Tình hình ô nhi măvƠăph ngăphápăx lý ch t màu h uăc
Tình hình ô nhi m
Khoa học phát triển và kinh tế toàn cầu tăng nhanh đã dẫn đến sự gia tăng đáng kể về chất thải từ các hoạt động của con người, ảnh hưởng lớn đến các lĩnh vực công nghiệp, nông nghiệp và sinh hoạt hàng ngày Các loại chất thải này, đặc biệt từ các nhà máy và khu công nghiệp, đang đe dọa nghiêm trọng đến môi trường Nếu không được xử lý đúng cách, chất thải sẽ gây ra hậu quả nghiêm trọng, trong đó ô nhiễm môi trường trở thành vấn đề cấp bách nhất Hiện nay, trên thế giới có khoảng mười ngàn sông ngòi bị khai thác quá mức, dẫn đến tình trạng ô nhiễm nghiêm trọng.
Nhiều con sông lớn trên thế giới như Hoàng Hà (Trung Quốc), Nin (Bắc Phi), Volga (Nga), Hằng (Ấn Độ), và Jordan (Tây Nam Á) đang phải đối mặt với tình trạng ô nhiễm nghiêm trọng Trong khi đó, một số con sông như Amazon và Congo lại có mức độ ô nhiễm thấp hơn do chúng chảy qua các khu vực rừng nhiệt đới, ít bị tác động bởi hoạt động công nghiệp.
Việt Nam là một trong những nền kinh tế đang phát triển mạnh mẽ, với sự gia tăng đáng kể trong các ngành kinh tế và sự ra đời của nhiều khu công nghiệp mới ở thành phố và nông thôn Công nghiệp hóa và hiện đại hóa đang thúc đẩy phát triển kinh tế xã hội, nhưng cũng gây ra một số tác động tiêu cực đến môi trường Nhiều nguyên nhân dẫn đến ô nhiễm môi trường xuất phát từ các nguồn công nghiệp, nông nghiệp và sinh hoạt.
Các ngành công nghiệp nhuộm như dệt nhuộm, thuốc da, và giấy thường gặp vấn đề liên quan đến lượng chất thải màu lớn Trong quá trình nhuộm, khoảng 10-15% thuốc nhuộm không bám vào sản phẩm và thoát ra môi trường Trung bình, một chiếc áo phông cần từ 16-20 lít nước, dẫn đến ngành dệt may tiêu thụ khoảng 40.000-50.000 tấn thuốc nhuộm hàng năm Nếu không được xử lý đúng cách, các chất thải này có thể gây ô nhiễm môi trường, ảnh hưởng trực tiếp đến sức khỏe cộng đồng Các chất ô nhiễm trong nước thải được coi là nguyên nhân chính gây bệnh cho con người, đặc biệt liên quan đến gan và ung thư.
Trong nghiên cứu về chất lượng nước, các chỉ số quan trọng như tổng chất rắn lơ lửng (TSS), nhu cầu oxy hóa học (COD) và nhu cầu oxy sinh học (BOD) được xác định để đánh giá mức độ ô nhiễm Việc đo lường các chỉ số này giúp xác định tình trạng ô nhiễm và đảm bảo nước đạt tiêu chuẩn cho phép.
Hư qu gây ô nhiễm nước nghiêm trọng và ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng nước sử dụng trong sinh hoạt của người dân Do đó, việc xử lý nguồn thải có chứa các chất màu rất quan trọng Chất màu hưc crystal violet là một trong những loại thuốc nhuộm phổ biến được tìm thấy trong nước thải.
Hình 1.1: N c th i thu c nhu m th i tr c ti p ra môi tr ng
Crystal violet (CV) là một loại thuốc nhuộm cation thuộc nhóm triphenylmethane, được sử dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp Do cấu trúc phức tạp, việc loại bỏ thuốc nhuộm này khỏi môi trường gặp nhiều khó khăn CV có công thức phân tử C25N3H30Cl (M = 407,979 g/mol) và chứa ba nhóm aryl gắn với một carbon trung tâm Khi hòa tan trong nước, CV tạo ra màu tím lam với đỉnh hấp thu nằm ở bước sóng 587 nm.
Crystal violet (CV) là một hợp chất được sử dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp như dệt, giấy, thuốc nhuộm Gram và thú y Nó được sử dụng làm thuốc nhuộm màu tím cho các loại hàng dệt như bông và lụa, cũng như trong sản xuất mực in và chất chỉ thị pH CV đã được sử dụng trong nhuộm Gram từ năm 1884 và có tính kháng khuẩn, kháng nấm, và kháng giun sán trong y học Ngoài ra, CV còn được dùng để khử trùng ngoài da, kiểm soát nấm và ký sinh trùng ở người, cũng như trong ngành thú y để khử trùng cho động vật và phòng ngừa lây nhiễm từ nấm, ký sinh trùng và nấm bệnh.
CV có thể gây ô nhiễm nguồn nước và tạo ra nước thải có màu sắc đậm, với nồng độ COD và BOD cao, ảnh hưởng tiêu cực đến hệ sinh thái CV có màu sẫm, tính chất phân hủy chậm và thành phần phức tạp làm giảm khả năng tái tạo oxy, giảm độ truyền qua của ánh sáng, ảnh hưởng đến quá trình quang hợp và sự sống thủy sinh CV chuyển hóa thành các chất có tác động độc hại, gây ung thư và biến đổi đối với hệ động vật và thực vật Hơn nữa, do cấu trúc đa vòng và liên kết π, CV bền và khó phân hủy trong môi trường tự nhiên, gây nguy hiểm do tính độc hại, màu sắc và nồng độ cao (ngay cả khi chỉ 1 ppm) CV được phân loại là hóa chất nguy hiểm, có thể gây tác động bất lợi đến sức khỏe thực vật và động vật.
Chất gây ung thư có trong thuốc lá là một yếu tố nguy cơ chính dẫn đến ung thư phổi, ảnh hưởng nghiêm trọng đến sức khỏe con người Việc tích tụ quá nhiều chất độc trong cơ thể có thể gây ra các vấn đề về thần kinh, giác quan và sức khỏe tổng quát Do đó, việc tìm ra phương pháp hiệu quả để giảm thiểu chất độc hại trong thuốc lá là vô cùng cần thiết.
Ph ng pháp x lý
Công ngh x lý ô nhi m ch t màu h u c trong n c đ c s d ng nh : Ozon hóa, đi n hóa, sinh h c, h p ph , quang phân h y, v.v
Ozon (O3) có khả năng oxy hóa mạnh với điện thế oxy hóa 2,07 V, cho phép nó phân hủy nhiều chất hữu cơ và vô cơ trong nước Nó có thể loại bỏ các hợp chất như phenol, dầu mỡ, H2S, các hợp chất của asen, chất hoạt động bề mặt, xyanua, thuốc nhuộm, hydrocacbon thơm và thuốc kháng sinh.
Quá trình ozon hóa s d ng ánh sáng h quang đi n ho c ngu n chi u x tia t ngo i
Ozone (O3) có khả năng oxy hóa và phân hủy các chất gây ô nhiễm một cách tự nhiên và nhanh chóng, mà không cần sự hỗ trợ của các tác nhân hóa học khác Quá trình này hiệu quả trong việc loại bỏ các chất ô nhiễm vô cơ, hữu cơ và vi sinh vật Tuy nhiên, ozone cũng có nhược điểm như tiêu tốn năng lượng và gây mòn vật liệu, đồng thời quá trình tạo ra ozone có thể phát sinh các chất độc hại.
Phương pháp này dựa trên quá trình oxy hóa/khử xảy ra trên các điện cực, như anot, catot và các ion clorua, để oxy hóa dẫn đến sự hình thành O2, O3, Cl2, và các gốc tự do là tác nhân oxy hóa các chất hữu cơ trong dung dịch Quá trình khử các hợp chất hữu cơ tại catot, kết hợp với phản ứng oxy hóa và điện hóa giúp tăng hiệu suất xử lý Đây là phương pháp được chứng minh hiệu quả đối với việc xử lý chất màu, kim loại nặng, chất rắn lơ lửng, và các hợp chất kháng sinh Tuy nhiên, phương pháp điện hóa có nhược điểm là tiêu tốn năng lượng và chi phí cho điện cực cao.
Phương pháp sinh học dựa vào các hợp chất tự nhiên, nấm men, vi khuẩn khí, và hiệu ứng phân hủy các hợp chất hữu cơ Cấu trúc vòng thơm của hợp chất kháng sinh được sử dụng làm nguyên liệu cho quá trình sinh trưởng của nấm và vi khuẩn Phương pháp sinh học có khả năng loại bỏ các hợp chất kháng sinh một cách hiệu quả.
Bảy đặc điểm nổi bật của các phương pháp lựa chọn hiệu quả cao bao gồm chi phí thấp, điều kiện vận hành dễ dàng và thân thiện với môi trường Tuy nhiên, nhược điểm của các phương pháp này là yêu cầu thiết lập và duy trì môi trường của hệ thống, vị trí và thời gian xử lý lâu dài.
H p ph th ng đ c s d ng đ lo i b các tác nhân ô nhi m trong n c v i u đi m là hi u qu x lý cao, ti t ki m chi phí, và có th tái s d ng ch t h p ph
Hi u qu c a quá trình h p ph ch u nh h ng c a các y u t sau [13]:
Tuy nhiên, v n đ gi i h p và tái s d ng v t li u sau h p ph v n còn khó kh n và có th t o ra ch t ô nhi m m i
Phương pháp quang phân hủy sử dụng các oxit kim loại làm chất xúc tác để loại bỏ các chất ô nhiễm trong nước thải Tính chất quang của oxit kim loại dựa vào sự giải phóng electron từ vùng hóa trị sang vùng dẫn dưới tác dụng của ánh sáng có bước sóng thích hợp Quá trình này tạo ra các electron ở vùng dẫn và lỗ trống (h+) ở vùng hóa trị, từ đó bắt đầu quá trình quang phân hủy Các lỗ trống (h+) phản ứng với phân tử nước tạo thành gốc tự do hydroxyl (•OH), trong khi electron ở vùng dẫn khử oxy tạo ra gốc tự do superoxide (•O2) Những gốc tự do này phản ứng chuyển đổi chất ô nhiễm thành các sản phẩm khoáng hóa đơn giản như CO2, H2O, v.v Phương pháp quang phân hủy có những ưu điểm như hiệu suất xử lý cao, thời gian ngắn, quy trình đơn giản, dễ sử dụng và vật liệu có khả năng thu hồi, tái sử dụng Tuy nhiên, nhược điểm của phương pháp này là quá trình xử lý phụ thuộc nhiều vào điều kiện lý hóa, vật liệu xúc tác và phạm vi sử dụng vật liệu hợp Vì vậy, phương pháp quang phân hủy được sử dụng để xử lý chất màu hữu cơ trong nước.
V t li u quang phân h y
Titan dioxit
TiO2 có ba dạng cấu trúc tinh thể chính là rutile, anatase và brookite, trong đó rutile và anatase có cấu trúc tứ giác Rutile có độ bền nhiệt cao và có năng lượng vùng cấm là 3,0 eV (415 nm), trong khi anatase có năng lượng vùng cấm là 3,2 eV Anatase có khả năng hấp phụ cao hơn rutile, với tỷ lệ tái hấp phụ lớn hơn gấp 10 lần so với rutile, do đó anatase được xem là dạng tinh thể có khả năng quang phân hủy cao nhất của TiO2.
TiO2 có điểm nóng chảy cao lên tới 1843 ºC và điểm sôi là 2972 ºC, điều này khiến nó tồn tại trong tự nhiên dưới dạng chất rắn, bền vững và không tan trong nước TiO2 là một chất cách điện và có chỉ số khúc xạ cao, vượt trội hơn cả kim cương Một trong những tính chất quan trọng của TiO2 là khả năng quang phân hủy dưới tác động của ánh sáng.
UV TiO2 b n v i ánh sáng, không gây h i cho môi tr ng, và s c kh e c a con ng i
H n n a, TiO2 có đ truy n qua cao trong vùng ánh sáng kh ki n, h ng ngo i, và kh n ng d n đi n t t nhi t đ phòng [18]
Hình 1.5: C u trúc tinh th c a TiO2 (a) anatase, (b) rutile, và (c) brookite
TiO2 đ c ng d ng trong các ngành công nghi p: i n-đi n t , s n, pin m t tr i, v.v Bên c nh đó, TiO2 có kh n ng thay đ i đ d n đi n khi h p ph khí nh : CO, CH4,
NH3, v.v nên đ c s d ng làm v t li u đ ch t o c m bi n khí [19], [20] Ngoài ra, TiO2 đ c ng d ng làm v t li u quang phân h y lo i b các h p ch t h u c : Ch t màu, kháng sinh, d c ph m, v.v
Khi TiO2 được kích thích bởi ánh sáng với bước sóng thích hợp, nó sinh ra các electron (e) và lỗ trống (h+) Các e và h+ này tương tác với chất ô nhiễm (R) trên bề mặt TiO2, tạo ra các gốc tự do như •OH và •O2, cùng với các sản phẩm trung gian như H2O2 và O2 Gốc tự do •OH và •O2 sẽ oxy hóa các thành phần hữu cơ theo các phản ứng hóa học cụ thể Nhờ vào quá trình quang phân hủy TiO2, các chất hữu cơ gây ô nhiễm môi trường sẽ được phân hủy thành các sản phẩm an toàn hơn.
