LỜI CẢM ƠN
Trong thời gian qua, để hoàn thành đƣợc khóa luận tốt nghiệp, em đã
nhận đƣợc sự giúp đỡ tận tình và tạo điều kiện từ Khoa Quản lí Tài nguyên rừng
và Môi trƣờng trƣờng Đại học Lâm Nghiệp Việt Nam. Em xin cảm ơn ban lãnh
đạo và các cán bộ tại Khoa đã giúp đỡ để em có cơ hội đƣợc thực hiện khóa
luận.
Đặc biệt, em xin chân thành cảm ơn ThS. Trần Thị Phƣơng đã tận tình
giúp đỡ và hƣớng dẫn em trong suốt thời gian em tiến hành làm khóa luận tốt
nghiệp. Ngƣời đã tận tình hƣớng dẫn chỉ bảo để em có thể hồn thành tốt và
đúng hạn báo cáo khóa luận.
Em cũng xin cảm ơn các thầy cơ phịng thí nghiệm Hóa học, Trung tâm
Phân tích mơi trƣờng và ứng dụng cơng nghệ địa không gian trƣờng Đại học
Lâm Nghiệp Việt Nam đã nhiệt tình hỗ trợ em trong quá trình tiến hành thực
nghiệm. Với kiến thức, năng lực và kinh nghiệm còn hạn hẹp, em khơng tránh
khỏi mắc phải những thiếu sót nên rất mong nhận đƣợc ý kiến đóng góp, nhận
xét từ phía các Thầy Cơ trong Hội đồng bảo vệ khóa luận để em có thể hồn
thiện bài báo cáo này.
Cuối cùng em xin chân thành cảm ơn gia đình và bạn bè đã luôn tạo mọi
điều kiện, động viên, giúp đỡ em trong quá trình học tập.
Em xin chân thành cảm ơn !
Hà Nội,ngày…tháng năm 2019
Sinh viên
Đinh Thị Hòa

i


MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN ........................................................................................................ i
MỤC LỤC ............................................................................................................. ii
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT ............................................................................... iv

DANH MỤC BẢNG ............................................................................................. v
DANH MỤC HÌNH ............................................................................................. vi
ĐẶT VẤN ĐỀ ....................................................................................................... 1
Chƣơng 1 TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU ............................................ 3
1.1. Giới thiệu về ô nhiễm hữu cơ trong nƣớc ...................................................... 3
1.1.1.

nhiễm nƣớc trong ngành dệt nhuộm ...................................................... 3

1.1.2. Ảnh hƣởng của nƣớc thải dệt nhuộm đến môi trƣờng. ............................... 4
1.2. Một số phƣơng pháp xử lý hợp chất hữu cơ trong nƣớc thải......................... 5
1.2.1. Phƣơng pháp hóa học .................................................................................. 5
1.2.2. Phƣơng pháp vật lý...................................................................................... 6
1.2.3. Phƣơng pháp hóa lý ..................................................................................... 7
1.2.4. Phƣơng pháp sinh học ............................................................................... 11
1.3. Tổng quan về vật liệu quang xúc tác............................................................ 11
1.3.1. Khái niệm phản ứng xúc tác quang ........................................................... 11
1.3.2. Ứng dụng của vật liệu quang xúc tác ........................................................ 12
1.3.3. Một số phƣơng pháp tổng hợp vật liệu quang xúc tác .............................. 12
1.3.4. Vật liệu quang xúc tác BiFeO3 .................................................................. 14
Chƣơng 2 MỤC TIÊU – NỘI DUNG – PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ...... 18
2.1. Mục tiêu nghiên cứu ..................................................................................... 18
2.2. Nội dung nghiên cứu .................................................................................... 18
2.3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu ................................................................ 18
2.3.1. Đối tƣợng nghiên cứu................................................................................ 18
2.3.2. Phạm vi nghiên cứu ................................................................................... 18
2.4. Thiết bị, dụng cụ, hóa chất ........................................................................... 20
2.4.1. Hóa chất..................................................................................................... 20
ii



