Phương pháp xử lý các chất hữu cơ ô nhiễm tồn dư trong nước

Nhằm góp phần giải quyết vấn đề ô nhiễm môi trường nước nông nghiệp ngày càng trở nên nghiêm trọng, nhóm nghiên cứu Viện Công nghệ hóa học trưởng nhóm là ThS. Nguyễn Phụng Anh đã nghiên cứu thành công phương pháp chế tạo các hệ xúc tác quang trên nền perovskite titanate có hoạt tính cao, độ bền cao và dễ tái sử dụng trong phân hủy các chất hữu cơ ô nhiễm tồn dư trong nước từ sản xuất nông nghiệp điển hình là chất diệt cỏ glyphoste và acid cinnamic.

ThS. Nguyễn Phụng Anh và nhóm nghiên cứu

Một trong những nhóm gây ô nhiễm môi trường nước lớn nhất hiện nay chính là các hợp chất phenolic bởi sự ứng dụng rộng rãi của chúng trong nước thải công nghiệp, nông nghiệp và làm chất khử trùng. Tác động tiêu cực của các hợp chất phenolic đối với môi trường và sức khỏe con người liên quan đến độc tính cao và khả năng không phân hủy sinh học của nó. Cinnamic acid là hợp chất phenolic tuy có độ độc không cao nhưng gây ô nhiễm cao.

Đến nay có nhiều phương pháp được sử dụng để phân hủy các hợp chất này trong môi trường nước, nhưng việc ứng dụng xúc tác quang hóa là một biện pháp tiên tiến. Điểm nổi bật của xúc tác quang hóa trong việc phân hủy các hợp chất gây ô nhiễm là chi phí thấp, hiệu suất phân hủy cao, có thể thu hồi và tái sử dụng, xúc tác vô hại, xử lý ở nhiệt độ và áp suất thường và có thể chuyển hóa các chất gây ô nhiễm thành các sản phẩm cuối cùng vô hại hoặc ít độc hại hơn như CO₂, H₂O,…

Bên cạnh TiO₂ là xúc tác quang truyền thống, hiệu quả cao, vật liệu perovskite đang thu hút sự quan tâm nghiên cứu làm chất xúc tác quang do một số perovskite có năng lượng vùng cấm nhỏ có thể dễ dàng bị kích thích bởi ánh sáng khả kiến và UV. So với TiO₂, xúc tác perovskite ABO₃ có những ưu điểm nổi bật. Tuy nhiên, việc nghiên cứu điều chế và ứng dụng các vật liệu này như một chất xúc tác quang vẫn còn hạn chế vì dễ dàng tái kết hợp electron và lỗ trống.

Một trong những phương pháp hiệu quả để cải thiện hệ xúc tác quang là kết hợp chúng lại với nhau nhằm phát huy các ưu điểm của các hệ xúc tác quang này. Các nghiên cứu kết hợp xúc tác perovskite với các chất xúc tác khác chưa nhiều. Tuy nhiên, các nghiên cứu về vấn đề này đối với TiO₂ khá phong phú và có thể ứng dụng với các titanate perovskite. Vì vậy dựa trên những ưu điểm của 2 hệ xúc tác quang TiO₂ và perovskite, ThS. Nguyễn Phụng Anh và các cộng sự đã nghiên cứu và đưa ra được quy trình tổng hợp xúc tác quang trên cơ sở perovskite Al₂TiO₅, Fe₂TiO₅ và NiTiO₃ bằng phương pháp sol-gel với nhiệt độ nung thấp.

Quy trình điều chế TiO₂ kết hợp Fe₂TiO₅biến tính SBA-15

Bên cạnh đó, nhóm các nhà khoa học đã nghiên cứu được quy trình tổng hợp hệ xúc tác dị cấu trúc perovskite/TiO2: Al₂TiO₅/TiO₂, Fe₂TiO₅/TiO₂ và NiTiO₃/TiO₂, và các hệ xúc tác dị cấu trúc biến tính CeO₂, Ag và SBA-15 bằng phương pháp thủy nhiệt có diện tích bề mặt riêng lớn, hoạt tính quang phân hủy cinnamic acid và glyphosate cao, độ bền tốt và dễ thu hồi so với xúc tác TiO₂ thủy nhiệt trong môi trường nước.

Hệ thống thiết bị phản ứng quang oxy hóa phân hủy cinnamic acid và glyphosate (1-Cụm giải nhiệt cho bộ đèn UV; 2-Bộ phận điều khiển đèn có kết nối máy tính; 3-Máy khuấy; 4-Bình phản ứng; 5-Đường ống cấp nước giải nhiệt; 6-Lưu lượng kế; 7-Nhiệt kế; 8-Vị trí lấy mẫu)

Việc nghiên cứu tìm ra hệ xúc tác mới trên cơ sở perovskite (oxide kim loại kép) có năng lượng vùng cấm nhỏ và có khả năng hấp thu trong vùng ánh sáng khả kiến với hoạt tính cao và dễ thu hồi là một kết quả hứa hẹn của nhóm. Thêm vào đó, sự lai tạo của TiO₂ và oxide kim loại kép giúp tăng cường khả năng hấp thu trong vùng ánh sáng khả kiến, cải thiện diện tích bề mặt riêng và hạn chế sự tái kết hợp giữa electron với lỗ trống, được xem là xúc tác quang tiềm năng.

Kết quả nghiên cứu dựa trên các điều kiện tối ưu cho việc tổng hợp các xúc tác trên cơ sở perovskite đã đưa ra các xúc tác có hoạt tính cao, dễ thu hồi; hiệu quả quang phân hủy tốt các hợp chất hữu cơ ô nhiễm điển hình trong sản xuất nông nghiệp là cinnamic acid và glyphosate làm cơ sở để định hướng ứng dụng trong tương lai.

Trên cơ sở các kết quả nghiên cứu, nhóm đã công bố 01 bài báo về “Exceptional photodecomposition activity of heterostructure NiTiO₃–TiO₂ catalyst” trên tạp chí Advanced Materials and Devices (SCIE, Q1) và 01 bài báo về “Chế tạo vật liệu nanocompozit Fe₂TiO₅-TiO₂ thân thiện với môi trường giúp tăng cường khả năng phân hủy quang của dung dịch axit cinnamic” trên tạp chí Khoa học nano và Công nghệ nano (VAST1, Q2). Kết quả nghiên cứu cho thấy việc lai pseudobrookite vùng cấm nhỏ Fe₂TiO₅ với chất bán dẫn TiO₂có vùng cấm lớn là một phương pháp đầy hứa hẹn để chế tạo các chất xúc tác quang có hoạt tính cao.

ThS. Nguyễn Phụng Anh cho biết, để có thể hoàn thiện kết quả nghiên cứu cũng như phát triển ứng dụng, định hướng tiếp theo của nhóm sẽ là tiếp tục nghiên cứu động học của quá trình phản ứng quang oxy hóa axit cinnamic và glyphosate và nghiên cứu cơ chế của quá trình phản ứng quang oxy hóa axit cinnamic và glyphosate. Đồng thời, khảo sát hoạt tính xúc tác trong vùng ánh sáng khả kiến cho quá trình phản ứng quang oxy hóa axit cinnamic và glyphosate.