CO2, H2O, và các ch t vô c ít đ c h i h n C ch quang phân h y c a TiO2 đ c th hi n hình 1.6
Do m c n ng l ng vùng c m l n (Eg = 3,2 eV) nên TiO2 ch có th ho t đ ng hi u qu vùng ánh sáng t ngo i ( < 400 nm) Trong ánh sáng m t tr i ch có kho ng
Nghiên cứu cho thấy rằng 5% nồng độ bột xúc tác UV có khả năng kích thích TiO2 Đồng thời, electron trên vùng dẫn có xu hướng quay trở lại vùng hóa trị, kết hợp với h+ và giải phóng nhiệt/ánh sáng, điều này làm giảm khả năng quang phân hủy của TiO2.
Nghiên cứu về tái hợp TiO2 với các vật liệu có diện tích bề mặt riêng lớn như silica, graphene (Gr), graphene oxit (GO) và graphene aerogel (GA) đang thu hút sự quan tâm GA có cấu trúc gồm nhiều lớp graphene oxit giảm khối (rGO), được sắp xếp ngẫu nhiên thành cấu trúc rỗng xốp Với cấu trúc này, diện tích bề mặt riêng lớn và việc sắp xếp ngẫu nhiên của các lớp rGO giúp cải thiện tính chất của vật liệu nanocomposite.
GA giúp h n ch tái t h p c a các c p e và h + Nhi u nghiên c u cho th y GA là ch t n n t t đ t ng h p v t li u nanocomposite v i hi u su t quang phân h y cao.
Graphene aerogel
Graphene aerogel (GA) là vật liệu xốp với cấu trúc mạng 3D, bao gồm các lớp rGO liên kết với nhau thông qua các tương tác Van der Waals và các lực ion GA được tạo thành từ GO bằng phương pháp đơn giản, trong đó GO vẫn giữ lại một số nhóm chức chứa oxy (rGO) và sau đó các lớp rGO được lắp ráp lại với nhau để tạo ra cấu trúc 3D của GA Với cấu trúc rỗng xếp chồng, vật liệu này có diện tích bề mặt riêng lớn, độ bền cao và tính dẫn điện tốt.
Aerogel có đ x p cao (80 – 98 %), di n tích b m t l n (300 – 1291 m 2 /g) [23], kh i l ng riêng nh (10 – 50 mg/cm 3 ), m t đ , đ d n nhi t, ch s khúc x , và h ng s đi n môi th p [24], [25]
Hình 1.6: C ch quang phân h y c a TiO2
Graphene hydrogel (GH) có cấu trúc 3D với liên kết hydro chiếm 97-99% nước, nhưng quá trình xử lý có thể làm yếu cấu trúc aerogel Sử dụng phương pháp xử lý thông hoa, graphene aerogel (GA) đạt được 3.300 lần khối lượng, tăng 4 lần so với phương pháp xử lý siêu tĩnh Việc xử lý GH trong dung dịch amoniac trước khi xử lý thông hoa giúp GA có thể đạt tới 5.000 lần khối lượng với áp suất nén 152 kPa và khối lượng riêng 16 mg/cm³ Graphene aerogel nổi bật với khối lượng riêng thấp, khả năng dẫn nhiệt tốt (hệ số truyền nhiệt 0,004 – 0,023 W/m·K), diện tích bề mặt riêng lớn (300 – 1291 m²/g), và cấu trúc 3D xốp, mang lại nhiều ứng dụng trong lĩnh vực năng lượng, y tế, hấp phụ và quang phân hủy.
Graphene aerogel v i c u trúc l x p t o đi u ki n cho quá trình khu ch tán đi n t và các ch t đi n ly T c đ s c x nhanh và m t đ đi n cao khi s d ng các đi n c c
Vật liệu tấm GA được tổng hợp bằng phương pháp hóa học kết hợp với vitamin C, có điện dung riêng đạt 128 F/g tại dòng điện 0,2 A Hiện nay, vật liệu composite kết hợp GA và Ni đã đạt điện dung riêng 366 F/g.
Graphene aerogel được sử dụng rộng rãi trong kỹ thuật nuôi cấy tế bào, tạo khung cho mô, và dẫn truyền thuốc Hydrogel cũng được ứng dụng nhiều trong lĩnh vực sinh học và y học, bao gồm dẫn truyền thuốc và kỹ thuật mô Với khả năng tương thích sinh học cao, GH trở thành vật liệu tiềm năng trong việc kiểm soát lượng thuốc đưa vào cơ thể và chế tạo cá nhân hóa.
V i các tính ch t nh di n tích b m t riêng l n, đ x p cao, n đnh, và k n c nên
GA có kh n ng h p ph cao đ c ng d ng trong nhi u l nh v c nh h p ph ion kim lo i, ch t h u c , và lo i b d u trong n c
Gần đây, nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng GA có khả năng xử lý môi trường hiệu quả, đặc biệt trong việc giảm thiểu ô nhiễm GA còn được ứng dụng để tách protein và kích thích sự phát triển của các loại vi khuẩn và hydrocacbon trong chất lỏng Hơn nữa, GA có khả năng hòa tan trong dung môi với tỷ lệ 80 – 180 lần trọng lượng của nó và có thể tái sử dụng lên đến 1000 lần Ngoài ra, GA cũng được phát hiện có khả năng chống cháy, mở ra nhiều tiềm năng ứng dụng trong các lĩnh vực khác nhau.
Graphene aerogel có độ bền cao và cấu trúc 3D xếp chồng tự nhiên, được ứng dụng làm chất nền cho các vật liệu nanocomposite oxit kim loại như WO3, ZnO, Cu2O, SnO2 và TiO2, nhờ tính dẫn điện tốt, diện tích bề mặt cao và tính chất hóa học ổn định Trong vật liệu nanocomposite oxit kim loại/GA, graphene aerogel giúp cải thiện hiệu suất tái tạo của electron và lỗ trống Hơn nữa, các hạt nano oxit kim loại phân bố trên bề mặt GA cho thấy khả năng hấp phụ cao, vùng hấp thu ánh sáng rộng hơn, tách điện tích nhanh hơn và làm tăng khả năng phát huy chất xúc tác.
V t li u titan dioxit trên c s graphene aerogel
Graphene aerogel (GA) có cấu trúc 3D độc đáo, được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, đặc biệt là xử lý môi trường và năng lượng GA không chỉ giữ được tính chất tuyệt vời của rGO mà còn tạo ra cấu trúc lớp xếp lỗ, tăng diện tích bề mặt tiếp xúc cho vật liệu Bên cạnh đó, TiO2 là vật liệu quang phân hủy được nghiên cứu và sử dụng phổ biến nhờ hiệu suất cao và chi phí thấp Khi kết hợp nanocomposite lên bề mặt chất nền GA, hiệu quả phân tán các hạt nano được cải thiện rõ rệt.
14 đ ng đ u vƠ ng n ch n s x p ch ng các t m rGO Do đó, k t h p v t li u h p ph GA và oxit kim lo i có kh n ng quang phân h y đ gi m chi phí và quy trình đ n gi n
Cường độ ánh sáng quá cao trong quá trình quang phân có thể gây ra hiện tượng photobleaching, làm giảm chất lượng màu sắc trong nước Hiện tượng này xảy ra khi hoạt động quang phân bị ảnh hưởng, dẫn đến sự suy giảm hiệu suất quang hợp.
Khi ánh sáng kích thích, các electron được tạo ra tại vùng hóa trị di chuyển lên vùng dẫn của oxit kim loại (TiO2) và tạo ra lỗ hổng (h+) Sau đó, electron di chuyển ra các kênh dẫn điện của GA, nơi GA có tác dụng như một cái bẫy, giúp ngăn chặn sự tái hợp của các electron và lỗ hổng này Electron phản ứng với oxy hòa tan trong nước tạo ra gốc tự do oxy (•O2) Hơn nữa, oxy trong nước tác động trực tiếp với các electron kích thích trên bề mặt TiO2, sinh ra nhiều gốc tự do do phản ứng (•O2) Gốc tự do này tác động với nước tạo ra các gốc hydroxyl (•OH) Đồng thời, lỗ hổng (h+) cũng tác động với nước tạo ra các gốc •OH, làm phân hủy chất màu hữu cơ Cách thức của quá trình quang phân hủy được thể hiện trong hình 1.8.
Hình 1.8: C ch phân h y ch t màu h u c c a TiO2/GA
GA + TiO2 + hv TiO2 (h + ) + GA (e ) (1.9)
TiO2/GA có ba nhược điểm chính khi ứng dụng vào quá trình quang phân hủy Thứ nhất, TiO2 có năng lượng vùng cấm thấp, chỉ đạt 3,0 eV (pha rutile) và 3,2 eV (pha anatase), dẫn đến khả năng hoạt động dưới ánh sáng UV hạn chế, trong khi ánh sáng mặt trời chỉ cung cấp khoảng 5% ánh sáng UV Thứ hai, tỷ lệ tái hợp cao của các electron và lỗ trống (h+) gây ảnh hưởng đến hiệu quả quang phân hủy của TiO2, làm giảm khả năng tạo ra các gốc oxy hóa cần thiết Thứ ba, hiệu suất phân tách các hạt mang điện cần được cải thiện để tối ưu hóa quá trình quang phân hủy Do đó, cần nghiên cứu và cải thiện tính chất quang học của vật liệu TiO2/GA để nâng cao hiệu quả trong ứng dụng quang phân hủy.
Nghiên cứu đề cập đến việc phát triển TiO2 để tạo ra các mốc phát triển mới trong vùng cảm nhận ánh sáng, nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng ánh sáng mặt trời và hạn chế quá trình tái tạo e và h+ Vật liệu TiO2 có trạng thái lai hóa của các obitan O 2p và Ti 3d, trong khi vùng dẫn chứa các obitan Ti 3d Tính chất điện tử và quang học của TiO2 có thể được cải thiện thông qua quá trình phát triển Vị trí của các ion Ti hoặc O trong mạng tinh thể TiO2 có thể được thay thế bằng kim loại, nhằm thay đổi tính chất quang học và quang phân hủy của vật liệu Kim loại quý thường được sử dụng để cải thiện hiệu suất quang phân hủy dưới kích thích của ánh sáng nhìn thấy Sự hiện diện của các ion kim loại làm thay đổi tính chất truyền điện của TiO2, cải thiện hiệu quả phân tách điện tích và dịch chuyển điện tử trong vùng dẫn.
Màng mỏng TiO2, hoạt động nhờ điện tử, cho phép nhiều electron di chuyển ra bề mặt Các kim loại quý được sử dụng phổ biến gồm vàng (Au), bạc (Ag), bạch kim (Pt) và paladi (Pd) Những kim loại này tạo ra các nano kim loại có khả năng khuếch đại ánh sáng, đồng thời tương tác với trường điện từ của ánh sáng thông qua hiện tượng cộng hưởng plasmon bề mặt (LSPR) Hiệu ứng LSPR của bạc (Ag) mạnh mẽ hơn so với các kim loại quý khác, do đó, việc pha trộn Ag vào TiO2 giúp gia tăng khả năng hấp thụ ánh sáng của vật liệu.
V t li u titan dioxit pha t p b c trên c s graphene aerogel
Bạc (Ag) có thể được sử dụng như một chất xúc tác trong quá trình phát triển vật liệu TiO2, giúp tạo ra phản ứng quang hóa hiệu quả Việc kết hợp bạc với TiO2 không chỉ làm tăng khả năng hấp thụ ánh sáng mà còn cải thiện tính kháng khuẩn, nhờ vào chi phí thấp và khả năng ứng dụng rộng rãi.
Ag hi n di n trong m ng tinh th c a TiO2 t o ra vùng pha t p m i n m d i vùng d n c a TiO2 kho ng 0,7 eV d n đ n thu h p n ng l ng vùng c m c a TiO2, đóng vai trò quan tr ng trong ho t đ ng quang phân h y S chuy n e đ đến các v trí Ag làm gi m t c đ tái t h p c a các h t mang đi n và cho phép ph n ng hi u qu h n c a các c p e và h + b gi l i trên b m t Tuy nhiên, pha t p quá nhi u Ag c ng có th làm gi m ho t tính c a TiO2 vì chúng chi m các v trí ho t đ ng trên b m t c a TiO2 Vì v y, k t h p và kh o sát t l Ag v i TiO2/GA t o thành titan dioxit pha t p b c trên c s graphene aerogel.