2.4.2. Thiết bị và dụng cụ thí nghiệm ................................................................. 20
2.5. Phƣơng pháp nghiên cứu .............................................................................. 22
2.5.1. Phƣơng pháp theo dõi nồng độ chất màu ................................................. 22
2.5.2. Phƣơng pháp đánh giá khả năng hấp phụ của vật liệu .............................. 24
2.5.3.Phƣơng pháp đánh giá khả năng quang xúc tác của vật liệu ..................... 24
2.5.4. Phƣơng pháp xử lý số liệu ......................................................................... 27
Chƣơng 3 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU ................................................................ 28
3.1. Khả năng hấp phụ của vật liệu với dung dịch metyl da cam (MO) ............. 28
3.2. Khả năng quang xúc tác của vật liệu với MO .............................................. 28
3.2.1. Ảnh hƣởng của nhiệt độ nung vật liệu ...................................................... 28
3.2.2. Ảnh hƣởng của pH .................................................................................... 30
3.2.3. Ảnh hƣởng của thời gian chiếu sáng ......................................................... 32
3.2.4. Ảnh hƣởng của khối lƣợng vật liệu........................................................... 33
3.2.5. Ảnh hƣởng của H2O2 ................................................................................. 34
3.2.6. Ảnh hƣởng của MO ................................................................................... 36
3.2.7. Khảo sát khả năng tái sử dụng .................................................................. 37
KẾT LUẬN ......................................................................................................... 39
TỒN TẠI VÀ KIẾN NGHỊ................................................................................. 40
TÀI LIỆU THAM KHẢO

iii


DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

STT

Viết tắt


Tiếng Anh

Tiếng Việt

1

UV-Vis

Ultra violet - visible

Tử ngoại – khả kiến

2

BFO

Bismuth Ferrite BiFeO3

Bimut ferit BiFeO3

3

MO

Methyl orange

Metyl da cam

4


Abs

Absorbance

Độ hấp thụ quang

5

COD

Chemical oxygen demand

Nhu cầu oxi hóa học

6

BOD

7

LD50

Lethal Dose

8

TOC

Total organic cacbon


Tổng cacbon hữu cơ

9

DO

Dissolved Oxygen

Oxi hòa tan

Biological oxygen
demand

iv

Nhu cầu oxi sinh hóa
Liều lƣợng gây chết
một nửa


DANH MỤC BẢNG
Bảng 2.1. Các hóa chất sử dụng .......................................................................... 20
Bảng 2.2. Các thiết bị sử dụng ............................................................................ 20
Bảng 2.3. Các dụng cụ sử dụng........................................................................... 21
Bảng 3.1. Ảnh hƣởng của nhiệt độ nung vật liệu đến hiệu suất xử lí MO ......... 29
Bảng 3.2. Ảnh hƣởng của pH đến hiệu suất xử lí MO........................................ 31
Bảng 3.3. Ảnh hƣởng của thời gian chiếu sáng đến hiệu suất xử lí MO ............ 32
Bảng 3.4. Ảnh hƣởng của khối lƣợng vật liệu đến hiệu suất xử lí MO .............. 33
Bảng 3.5. Ảnh hƣởng của lƣợng hydropeoxit đến hiệu suất xử lí MO ............... 34
Bảng 3.6. Ảnh hƣởng của nồng độ MO đến hiệu suất xử lí MO ........................ 36

Bảng 3.7. Khả năng tái sử dụng của vật liệu ....................................................... 37

v


DANH MỤC HÌNH
Hình 1.1. Cấu trúc tinh thể BiFeO3 ..................................................................... 16
Hình 2.1. Cơng thức cấu tạo của hợp chất metyl da cam.................................... 19
Hình 2.2. Phổ hấp thụ phân tử UV-Vis của dung dịch metyl da cam................. 23
Hình 2.3. Đồ thị đƣờng chuẩn metyl da cam ...................................................... 23
Hình 3.1. Hiệu suất hấp phụ dung dịch MO của vật liệu BFO450 ..................... 28
Hình 3.2. Ảnh hƣởng của nhiệt độ nung vật liệu tới hiệu suất xử lý .................. 29
Hình 3.3. Ảnh hƣởng của pH đến hiệu suất xử lý............................................... 31
Hình 3.4. Ảnh hƣởng của thời gian đến hiệu suất xử lý ..................................... 32
Hình 3.5. Ảnh hƣởng của khối lƣợng vật liệu đến hiệu suất xử lí ...................... 34
Hình 3.6. Ảnh hƣởng của lƣợng H2O2 đến hiệu suất xử lý ................................. 35
Hình 3.7. Ảnh hƣởng của nồng độ MO đến hiệu suất xử lý ............................... 36
Hình 3.8. Khả năng tái sử dụng của vật liệu ....................................................... 37

vi


ĐẶT VẤN ĐỀ
Trong các hoạt động sinh hoạt cũng nhƣ sản xuất của con ngƣời, nƣớc là
một thành phần không thể thiếu và vô cùng quan trọng. Nƣớc ta là một trong
những quốc gia có nguồn tài nguyên nƣớc dồi dào và phong phú nhƣng đến nay
đang dần suy giảm và ô nhiễm nghiêm trọng bởi nƣớc thải. Một thực trạng đáng
buồn đã và đang xảy ra hàng ngày hàng giờ đó là nƣớc thải ở hầu hết các cơ sở
sản xuất công nghiệp chỉ đƣợc xử lý sơ bộ hay thậm chí thải trực tiếp ra mơi
trƣờng. Vì vậy, bên cạnh việc nâng cao ý thức của con ngƣời, siết chặt các cơng

