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

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.