(Ag-TiO2/GA – ATG) giúp c i thi n hi u su t quang phân h y v t li u
Quá trình quang phân hủy của ATG được thể hiện trong hình 1.9, bắt đầu bằng việc các chất ô nhiễm hấp phụ lên bề mặt vật liệu thông qua tương tác liên kết hydro Sau khi cân bằng hấp phụ - giải hấp, quá trình quang phân hủy xảy ra khi nhận photon ánh sáng Khi pha tạp kim loại Ag, hiệu quả quang phân hủy tăng cường trong vùng ánh sáng nhìn thấy nhờ vào cộng hưởng plasmon bề mặt So với TiO2, Ag-TiO2 có khả năng hấp thu mạnh mẽ ở bước sóng 420 nm và hấp thu biểu kiến được coi là đỉnh dao động plasmon của nó.
Ag kích thích bức xạ plasmon trên bề mặt Ag-TiO2 khi ánh sáng nhìn thấy được hấp thu bởi Ag Oxy phân tách trên bề mặt TiO2 phản ứng tạo ra các gốc •O2 Các điện tử được tạo ra trên vùng CB của TiO2 tiếp tục chuyển đến bề mặt của GA khi Ag-TiO2 được gắn lên bề mặt GA Nhờ cấu trúc liên kết, bề mặt GA có khả năng nhanh chóng vận chuyển các điện tử này đến các vùng phân tách và tái hợp e và h+ Sự tái hợp này giúp nâng cao hiệu quả quang phân hủy của vật liệu Đồng thời, Ag bị oxy hóa có thể tái sinh bằng cách kết hợp với H2O, OH tạo thành các gốc •OH Các gốc tự do này đóng vai trò quan trọng trong việc phân hủy hợp chất hữu cơ do khả năng oxy hóa mạnh mẽ của chúng.
Hình 1.9: C ch quang phân h y c a ATG
Ph ng pháp t ng h p a Ph ngăphápăph i tr n huy n phù
Phương pháp phủ trần huyền phù sử dụng nano kim loại được tổng hợp trước, sau đó hạt nano được phủ trần vào chất nền GA bằng các loại dung môi khác nhau như ethanol, ethylene glycol, isopropanol, v.v Phương pháp này có ưu điểm là có thể kiểm soát được kích thước các hạt nano và chất nền đồng nhất Tuy nhiên, khả năng phân tán nano thấp do các hạt nano sử dụng bị kết tụ và khó hòa tan vào dung môi, thường xảy ra tình trạng lắng và tách pha Bên cạnh đó, khả năng tạo liên kết giữa các thành phần kém hơn so với phương pháp đồng kết tủa Quá trình tổng hợp vật liệu được thể hiện trong hình 1.10.
Hình 1.10: S đ quy trình t ng h p ATG b ng ph ng pháp ph i tr n huy n phù
ă ánhăgiáăkh n ngăquangăphơnăh y c a v t li u ATG
N ng l ng vùng c m c a v t li u
Năng lượng của photon được xác định chính xác theo phương trình Tauc (1.13), trong đó h là hằng số Planck, ν là tần số photon, k là hằng số Boltzmann, và E là năng lượng của photon trong vùng cảm ứng của vật liệu (eV).
Hi u su t quang phân h y ch t màu CV
Hi u su t quang phân h y ch t màu c a ATG đ c đánh giá thông qua thay đ i n ng đ c a ch t màu tr c và sau ph n ng đ c th hi n ph ng trình (1.14) [36]
C (1.14) là công thức tính hiệu suất quang phân hủy (%), trong đó H là hiệu suất, Co là nồng độ chất màu ban đầu và Ct là nồng độ tại thời điểm t (mg/L), được xác định bằng phương pháp đo phổ hấp thụ ngoài - khối khí (UV-Vis).
Tình hình nghiên c uătrongăvƠăngoƠiăn c
Trong n c
Nhiều nhóm nghiên cứu đã tiến hành khảo sát vật liệu TiO2, trong đó có các nhà khoa học như PGS.TS Huỳnh K Phong H từ Đại học Bách Khoa – HQG TP.HCM, PGS.TS Nguyễn Thị Phương Phong từ Đại học Khoa học Tự nhiên – HQG TP.HCM, Nguyễn Xuân Trường từ Viện Kỹ thuật Hóa học, Đại học Bách Khoa Hà Nội, và TS Nguyễn Minh Phong từ Đại học Khoa học Tự nhiên.
Phùng Nguy n Thái H ng (Tr ng i h c Tây Nguyên), v.v Tuy nhiên, ch a có nhi u nghiên c u v v t li u TiO2 ho c bi n tính TiO2 trên c s GA
Trên th gi i, có nhi u nghiên c u v l nh v c quang phân h y, s d ng v t li u nanocomposite trên c s Gr đ x lý ô nhi m h u c Trong đó, các nghiên c u t ng h p v t li u TiO2 k t h p Ag trên c s Gr đ c th hi n b ng 1.1
B ng 1.1: Nghiên c u v v t li u Ag-TiO2trên c s Gr
Nghiên c u Ph ngăphápăt ng h p c tính v t li u
T ng h p graphene/TiO2/Ag quang phân h y thu c nhu m C.I Reactive
Ph ng pháp siêu ơm hóa h c + T ng h p Ag/TiO2 t ti n ch t
+ T ng h p graphene/TiO2/Ag b ng cách ph i tr n GO và Ag/TiO2
Hi u su t quang phân h y hoàn toàn thu c nhu m sau 90 phút d i ánh sáng UV
Ag-TiO2 ng d ng tách d u-n c, MB-d u và
Rhodamin B-d u d i ánh sáng nhìn th y [35]
Ph ng pháp l c chân không + T ng h p nanocomposite Ag/TiO2 b ng ti n ch t AgNO3 và s i nano TiO2
+ T ng h p rGO-Ag-TiO2 b ng cách ph i tr n Ag/TiO2 và GO
TiO2NTs quang phân h y 2,4- dichlorophenoxyacetic d i ánh sáng m t tr i
Ph ng pháp l ng đ ng đi n t m t b c + T ng h p TiO2 NTs t titan + T ng h p rGO/Ag-TiO2NTs t AgCl, TiO2NTs và GO
T ng h p Ag/TiO2/rGO lo i b MB d i ánh sáng nhìn th y [38]
Ph ng pháp ph i tr n có h tr siêu âm
+ T ng h p Ag/TiO2 t dung d ch AgNO3 và TiO2
+ T ng h p Ag/TiO2/rGO b ng cách ph i tr n GO và Ag/TiO2
MB d i ánh sáng nhìn th y trong
Tính c p thi t, m c tiêu, n iădung,ăph ngăphápănghiênăc u,ăđóngăgóp,ăvƠă tính m i
Tính c p thi t
Các phương pháp xử lý ô nhiễm chất màu truyền thống như sinh học, hấp phụ, ozon hóa, và điện hóa thường tạo ra sản phẩm phụ, thời gian kéo dài và hiệu quả xử lý không cao Quang phân hủy của TiO2 được sử dụng phổ biến trong xử lý ô nhiễm do các hợp chất phenolic, chất màu hữu cơ, và dung môi hữu cơ Tuy nhiên, hiệu quả vẫn chưa cao do năng lượng vùng cảm ứng của TiO2 lớn, chỉ hấp thu 3-5% ánh sáng mặt trời, chủ yếu là vùng ngoài Bên cạnh đó, các electron và lỗ trống dễ dàng tái hợp, làm giảm hiệu suất quang phân hủy Nghiên cứu này đề xuất sử dụng Ag với năng lượng vùng cảm ứng hợp, là vật liệu kết hợp tiềm năng với TiO2 Hơn nữa, electron và lỗ trống trong vật liệu Ag-TiO2 tái hợp nhanh, làm hạn chế hiệu quả xử lý.
Ag vào TiO2 với các tấm rGO giúp nâng cao khả năng tái hợp của electron và lỗ trống, gia tăng số lượng lỗ trống và giảm thiểu do •OH hình thành, nâng cao hiệu quả trong việc xử lý các hợp chất hữu cơ đang được nghiên cứu Đồng thời, chất nền GA với diện tích bề mặt riêng lớn giúp gia tăng diện tích bề mặt của vật liệu, cải thiện hiệu quả xử lý Tại Việt Nam, nghiên cứu tổng hợp vật liệu quang phân hủy ATG vẫn còn là hướng nghiên cứu mới Vì vậy, luận văn này tiến hành nghiên cứu tổng hợp và đánh giá hiệu suất quang phân hủy chất màu hữu cơ CV trong nước của vật liệu ATG.
M c tiêu
T ng h p thành công v t li u ATG có hi u su t quang phân h y cao đ i v i ch t màu h u c CV
- Tìm ra quy trình t ng h p ATG;
- Tìm đ c l ng AgNO3 phù h p cho hi u su t quang phân h y CV cao c a v t li u ATG;
- a rađi u ki n quang phân h y CV c a v t li u ATG phù h p;
- K t lu n v hi u su t thu h i và tái s d ng c a v t li u ATG phù h p;
- a ra nh h ng các g c t do đ n c ch quang phân h y CV c a v t li u ATG
N i dung nghiên c u
N i dung 1: T ng h p và kh o sát nh h ng c a l ng AgNO3 đ n đ c tr ng c a v t li u ATG;
N i dung 2: Kh o sát nh h ng l ng AgNO3 đ n hi u su t quang phân h y CV c a v t li u ATG;
N i dung 3: Kh o sát nh h ng các y u t đ n hi u su t quang phân h y CV c a v t li u ATG;
N i dung 4: Kh o sát hi u su t thu h i và tái s d ng c a v t li u ATG;
N i dung 5: Kh o sát nh h ng g c t do đ n c ch quang phân h y CV c a v t li u ATG.
Ph ng pháp nghiên c u
Ph ng pháp t ng h p và phân tích đ c tr ng v t li u a Ph ng pháp t ng h p v t li u
V t li u ATG đ c t ng h p qua hai giai đo n:
Giai đo n 1: T ng h p GO b ng ph ng pháp Hummers c i ti n [39];
Giai đoạn 2: Tích hợp ATG theo phương pháp đăng ký tắt Vật liệu ATG được tích hợp từ các thành phần chính như AgNO3, TIP và GO; trong đó, nồng độ AgNO3 được kiểm soát chặt chẽ trong quá trình tích hợp Phương pháp phân tích được trình bày cụ thể cho vật liệu này.
V t li u sau t ng h p đ c phân tích đ c tr ng b ng các ph ng pháp hi n đ i nh :
Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR), X-ray Diffraction (XRD), Raman Spectroscopy, Thermal Gravimetric Analysis (TGA), Transmission Electron Microscopy (TEM), Scanning Electron Microscopy (SEM), Energy-Dispersive X-ray Spectroscopy (EDS), Brunauer-Emmett-Teller (BET) method, Ultraviolet-Visible Spectroscopy (UV-Vis), and Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry (ICP-MS) are essential analytical techniques used in material characterization and analysis.
Ph ăh ngăngo iăchuy năhóa Fourier
Nguyên tắc của phương pháp này dựa vào hiệu ứng là các hợp chất hoặc nhóm chức có khả năng hấp thụ năng lượng từ nhiều bước sóng ngoài Do đó, khi xác định được bậc sóng hấp thu, có thể xác định được hợp chất hoặc nhóm chức tồn tại trong vật liệu.
Máy quang phổ thế hệ mới hoạt động dựa trên nguyên tắc chuyển hóa Fourier Chùm tia ánh sáng từ nguồn được chia thành hai phần: một phần đi qua mẫu vật và phần còn lại qua môi trường đo Sau đó, các tín hiệu này được tách thành các bậc sóng có tần số khác nhau và chuyển đổi thành tín hiệu điện Tín hiệu điện này được so sánh với chùm tia gốc và chuyển đổi thành dữ liệu số để thu thập thông tin từ mẫu Để đảm bảo độ chính xác, dòng điện được điều chỉnh nhiều lần trước khi chuyển sang bộ phận ghi và được xử lý trên máy tính để in ra kết quả phân tích.
Hình 1.12: Nguyên lý ho t đ ng c a máy đo FTIR ng d ng: Xác đ nh s có m t các nhóm ch c trong c u trúc c a v t li u TrG và ATG
Nhiều phương pháp phân tích sử dụng tia X để xác định cấu trúc tinh thể của vật liệu Phương pháp này có thể thực hiện trong môi trường bình thường, cho phép thu được hình ảnh sắc nét và nhanh chóng trên một detector hiện đại với khả năng phát hiện một photon mà không gặp nhiều nhiễu Hình 1.13 minh họa nguyên tắc của nhiều tia X.
C s c a ph ng pháp nhi u x tia X là d a vào hi n t ng nhi u x c a chùm tia
X-ray là một phương pháp quan trọng trong nghiên cứu vật liệu tinh thể Khi bức xạ X tương tác với vật chất, nó gây ra hiện tượng tán xạ, giúp xác định cấu trúc tinh thể của các nguyên tử trong vật liệu Qua đó, có thể xác định các đỉnh nhiễu xạ đặc trưng của vật liệu TrG và ATG.
