NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP NANOCOMPOSITE KẼM OXIT–TITAN DIOXIT/GRAPHENE OXIT DẠNG KHỬ ỨNG DỤNG XÚC TÁC QUANG PHÂN HỦY XANH METHYLENE

• Tác giả: Huỳnh Văn Bảo
• Người hướng dẫn: PGS. Nguyễn Hữu Hiếu
• Trường học: Trường Đại Học Bách Khoa – ĐHQG – HCM
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Hóa Học
• Đề tài: Nghiên cứu tổng hợp nanocomposite kẽm oxit–titan dioxit/graphene oxit dạng khử ứng dụng xúc tác quang phân hủy xanh methylene
• Loại tài liệu: Luận Văn Thạc Sĩ
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

• LỜI CẢM ƠN
• LỜI CAM ĐOAN
• MỤC LỤC
• DANH MỤC HÌNH
• DANH MỤC BẢNG
• DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
• ĐẶT VẤN ĐỀ
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Tình hình ô nhiễm
• 1.2. Công thức cấu tạo và đặc tính MB
• 1.3. Ứng dụng của MB
• 1.4. Ảnh hưởng của MB đến sức khỏe con người và sinh vật
• 1.5. Phương pháp xử lý MB
• 1.6. Phương pháp ozon hóa
• 1.7. Phương pháp hấp phụ
• 1.8. Phương pháp sinh học
• 1.9. Phương pháp điện hóa
• 1.10. Phương pháp quang phân hủy
• 2. CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM
• 2.1. Hóa chất, dụng cụ, thiết bị, và địa điểm thực hiện
• 2.2. Dụng cụ và thiết bị
• 2.3. Địa điểm thực hiện
• 2.4. Tổng hợp và khảo sát đặc trưng của ZnO–TiO2/rGO
• 2.5. Khảo sát ảnh hưởng yếu tố quang phân hủy đến hiệu suất phân hủy MB của vật liệu ZnO–TiO2/rGO
• 2.6. Khảo sát khả năng thu hồi và tái sử dụng của vật liệu ZnO–TiO2/rGO
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN
• 3.1. Đặc trưng của các vật liệu ZnO–TiO2/rGO
• 3.2. Phổ UV–Vis
• 3.3. Ảnh hưởng yếu tố đến hiệu suất quang phân hủy MB của vật liệu ZnO–TiO2/rGO
• 3.4. Khả năng thu hồi và tái sử dụng của vật liệu ZnO–TiO2/rGO
• 4. CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN
• CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

I. Tổng Quan Về ZnO TiO2 rGO Nanocomposite Ứng Dụng Tiềm Năng 55

Ngành công nghiệp dệt nhuộm phát triển kéo theo vấn đề ô nhiễm nguồn nước, đặc biệt là bởi các thuốc nhuộm hữu cơ như xanh methylene. Theo Ngân hàng Thế giới (2019), 20% nước thải toàn cầu đến từ xử lý và nhuộm vải. Xanh methylene gây suy giảm oxy trong nước, cản trở quang hợp, ảnh hưởng tiêu cực đến sinh học. Phương pháp quang phân hủy sử dụng chất bán dẫn là giải pháp tiềm năng. TiO2 và ZnO là vật liệu bán dẫn phổ biến, có tính ổn định, chi phí thấp và thân thiện môi trường. rGO với tính dẫn điện tốt, khả năng hấp phụ cao, kết hợp với TiO2 và ZnO giúp giảm tái tổ hợp electron-lỗ trống. Luận văn này nghiên cứu tổng hợp nanocomposite kẽm oxit–titan dioxit/graphene oxit dạng khử ứng dụng xúc tác quang phân hủy xanh methylene.

1.1. Ô nhiễm Nước Do Thuốc Nhuộm Thực Trạng Đáng Báo Động

Sự phát triển của ngành dệt nhuộm mang lại lợi ích kinh tế, nhưng cũng gây ra ô nhiễm môi trường nghiêm trọng. Nước thải từ ngành này chứa nồng độ ô nhiễm cao do thiếu hệ thống xử lý đạt chuẩn. Theo nghiên cứu, cần 70-150 lít nước để xử lý 1 kg vải sợi, và khoảng 2.700 lít nước cho một chiếc áo phông cotton. Đáng lo ngại, 17-20% ô nhiễm nguồn nước công nghiệp xuất phát từ dệt nhuộm và xử lý dệt may. Các chất ô nhiễm bao gồm chất tự nhiên từ sợi vải, dầu, sáp, hợp chất nitơ, thuốc nhuộm, chất cầm màu và hóa chất tẩy giặt. Khoảng 10-30% lượng thuốc nhuộm và hóa chất được thải ra môi trường cùng nước thải. Xanh methylene (MB) là một thuốc nhuộm phổ biến gây ô nhiễm nguồn nước và cần được xử lý hiệu quả.

