5. Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn của đề tài
1.4 Tổng quan tình hình nghiên cứu sử dụng nanocomposite Cu/Fe3O4 trong
quang xúc tác
Trong những năm gần đây, hệ xúc tác Fenton đƣợc nghiên cứu rất mạnh và phát triển rộng hơn bằng nhiều cơng trình trên thế giới không những ở dạng tác nhân Fenton cổ điển (H2O2/Fe2+) và tác nhân Fenton biến thể (H2O2/Fe3+) mà còn sử dụng những ion kim loại chuyển tiếp và các phức chất của chúng ở trạng thái oxi hóa thấp nhƣ Cu(I), Cr(II) và Ti(III) tác dụng với H2O2 để tạo ra gốc *HO, đƣợc gọi chung là các tác nhân kiểu nhƣ Fenton ( Fenton – like Reagent) [64].
Nhờ có hoạt tính xúc tác cao và tổng hợp dễ dàng với chi phí thấp, các oxit sắt đƣợc xem là tác nhân Fenton có hiệu suất cao và đƣợc dùng khá phổ biến trong xúc tác quang hóa Fenton dị thể. Năm 2012, tác giả Chuan Wang cùng cộng sự đã tổng hợp oxit sắt nano Fe3O4 xúc tác cho Photo-Fenton để xử lý nƣớc, kết quả cho thấy khả năng xử lý tốt và cho thấy tiềm năng của oxit sắt làm xúc tác quang hóa cho q trình photo-Fenton [65]. So với các oxit sắt khác nhƣ FeO, Fe2O3, nano sắt từ Fe3O4 đƣợc chú ý hơn cả do có diện tích bề mặt lớn và trong cấu trúc tinh thể của nó có sự tồn tại của Fe(II) và Fe(III), cả hai dạng hóa trị này của sắt đều có khả năng xúc tác phân hủy H2O2 tạo gốc tự do hydroxyl. Đặc biệt, do có sở hữu từ tính nên rất dễ dàng thu hồi Fe O bằng từ trƣờng sau khi sử dụng. Nhóm nghiên cứu của Zhiqiao
He đã tổng hợp thành công nano Fe3O4 ứng dụng xử lý Reactive Blue với hiệu suất đạt 87.0% sau 120 phút phản ứng ở 35 o
C [66].
Cho đến nay, các nghiên cứu về việc sử dụng Fe3O4 cũng nhƣ các biện pháp nhằm tăng cƣờng khả năng xúc tác Fenton của nó khơng ngừng đƣợc cơng bố. Một trong những phƣơng pháp đơn giản nhƣng có hiệu quả là tích hợp Cu với Fe3O4 tạo nanocomposite Cu/Fe3O4 và cố định chúng trên các giá thể có độ xốp cao, diện tích bề mặt lớn và khả năng hấp phụ cao.
Mingyi Tang và cộng sự đã tổng hợp thành công nanocomposite Cu/Fe3O4 và ứng dụng vật liệu này để phân hủy 4-nitrophenol, methyl red, methyl orange và methyl blue. Kết quả nghiên cứu cho thấy nanocomposite Cu/Fe3O4 có khả năng phân hủy tốt các hợp chất hữu cơ, và nanocomposite Cu/Fe3O4 thể hiện tính xúc tác tốt hơn so với nano Cu và nano Fe3O4. Điều này đƣợc giải thích là do cơ chế xúc tác cộng hƣởng của Cu và Fe3O4 tạo nên [10].