Quang phổ Raman là hiện tượng xảy ra khi ánh sáng tương tác với các phân tử, dẫn đến sự biến đổi vị trí của các nguyên tử trong phân tử Quá trình này cho phép xác định thông tin về mức độ dao động của nguyên tử, phân tử hay mạng tinh thể Các mức năng lượng đặc trưng giúp phân biệt các nguyên tử khác nhau, từ đó phân tích cấu trúc của vật liệu Một mẫu thử được chiếu sáng bằng một chùm laser trong môi trường ngoài, và ánh sáng tán xạ được thu vào một ống kính, qua đó thực hiện quang phổ Raman của mẫu, như minh họa trong hình 1.14.
Hình 1.14: Nguyên lý ho t đ ng máy đo Raman ng d ng: Xác đ nh các đ nh đ c tr ng D, G, và đ khuy t t t c a v t li u TrG và ATG
Ph ăphơnătíchănhi tătr ngăl ngă
Nguyên tắc xác định khối lượng của mẫu vật bắt đầu từ việc cân bằng vị trí Thiết bị gia nhiệt làm tăng nhiệt độ, dẫn đến các quá trình hóa lý thay đổi khối lượng của mẫu Các cảm biến sẽ chuyển tín hiệu về máy tính và chuyển đổi thành phần trăm khối lượng của vật liệu Việc xác định đỉnh đỉnh nhiệt và nghiên cứu tác động của môi trường lên vật liệu ATG là rất quan trọng.
Kínhăhi năviăđi nt ătruy năquaă
Mạch chùm tia điện tử được phát ra từ súng phóng điện, thường sử dụng catot được đốt nóng, giúp điện tử thoát ra khi liên kết với kim loại catot như W hoặc Pt Sau khi rời khỏi catot, điện tử di chuyển tới anot và được gia tốc, sau đó tập trung lại thành chùm tia điện tử đi qua các thấu kính điện tử và xuyên qua vật thể Chùm tia này tiếp tục được hội tụ tại một điểm nhờ các thấu kính cộng hưởng, và cuối cùng được phóng ra qua một số thấu kính trung gian, tạo ra kết quả hiển thị trên màn hình quan sát Các thấu kính và vật kính được sử dụng hoàn toàn là thấu kính điện tử vì phương pháp này sử dụng chùm điện tử thay cho ánh sáng nhìn thấy, do đó không sử dụng thấu kính thủy tinh Nguyên lý hoạt động của máy TEM được thể hiện trong hình 1.15.
Hình 1.15: Nguyên lý ho t đ ng máy đo TEM
26 ng d ng: Xác đ nh kích th c và s phân b c a các h t nanotrên b m t v t li u TrG và ATG
Kính hiển vi điện tử quét (SEM) tạo ra hình ảnh với độ phân giải cao của bề mặt mẫu bằng cách sử dụng một chùm điện tử quét trên bề mặt mẫu Các điện tử tương tác với các nguyên tử trong mẫu, tạo ra các tín hiệu khác nhau chứa thông tin về bề mặt của mẫu Phương pháp SEM cho phép thu được những bức ảnh ba chiều rõ nét mà không yêu cầu phức tạp trong khâu chuẩn bị mẫu Độ phân giải của SEM thường cao hơn nhiều so với kính hiển vi quang học, có thể đạt được từ 10 đến 100 nm.
Nguyên lý hoạt động của chùm điện tử bắt đầu từ nguồn phát, chiếu qua vật kính và bề mặt mẫu Chùm tia điện tử sẽ quét toàn bộ bề mặt mẫu, tạo ra các tia khác từ sự tương tác của chùm điện tử với vật liệu Việc phân tích các bức xạ phát ra từ sự tương tác này cho phép chúng ta hiểu rõ hơn về cấu trúc và tính chất của mẫu vật.
Hình 1.16: Nguyên lý ho t đ ng máy SEM ng d ng: Nghiên c u c u trúc b m t c a v t li u ATG
Ph tán x n ngăl ng tia X
Phân tích cấu trúc nguyên tử bằng tia X là một kỹ thuật quan trọng trong việc nghiên cứu các đặc tính của vật chất Kỹ thuật này dựa trên sự tương tác giữa bức xạ tia X và các nguyên tử trong mẫu, cho phép phân tích các tia X phát ra từ vật chất trong quá trình tương tác Khả năng mô tả cấu trúc của phương pháp này dựa trên nguyên lý rằng mỗi nguyên tử có một cấu trúc nguyên tử hình học duy nhất, từ đó giúp xác định chính xác nguyên tử đó.
Chùm hạt tích điện có năng lượng cao, chủ yếu là các electron hoặc proton, được tập trung vào mẫu nghiên cứu Thông thường, một nguyên tử trong mẫu chứa electron ở trạng thái thấp (hay không hoạt hóa) trong các mức năng lượng riêng biệt hoặc trong các lớp vỏ electron xung quanh hạt nhân Chùm tia này có thể kích hoạt một electron trong một lớp vỏ bên trong, tách chúng ra khỏi lớp vỏ đồng thời tạo nên một lớp electron che và tách ra Một electron lớp vỏ ngoài, tức là lớp vỏ năng lượng cao hơn, sau đó sẽ trở thành lớp electron và tạo nên sự khác nhau về mức năng lượng giữa lớp vỏ năng lượng cao hơn và lớp vỏ năng lượng thấp hơn, phát ra tia X Tia X và sự phóng ra bức xạ sau đó được phát hiện và phân tích bởi một máy quang phổ tán xạ năng lượng, tần số tia X phát ra là đặc trưng với nguyên tố của mẫu chất có mặt trong chất rắn Việc ghi nhận tia X phát ra từ vật chất cho thông tin về các nguyên tố hóa học có mặt trong mẫu đồng thời cung cấp thông tin về hàm lượng các nguyên tố này Nguyên tố của nhiều tia X được thể hiện trong hình 1.17.
Hình 1.17: Nguyên lý c a phép phân tích EDS ng d ng: Xác đnh ph n tr m kh i l ng c a các nguyên t trong v t li u ATG
Ph ngăphápăh p ph đ ng nhi t BET
Nguyên lý của phương pháp đo diện tích bề mặt chất rắn (vật liệu mao quản có cấu trúc rỗng, có khả năng kéo và mình mát làng khí, hơi, làng trên bề mặt vật rắn) là quá trình hấp phụ Nhiệt tỏa ra trong quá trình hấp phụ là nhiệt hấp phụ Bề mặt vật liệu mao quản không đồng nhất, khi hấp phụ sẽ tạo nhiệt không phải là một hằng số mà thay đổi theo thời gian hấp phụ Các tâm hấp phụ hình thành sẽ hấp phụ trước, tạo thành lớp nhiệt lên; tiếp đó đến các tâm hấp phụ vả và yếu.
Bề mặt của chất rắn càng lớn, sự hấp phụ càng mạnh và tạo ra nhiều sản phẩm hơn Để xác định các tính chất của vật liệu mao quản, công việc đầu tiên là xây dựng đặc điểm hấp phụ chính xác.
óng góp
Môi trường hiện nay đang đối mặt với ô nhiễm nhiều loại chất độc hại, trong đó chất màu hữu cơ gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến sức khỏe con người và sinh vật Tình trạng ô nhiễm chất màu hữu cơ ngày càng gia tăng, trong khi các phương pháp xử lý truyền thống không mang lại hiệu quả cao và còn phát sinh ô nhiễm thứ cấp Do đó, cần tìm ra vật liệu ATG với quy trình tổng hợp và hóa chất đơn giản, dễ thực hiện và hiệu quả cao Bên cạnh đó, cần đưa ra điều kiện quang phân hủy phù hợp, xác định tỷ lệ tái sử dụng, và các chế độ cho quá trình quang phân hủy chất hữu cơ nhằm đáp ứng nhu cầu giải quyết ô nhiễm chất màu hữu cơ hiện nay.
Tính m i
Việc sử dụng TiO2/GA trong quá trình quang phân hủy các hợp chất hữu cơ trong nước đang thu hút nhiều sự quan tâm từ các nhà khoa học trên toàn cầu Tuy nhiên, hiệu quả loại bỏ các chất ô nhiễm hữu cơ còn thấp do sự phân tách yếu và tốc độ tái hợp nhanh của các electron và ion H+ trong vật liệu Để cải thiện tình trạng này, nghiên cứu đã tiến hành tổng hợp vật liệu biến tính bằng phương pháp phủ Ag lên TiO2/GA nhằm thu hút năng lượng ánh sáng, mở rộng vùng hấp thu photon ánh sáng vùng khả kiến, nâng cao hiệu quả sử dụng ánh sáng mặt trời và hạn chế tái hợp của electron và ion H+ Trong luận văn này, vật liệu ATG được khảo sát điều kiện tổng hợp để tìm ra tỉ lệ chất phù hợp Bên cạnh đó, ảnh hưởng đồng thời của các yếu tố đến hiệu suất quang phân hủy chất màu hữu cơ CV của vật liệu ATG cũng được thực hiện để đưa ra điều kiện quang phân hủy đạt hiệu suất cao.
CV và kh o sát hi u su t thu h i tái s d ng c a v t li u.
Hóa ch t, d ng c , thi t b ,ăvƠăđ aăđi m th c hi n
Hoá ch t
Hóa ch t s d ng nh đ c th hi n b ng 2.1
STT Hóa ch t Ký hi u hóa h c
Tr ng thái c tính Ngu n g c
2 Axit sunfuric H2SO4 L ng 98 % Trung Qu c
3 Axit photphoric H3PO4 L ng 85 % Trung Qu c
4 Kali pemanganat KMnO4 R n 99 % Vi t Nam
5 Hydrogen peroxide H2O2 L ng 30 % Trung Qu c
6 Etanol C2H5OH L ng 99 % Vi t Nam
7 Axit acetic CH3COOH L ng 99,5 % Trung Qu c
8 Titan (IV) isopropoxit C12H28O4Ti L ng 97 % c
10 Amoniac NH4OH L ng d = 8,8 g/mL Trung Qu c
11 Crystal violet C25N3H30Cl R n 98,5 % Trung Qu c
12 Methylene blue C16H18ClN3S R n 99 % Trung Qu c
13 Indigo carmine C16H8N2Na2O8S2 R n 93 % Trung Qu c
14 Natri hydroxit NaOH R n 99 % Trung Qu c
15 Axit clohidric HCl R n 36 % Trung Qu c
17 Isopropyl alcohol C3H8O L ng 99,7 % Trung Qu c
D ng c và thi t b
Cá t ; b p t ; đ a khu y; nhi t k ; vial 20 mL; becher lo i 500, 250 mL; ng đong
500, 50 mL; pipet 1 mL; micropipet; nam châm; và ng ly tâm
Thi t b Thi t b s d ng trong lu n v nđ c th hi n hình 2.1
Hình 2.1: Thi t b s d ng trong lu n v n (a) B siêu âm, (b) Máy ly tâm, (c) Máy khu y t gia nhi t, (d) Cân phân tích, (e) Máy UV-Vis, vƠ (f) èn UV
a đi m th c hi n
Thí nghi m đ c th c hi n t i Phòng thí nghi m Tr ng đi m i h c
Qu c gia H Chí Minh Công ngh Hóa h c và D u khí (Key CEPP Lab),
Tr ng i h c Bách Khoa- HQG TP H Chí Minh
Thí nghi m
T ng h p và kh o sát nh h ng c a l ng AgNO 3 đ n đ c tr ng c a v t li u
V t li u ATG đ c t ng h p qua hai giai đo n: T ng h p GO b ng ph ng pháp Hummers c i ti n và t ng h p ATG theo ph ng pháp đ ng k t t a
Quá trình GO đ c t ng h p t Gi theo phương pháp Hummers bao gồm hai giai đoạn chính: oxy hóa Gi và tách l p GiO Quy trình thực hiện được minh họa trong hình 2.2.
Hình 2.2: Quy trình t ng h p GO Thuy t minh quy trình: 3 g Gi đ c thêm vào h n h p axit đ m đ c g m 360 mL
H2SO4 và 40 mL H3PO4 10 o C Ti p theo, thêm t t 18 g KMnO4 và khu y nhi t đ d i 20 o C Sau đó, h n h p đ c khu y liên t c nhi t đ 50 o C trong 12 gi
H n h p đ c đ ngu i đ n nhi t đ phòng, thêm 500 mL n c c t và 15 mL H2O2
30 % H n h p t màu vàng nâu chuy n sang màu vàng sáng H n h p đ c ly tâm
Quá trình chế biến GO bắt đầu bằng việc khuấy trộn ở 2000 rpm và điều chỉnh pH về mức trung tính Chất rắn thu được là GiO, được sấy khô ở 50 độ C Sau đó, GiO được phân tán vào nước với nồng độ 5 g/L và sử dụng siêu âm để tách lớp GiO trong vòng 12 giờ Sản phẩm cuối cùng sau khi siêu âm sẽ được ly tâm và sấy khô ở 50 độ C, thu được sản phẩm GO.