1.2. Xanh Methylene MB Tính Chất Ứng Dụng và Tác Hại

Xanh methylene, công thức hóa học C16H18ClN3S, còn gọi là methylthioninium clorua, là hợp chất thơm dị vòng. MB có màu xanh đậm, ổn định ở nhiệt độ phòng, dung dịch 1% có pH 3-4,5. MB tồn tại ở dạng rắn không mùi, tan trong nước tạo dung dịch màu xanh lam. Khi phân hủy, MB tạo khí độc như Cl2, NO, CO, SO2, CO2, H2S. Được xác định năm 1876, MB được ứng dụng rộng rãi trong sản xuất. Trong y học, sinh học và công nghiệp. Cấu trúc của MB được thể hiện ở Hình 1.1. Với nhiều ứng dụng, MB dễ gây ô nhiễm nước, ảnh hưởng xấu đến sức khỏe và sinh vật.

II. Các Phương Pháp Xử Lý Xanh Methylene Ưu và Nhược Điểm 58

Hiện nay, có nhiều phương pháp xử lý xanh methylene (MB) trong nước như ozon hóa, hấp phụ, sinh học, điện hóa, và quang phân hủy. Phương pháp ozon hóa sử dụng ozon (O3), một tác nhân oxy hóa mạnh, để phản ứng và phân hủy chất hữu cơ ô nhiễm. Ưu điểm của ozon hóa là tốc độ xử lý nhanh, không cần tác nhân hóa học, khả năng loại bỏ ô nhiễm cao. Tuy nhiên, nhược điểm là vốn đầu tư cao, tiêu tốn năng lượng, và có thể tạo chất độc. Phương pháp hấp phụ loại bỏ ô nhiễm thông qua tương tác trên bề mặt chất hấp phụ, có ưu điểm là hiệu quả cao, tiết kiệm chi phí, và có thể tái sử dụng chất hấp phụ. Nhưng cần thời gian tiếp xúc dài và tạo ra chất thải sau xử lý. Phương pháp sinh học dùng vi sinh vật để phân hủy hợp chất hữu cơ, có ưu điểm là hiệu quả cao, chi phí thấp, thân thiện môi trường. Nhưng cần duy trì môi trường cho vi sinh vật và thời gian xử lý kéo dài.

2.1. Phương Pháp Ozon Hóa và Hấp Phụ Chi Tiết Quy Trình

Ozon hóa sử dụng O3, một tác nhân oxy hóa mạnh với thế oxy hóa 2,07 V, để phản ứng và phân hủy các chất hữu cơ, vô cơ trong nước. Quá trình này sử dụng ánh sáng hồ quang điện hoặc tia UV để tạo ozon. Phương pháp này hiệu quả trong việc loại bỏ phenol, sản phẩm dầu mỏ, H2S, các hợp chất asen, chất hoạt động bề mặt, xyanua, thuốc nhuộm, hydrocacbon thơm, thuốc kháng sinh,... Trong khi đó, hấp phụ là một phương pháp hóa lý sử dụng sự tương tác của các tác nhân ô nhiễm trên bề mặt chất hấp phụ. Hiệu quả của quá trình hấp phụ chịu ảnh hưởng của các yếu tố bản chất của chất hấp phụ và hóa tính của dung dịch.

2.2. Phương Pháp Sinh Học và Điện Hóa Lựa Chọn Xanh

Phương pháp sinh học sử dụng hệ nấm sợi, nấm men, vi khuẩn kỵ khí và hiếu khí để phân hủy các hợp chất hữu cơ. Các cấu trúc vòng thơm của thuốc nhuộm hữu cơ được sử dụng làm nguồn nguyên liệu cho quá trình sinh trưởng của nấm và vi khuẩn. Ưu điểm của phương pháp này bao gồm khả năng loại bỏ thuốc nhuộm hữu cơ với độ chọn lọc tốt, hiệu quả cao, chi phí thấp, điều kiện vận hành dễ dàng, và thân thiện môi trường. Phương pháp điện hóa dựa trên quá trình oxy hóa/khử xảy ra trên điện cực. Tại anot, nước và các ion clorua được oxy hóa dẫn đến sự hình thành O2, O3, Cl2, và các gốc là tác nhân oxy hóa các chất hữu cơ trong dung dịch.

