Đại Học Bách Khoa: Nghiên Cứu Tổng Hợp Vật Liệu Kẽm Oxit-Titan Dioxit Trên Cơ Sở Graphene Aerogel Để Quang Phân Hủy Chất Màu Hữu Cơ Trong Nước

Ngành công nghiệp dệt nhuộm là một trong những nguồn gây ô nhiễm chính do sử dụng lượng lớn hóa chất trong quá trình sản xuất. Nước thải từ các công đoạn như ngâm tẩm, nhuộm và hoàn tất sản phẩm thường chứa các hợp chất halogen hữu cơ, chất hoạt động bề mặt, và đặc biệt là chất màu dệt nhuộm khó phân hủy. Theo nghiên cứu, lượng thuốc nhuộm tồn dư trong nước thải có thể lên đến 50% so với lượng sử dụng ban đầu, làm tăng độ màu và nồng độ các chất ô nhiễm trong nguồn nước. Tình trạng này đòi hỏi các giải pháp xử lý hiệu quả để giảm thiểu tác động tiêu cực đến môi trường và sức khỏe cộng đồng.

Các chất màu hữu cơ như methyl cam (MO), rhodamine B (RhB), và methylene xanh (MB) có những tác động tiêu cực khác nhau đến sức khỏe và môi trường. MO, thường dùng trong công nghiệp may mặc và in ấn, có thể gây dị ứng da. RhB, được sử dụng để nhuộm vải và màu thực phẩm, có thể gây nôn mửa, ngộ độc và nguy cơ ung thư. MB, dùng trong nhuộm giấy và vải, có thể gây đau đầu, nôn mửa và ảnh hưởng đến huyết áp. Do đó, việc loại bỏ các chất màu này khỏi nước thải là vô cùng quan trọng để bảo vệ nguồn nước và sức khỏe con người.

ZnO và TiO2 là hai oxit kim loại bán dẫn phổ biến với khả năng hấp thụ ánh sáng UV và tạo ra các cặp electron-lỗ trống, khởi đầu quá trình quang xúc tác. Graphene Aerogel, với cấu trúc ba chiều xốp và diện tích bề mặt lớn, đóng vai trò quan trọng trong việc phân tán và hỗ trợ các hạt ZnO và TiO2, đồng thời tăng cường khả năng hấp phụ chất màu hữu cơ. Nhờ đó, vật liệu ZTG có thể tận dụng tối đa ánh sáng và chất xúc tác để tăng cường hiệu quả quang phân hủy.

Vật liệu nanocomposite ZTG sở hữu nhiều ưu điểm so với các vật liệu quang xúc tác đơn lẻ. Cấu trúc aerogel giúp tăng diện tích bề mặt tiếp xúc, cải thiện khả năng hấp thụ chất màu hữu cơ. Graphene tăng cường khả năng vận chuyển electron, giảm thiểu sự tái hợp electron-lỗ trống, nâng cao hiệu suất quang xúc tác. Sự kết hợp của ZnO và TiO2 mở rộng vùng hấp thụ ánh sáng, tăng hiệu quả sử dụng năng lượng mặt trời. Những ưu điểm này giúp vật liệu ZTG trở thành một lựa chọn tiềm năng cho việc xử lý nước thải chứa chất màu hữu cơ.

Phương pháp đồng kết tủa là một kỹ thuật hiệu quả để tạo ra các vật liệu nanocomposite có thành phần đồng nhất. Trong quy trình này, các tiền chất của ZnO, TiO2 và Graphene Aerogel được hòa tan trong dung môi và kết tủa đồng thời bằng cách thay đổi pH hoặc nhiệt độ. Quá trình kết tủa diễn ra trên bề mặt Graphene Aerogel, tạo ra cấu trúc nano phân tán đều. Việc kiểm soát các điều kiện phản ứng, như pH, nhiệt độ và thời gian, là rất quan trọng để đạt được vật liệu ZTG có kích thước hạt và cấu trúc mong muốn.

Quá trình thủy nhiệt là một kỹ thuật được sử dụng để tổng hợp vật liệu trong môi trường nước ở nhiệt độ và áp suất cao. Trong trường hợp tổng hợp vật liệu ZTG, quá trình thủy nhiệt giúp cải thiện độ kết tinh của ZnO và TiO2, đồng thời tăng cường sự tương tác giữa các thành phần trong vật liệu nanocomposite. Điều này dẫn đến vật liệu ZTG có cấu trúc ổn định hơn, diện tích bề mặt lớn hơn và hiệu suất quang xúc tác cao hơn. Việc sử dụng quy trình thủy nhiệt cũng giúp giảm thiểu kích thước hạt và tăng cường sự phân tán của ZnO và TiO2 trên bề mặt Graphene Aerogel.