Quy trình t ng h p ATG theo ph ng pháp đ ng k t t a đ c th hi n hình 2.3
Hình 2.3: Quy trình t ng h p ATG b ng ph ng pháp đ ng k t t a
Quy trình phơn tán GO trong nước và băng sóng siêu ơm kéo dài 30 phút để thu được hợp chất nhũ tương Sau đó, tiếp tục thêm hỗn hợp gồm TIP, etanol và axit acetic, rồi siêu âm thêm 10 phút Tiếp theo, cho AgNO3/NH4OH vào khuấy đều khi phơn tán đã thu được hợp chất A PVA được khuấy tan hoàn toàn ở 80 độ C, sau đó hợp chất A được thêm vào và khuấy trong 20 phút Cuối cùng, axit malic được thêm vào hỗn hợp trên và khuấy trong 5 phút, sau đó hỗn hợp này được cho vào autoclave và tiến hành thay nhiệt.
Nhiệt độ 200 °C trong 2 giờ được áp dụng để xử lý sản phẩm, bao gồm ngâm, rửa bằng nước và ethanol Cuối cùng, ATG được sấy khô bằng phương pháp sấy thông thường Nồng độ AgNO3 được điều chỉnh để đạt hiệu suất quang phân hủy CV của vật liệu ATG Điều kiện nhiệt độ và thời gian phản ứng là 200 °C và 2 giờ, với thể tích TIP là 1 mL và nồng độ AgNO3 thay đổi theo các giá trị được thực hiện.
B ng 2.2: Kh o sát nh h ng c a l ng AgNO3
STT V t li u GO (mg) AgNO 3 (mg)
TiO2/rGO (TrG) được tổng hợp làm vật liệu điện cực bằng phương pháp đồng kết tủa tại nhiệt độ ATG Quá trình bắt đầu bằng việc thêm hỗn hợp gồm TIP, etanol và axit acetic vào GO, sau đó siêu âm trong 10 phút Tiếp theo, hỗn hợp này được đưa vào autoclave và tiến hành gia nhiệt ở 200 độ C trong 2 giờ Sản phẩm sau khi nguội được rửa bằng nước và etanol, cuối cùng TrG được sấy khô bằng phương pháp sấy thông hoa.
Khảo sát đặc trưng của vật liệu ATG được thực hiện thông qua các phương pháp phân tích hiện đại như FTIR, XRD, Raman, TGA, TEM, SEM-EDS, phân tích bề mặt riêng BET và UV-Vis.
FTIR là phương pháp đo lường được thực hiện tại Phòng thí nghiệm CEPP thuộc Trường Đại học Bách Khoa – Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh Mẫu vật liệu được chuẩn bị bằng cách trộn với bột KBr và nén thành dạng viên trước khi tiến hành đo Máy FTIR có khả năng phân giải tốt, cho phép xác định các thông số quang phổ chính xác.
0,2 cm 1 ; đ chính xác dãy ph là 0,1% T; dãy ph t 4000 – 400 cm 1
XRD: M u đ c đo t i Trung tâm Công ngh Vi t c, i h c Công nghi p
Th c ph m Thành ph H Chí Minh v i máy XRD D8 Advance c a hãng Bruker – c Ngu n b c x Cu-K v i b c sóng = 1,5406 nm; góc quét 2 = 5 – 80 o
Raman: M u d ng b t đ c đo b ng máy LabRam HR Evolution, hãng s n xu t HORIBA, xu t x Nh t B n, vi n công ngh Nano i h c Qu c gia Thành ph
H Chí Minh B c sóng kích thích c a máy lƠ 632 nm, môi tr ng đo lƠ môi tr ng h n h p khí tr He vƠ Ne.
TGA: M u đ c đo t i PTN Trung tơm Khoa Hóa Tr ng i h c S ph m TP
H Chí Minh M u đ c đo b ng máy SETARAM TGA DSC 1600 LabSys EVO i u ki n đo: Nhi t đ 0 – 820 o C
TEM: M u đ c ch p t i Phòng Hi n vi đi n t ứ Vi n Khoa h c v t li u, qu n C u Gi y, Hà N i trên thi t b TEM phân gi i cao (JEM 2100, HSX: Jeol,
Nh t B n) Các thông s v n hành c a máy: Th phát: 200 kV; s i đ t: LaB6; đ phân gi i gi a hai đi m: 0,23 nm; đ phân gi i gi a hai đ ng: 0,14 nm
SEM ậ EDS được thực hiện tại Trung tâm Công nghệ Vật liệu, thuộc Trường Đại học Công nghiệp Thực phẩm TP.HCM, sử dụng máy JMS-IT 200 của Jeol, Nhật Bản Điều kiện đo bao gồm điện áp gia tăng 10 kV, đột phá điện 10.000 lần, độ phân giải 512 × 384 và thời gian đo 0,20 ms BET được thực hiện tại Viện Khoa học Vật liệu, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam, quận 12, TP.HCM, với diện tích bề mặt riêng được xác định dựa trên hấp phụ/nhiệt hấp phụ N2 ở 77,35 K và áp suất Po = 756 mmHg.
UVứVis: M u đ c đo b ng thi t b HORIBA Dual-FL, t i Key CEPP Lab
M u v t li u đ c phơn tán trong n c vƠ đo m u b c sóng 200 – 800 nm
ICP-MS: M u dung d ch CV sau quá trình quang phân h y s đ c đo đ gi i phóng ion Ag + và Ti 4+ b ng thi t b 7700 × ICP-MS, Agilent Technologies t i Trung tâm
D ch v Phân tích Thí nghi m TP.HCM (CASE).
Kh o sát nh h ng c a l ng AgNO 3 đ n hi u su t quang phân h y CV c a
Quy trình kh o sát nh h ng c a l ng AgNO3 đ n hi u su t quang phân h y CV c a ATG đ c th hi n hình 2.4
Quy trình khảo sát hiệu suất quang phân hủy chất màu của vật liệu ATG bắt đầu bằng cách thêm 100 mL dung dịch chứa chất hủy cặn ng vào và khuấy liên tục trong 60 phút để đạt được cân bằng hợp ph - giải hạp Sau đó, hỗn hợp được chiếu sáng bằng đèn UV (TUV 215 mm, 11W, Philips) Sau khoảng 10 phút, lấy 5 mL mẫu ra để đo UV-Vis nhằm xác định nồng độ chất màu sau thời gian phản ứng.
Kh o sát nh h ng các y u t đ n hi u su t quang phân h y CV c a v t li u
Kh o sát nh h ng t ng y u t theo mô hình Plackett-Burman
Nghiên cứu này tập trung vào việc xác định các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất quang phân hủy của vật liệu ATG, bao gồm pH, nồng độ CV, lượng vật liệu, thời gian hấp phụ và thời gian quang phân hủy Thí nghiệm được thiết kế theo mô hình Plackett-Burman nhằm đánh giá tác động của bảy yếu tố này đến hiệu suất quang phân hủy Mỗi yếu tố được khảo sát ở hai cấp độ: mức thấp (1) và mức cao (+1) Các biến trong ma trận được trình bày trong bảng 2.3.
B ng 2.3: Các bi n trong ma tr n Plackett-Burman
Y u t kh o sát năv Ký hi u
Th i gian quang phân h y phút x5 40 80
Thí nghi m đ c thi t k b ng ph n m m Design-Expert v.11.0 th hi n b ng 2.4
B ng 2.4: Thi t k thí nghi m theo mô hình Plackett-Burman
Kh o sát nh h ng đ ng th i các y u t theo mô hình Box-Behnken
Để tối ưu hóa hiệu suất quang phân hủy của vật liệu, cần xác định ba yếu tố ảnh hưởng đến quá trình này Quy hoạch thực nghiệm được thực hiện theo phương pháp bậc hai đáp ứng với ba yếu tố đã chọn, với mục tiêu chính là nâng cao hiệu suất quang phân hủy Thí nghiệm được thiết kế dựa trên mô hình Box-Behnken với ba mức (1, 0, +1) sử dụng phần mềm Design-Expert v.11.0 Các thí nghiệm được sắp xếp theo mô hình Box-Behnken nhằm đảm bảo tính chính xác và hiệu quả trong nghiên cứu.
B ng 2.5: Ma tr n y u t mã hóa theo mô hình Box-Behnken
* là các thí nghi m t i tâm
Khảo sát ảnh hưởng của các yếu tố đến hiệu suất quang phân hủy của vật liệu ATG bằng mô hình bậc nhất đáp ứng, kiểm định sự có nghĩa của các hệ số của phương trình hồi quy Tiến hành các thí nghiệm tại các điều kiện phù hợp để kiểm chứng sự tương thích của mô hình với thực nghiệm.
Sau khi tìm ra đi u ki n quang phân h y phù h p, v t li u ATG đ c th nghi m v i ch t màu cation (methylene blue – MB) và anion (indigo carmine – IC).
Kh o sát hi u su t thu h i và tái s d ng c a v t li u ATG
Vật liệu được thêm vào 100 mL dung dịch chất màu CV có nồng độ xác định và khuấy từ liên tục trong thời gian xác định khi đạt cân bằng hấp phụ-giải hấp phụ Sau đó, hỗn hợp được chiếu sáng bằng đèn UV Sau thời gian xác định, vật liệu được tách ra khỏi dung dịch bằng phương pháp ly tâm Vật liệu được sấy khô và cân khối lượng xác định hiệu suất thu hồi vật liệu Phần dung dịch được xác định nồng độ chất màu CV bằng phương pháp UV-Vis xác định hiệu suất phần ng và đo ICP-MS xác định lượng ion Ag+ và Ti4+ giải phóng ra dung dịch Các thí nghiệm được thực hiện trong điều kiện phù hợp tìm được mốc 2.2.3 Thí nghiệm được lặp lại nhiều lần Vật liệu ATG trước và sau năm chu kỳ tái sử dụng được đánh giá được trạng thái thông qua giản đồ XRD và SEM-EDS Quy trình thực hiện trình bày trong hình 2.5.
Hình 2.5: Quy trình kh o sát hi u su t thu h i và tái s d ng c a v t li u ATG
Kh o sát nh h ng g c t do đ n c ch quang phân h y CV c a v t li u
Quy trình xác đ nh nh h ng c a g c t do đ n c ch quang phân h y CV c a v t li u ATG đ c th hi n nh hình 2.6
Quy trình xác định nh hồng c của chất cảm quang phân hủy CV được thực hiện theo thí nghiệm quang phân hủy mô tả trong mục 2.2.2 Trong quy trình này, dung dịch chứa các chất bột gốc do được thêm vào dung dịch chất màu CV Các chất bột gốc này bao gồm •O2, h+, và •OH, cụ thể là BQ, EDTA-2Na, và IPA Sau khi hoàn tất quá trình quang phân hủy, 5 mL mẫu được lấy ra và đo bằng phương pháp UV-Vis tại bước sóng 587 nm, từ đó xác định được cách quang phân hủy CV của vật liệu ATG.
CH NGă3:ă K T QU VÀ BÀN LU N
nhăh ngăl ng AgNO 3 đ năđ cătr ngăc a v t li u ATG
Phân tích FTIR được sử dụng để xác định sự hiện diện của các nhóm chức trong cấu trúc của vật liệu ATG Hình 3.1 cho thấy các đặc trưng phổ FTIR của vật liệu TrG và ATG, với các đỉnh tại vị trí 3313, 1565, 1414, 1213, và 1093 cm⁻¹ Những đỉnh này tương ứng với sự dao động của các nhóm chức chứa oxy như –OH, –C=C, –C–OH, –C–O–C, và –C–O.
Sự đánh giá về khả năng kết nối của các nhóm chức chứa oxy trong quá trình khử GO bằng phương pháp thay nhiệt chưa hoàn toàn đầy đủ Bên cạnh đó, việc sử dụng kích thước khoảng 500 – 700 cm^-1 có thể cải thiện khả năng liên kết trong cấu trúc của TiO2.
[44], cho th y liên k t gi a nano v i c u trúc m ng rGO H n n a, không có s xu t hi n c a đ nh đ c tr ng c a Ag O cho th y ch có Ag hình thành trong v t li u ATG
Hình 3.1: Ph FTIR c a các v t li u ATG
Cấu trúc tinh thể của vật liệu TrG và ATG đã được phân tích bằng phương pháp XRD Kết quả phân tích cho thấy các đỉnh nhiễu xuất hiện tại vị trí 2θ = 25,5; 37,99; 47,79; 54,23; và 62,76°, tương ứng với các mặt tinh thể (101), (004), (200), (105), (204), và (220), cho thấy cấu trúc tinh thể anatase của TiO2 Bên cạnh đó, giãn đỉnh XRD của ATG cho thấy sự xuất hiện của các đỉnh tại 38,2; 44,15; 64,36; và 77,37°, tương ứng với các mặt tinh thể (111), (200).