2.3. Quang Phân Hủy Giải Pháp Tiềm Năng Với ZnO TiO2 rGO

Phương pháp quang phân hủy đang được quan tâm nghiên cứu nhờ khả năng sử dụng ánh sáng để kích hoạt chất xúc tác quang, phân hủy chất ô nhiễm. ZnO-TiO2/rGO nanocomposite là một vật liệu tiềm năng cho xúc tác quang do khả năng hấp thụ ánh sáng, tạo cặp electron-lỗ trống và phân hủy các hợp chất hữu cơ. Nghiên cứu tập trung vào việc cải thiện hiệu quả quang phân hủy bằng cách tối ưu hóa cấu trúc và thành phần của nanocomposite.

III. Tổng Hợp ZnO TiO2 rGO Nanocomposite Quy Trình Chi Tiết 56

Luận văn trình bày quy trình tổng hợp ZnO-TiO2/rGO nanocomposite qua ba giai đoạn. Giai đoạn 1: Graphene oxit (GO) được tổng hợp từ graphite bằng phương pháp Hummers cải tiến. Giai đoạn 2: Tổng hợp titan dioxit/graphene oxit dạng khử (TiO2/rGO) bằng phương pháp thủy nhiệt sử dụng titan (IV) isopropoxit và GO là tiền chất. Giai đoạn 3: ZnO-TiO2/rGO được tổng hợp từ tiền chất kẽm acetate và TiO2/rGO. Bên cạnh đó, graphene oxit dạng khử (rGO) được khử từ GO bằng phương pháp thủy nhiệt. Đặc trưng của vật liệu ZnO-TiO2/rGO được xác định bằng các phân tích hiện đại: Nhiễu xạ tia X (XRD), Raman, tán sắc năng lượng tia X (EDS), kính hiển vi điện tử quét (SEM), kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM), hấp thu tử ngoại–khả kiến (UV–Vis), phương pháp hấp phụ đẳng nhiệt (BET), và phân tích nhiệt trọng lượng (TGA).

3.1. Phương Pháp Hummers Cải Tiến Tổng Hợp Graphene Oxit GO

Giai đoạn đầu tiên trong quy trình là tổng hợp Graphene oxit (GO) từ graphite bằng phương pháp Hummers cải tiến. Phương pháp này sử dụng các tác nhân oxy hóa mạnh để oxy hóa graphite, tạo ra các nhóm chức chứa oxy trên bề mặt graphene, tạo thành GO. GO có cấu trúc lớp, diện tích bề mặt lớn và dễ dàng phân tán trong nước, tạo điều kiện thuận lợi cho các giai đoạn tổng hợp tiếp theo.

3.2. Thủy Nhiệt Tổng Hợp TiO2 rGO từ GO và Titan Isopropoxit

Giai đoạn thứ hai là tổng hợp titan dioxit/graphene oxit dạng khử (TiO2/rGO) bằng phương pháp thủy nhiệt sử dụng titan (IV) isopropoxit và GO làm tiền chất. Phương pháp thủy nhiệt được thực hiện trong một bình phản ứng kín ở nhiệt độ và áp suất cao, tạo điều kiện cho sự kết tinh của TiO2 trên bề mặt rGO. Quá trình thủy nhiệt cũng đồng thời khử GO thành rGO.

3.3. Kết Hợp Tiền Chất Tổng Hợp ZnO TiO2 rGO Nanocomposite Hoàn Chỉnh

Giai đoạn cuối cùng là tổng hợp ZnO-TiO2/rGO từ tiền chất kẽm acetate và TiO2/rGO. Kẽm acetate được thêm vào dung dịch chứa TiO2/rGO, sau đó được xử lý nhiệt để tạo thành các hạt nano ZnO trên bề mặt TiO2/rGO. Kết quả là thu được nanocomposite ZnO-TiO2/rGO với cấu trúc và thành phần mong muốn.

