Đề tài nghiên cứu khoa học: Nghiên cứu đánh giá hiệu quả xử lý nước thải dệt nhuộm bằng vật liệu nano titandioxit pha tạp

1<br /> MỞ ĐẦU<br /> 1. Đặt vấn đề<br /> Nước thải dệt nhuộm, đặc biệt nước thải từ một số công đoạn như<br /> nhuộm, nấu, có độ ô nhiễm rất cao (chỉ số COD và độ màu cao gấp<br /> hàng chục lần so với tiêu chuẩn thải cho phép), chứa nhiều hợp chất<br /> hữu cơ mang màu, có cấu trúc bền, khó phân hủy sinh học và có độc<br /> tính cao đối với người và động, thực vật. Vì vậy, ô nhiễm nước thải<br /> trong ngành công nghiệp dệt nhuộm là một vấn đề cần quan tâm giải<br /> quyết, nhằm bảo vệ sức khỏe cộng đồng và cải thiện môi trường sinh<br /> thái.<br /> Quang xúc tác TiO2 là công nghệ xử lý nước thải nổi bật do có ưu<br /> điểm chủ yếu là không giới hạn về chuyển khối, vận hành ở nhiệt độ<br /> thường., xúc tác có giá thành không cao, sẵn có ở dạng thương mại<br /> và không độc. Để tăng cường hiệu quả quang xúc tác, cần phải mở<br /> rộng khả năng hấp thụ ánh sáng của TiO2 từ vùng UV sang vùng<br /> nhìn thấy và cải thiện sự phân tách điện tích của chất xúc tác này.<br /> Một trong các kỹ thuật biến tính TiO2 nhằm mở rộng khả năng hoạt<br /> động quang của TiO2 trong vùng khả kiến, làm giảm quá trình tái kết<br /> hợp của lỗ trống và điện tử là pha tạp các kim loại (như Cu, Co, Fe,<br /> Ni , Cr, Mn, Mo, V, Ag, Au...) vào trong cấu trúc mạng tinh thể<br /> TiO2. Bên cạnh đó, để có thể thực hiện thành công việc thương mại<br /> hóa công nghệ quang xúc tác trong lĩnh vực xử lý môi trường nói<br /> chung và xử lý nước thải dệt nhuộm nói riêng, các nhược điểm trên<br /> cần phải được khắc phục. Việc cố định bột xúc tác TiO2 lên chất nền<br /> rắn làm cho hệ thiết bị phản ứng trở nên linh hoạt hơn, tăng khả năng<br /> sử dụng xúc tác, bỏ qua quá trình phân tách lỏng-rắn, làm giảm chi<br /> phí đầu tư hệ thống xử lý.<br /> Một điều đáng chú ý là phần lớn các nghiên cứu thực hiện với nước<br /> <br /> 2<br /> thải mô phỏng theo nước thải dệt nhuộm hay dung dịch thuốc nhuộm<br /> đặc trưng nào đó và chỉ có rất ít các báo cáo nghiên cứu phân hủy<br /> nước thải dệt nhuộm thực bằng quang xúc tác.<br /> Từ những lý do trên, đề tài “Nghiên cứu đánh giá hiệu quả xử lý<br /> nước thải dệt nhuộm bằng vật liệu nano titandioxit pha tạp” được<br /> lựa chọn.<br /> 2. Mục tiêu nghiên cứu<br /> - Chế tạo vật liệu nano TiO2 có pha tạp đồng (Cu), crôm (Cr).<br /> - Đánh giá vai trò của các chất pha tạp (Cu, Cr) trong việc cải thiện<br /> hoạt tính quang xúc tác của vật liệu nano TiO2.<br /> - Cố định vật liệu nano TiO2 đã chế tạo trên các hệ nền khác nhau<br /> (thủy tinh, than hoạt tính, polyuretan).<br /> - Đánh giá hiệu quả xử lý nước thải dệt nhuộm thực bằng vật liệu đã<br /> chế tạo ở quy mô phòng thí nghiệm.