(220), và (311) c a Ag, cho th y hình thành Ag trong c u trúc v t li u Ngoài ra, các m u ATG xu t hi n đnh nhi u x đ c tr ng c a rGO t i 25,94 º t ng ng v i m t
43 ph ng tinh th (002) đ c nh n th y khi đ nh nhi u x r ng t i 25,2 º đ c tách thành hai đ nh nh th hi n hình 3.2(b)
Khi tăng lượng Ag, cấu trúc mạng tinh thể TiO2 bị ảnh hưởng do sự chênh lệch bán kính giữa ion Ag+ (1,26 Å) và Ti4+ (0,68 Å) Sự bổ sung Ag với lượng thấp (ATG25) làm thay đổi cấu trúc mạng tinh thể TiO2, trong khi lượng Ag ở mức 50 mg (ATG50) tạo ra sự thay đổi đáng kể Tuy nhiên, khi lượng Ag tăng cao (ATG75 và ATG100), sự dịch chuyển đỉnh trong XRD cho thấy sự di chuyển của các ion Ag+ trên bề mặt TiO2 Kết quả nghiên cứu chứng minh rằng ion Ag+ có bán kính lớn hơn ion Ti4+ đã gây ra sự dịch chuyển đỉnh XRD lên giá trị cao hơn, ảnh hưởng đến vị trí các nút trong mạng tinh thể.
Hình 3.2: Gi n đ XRD c a các v t li u ATG
Kết quả phân tích phổ Raman của các vật liệu TrG và ATG được thể hiện trong hình 3.3, cho thấy đỉnh D tại 1324 cm⁻¹, chỉ ra trạng thái lai hóa sp³ của nguyên tử carbon và mức độ trật tự của mạng tinh thể trong cấu trúc vật liệu.
Trong nghiên cứu về cấu trúc lai hóa sp² của các nguyên tử carbon trong vật liệu, việc bổ sung Ag vào vật liệu ATG đã không làm thay đổi vị trí của các đỉnh D và G, nhưng lại dẫn đến sự gia tăng cường độ của các đỉnh này do hiện tượng tán xạ Raman Phổ Raman của vật liệu ATG cho thấy sự xuất hiện của đỉnh dao động tại 164 cm⁻¹, tương ứng với dao động của TiO₂ dạng anatase Mặc dù có khuyết tật trong cấu trúc của vật liệu, nhưng tỷ lệ ID/IG cho thấy rằng khi tỷ lệ ID/IG tăng, mức độ khuyết tật trong vật liệu cũng tăng theo Kết quả cho thấy mức độ khuyết tật của vật liệu tăng lên khi nồng độ Ag được thêm vào, điều này được giải thích là do sự thay thế của Ag vào vùng lai hóa sp³, làm gia tăng mức độ khuyết tật bên trong vật liệu GA.
Hình 3.3: Ph Raman c a các v t li u ATG
Năng lượng vùng cấm của các vật liệu được thể hiện trong hình 3.4 Năng lượng vùng cấm của vật liệu ATG đạt khoảng 3,2 eV (TiO2) [50] Sự kết hợp của TiO2 với các tấm Graphene giúp thu hút năng lượng vùng cấm của TiO2, và khi có mặt của
Ag giúp hình thành m c n ng l ng m i làm gi m n ng l ng vùng c m c a v t li u
[51] N ng l ng vùng c m c a ATG25 và ATG50 gi m xu ng l n l t là 2,99 và 2,69 eV Theo nghiên c u c a J Moma (2019) và N.H.M Idris (2021) cho r ng
Vật liệu quang phân hủy có năng lượng vùng cận 3,0 eV cho khả năng hấp thụ ánh sáng tốt Sự tăng cường nồng độ Ag dẫn đến sự giảm năng lượng vùng cận do sự hình thành của Ag trên các tấm rGO Tuy nhiên, khi nồng độ Ag tăng lên đến ATG75 và ATG100, năng lượng vùng cận tăng lên 2,95 và 3,04 eV Sự thay đổi này xảy ra do hiện tượng plasmon bề mặt của Ag, đồng thời kích thước tinh thể của TiO2 cũng thay đổi khi pha trộn Ag, góp phần nâng cao hiệu quả hấp thụ năng lượng ánh sáng và hiệu suất quang phân hủy của vật liệu.
Hình 3.4 mô tả quá trình xác định nhiệt độ của vật liệu ATG trong công tác TGA, với kết quả thể hiện ở hình 3.5 Ở giai đoạn đầu tiên tại 60 °C, khối lượng của hai vật liệu giảm do sự bay hơi của nước và các hợp chất hữu cơ trên bề mặt vật liệu, giảm 5,26% khối lượng Đối với ATG0, giai đoạn thứ hai (200 – 680 °C) cho thấy khối lượng giảm 55,09% do sự phân hủy của nhóm chức chứa oxy trên các lớp rGO và nguyên tử C Khối lượng còn lại là 48% ATG0 Trong khi đó, giai đoạn phân hủy nhiệt thứ hai của ATG50 trong khoảng 200 – 510 °C liên quan đến sự phân hủy các nhóm chức oxy trên các lớp rGO, với 32% khối lượng còn lại có thể là Ag và TiO2.
Hình 3.5 thể hiện ng cong TGA của vật liệu ATG0 và ATG50, trong khi hình 3.6(a,b) cho thấy sự xuất hiện của các hạt nano phân bố đồng đều trên các lớp màng rGO Hình 3.6(b) xác định khoảng cách giữa các mặt tinh thể là 0,347 nm tương ứng với mặt tinh thể.
(101), đ c tr ng cho c u trúc anatase c a TiO2 H n n a, k t qu cho th y s hi n di n c a m t tinh th (101), (002) l n l t c a Ag và rGO K t qu này cho th y s t ng đ ng v i k t qu phân tích b ng gi n đ XRD
Hình 3.6 trình bày hình ảnh TEM của vật liệu TrG và ATG50, trong khi hình 3.7 thể hiện hình ảnh SEM của TrG, ATG0 và ATG50 Hình SEM của vật liệu TrG cho thấy sự xuất hiện của các lớp mỏng, với nhiều nếp gấp do sự sắp xếp chồng chéo và kết tụ của các lớp rGO (hình 3.7a) Hình SEM của vật liệu ATG (hình 3.7b,c) thể hiện cấu trúc xếp chồng của vật liệu được hình thành bởi liên kết của các lớp rGO Bên cạnh đó, các lớp rGO kết dính và sắp xếp nhờ vào liên kết hydro, tạo ra tương tác giữa các nhóm.
47 a n c và vùng C-sp 2 trong v t li u cacbon; c u n i c a GA và ch t liên k t ngang nh SEM cho th y ATG50 có c u trúc thô ráp h n ATG0, đi u này có th do pha t p
Ag đư lƠm gi m c u trúc đ c tr ng mn và nhi u n p g p c a GO trong khi có Ag t o đi u ki n cho vi c hình thành c u trúc x p c a v t li u K t qu EDS th hi n hình 3.8 cho th y các h t nano đ c phân b đ ng đ u trên GA, cho thấy t ng h p thành công v t li u ATG Đối v i ATG0, quá trình t ng h p ATG0 b ng ph ng pháp th y nhi t, TiO2 hình thành đ ng nh t trong c u trúc 3D GA.
Ag có s t ng tác c nh tranh cao v i TiO2, d n đ n k t t các h t Ag có th lƠ do t ng tác Van der Waals và l c liên phân t nh th hi n hình 3.7(d)
Kết quả phân tích SEM của vật liệu (a) TrG, (b) ATG0 và (c, d) ATG50 cho thấy sự phân bố đồng đều của các nguyên tố trên bề mặt vật liệu Đặc biệt, hình 3.8(a-e) minh họa rõ sự phân bố của các nguyên tố C, O, Ti và Ag trên bề mặt ATG50 Thành phần chính của ATG0 bao gồm C, O và Ti, trong khi ATG50 bao gồm các nguyên tố C, O, Ti và Ag, với hàm lượng bạc chiếm 4,58% khối lượng, xác nhận sự hiện diện của nano bạc trên bề mặt vật liệu.
Ag trong c u trúc v t li u Ngoài ra, k t qu còn cho th y v t li u ATG đ c t ng h p b ng ph ng pháp đ ng k t t a giúp các h t nano phơn tán đ ng đ u trên ch t n n GA
B ng 3.1: Thành ph n kh i l ng c a các nguyên t trong v t li u ATG
Hình 3.8: (a-e) nh tán x n ng l ng tia X c a ATG50 và (f) ph EDS c a ATG0 và ATG50
Diện tích bề mặt riêng của ATG50 được xác định thông qua hợp phức N2 là 68,75 m²/g Trong khi đó, diện tích bề mặt riêng (specific surface area - SSA) của ATG50 được tính toán thông qua hợp phức CV đạt 303,70 m²/g, theo quy trình thực hiện trong (3.1).
SSA N Sn (3.1) trong đó: SSA là di n tích b m t riêng c a ATG50 (m 2 /g), Na là s Avogadro (mol 1 ),
S là b m t phân t c a CV (m 2 ) và n là s mol c a đ n l p đ c h p ph CV trên
S khác bi t l n gi a k t qu di n tích b m t riêng thông qua h p ph N2 và h p ph
CV có thể thay đổi do áp suất, sự dịch chuyển và thành phần khí trong các mẫu trong quá trình phân tích BET Hiện nay, kích thước lỗ nano và tương tác giữa các hạt nano với khí trơ (N2) có thể là nguyên nhân gây ra diện tích bề mặt riêng của ATG50 được đo.
nhăh ngăl ng AgNO 3 đ n hi u su t quang phân h y CV c a v t li u ATG
Vật liệu ATG được kết hợp với AgNO3 ở các nồng độ 0, 25, 50, 75 và 100 mg, được ký hiệu lần lượt là ATG0, ATG25, ATG50, ATG75 và ATG100 Các vật liệu đối chứng bao gồm TiO2, TrG và GA đã được thử nghiệm quang phân hủy với nồng độ 20 mg/L trong thời gian 120 phút để xác định nồng độ AgNO3 phù hợp.
Hình 3.10: Hi u su t h p ph và quang phân h y c a các v t li u
Th tích (cm 3 /g) Áp su t riêng ph n (P/P o )
TiO2 TrG GA ATG0 ATG25 ATG50 ATG75 ATG100 0
Hình 3.10 cho thấy hiệu suất quang phân hủy CV của ATG cao hơn so với vật liệu thành phần GA và TiO2 Hiệu suất quang phân hủy CV của ATG cũng cao hơn so với TrG, nhờ vào cấu trúc xếp chồng của vật liệu ATG tạo diện tích bề mặt tiếp xúc lớn và hiệu quả hấp thụ photon ánh sáng Tuy nhiên, khi tăng AgNO3, hiệu suất hấp phụ của ATG giảm, trong khi hiệu suất quang phân hủy tăng từ ATG0 đến ATG50 đạt mức cao nhất (97,82%) và giảm dần khi tăng thêm AgNO3 Sự gia tăng nồng độ Ag dẫn đến việc hình thành các liên kết với các tâm rGO, làm giảm các tâm hấp phụ của rGO Điều này giúp tăng khả năng quang phân hủy của vật liệu ATG Ngoài ra, GA còn đóng vai trò là chất dẫn truyền điện, giúp hạn chế sự tái hợp của các electron và h+, nhờ vào liên kết π−π được hình thành từ các carbon lai hóa sp2 Khi nồng độ Ag tăng quá nhiều, các vùng lai hóa sp2 giảm do tạo liên kết với TiO2, dẫn đến khả năng dẫn truyền điện giảm, làm giảm hiệu suất quang phân hủy Thêm vào đó, quá trình hấp phụ góp phần tăng số lượng tiếp xúc của vật liệu và chất ô nhiễm, nâng cao hiệu suất quang phân hủy Vì vậy, vật liệu ATG50 tương ứng với 50 mg AgNO3 có hiệu suất quang phân hủy CV cao nhất; điều này cần được kiểm tra qua các thí nghiệm khảo sát ảnh hưởng của các yếu tố pH, nồng độ CV, lượng vật liệu, thời gian hấp phụ và thời gian quang phân hủy CV.
nhăh ng các y u t đ n hi u su t quang phân h y CV c a v t li u ATG50
nh h ng t ng y u t
Nghiên cứu này tập trung vào các yếu tố ảnh hưởng đến pH, nồng độ CV, lượng vật liệu, thời gian hấp phụ và thời gian quang phân hủy, được khảo sát bằng phương pháp quy hoạch thực nghiệm Các thí nghiệm được thiết kế theo mô hình Plackett-Burman, và kết quả thu được thể hiện trong bảng 3.2.