IV. Ảnh Hưởng Của Yếu Tố Đến Hiệu Suất Quang Phân Hủy MB 59

Hiệu suất quang phân hủy của vật liệu ZnO-TiO2/rGO được đánh giá thông qua xanh methylene (MB). Ảnh hưởng các yếu tố (lượng vật liệu, nồng độ MB, và pH) đến hiệu suất quang phân hủy của vật liệu ZnO-TiO2/rGO được khảo sát bằng phương pháp luân phiên từng biến. Nồng độ MB được xác định bằng phương pháp UV–Vis. Bên cạnh đó, hiệu suất quang phân hủy MB của vật liệu rGO, và TiO2/rGO) cũng được khảo sát nhằm đưa ra vai trò của từng thành phần. Thêm vào đó, khả năng thu hồi và tái sử dụng của vật liệu ZnO-TiO2/rGO được khảo sát qua 5 chu kỳ.

4.1. Lượng Vật Liệu Xúc Tác Tối Ưu Hóa Để Đạt Hiệu Quả Cao Nhất

Nghiên cứu khảo sát ảnh hưởng của lượng vật liệu ZnO-TiO2/rGO đến hiệu suất quang phân hủy xanh methylene. Kết quả cho thấy, hiệu suất quang phân hủy tăng lên khi tăng lượng vật liệu xúc tác đến một giá trị tối ưu, sau đó có thể giảm đi do sự che chắn ánh sáng và giảm diện tích bề mặt tiếp xúc với xanh methylene.

4.2. Nồng Độ MB Ban Đầu Tác Động Đến Quá Trình Phân Hủy Quang

Ảnh hưởng của nồng độ xanh methylene ban đầu đến hiệu suất quang phân hủy được nghiên cứu. Hiệu suất quang phân hủy thường giảm khi tăng nồng độ xanh methylene, do sự cạnh tranh hấp phụ trên bề mặt vật liệu xúc tác và giảm khả năng xuyên thấu của ánh sáng vào dung dịch.

4.3. Độ pH Của Dung Dịch Vai Trò Trong Phản Ứng Xúc Tác Quang

Nghiên cứu cũng tập trung vào ảnh hưởng của độ pH của dung dịch đến hiệu suất quang phân hủy xanh methylene. Độ pH ảnh hưởng đến điện tích bề mặt của vật liệu xúc tác và sự ion hóa của xanh methylene, từ đó ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ và phản ứng xúc tác quang.

V. Khả Năng Tái Sử Dụng ZnO TiO2 rGO Giải Pháp Bền Vững 52

Nghiên cứu đánh giá khả năng thu hồi và tái sử dụng của vật liệu ZnO-TiO2/rGO qua 5 chu kỳ quang phân hủy xanh methylene. Kết quả cho thấy vật liệu vẫn duy trì được một phần đáng kể hoạt tính xúc tác sau nhiều lần tái sử dụng, chứng tỏ tính ổn định và tiềm năng ứng dụng lâu dài của ZnO-TiO2/rGO trong xử lý ô nhiễm môi trường. Điều này giúp giảm chi phí và tăng tính bền vững của quá trình xử lý.

5.1. Thu Hồi Vật Liệu Sau Phản Ứng Quy Trình Đơn Giản Hiệu Quả

Sau mỗi chu kỳ quang phân hủy, vật liệu ZnO-TiO2/rGO được thu hồi bằng phương pháp ly tâm hoặc lọc. Vật liệu được rửa sạch bằng nước cất để loại bỏ các chất ô nhiễm còn bám trên bề mặt. Quy trình thu hồi đơn giản, dễ thực hiện và đảm bảo không ảnh hưởng đến hoạt tính xúc tác của vật liệu.

5.2. Đánh Giá Độ Bền Xúc Tác Giảm Thiểu Mất Mát Hoạt Tính

Trong quá trình tái sử dụng, hoạt tính xúc tác của vật liệu ZnO-TiO2/rGO có thể giảm do sự mất mát vật liệu, sự thay đổi cấu trúc bề mặt, hoặc sự bám dính của các chất ô nhiễm. Nghiên cứu đánh giá mức độ giảm hoạt tính xúc tác sau mỗi chu kỳ để xác định độ bền và số lần tái sử dụng tối ưu của vật liệu.

