Luận án TS: Điều chế vật liệu (C,N,S)-TiO2 từ ilmenite Bình Định xử lý nước thải tôm

Titanium dioxide (TiO2) là vật liệu xúc tác quang phổ biến. TiO2 thể hiện khả năng phân hủy chất ô nhiễm hữu cơ. Tuy nhiên, hiệu quả xúc tác dưới ánh sáng nhìn thấy còn hạn chế. Biến tính TiO2 bằng cách pha tạp các nguyên tố như Carbon (C), Nitơ (N), Lưu huỳnh (S) giúp cải thiện tính chất này. Vật liệu (C, N, S)-TiO2 mở rộng khả năng hấp thụ phổ ánh sáng. Điều này tăng cường hoạt tính xúc tác quang trong điều kiện thực tế. Nó có tiềm năng lớn trong các ứng dụng môi trường.

Ngành nuôi tôm đóng vai trò kinh tế quan trọng. Tuy nhiên, hoạt động này tạo ra lượng lớn nước thải. Nước thải nuôi tôm chứa nhiều chất ô nhiễm. Các chất này bao gồm chất hữu cơ, amoni (NH4+), nitơ tổng, phốt pho tổng. Chúng gây ô nhiễm nghiêm trọng cho môi trường nước. Nước thải không qua xử lý đầy đủ ảnh hưởng đến hệ sinh thái thủy sinh. Nó cũng tác động tiêu cực đến sức khỏe cộng đồng. Cần có các giải pháp xử lý nước thải hiệu quả và bền vững.

Ilmenite (FeTiO3) là khoáng vật chứa titanium dồi dào. Việt Nam, đặc biệt là Bình Định, có trữ lượng ilmenite đáng kể. Việc khai thác ilmenite làm nguồn nguyên liệu thô có nhiều lợi ích. Nó giảm chi phí sản xuất TiO2. Đồng thời, nó tận dụng nguồn tài nguyên trong nước. Quá trình điều chế TiO2 từ ilmenite thường phức tạp. Nghiên cứu tập trung vào quy trình điều chế hiệu quả. Mục tiêu là tạo ra vật liệu TiO2 có hoạt tính cao từ nguồn quặng này.

Quy trình điều chế TiO2 từ quặng ilmenite Bình Định được thực hiện. Phương pháp sulfuric acid là lựa chọn chính. Ilmenite được nghiền mịn, sau đó xử lý hóa học. Quá trình này bao gồm hòa tách với axit sulfuric. Mục đích là loại bỏ tạp chất sắt. Sau đó, titanium được kết tủa dưới dạng TiO(OH)2 hoặc TiO2 hydrat. Các bước rửa và nung tiếp theo giúp thu được TiO2 tinh khiết. Chất lượng quặng ilmenite ảnh hưởng đến hiệu suất và độ tinh khiết sản phẩm. Việc tối ưu hóa các điều kiện hòa tách rất quan trọng.

Vật liệu TiO2 tinh khiết sau đó được biến tính. Mục tiêu là tạo ra (C, N, S)-TiO2. Các tiền chất chứa C, N, S được sử dụng để pha tạp. Ví dụ, thiourea thường dùng làm nguồn cung cấp C, N, S. Quá trình tổng hợp bao gồm thủy nhiệt và/hoặc nung. Nhiệt độ và thời gian xử lý là các thông số quan trọng. Chúng ảnh hưởng đến cấu trúc và nồng độ pha tạp. Phân bố các nguyên tố pha tạp trong mạng tinh thể TiO2 quyết định hoạt tính xúc tác. Phương pháp tổng hợp phải đảm bảo phân bố đồng đều các nguyên tố này.

Nhiều yếu tố kỹ thuật ảnh hưởng đến hiệu suất điều chế. Tỷ lệ mol tiền chất pha tạp là một yếu tố then chốt. Tỷ lệ thiourea/TiO2 ảnh hưởng trực tiếp đến nồng độ C, N, S. Nhiệt độ thủy nhiệt và nhiệt độ nung cũng rất quan trọng. Chúng quyết định kích thước hạt, độ kết tinh và pha tinh thể của TiO2. Các yếu tố này tác động đến bề mặt riêng và khả năng hấp phụ. Tối ưu hóa các điều kiện này nâng cao hoạt tính quang xúc tác. Nghiên cứu khảo sát chi tiết ảnh hưởng của từng yếu tố.

Các phương pháp đặc trưng vật liệu được triển khai. Nhiễu xạ tia X (XRD) xác định pha tinh thể và kích thước hạt. Phổ tán xạ năng lượng tia X (EDX) phân tích thành phần nguyên tố. Phổ phản xạ khuếch tán UV-Vis (UV-Vis-DRS) đánh giá khả năng hấp thụ ánh sáng. Phương pháp đẳng nhiệt hấp phụ-giải hấp phụ nitơ (BET) xác định diện tích bề mặt riêng. Hiển vi điện tử quét (SEM) và truyền qua (TEM) mô tả hình thái vật liệu. Phổ quang điện tử tia X (XPS) phân tích trạng thái hóa học của các nguyên tố pha tạp. Những phân tích này cung cấp thông tin toàn diện về cấu trúc vật liệu.

