • Khảo sát cơ chế quang phân hủy: Ảnh hưởng của các gốc tự do •OH, •O2⁻ và h⁺ được khảo sát bằng cách sử dụng các chất bắt gốc như benzoquinone (BQ), ammonium oxalate (AO), và isopropyl alcohol (IPA).

  • Mở rộng ứng dụng: Vật liệu ZTG3 được thử nghiệm khả năng quang phân hủy các chất màu khác như MO, RhB, MB và hợp chất phenolic p-NP.

  • Mô hình cột xúc tác quang phân hủy: Được đề xuất và khảo sát hiệu quả xử lý CV trong điều kiện thực tế.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Ảnh hưởng lượng ZnO đến hiệu suất quang phân hủy CV: Vật liệu ZTG3 với lượng ZnO 300 mg đạt hiệu suất quang phân hủy CV cao nhất, trên 99%, vượt trội so với các mẫu khác. Hiệu suất của ZTG3 cao hơn khoảng 15-20% so với vật liệu ZnO hoặc TiO2 đơn lẻ.

  2. Đặc trưng vật liệu ZTG3: Qua phân tích XRD, FTIR, Raman, SEM, TEM và XPS, vật liệu ZTG3 có cấu trúc tinh thể rõ ràng, các hạt nano ZnO và TiO2 phân tán đồng đều trên nền GA. Diện tích bề mặt riêng của ZTG3 đạt khoảng 57 m²/g, tăng 24% so với vật liệu ZnO-TiO2 không có GA. Phổ TGA cho thấy vật liệu ổn định nhiệt đến khoảng 400°C.

  3. Ảnh hưởng các yếu tố quang phân hủy: Mô hình Plackett-Burman xác định pH, nồng độ CV ban đầu và lượng vật liệu là ba yếu tố ảnh hưởng lớn nhất. Mô hình Box-Behnken tối ưu điều kiện pH khoảng 6, nồng độ CV 10 mg/L và lượng vật liệu 0,05 g cho hiệu suất quang phân hủy CV đạt trên 99%. Thời gian hấp phụ tối ưu là 30 phút, thời gian quang phân hủy 120 phút.

  4. Khả năng thu hồi và tái sử dụng: Vật liệu ZTG3 duy trì hiệu suất trên 90% sau 10 chu kỳ sử dụng, khối lượng vật liệu giảm dưới 5%. Phân tích FTIR, XRD và SEM sau 10 chu kỳ cho thấy cấu trúc vật liệu không thay đổi đáng kể, chứng tỏ độ bền và ổn định cao.

  5. Cơ chế quang phân hủy: Các gốc tự do •OH và •O2⁻ đóng vai trò chủ đạo trong quá trình phân hủy CV, trong khi h⁺ có ảnh hưởng thấp hơn. Sử dụng chất bắt gốc làm giảm hiệu suất quang phân hủy từ 99% xuống còn khoảng 60-70%, xác nhận vai trò quan trọng của các gốc tự do.

  6. Khả năng xử lý mở rộng: Vật liệu ZTG3 đạt hiệu suất quang phân hủy trên 85% đối với MO, RhB, MB và p-NP trong thời gian 150 phút, cho thấy tính đa dụng trong xử lý các chất ô nhiễm hữu cơ khác nhau.

  7. Hiệu quả mô hình cột xúc tác quang phân hủy: Mô hình cột xúc tác sử dụng vật liệu ZTG3 xử lý CV đạt hiệu suất trên 90% trong điều kiện dòng chảy liên tục, chứng minh khả năng ứng dụng thực tế trong xử lý nước thải.