VI. Kết Luận Triển Vọng ZnO TiO2 rGO Xúc Tác Thế Hệ Mới 55

Nghiên cứu đã thành công trong việc tổng hợp ZnO-TiO2/rGO nanocomposite và chứng minh hiệu quả trong quang phân hủy xanh methylene. Vật liệu này có tiềm năng lớn trong ứng dụng xử lý nước thải ô nhiễm thuốc nhuộm. Các nghiên cứu tiếp theo nên tập trung vào tối ưu hóa quy trình tổng hợp, nâng cao độ bền xúc tác, và mở rộng ứng dụng cho các chất ô nhiễm khác. Việc phát triển ZnO-TiO2/rGO nanocomposite có thể đóng góp quan trọng vào giải quyết vấn đề ô nhiễm môi trường do ngành dệt nhuộm.

6.1. Tối Ưu Hóa Quy Trình Tổng Hợp Nâng Cao Chất Lượng Vật Liệu

Nghiên cứu cần tập trung vào tối ưu hóa quy trình tổng hợp ZnO-TiO2/rGO nanocomposite để tạo ra vật liệu có cấu trúc, thành phần và tính chất quang xúc tác tốt nhất. Các yếu tố cần xem xét bao gồm tỷ lệ các thành phần, điều kiện phản ứng, và phương pháp xử lý sau tổng hợp.

6.2. Mở Rộng Ứng Dụng Xúc Tác Phân Hủy Các Chất Ô Nhiễm Khác

ZnO-TiO2/rGO nanocomposite có tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong xử lý các chất ô nhiễm khác ngoài xanh methylene, như thuốc trừ sâu, dược phẩm, và các hợp chất hữu cơ khó phân hủy khác. Nghiên cứu cần đánh giá hiệu quả của vật liệu đối với các chất ô nhiễm này để mở rộng phạm vi ứng dụng.

Tổng quan nghiên cứu

Ô nhiễm nguồn nước do thuốc nhuộm hữu cơ, đặc biệt là xanh methylene (methylene blue – MB), đang là vấn đề nghiêm trọng trong ngành công nghiệp dệt nhuộm. Theo số liệu của Ngân hàng Thế giới năm 2019, khoảng 20% nước thải toàn cầu xuất phát từ quá trình xử lý và nhuộm vải, trong đó MB là một trong những chất gây ô nhiễm phổ biến. MB có tính axit cao, làm giảm pH nước, gây độc cho sinh vật thủy sinh và ảnh hưởng tiêu cực đến sức khỏe con người. Do đó, việc xử lý MB trong nước thải là cấp thiết nhằm bảo vệ môi trường và sức khỏe cộng đồng.

Phương pháp quang phân hủy sử dụng vật liệu bán dẫn như titan dioxit (TiO2) và kẽm oxit (ZnO) được đánh giá cao nhờ hiệu quả xử lý cao, chi phí thấp và thân thiện môi trường. Tuy nhiên, TiO2 có năng lượng vùng cấm lớn chỉ hoạt động hiệu quả dưới ánh sáng tử ngoại, trong khi ZnO có phổ hấp thụ rộng hơn nhưng vẫn gặp hạn chế về tái tổ hợp điện tử-lỗ trống. Graphene oxit dạng khử (rGO) với diện tích bề mặt lớn và khả năng dẫn điện tốt được kết hợp với TiO2 và ZnO để tạo thành nanocomposite ZnO–TiO2/rGO nhằm khắc phục các nhược điểm trên, nâng cao hiệu suất quang phân hủy MB.

Luận văn tập trung tổng hợp và khảo sát đặc trưng vật liệu ZnO–TiO2/rGO, đánh giá ảnh hưởng của các yếu tố như lượng vật liệu, nồng độ MB, và pH đến hiệu suất quang phân hủy MB trong dung dịch nước. Nghiên cứu được thực hiện trong khoảng thời gian từ tháng 8/2021 đến 7/2022 tại Trường Đại học Bách Khoa – Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh. Kết quả nghiên cứu góp phần phát triển vật liệu xúc tác quang hiệu quả, thân thiện môi trường, có tiềm năng 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 hữu cơ: Khi vật liệu bán dẫn như TiO2 hoặc ZnO được kích thích bởi ánh sáng có năng lượng phù hợp, các điện tử từ vùng hóa trị được kích thích lên vùng dẫn, tạo ra cặp điện tử (e⁻) và lỗ trống (h⁺). Các lỗ trống oxy hóa nước tạo ra gốc hydroxyl (•OH), trong khi điện tử khử oxy thành gốc superoxide (•O2⁻). Các gốc này oxy hóa chất hữu cơ thành CO2 và H2O.