Hoạt tính quang xúc tác được đánh giá thông qua khả năng phân hủy chất ô nhiễm. Chất màu hoặc các hợp chất hữu cơ điển hình được sử dụng làm chất thử. Thời gian đạt cân bằng hấp phụ được khảo sát đầu tiên. Hiệu quả phân hủy chất ô nhiễm dưới chiếu xạ ánh sáng được đo đạc. Nghiên cứu so sánh hoạt tính của TiO2 nguyên bản và (C, N, S)-TiO2 biến tính. Vật liệu (C, N, S)-TiO2 thường thể hiện hoạt tính cao hơn. Đặc biệt, hiệu quả rõ rệt dưới ánh sáng nhìn thấy.

Hoạt tính xúc tác quang bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố. Tỷ lệ mol thiourea/TiO2 tối ưu được xác định. Nhiệt độ thủy nhiệt ảnh hưởng đến cấu trúc và hoạt tính. Nhiệt độ nung sau khi pha tạp cũng rất quan trọng. Các yếu tố như pH môi trường, nồng độ chất ô nhiễm, và liều lượng xúc tác cũng được khảo sát. Việc tối ưu hóa các điều kiện này là cần thiết. Mục tiêu là đạt được hiệu suất phân hủy cao nhất. Kết quả giúp hiểu rõ hơn về hành vi xúc tác của vật liệu.

Nước thải từ các ao nuôi tôm được thu thập. Các chỉ tiêu đặc trưng của nước thải được phân tích. Các chỉ tiêu này bao gồm amoni (NH4+), nhu cầu oxy hóa học (COD). Tổng nitơ và tổng phốt pho cũng được xác định. Kết quả phân tích đánh giá mức độ ô nhiễm của nước thải. Nó cung cấp dữ liệu cơ sở cho quá trình xử lý. Chất lượng nước thải ban đầu có thể biến đổi. Sự biến đổi này phụ thuộc vào chu kỳ nuôi và quản lý ao.

Vật liệu (C, N, S)-TiO2 được ứng dụng để xử lý nước thải nuôi tôm. Thí nghiệm được tiến hành dưới điều kiện chiếu sáng. Hiệu quả giảm amoni, COD, nitơ tổng và phốt pho tổng được theo dõi. So sánh kết quả với các phương pháp xử lý khác. Vật liệu biến tính này cho thấy hiệu quả xử lý đáng kể. Nó góp phần làm sạch nước thải. Kết quả chứng minh tiềm năng của quang xúc tác trong thực tế.

Phương pháp quang xúc tác có thể kết hợp với các công nghệ khác. Đặc biệt là phương pháp sinh học. Sự kết hợp này mang lại hiệu quả xử lý tổng thể cao hơn. Sinh học giúp phân hủy chất hữu cơ phức tạp. Quang xúc tác xử lý các chất khó phân hủy sinh học. Nó cũng loại bỏ các sản phẩm trung gian độc hại. Phản ứng quang xúc tác có thể tăng cường quá trình sinh học. Điều này tạo ra một hệ thống xử lý bền vững và toàn diện.

Sự pha tạp C, N, S làm thay đổi cấu trúc điện tử của TiO2. Điều này thu hẹp vùng cấm năng lượng của vật liệu. Kết quả là TiO2 có thể hấp thụ ánh sáng nhìn thấy. Khi chiếu sáng, electron và lỗ trống được tạo ra. Các electron này di chuyển đến bề mặt vật liệu. Chúng phản ứng với oxy tạo ra các gốc superoxide. Lỗ trống phản ứng với nước hoặc ion hydroxyl tạo gốc hydroxyl. Các gốc tự do này có tính oxy hóa mạnh. Chúng phân hủy các chất ô nhiễm hữu cơ thành CO2 và H2O. Hiệu suất tăng cường nhờ sự giảm tái tổ hợp electron-lỗ trống.

Nghiên cứu khẳng định hiệu quả của vật liệu (C, N, S)-TiO2. Vật liệu này được điều chế từ ilmenite Bình Định. Nó có khả năng xử lý hiệu quả nước thải nuôi tôm. Các chỉ tiêu ô nhiễm chính đều giảm đáng kể. Điều này bao gồm COD, amoni, nitơ tổng và phốt pho tổng. Hoạt tính quang xúc tác vượt trội so với TiO2 nguyên bản. Đặc biệt dưới ánh sáng nhìn thấy. Kết quả cho thấy tiềm năng ứng dụng thực tế cao.

Vật liệu (C, N, S)-TiO2 mở ra hướng đi mới. Nó có tiềm năng trong xử lý ô nhiễm môi trường. Đặc biệt là nước thải công nghiệp và nông nghiệp. Cần tiếp tục nghiên cứu để tối ưu hóa quy trình sản xuất. Mục tiêu là giảm chi phí và tăng quy mô. Việc kết hợp với các công nghệ khác cũng cần được khám phá. Ví dụ, hệ thống quang xúc tác tích hợp với năng lượng mặt trời. Hoặc ứng dụng trong xử lý nước cấp. Nghiên cứu sâu hơn về tính ổn định và khả năng tái sử dụng của vật liệu là cần thiết.