<br /> 3. Đối tượng nghiên cứu của luận án<br /> Luận án tập trung vào việc nghiên cứu chế tạo vật liệu nano TiO2 có<br /> pha tạp đồng (Cu), crôm (Cr) và nghiên cứu đánh giá hiệu quả xử lý<br /> một số loại thuốc nhuộm (metyl da cam, metylen xanh) và nước thải<br /> dệt nhuộm của công ty cổ phần Dệt kim Hà Nội trên xúc tác quang<br /> hóa nano TiO2 đã chế tạo.<br /> 4. Đóng góp mới của luận án<br /> - Đã chế tạo vật liệu polyuretan có phủ TiO2 pha tạp đồng thời crôm,<br /> nitơ ở nhiệt độ thấp (100oC) và đánh giá hoạt tính quang xúc tác của<br /> vật liệu chế tạo trong phản ứng phân hủy MO, MB dưới bức xạ tử<br /> ngoại và bức xạ nhìn thấy.<br /> - Lựa chọn và thực hiện phủ TiO2 pha tạp đồng, TiO2 pha tạp crôm,<br /> nitơ lên các dạng vật liệu nền linh động (than, polyuretan), từ đó tạo<br /> cơ sở đưa ra các cấu hình thiết bị phản ứng quang xúc tác khác nhau.<br /> <br /> 3<br /> - Đã đánh giá ảnh hưởng của hàm lượng đồng pha tạp tới hiệu quả<br /> xử lý metyl da cam và metylen xanh trong các môi trường dung dịch<br /> khác nhau (axit, trung tính, kiềm). Kết quả là tiền đề quan trọng để<br /> ứng dụng xử lý nước thải dệt nhuộm bằng vật liệu quang xúc tác<br /> TiO2 do sự khác nhau về bản chất thuốc nhuộm trong các dòng thải<br /> nhuộm khác nhau.<br /> - Đã xác định được hiệu quả xử lý nước thải dệt nhuộm thực của vật<br /> liệu TiO2 pha tạp Cr, N dạng huyền phù và dạng lớp phủ trên than<br /> hoạt tính.<br /> - Đã khẳng định khoảng nhiệt độ làm việc tốt nhất của xúc tác đã chế<br /> tạo là ở nhiệt độ cao (60oC), điều này thích hợp để xử lý trực tiếp<br /> nước thải dệt nhuộm ngay sau công đoạn nhuộm.<br /> 5. Bố cục của luận án<br /> Luận án bao gồm 3 chương, 133 trang, 59 hình, 17 bảng.<br /> Chương 1. TỔNG QUAN<br /> Nội dung của phần tổng quan tập trung vào các nguồn phát sinh<br /> nước thải, đặc tính ô nhiễm và các phương pháp xử lý nước thải dệt<br /> nhuộm công nghiệp. Các phương pháp xử lý các chất hữu cơ mang<br /> màu, nước thải dệt nhuộm bằng phương pháp quang hóa sử dụng<br /> nano titandioxit đã biến tính bằng cách pha tạp các ion kim loại<br /> đồng, crom và ion phi kim nitơ; phân tích vai trò của các chất mang<br /> xúc tác quang hóa TiO2 cũng được trình bày trong luận án.<br /> Từ kết quả nghiên cứu tổng quan đi đến kết luận sau:<br /> - TiO2 là xúc tác có hoạt tính cao trong phân hủy các chất hữu cơ đặc<br /> biệt là các chất màu. Tuy nhiên để có thể ứng dụng vật liệu quang<br /> xúc tác này trong xử lý môi trường đặc biệt là xử lý nước thải thì các<br /> nhược điểm của TiO2 như độ rộng vùng cấm lớn, khó thu hồi và tái<br /> sử dụng xúc tác dạng huyền phù cần được khắc phục.<br /> <br /> 4<br /> - Trong nước và trên thế giới cũng đã có rất nhiều công trình nghiên<br /> cứu về pha tạp các ion kim loại và phi kim vào cấu trúc của TiO2<br /> nhằm mở rộng vùng hoạt tính của xúc tác này ra vùng nhìn thấy<br /> cũng như các nghiên cứu và phủ TiO2 trên các chất nền khác nhau để<br /> tăng khả năng ứng dụng của loại vật liệu này. Tuy nhiên, các nghiên<br /> cứu mới chỉ tập trung vào đối tượng là các thuốc nhuộm tinh khiết,<br /> các nghiên cứu trên đối tượng là nước thải dệt nhuộm thực còn rất<br /> hạn chế.