• Mô hình Langmuir–Hinshelwood: Mô tả động học quang phân hủy trên bề mặt chất xúc tác dị thể, trong đó tốc độ phản ứng tỷ lệ với diện tích bề mặt bị che phủ bởi chất phản ứng. Đối với nồng độ MB thấp, phản ứng tuân theo động học bậc nhất.

• Tính chất vật liệu nanocomposite ZnO–TiO2/rGO: Sự kết hợp giữa TiO2, ZnO và rGO giúp giảm năng lượng vùng cấm, tăng diện tích bề mặt, giảm tái tổ hợp điện tử-lỗ trống, từ đó nâng cao hiệu suất quang phân hủy.

Ba khái niệm chính được sử dụng là: năng lượng vùng cấm (band gap), tái tổ hợp điện tử-lỗ trống, và diện tích bề mặt riêng.

Phương pháp nghiên cứu

• Nguồn dữ liệu: Nghiên cứu sử dụng các mẫu vật liệu tổng hợp trong phòng thí nghiệm, gồm graphene oxit (GO), titan dioxit/graphene oxit dạng khử (TiO2/rGO), và nanocomposite ZnO–TiO2/rGO.

• Phương pháp tổng hợp:

  • GO được tổng hợp từ graphite bằng phương pháp Hummers cải tiến.
  • TiO2/rGO được tổng hợp bằng phương pháp thủy nhiệt sử dụng titan (IV) isopropoxit và GO.
  • ZnO–TiO2/rGO được tổng hợp bằng phương pháp thủy nhiệt từ kẽm acetate và TiO2/rGO.

• Phương pháp phân tích đặc trưng vật liệu:

  • Nhiễu xạ tia X (XRD) xác định cấu trúc tinh thể.
  • Phổ Raman đánh giá mức độ khuyết tật và thành phần.
  • Phổ tán sắc năng lượng tia X (EDS) xác định thành phần nguyên tố.
  • Kính hiển vi điện tử quét (SEM) và truyền qua (TEM) khảo sát hình thái và kích thước hạt.
  • Phổ hấp thụ tử ngoại-khả kiến (UV–Vis) xác định năng lượng vùng cấm và nồng độ MB.
  • Phương pháp hấp phụ đẳng nhiệt BET đo diện tích bề mặt riêng.
  • Phân tích nhiệt trọng lượng (TGA) đánh giá độ ổn định nhiệt.

• Phương pháp khảo sát hiệu suất quang phân hủy:

  • Thí nghiệm quang phân hủy MB trong dung dịch nước với các biến số: lượng vật liệu (20, 40, 60 mg), nồng độ MB (10, 20, 30 mg/L), và pH (5, 7, 9).
  • Nồng độ MB được đo bằng UV–Vis tại bước sóng 665 nm.
  • Hiệu suất quang phân hủy được tính theo phần trăm giảm nồng độ MB.
  • Khảo sát khả năng thu hồi và tái sử dụng vật liệu qua 5 chu kỳ.

• Timeline nghiên cứu: Tổng hợp vật liệu và phân tích đặc trưng trong 6 tháng đầu; khảo sát hiệu suất quang phân hủy và tái sử dụng trong 6 tháng tiếp theo.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Đặc trưng vật liệu ZnO–TiO2/rGO:

   • Giản đồ XRD cho thấy cấu trúc anatase của TiO2 với các đỉnh tại 2θ = 25,33°, 36,98°, và 48,08°, cùng cấu trúc wurtzite của ZnO với các đỉnh tại 31,8°, 34,45°, và 36,29°. Đỉnh rGO không rõ do bị che lấp bởi TiO2.
   • Phổ Raman xác nhận sự hiện diện của rGO với tỷ lệ ID/IG tăng từ 1,023 (GO) lên 1,145 (ZnO–TiO2/rGO), cho thấy mức độ khuyết tật tăng, hỗ trợ sự gắn kết của các hạt nano.
   • Ảnh SEM và TEM cho thấy các hạt nano TiO2 và ZnO phân tán đều trên bề mặt rGO, kích thước hạt nano nhỏ, giúp tăng diện tích bề mặt tiếp xúc.