B ng 3.2: K t qu nh h ng t ng y u t theo mô hình Plackett-Burman
Th i gian quang phân h y (phút)
Th i gian quang phân h y (phút)
Kết quả phân tích ANOVA cho thấy giá trị F của mô hình là 115,38, chứng tỏ mô hình có ý nghĩa thống kê với p-value là 0,0001, cho thấy chỉ có 0,01% khả năng giá trị F lớn như vậy xảy ra do ngẫu nhiên Điều này khẳng định tính đáng tin cậy của mô hình đã được chọn Giá trị p nhỏ hơn 0,05 chỉ ra rằng các yếu tố khảo sát trong mô hình đều có ý nghĩa Các yếu tố như pH, nồng độ CV, lượng vật liệu, thời gian hấp phụ và thời gian quang phân hủy đều ảnh hưởng đến hiệu suất quang phân hủy CV của vật liệu Tuy nhiên, mức độ ảnh hưởng của các yếu tố này không giống nhau.
B ng 3.3: K t qu phân tích ANOVA
Giới thiệu về Giản đồ Pareto, công cụ này được sử dụng để đánh giá mức độ ảnh hưởng của các yếu tố đến hiệu suất quang phân hủy của vật liệu, như thể hiện trong hình 3.11 Biểu đồ so sánh giá trị tác động của các yếu tố với các giá trị giới hạn Bonferroni (4,40466) và giới hạn tối thiểu (2,4491) Các yếu tố có giá trị tác động lớn hơn giới hạn Bonferroni cho thấy ảnh hưởng đáng kể, trong khi các yếu tố có giá trị tác động nhỏ hơn giới hạn tối thiểu không có ý nghĩa Giản đồ Pareto chỉ ra rằng yếu tố nồng độ CV có mức độ ảnh hưởng cao nhất, tiếp theo là loại vật liệu và pH Cả ba yếu tố này đều có ảnh hưởng đáng kể đến hiệu suất.
Hình 3.11: Gi n đ Pareto c a các y u t đ c kh o sát Các y u t kh o sát có m c đ nh h ng khác nhau đ n hi u su t quang phân h y
CV th hi n thông qua h s nh h ng b ng 3.4 K t qu phân tích h s nh h ng cho th y ba y u t nh h ng nhi u nh t đ n hi u su t quang phân h y c a v t li u
ATG50 bao g m pH, n ng đ CV, và l ng v t li u v i các h s nh h ng l n l t là 5,04; 11,47; và 10,73
L ng v t li u pH Th i gian h p ph Th i gian quang phơn h y 0
Y u t t gi i h n (2,4491)Giá tr gi i h n Bonferroni (4,40466)
B ng 3.4: H s nh h ng c a các y u t kh o sát
Y u t nhăh ng năv Ký hi u
Th i gian quang phân h y phút X5 40 80 2,64
B ng 3.5 th hi n các giá tr c a h s t ng quan Trong đó, h s t ng quan
Giá trị R² = 0,9897 cho thấy 98,97% sự thay đổi hiệu suất quang phân hủy là do ảnh hưởng của các yếu tố, trong khi chỉ có 1,03% sự thay đổi là do các yếu tố không xác định Giá trị R² dự đoán là 0,9588, gần với giá trị R² hiệu chỉnh 0,9811, cho thấy mô hình có khả năng dự đoán tốt Hệ số biến thiên C.V % được tính dựa trên sai số chuẩn (Std Dev.) của dữ liệu với giá trị trung bình trong mô hình là 4,39, thấp hơn 5%, cho thấy các thí nghiệm được thực hiện chính xác và đáng tin cậy Mô hình đạt độ chính xác 46,85 lần, cao hơn nhiều so với 4, cho thấy khả năng dự đoán các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất quang phân hủy của vật liệu là rất tốt.
B ng 3.5: Các giá tr h s t ng quan l ch chu n 2,41 R 2 0,9897
Giá tr trung bình 54,86 R 2 hi u ch nh 0,9811
H s bi n thiên C.V % 4,39 R 2 d đoán 0,9588 chính xác phù h p 46,85
nh h ng đ ng th i
Theo kết quả khảo sát ảnh hưởng từ các yếu tố, ba yếu tố chính ảnh hưởng đến hiệu suất quang phân hủy của vật liệu ATG50 là pH, nồng độ CV và khối lượng vật liệu Tiến hành quy hoạch thực nghiệm với ba yếu tố này nhằm khảo sát ảnh hưởng đồng thời đến hiệu suất quang phân hủy của vật liệu Các yếu tố thời gian hấp phụ và thời gian quang phân hủy ảnh hưởng ít hơn, do đó được đánh giá trong khoảng thời gian 60 phút Kết quả thực nghiệm và dự đoán của mô hình Box-Behnken được thể hiện bằng 3.6.
B ng 3.6: K t qu quy ho ch th c nghi m theo mô hình Box-Behnken
Kết quả phân tích phương sai ANOVA trong phần mềm Design Expert v.11.0 cho thấy mô hình thu được có ý nghĩa thống kê cao với giá trị F là 186,20 và p-value < 0,0001, cho thấy có dưới 0,01% khả năng giá trị F của mô hình lớn như vậy xảy ra do ngẫu nhiên Bên cạnh đó, giá trị F của sự không tương thích (lack of fit) là 6,45 với p-value là 0,0517, cho thấy có 5,17% khả năng sự không tương thích xảy ra do ngẫu nhiên, từ đó có thể kết luận rằng sự không tương thích không có ý nghĩa thống kê Kết quả này củng cố sự tương thích cao giữa mô hình hồi quy và dữ liệu thực nghiệm.
B ng 3.7: K t qu phơn tích ph ng sai ANOVA
B c t do Giá tr F tin c y p Ghi chú
S không t ng thích 0,0013 3 6,45 0,0517 Không có Ủ ngh a
Phân tích hồi quy đa biến giúp xác định các điều kiện ảnh hưởng đến quá trình quang phân hủy của CV và khảo sát mối quan hệ giữa các biến Mô hình hồi quy đa biến được xây dựng dựa trên phương trình (3.2).
+7,33X 2 X 3 18,14X 1 2 7,85X 2 2 9,91X 3 2 (3.2) trong đó: Y lƠ hi u su t quang phân h y CV (%); X1, X2, và X3 l n l t là pH, n ng đ
CV (mg/L), vƠ l ng v t li u (mg)
Phương trình hồi quy cho thấy hai yếu tố pH và nồng độ vật liệu ảnh hưởng đến hiệu suất quang phân hủy Khi pH và nồng độ vật liệu tăng, hiệu suất tăng; ngược lại, khi nồng độ CV tăng, hiệu suất giảm Bên cạnh đó, các hệ số X1², X2², và X3² của phương trình hồi quy đều âm, cho thấy nếu tăng giá trị của các yếu tố này thì hiệu suất quang phân hủy giảm.
Giá tr c a các h s t ng quannh th hi n b ng 3.8 H s R 2 = 0,9958 > 0,75 cho th y hi u su t thu đ c t mô hình phù h p v i th c nghi m H n n a, h s
Giá trị R² dự đoán là 0,9437 và R² điều chỉnh là 0,9905 (R² điều chỉnh – R² dự đoán < 0,2), cho thấy mối quan hệ cao giữa dữ liệu thực nghiệm và dữ liệu tính toán từ mô hình hồi quy Hệ số biến thiên C.V.% là 1,87%, chứng minh rằng các thí nghiệm được thực hiện chính xác và có độ lặp lại cao Hơn nữa, mô hình có độ chính xác phù hợp cao là 40,0148, chứng minh rằng mô hình có độ chính xác cao trong việc dự đoán hiệu suất quang phân hủy CV của ATG50.
B ng 3.8: Các giá tr c a h s t ng quan l ch chu n 1,53 R² 0,9958
Giáătr ătrungăbìnhă(SD) 81,77 R² hi u ch nh 0,9905
Hình 3.12 trình bày tổng quan về hiệu suất quang phân hủy CV của ATG50, được xác định từ thực nghiệm và kết quả tính toán từ phương trình hồi quy Các điểm dữ liệu nằm gần đường thẳng cho thấy sự chênh lệch giá trị giữa thực nghiệm và dự đoán của mô hình là không đáng kể Kết quả cho thấy sự phù hợp giữa kết quả thực nghiệm và tính toán.
Hình 3.12: Hi u su t quang phân h y CV t th c nghi m vƠ ph ng trình h i quy
57 nh h ng đ ng th i c a pH và n ng đ CV đ c th hi n trong hình 3.13
Hi u su t quang phân h y CV đ t cao nh t khi n ng đ CV là 10 mg/L pH 7
Hiệu suất quang phân hủy của ATG50 giảm khi pH của dung dịch tăng Điều này có thể được giải thích bởi pH cao, khiến cho CV được trung hòa thành bazơ liên hợp, tạo ra các phản ứng không hiệu quả giữa thuốc nhuộm và bầm tắc của ATG50 tại các vị trí hoạt động Đồng thời, sự gia tăng nồng độ CV cũng làm giảm hiệu suất quang phân hủy của ATG50 do ảnh hưởng của ánh sáng truyền qua dung dịch.
Hình 3.13 thể hiện mối quan hệ giữa pH và nồng độ CV trong quá trình phân hủy quang học Khi pH đạt 5 với nồng độ 10 mg vật liệu, hiệu suất quang phân hủy rất cao Tuy nhiên, khi tăng dần đến pH 7 với 40 mg vật liệu, hiệu suất bắt đầu giảm Đặc biệt, hiệu suất quang phân hủy có xu hướng giảm khi pH tiếp tục tăng đến 9 và nồng độ 50 mg vật liệu Điều này có thể giải thích rằng các phân tử CV bị che chắn ở những vị trí hoạt động trên bề mặt ATG50, dẫn đến việc giảm tương tác photon ánh sáng với vật liệu.
Hình 3.14: nh h ng c a pH vƠ l ng v t li u nh h ng đ ng th i c a n ng đ CV vƠ l ng v t li u đ c th hi n hình 3.15
Khi pH đạt 7, hiệu suất quang phân hủy tăng theo nồng độ vật liệu và giảm khi nồng độ đạt đến giới hạn Nguyên nhân là do sự tương tác của ATG50 với CV được nâng lên Tuy nhiên, khi nồng độ vật liệu vượt quá giá trị tối ưu, màu sắc của dung dịch tăng lên, làm giảm độ truyền của ánh sáng, dẫn đến giảm hiệu suất quang phân hủy của vật liệu.
Hình 3.15: nh h ng c a n ng đ CV vƠ l ng v t li u
Sau khi ti n hành thi t k thí nghi m đư thu đ c các thông s t i u Mô hình cho th y các đi u ki n t i u cho quá trình quang phân h y c a CV pH 6,5, n ng đ
CV là 25 mg/L và 29 mg l ng v t li u Các đi u ki n quang phân h y đ c ki m tra b ng cách so sánh k t qu phân tích thí nghi m v i các giá tr d đoán c a mô hình
Giá tr sai s gi a thí nghi m th c nghi m và thí nghi m d đoán nh h n 5 % cho th y đ tin c y c a mô hình h i quy thu đ c K t qu đ c th hi n trong b ng 3.9
B ng 3.9: K t qu đ i ch ng hi u su t quang phân h y CV pH N ngăđ CV
Hi u su t quang phân h y c a v t li u ATG50 đ i v i ch t màu cation (MB) và anion (IC) đ c th hi n hình 3.16
Hình 3.16: (a) Hi u su t h p ph và quang phân h y và ph UV-Vis sau 120 phút h p ph và quang phân h y (b) CV, (c) MB, và (c) IC c a ATG50
Hiệu suất hợp phần của ATG50 lần lượt là 88,09% cho CV, 72,98% cho MB, và 7,64% cho IC Hiệu suất hợp phần của ATG50 đối với IC ổn định nhờ cấu trúc đa vòng của IC, cho phép tính toán diện tích điện tích của vật liệu và các phân tử IC mang điện tích âm Trong khi đó, hiệu suất quang phân hủy của ATG50 đối với CV, MB và IC đạt 99,95%, 98,11% và 53,22% trong cùng điều kiện Hợp chất có cấu trúc nhiều vòng có thể liên quan đến sự phân cắt vòng benzen, dẫn đến việc tạo ra hợp chất này thấp Hiệu suất quang phân hủy chất màu của ATG50 được so sánh với các vật liệu khác trong bảng 3.10.
