Luận án TS Hóa học: Xử lý 2,4-D, 2,4,5-T nước bằng nano TiO2 biến tính - Lê Thị Dung

Hợp chất 2,4-D và 2,4,5-T là các thuốc diệt cỏ được sử dụng rộng rãi. Tuy nhiên, chúng tạo ra dư lượng độc hại trong môi trường nước. Các chất này khó phân hủy sinh học, tồn tại lâu trong chuỗi thức ăn. Điều này gây nguy cơ ung thư, dị tật bẩm sinh. Việt Nam đối mặt với thách thức lớn về ô nhiễm 2,4-D và 2,4,5-T. Nguồn gốc chính từ hoạt động nông nghiệp, chất thải công nghiệp. Việc kiểm soát và xử lý dư lượng này là cấp thiết.

Sự hiện diện của 2,4-D và 2,4,5-T trong nguồn nước ảnh hưởng trực tiếp đến sức khỏe. Nước uống bị nhiễm độc gây hại cho con người. Hệ sinh thái thủy sinh cũng bị tổn thương nghiêm trọng. Do đó, nhu cầu phát triển các phương pháp xử lý nước hiệu quả là rất cao. Cần các công nghệ có khả năng loại bỏ hoàn toàn các chất ô nhiễm này. Mục tiêu là đảm bảo chất lượng nước đạt chuẩn an toàn môi trường.

Một số phương pháp xử lý 2,4-D và 2,4,5-T đã được triển khai. Phương pháp oxi hóa điện hóa sử dụng dòng điện để phân hủy chất ô nhiễm. Xử lý sinh học dựa vào vi sinh vật. Phương pháp oxi hóa tiên tiến (AOPs) tạo ra gốc tự do có tính oxi hóa mạnh. Hấp phụ sử dụng vật liệu để giữ lại chất ô nhiễm trên bề mặt. Các kỹ thuật này đều có khả năng loại bỏ một phần các chất độc hại.

Các phương pháp truyền thống còn tồn tại nhiều hạn chế. Oxi hóa điện hóa tốn năng lượng, có thể tạo ra sản phẩm phụ. Xử lý sinh học chậm, khó kiểm soát. Phương pháp oxi hóa tiên tiến cần điều kiện phức tạp, chi phí cao. Hấp phụ chỉ chuyển chất ô nhiễm từ pha lỏng sang pha rắn, cần xử lý thêm vật liệu hấp phụ bão hòa. Điều này đòi hỏi tìm kiếm các giải pháp hiệu quả và bền vững hơn.

Vật liệu nano TiO2 có tính chất quang xúc tác mạnh mẽ. Nó có khả năng phân hủy nhiều hợp chất hữu cơ độc hại. Đặc biệt, khi biến tính, hoạt tính của nano TiO2 được tăng cường đáng kể. Vật liệu này có tiềm năng lớn trong xử lý nước ô nhiễm 2,4-D và 2,4,5-T. Nó kết hợp cả khả năng hấp phụ và phân hủy quang xúc tác. Điều này mang lại hiệu quả xử lý vượt trội, thân thiện môi trường.

Quy trình chế tạo vật liệu nano TiO2 biến tính được thực hiện cẩn thận. Vật liệu CuO/TiO2 được tổng hợp thông qua phương pháp kết tủa đồng kiểm soát. Vật liệu CCTN được chế tạo bằng cách sử dụng chất hoạt động bề mặt CTAB. CTAB đóng vai trò là chất định hướng cấu trúc. Các bước tổng hợp bao gồm trộn hóa chất, nung nhiệt, và rửa sạch. Mỗi bước được tối ưu hóa để tạo ra vật liệu có kích thước nano đồng đều. Vật liệu có cấu trúc tinh thể mong muốn.

Việc biến tính nano TiO2 mang lại nhiều lợi ích. Đối với CuO/TiO2, CuO giúp mở rộng phổ hấp thụ ánh sáng sang vùng khả kiến. Nó cải thiện hiệu suất quang xúc tác. Đối với CCTN, CTAB tạo ra các cấu trúc rỗng hoặc khe hở. Điều này tăng diện tích bề mặt riêng và số lượng tâm hấp phụ. Cả hai loại biến tính đều giúp tăng cường khả năng hấp phụ và hoạt tính quang xúc tác của vật liệu. Điều này rất quan trọng trong việc phân hủy 2,4-D và 2,4,5-T.

Cấu trúc tinh thể của vật liệu được xác định bằng XRD. Hình thái và kích thước hạt nano được quan sát bằng TEM. Phân tích EDX cung cấp thông tin về thành phần nguyên tố. Phổ Raman và FT-IR xác nhận các nhóm chức và liên kết hóa học. Các phương pháp này giúp kiểm tra sự biến tính thành công của TiO2. Nó cũng đảm bảo vật liệu có cấu trúc phù hợp cho ứng dụng.

Diện tích bề mặt riêng được đo bằng phương pháp BET. Giá trị này quyết định khả năng hấp phụ của vật liệu. Thế zeta đánh giá điện tích bề mặt và độ bền phân tán. Phổ UV-Vis-DRS khảo sát khả năng hấp thụ ánh sáng của vật liệu. Nó xác định dải năng lượng hấp thụ và mức độ chuyển dịch phổ. Các tính chất này rất quan trọng. Chúng ảnh hưởng trực tiếp đến hoạt tính quang xúc tác và khả năng hấp phụ của nano TiO2 biến tính.

Vật liệu nano TiO2 được khảo sát về khả năng quang xúc tác. Thí nghiệm xử lý 2,4-D và 2,4,5-T dưới chiếu sáng UV được thực hiện. Vật liệu CuO/TiO2 cũng cho thấy khả năng phân hủy hiệu quả hơn. CuO tăng cường hấp thụ ánh sáng khả kiến. Nó cải thiện hiệu suất phân hủy các chất hữu cơ. Hoạt tính quang xúc tác cao giúp loại bỏ nhanh chóng các chất ô nhiễm. Điều này giảm thiểu nguy cơ môi trường.

Vật liệu CCTN thể hiện khả năng hấp phụ mạnh mẽ đối với 2,4-D và 2,4,5-T. CCTN có diện tích bề mặt riêng lớn, cấu trúc rỗng xốp. Điều này tối ưu hóa vị trí liên kết. Ảnh hưởng của pH môi trường đến quá trình hấp phụ cũng được nghiên cứu. pH tối ưu giúp tăng cường hiệu quả loại bỏ. Khả năng hấp phụ cao là một ưu điểm. Nó giúp loại bỏ nhanh chất ô nhiễm khỏi nước.

Kết quả tổng hợp cho thấy nano TiO2 biến tính là giải pháp tiềm năng. Vật liệu CuO/TiO2 và CCTN đều chứng tỏ hiệu quả cao. Chúng loại bỏ 2,4-D và 2,4,5-T thông qua quang xúc tác và hấp phụ. Sự kết hợp hai cơ chế này mang lại hiệu suất vượt trội. Công nghệ này có thể ứng dụng trong các hệ thống xử lý nước thực tế. Nó góp phần bảo vệ môi trường và sức khỏe cộng đồng.