2. Hiệu suất quang phân hủy MB:

   • Lượng vật liệu 40 mg trong 100 mL dung dịch MB 20 mg/L đạt hiệu suất quang phân hủy cao nhất, khoảng 92% sau 60 phút chiếu sáng.
   • Nồng độ MB ban đầu ảnh hưởng rõ rệt: với 10 mg/L đạt hiệu suất 98%, 20 mg/L đạt 92%, và 30 mg/L giảm còn 85%, do bão hòa bề mặt xúc tác.
   • pH ảnh hưởng đến hiệu suất: pH 7 cho hiệu suất cao nhất (92%), pH 5 và 9 lần lượt là 80% và 75%, do ảnh hưởng đến trạng thái ion hóa của MB và bề mặt vật liệu.
   • Quá trình quang phân hủy tuân theo động học bậc nhất với hằng số tốc độ biểu kiến k1 khoảng 0,035 min⁻¹.

3. Khả năng thu hồi và tái sử dụng:

   • Vật liệu ZnO–TiO2/rGO giữ được trên 85% hiệu suất quang phân hủy MB sau 5 chu kỳ sử dụng liên tiếp.
   • Độ thu hồi vật liệu đạt khoảng 95% sau mỗi chu kỳ, cho thấy tính ổn định và khả năng tái sử dụng cao.

Thảo luận kết quả

Hiệu suất quang phân hủy cao của ZnO–TiO2/rGO so với TiO2/rGO và rGO riêng lẻ cho thấy sự cộng hưởng hiệu quả giữa các thành phần. Sự kết hợp TiO2 và ZnO giúp mở rộng phổ hấp thụ ánh sáng khả kiến, trong khi rGO làm tăng diện tích bề mặt và giảm tái tổ hợp điện tử-lỗ trống nhờ khả năng dẫn điện cao. Các kết quả XRD và Raman chứng minh cấu trúc pha và mức độ khuyết tật phù hợp để tăng hoạt tính quang xúc tác.

So với các nghiên cứu trước đây về vật liệu tương tự, hiệu suất quang phân hủy MB đạt trên 90% trong thời gian ngắn là kết quả nổi bật, đồng thời vật liệu có khả năng tái sử dụng tốt, giảm chi phí vận hành. Biểu đồ thể hiện hiệu suất quang phân hủy theo thời gian và các điều kiện pH, nồng độ MB sẽ minh họa rõ ràng sự ảnh hưởng của các yếu tố này.

Kết quả này khẳng định tiềm năng ứng dụng của nanocomposite ZnO–TiO2/rGO trong xử lý nước thải công nghiệp, đặc biệt là nước thải dệt nhuộm chứa thuốc nhuộm hữu cơ.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Tối ưu hóa quy trình tổng hợp vật liệu: Áp dụng phương pháp thủy nhiệt với điều kiện nhiệt độ và thời gian phù hợp để nâng cao độ đồng đều và kích thước hạt nano, nhằm tăng diện tích bề mặt và hiệu suất quang phân hủy. Chủ thể thực hiện: các phòng thí nghiệm nghiên cứu vật liệu; thời gian: 6-12 tháng.

2. Điều chỉnh điều kiện vận hành quang phân hủy: Khuyến nghị sử dụng lượng vật liệu khoảng 40 mg/100 mL, pH trung tính (7) và nồng độ MB dưới 20 mg/L để đạt hiệu suất tối ưu. Chủ thể thực hiện: các nhà máy xử lý nước thải; thời gian: triển khai ngay trong giai đoạn vận hành.

3. Phát triển hệ thống tái sử dụng vật liệu xúc tác: Thiết kế hệ thống thu hồi và tái sử dụng ZnO–TiO2/rGO nhằm giảm chi phí và tăng tính bền vững của quá trình xử lý. Chủ thể thực hiện: các đơn vị công nghiệp và nghiên cứu; thời gian: 12-18 tháng.

4. Mở rộng ứng dụng vật liệu trong xử lý các chất ô nhiễm khác: Nghiên cứu khả năng quang phân hủy các loại thuốc nhuộm và hợp chất hữu cơ khác trong nước thải để đa dạng hóa ứng dụng. Chủ thể thực hiện: các viện nghiên cứu và trường đại học; thời gian: 12-24 tháng.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Kỹ thuật Hóa học, Môi trường: Luận văn cung cấp quy trình tổng hợp vật liệu nanocomposite và phương pháp phân tích đặc trưng hiện đại, giúp nâng cao kiến thức và kỹ năng nghiên cứu.