<br /> Vì vậy, đề tài luận án “Nghiên cứu đánh giá hiệu quả xử lý nước thải<br /> dệt nhuộm bằng vật liệu nanotitandioxit pha tạp” đã được lựa chọn<br /> nghiên cứu.<br /> Chương 2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU<br /> Gồm các nội dung: Xây dựng qui trình tổng hợp vật liệu xúc tác<br /> dạng bột TiO2 pha tạp đồng và TiO2 pha tạp đồng thời crôm, nitơ;<br /> Xây dựng qui trình chế tạo vật liệu xúc tác dạng lớp phủ trên các<br /> chất mang hạt thủy tinh, than hoạt tính, polyuretan. Trong nghiên<br /> cứu đã sử dụng các phương pháp: phương pháp phổ XRD để xác<br /> định các pha, thành phần pha của các mẫu phân tích; phương pháp<br /> phổ hấp thụ tử ngoại khả kiến để xác định khả năng hấp thụ ánh sáng<br /> vùng tử ngoại và nhìn thấy; hình dạng và kích thước hạt được xác<br /> định bằng phương TEM, FESEM; phương pháp BET để xác định<br /> diện tích bề mặt của vật liệu; phương pháp phổ hồng ngoại để xác<br /> định sự có mặt của các nhóm chức; phương pháp quang điện tử tia X<br /> để xác định trạng thái kim loại. Hoạt tính quang xúc tác dưới bức xạ<br /> tử ngoại và bức xạ nhìn thấy của các vật liệu đã tổng hợp được xác<br /> định khi phân hủy các thuốc nhuộm metyl da cam và metylen xanh.<br /> Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả xử lý nước thải dệt nhuộm thực<br /> được nghiên cứu như nồng độ nước thải ban đầu, hàm lượng xúc tác,<br /> <br /> 5<br /> pH, nhiệt độ phản ứng.<br /> Chương 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN<br /> 3.1. Đặc trưng cấu trúc tinh thể của vật liệu xúc tác<br /> 3.1.1.Vật liệu xúc tác dạng bột<br /> 3.1.1.1. Vật liệu TiO2 pha tạp đồng<br /> a) Kết quả nhiễu xạ tia X (XRD)<br /> Giản đồ XRD của các mẫu TiO2 pha tạp đồng với hàm lượng đồng<br /> lần lượt 0; 0,05; 0,15; 0,25; 0,50 và 2,50% cho thấy các pic đặc trưng<br /> của pha tinh thể anatas tại các góc nhiễu xạ 2θ = 25,3o; 37,8o; 47,7o;<br /> 54o; 62,4o. So sánh với mẫu xúc tác TiO2 không pha tạp đồng (hàm<br /> lượng đồng pha tạp 0%), nhận thấy cường độ pic của các mẫu pha<br /> tạp đồng thấp hơn và độ rộng bán phổ của các đỉnh nhiễu xạ lớn hơn<br /> nghĩa là các tinh thể nhận được có kích thước nhỏ và độ tinh thể thấp<br /> hơn.<br /> <br /> Hình 3.1. Giản đồ nhiễu xạ tia X<br /> <br /> Hình 3.2. Phổ hấp thụ tử ngoại<br /> <br /> của vật liệu TiO2 pha tạp đồng<br /> <br /> khả kiến của vật liệu TiO2 pha<br /> tạp đồng<br /> <br /> b) Kết quả phổ hấp thụ tử ngoại và khả kiến (UV-Vis)<br /> Phổ UV-Vis rắn của các mẫu xúc tác được chỉ ra trên hình 3.2. Sự<br /> pha tạp bề mặt của TiO2 với các kim loại ảnh hưởng đến tính chất<br /> <br />