Thảo luận kết quả

Hiệu suất quang phân hủy cao của vật liệu ZTG3 được giải thích bởi sự kết hợp hiệu quả giữa ZnO và TiO2 tạo liên kết dị thể, giảm thiểu tái tổ hợp e⁻-h⁺, đồng thời GA với cấu trúc 3D xốp tăng diện tích bề mặt và khả năng hấp phụ chất ô nhiễm. So với các nghiên cứu trước đây chỉ sử dụng GO hoặc rGO, việc ứng dụng GA làm chất nền giúp cải thiện đáng kể hiệu suất và độ bền vật liệu. Kết quả mô hình Plackett-Burman và Box-Behnken cho thấy tầm quan trọng của việc tối ưu hóa điều kiện pH, nồng độ và lượng vật liệu để đạt hiệu quả cao nhất, phù hợp với các nghiên cứu trong ngành. Khả năng tái sử dụng ổn định qua nhiều chu kỳ giúp giảm chi phí vận hành và tăng tính bền vững của công nghệ. Cơ chế quang phân hủy dựa trên vai trò của các gốc tự do phù hợp với các mô hình quang xúc tác bán dẫn hiện đại. Mô hình cột xúc tác quang phân hủy được đề xuất mở ra hướng ứng dụng thực tế, giúp xử lý nước thải công nghiệp hiệu quả, thân thiện môi trường.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Triển khai sản xuất vật liệu ZTG quy mô lớn: Áp dụng quy trình đồng kết tủa có hỗ trợ thủy nhiệt để sản xuất vật liệu ZTG3 với lượng ZnO tối ưu 300 mg, nhằm đảm bảo hiệu suất quang phân hủy trên 99%. Thời gian thực hiện dự kiến 6-12 tháng, do các đơn vị nghiên cứu và doanh nghiệp hợp tác.

  2. Xây dựng hệ thống cột xúc tác quang phân hủy ứng dụng xử lý nước thải công nghiệp: Thiết kế và vận hành mô hình cột xúc tác sử dụng vật liệu ZTG3 để xử lý nước thải chứa chất màu hữu cơ như CV, MO, RhB, MB. Mục tiêu đạt hiệu suất xử lý trên 90% trong điều kiện dòng chảy liên tục, thời gian 12-18 tháng, do các nhà máy xử lý nước thải và trung tâm nghiên cứu thực hiện.

  3. Tối ưu hóa điều kiện vận hành hệ thống xử lý: Điều chỉnh pH, nồng độ chất ô nhiễm và lượng vật liệu xúc tác theo kết quả nghiên cứu (pH ~6, lượng vật liệu 0,05 g/lít) để đạt hiệu quả xử lý tối ưu. Thời gian thực hiện 3-6 tháng, do kỹ sư vận hành và chuyên gia môi trường phối hợp.

  4. Nghiên cứu mở rộng ứng dụng xử lý các chất ô nhiễm hữu cơ khác: Khảo sát khả năng quang phân hủy các hợp chất phenolic, thuốc trừ sâu, kháng sinh trong nước thải bằng vật liệu ZTG3 nhằm đa dạng hóa ứng dụng. Thời gian 12 tháng, do các nhóm nghiên cứu hóa môi trường thực hiện.

  5. Đào tạo và chuyển giao công nghệ: Tổ chức các khóa đào tạo kỹ thuật tổng hợp và ứng dụng vật liệu ZTG cho cán bộ kỹ thuật, doanh nghiệp và sinh viên nhằm thúc đẩy ứng dụng rộng rãi. Thời gian liên tục, do trường đại học và các tổ chức đào tạo phối hợp thực hiện.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Kỹ thuật Hóa học, Môi trường: Luận văn cung cấp quy trình tổng hợp vật liệu composite ZnO-TiO2/GA, phương pháp phân tích đặc trưng và thiết kế thí nghiệm tối ưu, giúp nâng cao kiến thức và kỹ năng nghiên cứu vật liệu xúc tác quang.

  2. Doanh nghiệp và kỹ sư vận hành hệ thống xử lý nước thải công nghiệp: Tham khảo để ứng dụng vật liệu ZTG và mô hình cột xúc tác quang phân hủy trong xử lý nước thải chứa chất màu hữu cơ, cải thiện hiệu quả xử lý và giảm chi phí vận hành.

  3. Cơ quan quản lý môi trường và chính sách: Cung cấp cơ sở khoa học để đánh giá và khuyến khích áp dụng công nghệ xử lý nước thải tiên tiến, thân thiện môi trường, góp phần bảo vệ nguồn nước và sức khỏe cộng đồng.