2. Chuyên gia phát triển vật liệu xúc tác quang: Thông tin chi tiết về cơ chế quang phân hủy và ảnh hưởng các yếu tố vận hành hỗ trợ phát triển vật liệu mới hiệu quả hơn.

3. Doanh nghiệp xử lý nước thải công nghiệp: Cung cấp giải pháp vật liệu xúc tác quang thân thiện môi trường, hiệu quả cao, có thể ứng dụng trong xử lý nước thải dệt nhuộm và các ngành công nghiệp khác.

4. Cơ quan quản lý môi trường và chính sách: Tham khảo để đánh giá và khuyến khích áp dụng công nghệ xử lý nước thải tiên tiến, góp phần bảo vệ môi trường và phát triển bền vững.

Câu hỏi thường gặp

1. Nanocomposite ZnO–TiO2/rGO là gì và tại sao được sử dụng để xử lý MB?
   Nanocomposite ZnO–TiO2/rGO là vật liệu kết hợp giữa kẽm oxit, titan dioxit và graphene oxit dạng khử. Sự kết hợp này giúp mở rộng phổ hấp thụ ánh sáng, tăng diện tích bề mặt và giảm tái tổ hợp điện tử-lỗ trống, nâng cao hiệu suất quang phân hủy MB trong nước.

2. Phương pháp tổng hợp nanocomposite này có ưu điểm gì?
   Phương pháp thủy nhiệt được sử dụng có ưu điểm chi phí thấp, thiết bị đơn giản, tạo ra vật liệu có độ tinh khiết cao, kích thước hạt nano đồng đều và phân tán tốt, phù hợp với quy mô phòng thí nghiệm và sản xuất nhỏ.

3. Các yếu tố nào ảnh hưởng đến hiệu suất quang phân hủy MB?
   Lượng vật liệu, nồng độ MB và pH dung dịch là các yếu tố chính. Lượng vật liệu quá ít hoặc quá nhiều đều làm giảm hiệu suất; nồng độ MB cao gây bão hòa bề mặt xúc tác; pH trung tính tối ưu cho quá trình quang phân hủy.

4. Vật liệu có thể tái sử dụng bao nhiêu lần mà không giảm hiệu suất?
   Nghiên cứu cho thấy vật liệu ZnO–TiO2/rGO giữ được trên 85% hiệu suất sau 5 chu kỳ sử dụng liên tiếp, cho thấy khả năng tái sử dụng tốt và ổn định.

5. Liệu vật liệu này có thể ứng dụng trong xử lý các chất ô nhiễm khác ngoài MB không?
   Có, nanocomposite này có tiềm năng xử lý nhiều loại thuốc nhuộm và hợp chất hữu cơ khác trong nước thải nhờ cơ chế quang phân hủy tương tự, tuy nhiên cần nghiên cứu thêm để tối ưu hóa cho từng loại chất ô nhiễm cụ thể.

Kết luận

• Đã tổng hợp thành công nanocomposite ZnO–TiO2/rGO bằng phương pháp thủy nhiệt với vật liệu có cấu trúc tinh thể anatase TiO2 và wurtzite ZnO phân tán đều trên nền rGO.
• Vật liệu có hiệu suất quang phân hủy MB cao, đạt khoảng 92% trong điều kiện tối ưu (40 mg vật liệu, 20 mg/L MB, pH 7).
• Quá trình quang phân hủy tuân theo động học bậc nhất với hằng số tốc độ biểu kiến k1 ~ 0,035 min⁻¹.
• Vật liệu giữ được hiệu suất trên 85% sau 5 chu kỳ tái sử dụng, chứng tỏ tính ổn định và khả năng thu hồi tốt.
• Nghiên cứu mở ra hướng phát triển vật liệu xúc tác quang thân thiện môi trường, hiệu quả cao cho xử lý nước thải công nghiệp, đặc biệt là ngành dệt nhuộm.

Next steps: Tối ưu quy trình tổng hợp, mở rộng khảo sát xử lý các chất ô nhiễm khác, và phát triển hệ thống ứng dụng thực tế.

Call-to-action: Các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp trong lĩnh vực xử lý môi trường nên tiếp cận và ứng dụng vật liệu nanocomposite ZnO–TiO2/rGO để nâng cao hiệu quả xử lý nước thải, góp phần bảo vệ môi trường bền vững.