Nhóm nghiên cứu của Ran Xu [67] và Monireh Atarod đã sử dụng graphene [68] và graphene oxide dạng khử (reduced graphene oxide, rGO) làm giá thể để cố định các hạt nanocomposite Cu/Fe3O4 cho xúc tác phân hủy 4-nitrophenol và Rhodamine B. Kết quả cho thấy hiệu quả xử lý của vật liệu đƣợc duy trì ổn định sau nhiều lần sử dụng. Tuy nhiên quá trình tổng hợp phức tạp, nguồn nguyên liệu đầu vào đắt tiền, khó phân tán trong nƣớc (do graphene và rGO nghèo các nhóm chức ƣa nƣớc) là hạn chế chủ yếu của các vật liệu giá đỡ trên. Trong công bố của Keyan Li và cộng sự [69] nanocomposite Cu/ Fe3O4 đƣợc tổng hợp trên giá đỡ cacbon và ứng dụng trong xúc tác quang hóa Fenton dị thể để phân hủy methylene blue. Trong đó Cu/Fe3O4/C đƣợc tổng hợp bằng phƣơng pháp thủy nhiệt từ FeCl2.4H2O, CuCl2.2H2O và axit tartaric ở 150oC trong 6 giờ, sau đó sản phẩm đƣợc lọc, rửa, sấy khô ở 80 oC trong 12 giờ và tiếp tục nhiệt phân ở nhiệt độ 350-500 oC trong 1-4 giờ. Ngoài nhƣợc điểm là quá trình tổng hợp bao gồm nhiều giai đoạn phức tạp, tốn nhiều năng lƣợng, thì cịn tồn tại một số nhƣợc điểm khác nhƣ: vật liệu thu đƣợc có
diện tích bề mặt riêng thấp (133 m2/g), thành phần hóa học của vật liệu khơng ổn định có thể xuất hiện các pha nhƣ γ-Fe2O3, α-Fe2O3 và CuO.
Nhƣ vậy, mặc dù nanocomposite Cu/Fe3O4 đƣợc nghiên cứu ứng dụng nhiều cho mục đích xúc tác xử lý các hợp chất hữu cơ, tuy nhiên cần có nhiều nghiên cứu hơn nữa để cải thiện khả năng xúc tác và nâng cao khả năng ứng dụng của vật liệu này trong thực tế.
1.5 Kết luận
Sau khi tìm hiểu về thực trạng nguồn nƣớc tại các khu vực đang bị ô nhiễm do chất thải phẩm nhuộm, việc tìm ra phƣơng pháp nhằm loại bỏ các hợp chất màu hữu cơ, ion kim loại nặng, đặc biệt là phẩm nhuộm có hoạt tính độc hại ra khỏi mơi trƣờng nƣớc có ý nghĩa vơ cùng to lớn. Những năm gần đây, xuất hiện nhiều cơng trình nghiên cứu, sử dụng các phƣơng pháp khác nhau nhằm xử lý phẩm nhuộm độc hại trong nƣớc thải. Tuy nhiên, các phƣơng pháp xử lý phẩm nhuộm truyền thống trong nƣớc thải nhƣ: Phƣơng pháp sinh học, cơ học, hóa lý,...cho thấy, các phƣơng pháp này đều không xử lý đƣợc hoặc chỉ xử lý đƣợc một phần nhỏ không triệt để các phẩm nhuộm độc hại này.
Để có thể giải quyết triệt để các loại phẩm nhuộm khó phân hủy có trong nƣớc thải thì việc nghiên cứu về tính chất của vật liệu Cu/Fe3O4 là thật sự cần thiết vì nó đƣợc ứng dụng để tổng nanocomposite Cu/Fe3O4 cố định trên carbon xốp giàu cacboxylate giúp xử lý phẩm nhuộm triệt để. Vật liệu Cu/Fe3O4 là vật liệu dễ dàng thu hồi bằng từ trƣờng, từ đó có thể tái sử dụng nhiều lần giúp tiết kiệm đƣợc chi phí, phƣơng pháp đơn giản để tổng hợp nanocomposite Cu/Fe3O4 cố định trên carbon xốp giàu cacboxylate. Cu/Fe3O4@CRC sẽ là vật liệu đa năng có thể áp dụng để xử lý nhiều loại nƣớc thải khác nhau. Có thể sử dụng nhƣ một vật liệu hấp phụ để xử lý kim loại nặng và hợp chất hữu cơ riêng biệt, hoặc có thể sử dụng để xử lý nƣớc thải chứa đồng thời kim loại nặng và chất hữu cơ. Đặc biệt, nhờ có thành phần sắt từ Fe3O4 trong vật liệu nên dễ dàng thu hồi bằng từ trƣờng, từ đó có thể giải hấp và tái sử dụng nhiều lần giúp tiết kiệm đƣợc chi phí. Đồng thời hiện nay chƣa có
cơng bố nào tổng hợp Cu/Fe3O4@CRC cho mục đích hấp phụ và xúc tác. Vì vậy, ở đề tài này tiến hành tổng hợp nanocomposite Cu/Fe3O4 cố định trên cacbon xốp giàu cacboxylate ứng dụng làm vật liệu xúc tác quang hóa Fenton xử lý phẩm nhuộm.
CHƢƠNG 2 THỰC NGHIỆM