B ng 3.10: Hi u su t vƠ đi u ki n quang phân h y ch t màu c a các v t li u
STT V t li u Ph ngăphápă t ng h p i u ki n quang phân h y
Ph ng pháp đ ng k t t a t ti n ch t GO, TIP, và AgNO3 pH 6,5; 25 mg v t li u; 100 mL ch t màu
Ph ng pháp th y nhi t t ti n ch t GO và TIP
20 mg v t li u; 100 mL CV (20 mg/L),
20 mg v t li u; 100 mL MB (20 mg/L),
Ph ng pháp th y nhi t t ti n ch t GO và TiO2
0,2 g/L v t li u, 100 mL MB 20 mg/L, 60 phút, ánh sáng UV
Ph ng pháp ph i tr n huy n phù pH 7, 10 mg v t li u,
60 phút, 20 mL CV 20 mg/L, ánh sáng UV
5 TiO2-AC Ph ng pháp sol-gel
CV 10 mg/L, 120 phút, ánh sáng UV
STT V t li u Ph ngăphápă t ng h p i u ki n quang phân h y
6 ZnO-GO Ph ng pháp hóa h c t ZnO và GO 80 phút, ánh sáng UV 95,00 [65]
Ph ng pháp siêu ơm
50 mg/L, 20 phút, ánh sáng UV
Nghiên cứu về vật liệu composite cho thấy việc sử dụng graphene oxide (GO) có thể cải thiện việc phân bố các hạt nano trên bề mặt vật liệu, từ đó hạn chế kích thước của các hạt nano và tăng cường hiệu suất hấp thu ánh sáng và quang phân hủy chất màu Qua quá trình khử, GO chuyển thành rGO nhưng vẫn giữ lại một số nhóm chức chứa oxy Các tấm rGO có thể tự tổ thành cấu trúc 3D với graphene aerogel (GA), giúp các hạt nano hình thành với kích thước đồng đều và tối ưu hóa khả năng hấp thụ ánh sáng tại các vị trí hoạt động của vật liệu.
H n n a, phương pháp phát tán có thể giúp tăng hiểu suất quang phân hủy của vật liệu do tạo nên mạch ngắn liên kết với vùng cảm ứng của vật liệu Vì vậy, khi so sánh kết quả của luận văn này với các nghiên cứu trước đây, cho thấy điều kiện tăng hợp và quang phân hủy có thể giúp cải thiện hiểu suất quang phân hủy của vật liệu.
Hi u su t thu h i và tái s d ng c a v t li u ATG50
Việc sử dụng và tái sử dụng vật liệu được khảo sát nhằm xác định khả năng duy trì tính nhất quán của vật liệu trong thực tế Kết quả khảo sát quang phân hủy và thu hồi vật liệu cho thấy khối lượng vật liệu thu hồi giảm mạnh sau mỗi chu kỳ, cho thấy hiệu suất thu hồi đạt hiệu quả cao.
Hiệu suất tái sử dụng của vật liệu quang phân hủy đạt 92,24% sau một năm Công nghệ ATG50 giúp cải thiện hiệu suất này một cách đáng kể sau chu kỳ thu hồi và tái sử dụng liên tiếp Đặc biệt, hiệu suất của vật liệu quang phân hủy được duy trì ổn định trong khoảng từ 99,95% đến 97,88% Điều này cho thấy vật liệu có khả năng tái sử dụng cao và tiềm năng ứng dụng trong xử lý ô nhiễm chất thải.
Hình 3.17: Hi u su t quang phân h y và thu h i v t li u
Nồng độ Ag+ và Ti4+ giải phóng có ảnh hưởng đến khả năng hấp thụ photon ánh sáng của vật liệu Các ion Ag+ và Ti4+ đã được nghiên cứu trong năm chu kỳ tái sử dụng Kết quả cho thấy không phát hiện Ti4+ trong dung dịch do liên kết TiO trong TiO2 của vật liệu bền và nồng độ Ag+ không thay đổi đáng kể Nồng độ Ag+ giải phóng vào dung dịch đạt 24,3 µg/L sau năm chu kỳ Nồng độ ion thu được phù hợp với nghiên cứu của T Peng (2022) về ô nhiễm tại đa theo quy định về chất lượng môi trường Nồng độ Ag+ giải phóng càng cao cho thấy càng nhiều Ag+ trở về trạng thái ban đầu dẫn đến hiệu suất quang phân hủy của vật liệu không thay đổi nhiều qua các chu kỳ tái sử dụng.
Hình 3.18: L ng Ag + gi i phóng ra dung d ch c a v t li u ATG50 sau n m chu k quang phân h y
Hiu sut quang phơn hy (%)
Hiu sut thu hi vt liu (%)
H n n a, đ xác nh n đ n đ nh c a v t li u, phân tích XRD và EDS cho thấy kết quả kiểm tra l i sau n m l n tái s d ng v n đ c duy trì tốt, minh chứng cho tính th và hình thái c a Ag, TiO2, và rGO Điều này cho thấy v t li u có kh n ng tái s d ng vƠ đ n đ nh sau n m chu k s d ng.
Hình 3.19 cho thấy kết quả phân tích XRD (hình 3.19(a)) và EDS (hình 3.19(b)) của vật liệu ATG50 trước và sau quá trình nén nóng, kết hợp với hình ảnh SEM (hình 3.20) Kết quả cho thấy rằng vật liệu và thành phần nguyên tử vẫn duy trì ổn định sau quá trình nén nóng Từ các kết quả này, có thể khẳng định rằng vật liệu có khả năng duy trì hiệu quả quang phân hủy, cấu trúc và hình thái sau khi nén nóng tái sử dụng.
Hình 3.20: nh SEM (a) tr c và (b) sau n m l n tái s d ng v t li u ATG50
Quá trình quang phân hủy chất liệu ATG50 được xác định bởi ba chất xúc tác chính: BQ, EDTA-2Na và IPA Những chất này đóng vai trò quan trọng trong việc thúc đẩy quá trình quang phân hủy, giúp nâng cao hiệu quả xử lý chất liệu.
Quá trình quang phân hủy diễn ra với sự tham gia của các gốc tự do như •O2, h+, và •OH, như thể hiện trong hình 3.21 Hiệu suất quang phân hủy của vật liệu khi không có chất bổ sung đạt 98,37% Tuy nhiên, hiệu suất này giảm đáng kể khi có mặt của chất bổ sung Đặc biệt, sự có mặt của BQ và EDTA-2Na làm giảm hiệu suất quang phân hủy, trong khi IPA chỉ làm giảm nhẹ Kết quả cho thấy rằng các gốc tự do •O2 và h+ là những yếu tố quan trọng, đóng vai trò chủ chốt trong quá trình quang phân hủy.
Hình 3.21: nh h ng c a các g c t do đ n hi u su t quang phân h y CV c a v t li u ATG50
Quá trình hấp phụ của cation CV trên vật liệu ATG50 diễn ra trong môi trường pH trung tính, dẫn đến sự phân ly của cation thành C25H30N3+ và Cl Vật liệu ATG có cấu trúc xếp lớp với diện tích bề mặt lớn, chứa các nhóm chức chứa oxy, giúp tăng cường khả năng hấp phụ cation CV thông qua tương tác tĩnh điện Ngoài ra, quá trình hấp phụ còn chịu ảnh hưởng bởi các lực tương tác như lực Van der Waals, tương tác cho nhận electron và tương tác hydro Các nhóm amin của cation CV có khả năng tương tác mạnh mẽ với bề mặt vật liệu nhờ vào các lực tương tác hydro, tạo nên sự hấp phụ hiệu quả.
D i s chi u x c a ánh sáng UV, các electron (e ) chuy n t vùng hóa tr c a TiO2 sang vùng d n đ l i l tr ng trên vùng hóa tr (h + ) (ph ng trình (3.3)) Vi c b sung
Ag d n đ n s hình thành m c n ng l ng vùng d n m i, làm gi m n ng l ng
Ag đóng vai trò quan trọng trong việc thu nhận electron, giúp giảm sự tái hợp của các electron và lỗ hổng, đồng thời tạo ra bột TiO2 Sự tương tác giữa các hạt nano Ag và GA cho phép một phần electron chuyển giao từ các hạt Ag qua bề mặt GA, nhờ vào vùng hoạt động của rGO có năng lượng 4,8 eV.
Ag có năng lượng ban đầu là 4,2 eV, cho phép nó nhanh chóng chuyển đổi các điện tử và phân tách các cặp điện tích, đồng thời hạn chế sự tái hợp của electron và lỗ hổng Quá trình này nâng cao hiệu quả quang phân hủy của vật liệu Các electron khử O2 hòa tan trong nước tạo ra gốc tự do •O2, tiếp tục phản ứng với các phân tử nước để sinh ra gốc hydroperoxy (•OOH) và OH, dẫn đến việc tạo ra chất oxy hóa mạnh H2O2 Đồng thời, lỗ hổng (h+) phản ứng với nước tạo ra các gốc tự do •OH Các gốc tự do •OH này phá hủy các nhóm mang màu dimetylamin của chất nhuộm CV, sau đó trải qua quá trình phân hủy và oxy hóa khác nhau trên bề mặt hợp chất Cuối cùng, các gốc tự do tiếp tục phá hủy vòng benzen và chuỗi cacbon, hình thành các hợp chất CO2, H2O, cùng với các ion vô cơ như Cl và NO3.
Hình 3.22: C ch quang phân h y CV c a v t li u ATG50
TiO2 + hv TiO2(e ứ + h + ) (3.3) TiO2(e ứ + h + ) + Ag 0 TiO2(e ứ ) + Ag + (3.4)
TiO2(e ứ + h + ) + Ag + TiO2(h + ) + Ag 0 (3.5) TiO2(e ứ + h + ) + Ag TiO2(h + ) + Ag(e ứ ) (3.6)
•OH + •O2 ứ + CV CO2 + H2O + Cl ứ + NO3 ứ (3.15)
Titan dioxit pha t p b c trên cơ sở graphene aerogel (Ag-TiO2/GA – ATG) đã được tổng hợp thành công bằng phương pháp đồng kết tủa Kết quả phân tích cho thấy các hạt Ag và TiO2 phân bố đồng đều trên GA Giá trị năng lượng vùng cấm của các vật liệu ATG (2,69 – 3,18 eV) thấp hơn TiO2 (3,2 eV), cho thấy vật liệu này có khả năng hấp thu photon ánh sáng tốt hơn, từ đó nâng cao hiệu suất quang phân hủy ATG có diện tích bề mặt riêng lớn nhờ khả năng hấp phụ của crystal violet (CV) lên đến 303,70 m²/g, đóng vai trò quan trọng trong quá trình hấp phụ và quang phân hủy CV.
Thông qua hi u su t quang phân h y CV xác đ nh đ c v t li u có l ng AgNO3 là
Sản phẩm ATG50 với liều 50 mg đạt hiệu suất quang phân hủy cao nhất là 97,82% Qua mô hình Plackett-Burman, ba yếu tố ảnh hưởng chính đến hiệu suất quang phân hủy của vật liệu ATG50 đã được xác định, bao gồm pH, nồng độ CV và khối lượng vật liệu.
Khảo sát ảnh hưởng của thời gian đến hiệu suất quang phân hủy CV bằng phương pháp bậc đáp ứng, thiết kế thí nghiệm theo mô hình Box-Behnken cho thấy điều kiện quang phân hủy CV tối ưu tại pH 6,5, nồng độ CV 25 mg/L và thể tích vật liệu nhất định.
29 mg cho hi u su t quang phân h y CV đ t 99,95 % t ng đ ng v i giá tr mô hình là 99,90 % không sai l ch không v t quá 5 % so v i d đoán c a mô hình
Với hiệu suất quang phân hủy MB và IC lần lượt đạt 98,11% và 53,22%, vật liệu ATG50 cho thấy khả năng tiềm năng trong lĩnh vực xử lý ô nhiễm chất màu hữu cơ.
Sau một năm sử dụng, hiệu suất thu hồi vật liệu ATG50 đạt 92,24% và hiệu suất quang phân hủy CV đạt 97,88% Lượng Ag+ và Ti4+ sinh ra trong quá trình quang phân hủy là không đáng kể Cấu trúc và thành phần của vật liệu được kiểm tra bằng XRD và SEM-EDS sau một năm tái sử dụng cho thấy không có sự thay đổi Kết quả cho thấy vật liệu ATG50 bền và có tiềm năng tái sử dụng.
C ch quang phân h y CV c a ATG50 là do kh n ng t o thành các g c t do khi nh n chi u x ánh sáng UV G c t do tham gia vào quá trình quang phân h y CV g m
•O2 ứ, h + , và •OH Trong đó, hai g c t do •O2 ứ và h + tham gia chính trong quá trình quang phân h y CV c a v t li u ATG50
K t qu nghiên c u c a lu n v n đ c công b 03 t p chí nh trình bày b ng d i đây:
1 Dinh Ngoc Trinh, Thieu Quang Quoc Viet, Tran Huynh Nhu, Nguyen Minh Dat, Doan Ba Thinh, Nguyen Duy Hai, Le Tan Tai, Doan Thi Yen Oanh,
Vu Hoang Khoi, Hoang Minh Nam, Mai Thanh Phong, Nguyen Huu Hieu,
"Binary TiO2/reduced graphene oxide nanocomposite for improving methylene blue photodegradation," Vietnam Journal of Chemistry, vol 59, pp 395-404,