  4. Các tổ chức đào tạo và phát triển công nghệ: Sử dụng luận văn làm tài liệu giảng dạy, nghiên cứu phát triển vật liệu mới và chuyển giao công nghệ xử lý ô nhiễm nước thải.

Câu hỏi thường gặp

  1. Vật liệu ZnO-TiO2/GA có ưu điểm gì so với vật liệu xúc tác truyền thống?
    Vật liệu ZTG kết hợp ưu điểm của ZnO và TiO2 giúp giảm tái tổ hợp e⁻-h⁺, mở rộng vùng hấp thụ ánh sáng, trong khi GA làm chất nền tăng diện tích bề mặt và khả năng hấp phụ, nâng cao hiệu suất quang phân hủy trên 99%.

  2. Phương pháp tổng hợp vật liệu ZTG được thực hiện như thế nào?
    Vật liệu được tổng hợp bằng phương pháp đồng kết tủa có hỗ trợ thủy nhiệt ở 180°C, sử dụng tiền chất ZnO, titan (IV) isopropoxide và graphene oxide, đảm bảo phân tán đồng đều các hạt nano trên nền GA.

  3. Các yếu tố nào ảnh hưởng lớn nhất đến hiệu suất quang phân hủy CV?
    Theo mô hình Plackett-Burman và Box-Behnken, pH dung dịch, nồng độ CV ban đầu và lượng vật liệu xúc tác là ba yếu tố ảnh hưởng lớn nhất, với điều kiện tối ưu pH ~6, nồng độ CV 10 mg/L và lượng vật liệu 0,05 g.

  4. Vật liệu ZTG có thể tái sử dụng bao nhiêu lần mà vẫn giữ hiệu quả?
    Nghiên cứu cho thấy vật liệu ZTG3 duy trì hiệu suất trên 90% sau 10 chu kỳ thu hồi và tái sử dụng, chứng tỏ độ bền và ổn định cao phù hợp cho ứng dụng thực tế.

  5. Mô hình cột xúc tác quang phân hủy có thể ứng dụng trong xử lý nước thải công nghiệp không?
    Mô hình cột xúc tác sử dụng vật liệu ZTG3 đã được khảo sát và đạt hiệu suất xử lý CV trên 90% trong điều kiện dòng chảy liên tục, phù hợp để ứng dụng trong xử lý nước thải công nghiệp chứa chất màu hữu cơ.

Kết luận

  • Đã tổng hợp thành công vật liệu composite ZnO-TiO2/GA (ZTG3) với lượng ZnO tối ưu 300 mg, đạt hiệu suất quang phân hủy CV trên 99%.
  • Đặc trưng vật liệu được xác định bằng nhiều phương pháp hiện đại, cho thấy cấu trúc tinh thể ổn định, diện tích bề mặt lớn và phân tán hạt nano đồng đều.
  • Các yếu tố pH, nồng độ CV ban đầu và lượng vật liệu ảnh hưởng lớn đến hiệu suất quang phân hủy, được tối ưu bằng mô hình Box-Behnken.
  • Vật liệu ZTG3 có khả năng thu hồi và tái sử dụng hiệu quả qua 10 chu kỳ, giữ được cấu trúc và hiệu suất cao.
  • Đã đề xuất và khảo sát thành công mô hình cột xúc tác quang phân hủy ứng dụng xử lý nước thải công nghiệp, mở rộng khả năng xử lý các chất màu hữu cơ khác.

Next steps: Triển khai sản xuất quy mô lớn, xây dựng hệ thống xử lý nước thải thực tế, mở rộng nghiên cứu ứng dụng và đào tạo chuyển giao công nghệ.

Call-to-action: Các nhà nghiên cứu, doanh nghiệp và cơ quan quản lý môi trường nên hợp tác để phát triển và ứng dụng công nghệ quang phân hủy sử dụng vật liệu ZTG nhằm bảo vệ nguồn nước và sức khỏe cộng đồng.