Mô hình Plackett-Burman là một phương pháp thống kê được sử dụng để xác định các yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến một quá trình. Trong nghiên cứu này, mô hình Plackett-Burman được sử dụng để sàng lọc các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất quang phân hủy CV của vật liệu ZTG3, bao gồm pH, nồng độ CV ban đầu, lượng vật liệu, thời gian hấp phụ và thời gian quang phân hủy. Kết quả phân tích cho thấy pH, nồng độ CV ban đầu và lượng vật liệu là ba yếu tố có ảnh hưởng đáng kể đến hiệu suất quang phân hủy và được lựa chọn để khảo sát sâu hơn bằng phương pháp bề mặt đáp ứng.

Phương pháp bề mặt đáp ứng (RSM) kết hợp với thiết kế thí nghiệm Box-Behnken được sử dụng để tối ưu hóa các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất quang phân hủy CV của vật liệu ZTG3. Các yếu tố pH, nồng độ CV ban đầu và lượng vật liệu được khảo sát đồng thời trong một loạt các thí nghiệm. Kết quả được phân tích bằng phần mềm thống kê để xây dựng một mô hình toán học mô tả mối quan hệ giữa các yếu tố và hiệu suất quang phân hủy. Mô hình này sau đó được sử dụng để xác định các điều kiện tối ưu để đạt được hiệu suất quang phân hủy cao nhất.

Kết quả nghiên cứu cho thấy vật liệu ZTG3 không chỉ hiệu quả trong việc quang phân hủy CV, mà còn có khả năng xử lý hiệu quả các chất màu hữu cơ khác như MO, RhB, MB và hợp chất phenolic p-NP. Điều này chứng tỏ tính linh hoạt và tiềm năng ứng dụng rộng rãi của vật liệu ZTG3 trong việc xử lý nước thải chứa nhiều loại chất ô nhiễm khác nhau. Khả năng xử lý đa dạng này là một ưu điểm lớn so với các vật liệu quang xúc tác chuyên dụng, giúp vật liệu ZTG3 trở thành một giải pháp kinh tế và hiệu quả cho việc bảo vệ môi trường.

Mô hình cột xúc tác quang phân hủy được đề xuất nhằm ứng dụng vật liệu ZTG3 trong xử lý nước thải thực tế. Mô hình này sử dụng một cột chứa vật liệu ZTG3 được chiếu sáng bằng đèn UV hoặc ánh sáng mặt trời. Nước thải chứa chất màu hữu cơ được đưa qua cột, trong đó vật liệu ZTG3 sẽ quang phân hủy các chất ô nhiễm. Nghiên cứu cho thấy mô hình cột xúc tác quang phân hủy có hiệu quả trong việc loại bỏ chất màu CV khỏi nước thải, mở ra tiềm năng ứng dụng trong quy mô công nghiệp.

Mặc dù vật liệu ZTG có nhiều ưu điểm, vẫn còn một số thách thức cần vượt qua để ứng dụng rộng rãi. Cần cải thiện hiệu suất quang xúc tác của vật liệu, đặc biệt trong điều kiện ánh sáng nhìn thấy. Tăng cường độ bền và khả năng tái sử dụng của vật liệu để giảm chi phí vận hành. Phát triển các quy trình tổng hợp đơn giản, chi phí thấp và thân thiện với môi trường. Vượt qua những thách thức này sẽ mở ra triển vọng lớn cho việc ứng dụng vật liệu ZTG trong xử lý nước thải và bảo vệ môi trường.

Các hướng nghiên cứu tiếp theo về vật liệu ZTG có thể tập trung vào việc: (1) Nghiên cứu các phương pháp biến tính bề mặt vật liệu để tăng cường khả năng hấp thụ ánh sáng và chất ô nhiễm. (2) Phát triển các vật liệu ZTG có cấu trúc nano phức tạp để tăng diện tích bề mặt và khả năng vận chuyển electron. (3) Ứng dụng vật liệu ZTG trong các hệ thống xử lý nước thải kết hợp với các phương pháp khác, như lọc, hấp phụ và phân hủy sinh học. (4) Nghiên cứu độc tính và tác động môi trường của vật liệu ZTG để đảm bảo an toàn khi sử dụng.