tác quản lý mơi trƣờng thì việc tìm ra các giải pháp nhằm loại bỏ các chất độc
hại ra khỏi mơi trƣờng nƣớc có ý nghĩa hết sức to lớn.
Thuốc nhuộm hiện nay đã và đang đƣợc sử dụng rộng rãi trong nhiều
ngành công nghiệp trọng điểm nhƣ dệt may, cao su, giấy, mỹ phẩm... Do tính
tan cao và ổn định với ánh sáng, nhiệt, các tác nhân oxy hóa nên các thuốc
nhuộm là tác nhân độc hại gây ơ nhiễm các nguồn nƣớc rất khó loại bỏ. Thuốc
nhuộm metyl da cam thuộc nhóm chất tạo màu họ azo thƣờng gặp, là một chất
bột tinh thể màu da cam, độc, có tính axit, thƣờng đƣợc sử dụng để nhuộm trực
tiếp các loại sợi động vật, các loại sợi có chứa nhóm bazơ nhƣ len, tơ tằm, sợi
tổng hợp polyamit trong mơi trƣờng axit, ngồi ra cũng có thể nhuộm xơ sợi
xenlulozơ với sự có mặt của urê. Mặc dù đem lại những lợi ích đáng kể trong
ngành cơng nghiệp nhuộm nhƣng tác hại của nó cũng khơng hề nhỏ khi đƣợc
thải ra môi trƣờng. Gần đây, các nhà nghiên cứu đã phát hiện ra tính độc hại và
nguy hiểm của chúng đối với môi trƣờng và con ngƣời là đặc biệt nghiêm trọng.
Loại thuốc nhuộm này có thể gây ung thƣ cho ngƣời sử dụng [10, 11]. Trong số
nhiều phƣơng pháp đƣợc nghiên cứu để tách loại các phẩm màu trong mơi
trƣờng nƣớc, phƣơng pháp oxi hóa sử dụng vật liệu quang xúc tác là một trong
những phƣơng pháp hóa lý phổ biến và hiệu quả để khử màu nhuộm. Có rất
nhiều các loại vật liệu phân hủy các phẩm màu đã đƣợc nghiên cứu, chế tạo và
trong các nghiên cứu gần đây cho thấy việc chế tạo ứng dụng vật liệu quang xúc
tác ngày càng đƣợc nhiều nhà khoa học trong và ngoài nƣớc quan tâm do tính
1


chất lý thú quang xúc tác mà nó mang lại. Vật liệu BiFeO3 là một trong những
vật liệu có tính chất đặc trƣng này.
Từ những vấn đề trên, với mong muốn góp một phần nhỏ cho sự phát
triển ngành vật liệu mới, em tiến hành nghiên cứu để tài:“Ứng dụng vật liệu
BiFeO3 xử lý phẩm màu hữu cơ trong môi trường nước”.


2


Chƣơng 1
TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
1.1. Giới thiệu về ô nhiễm hữu cơ trong nƣớc
nhi m nước trong ngành dệt nhu m
Trong những năm gần đây, các ngành công nghiệp nhẹ ở Việt Nam nhƣ:
công nghệ dệt nhuộm, giày da, in, chế biến nông sản,…, ngày càng phát triển
song song với đó là tình trạng ơ nhiễm mơi trƣờng ngày càng gia tăng. Nhƣng
do quy mô các công ty, xí nghiệp và các làng nghề khơng lớn nên khả năng xử
lý nƣớc thải chƣa đƣợc chú trọng. Nguồn thải chƣa đƣợc xử lý hoặc xử lý chƣa
hoàn toàn từ các khu công nghiệp này đƣợc thải trực tiếp ra ngồi gây ơ nhiễm
mơi trƣờng, đặc biệt là mơi trƣờng nƣớc. Các nguồn thải ra môi trƣờng nƣớc
một lƣợng các hợp chất hữu cơ lớn, khó phân hủy làm ảnh hƣởng đến chất
lƣợng nƣớc, gây ngộ độc cho các loài thủy sinh và ảnh hƣởng trực tiếp đến chất
lƣợng nƣớc phục vụ cho các hoạt động trong sản xuất và sinh hoạt của con
ngƣời.
Chỉ riêng với ngành công nghiệp dệt nhuộm, nƣớc thải ra môi trƣờng
chứa các hợp chất tạo màu hữu cơ trong q trình sản xuất gây ơ nhiễm môi
trƣờng nghiêm trọng. Hơn nữa, ngành công nghiệp dệt nhuộm trong nƣớc hầu
hết dƣới dạng làng nghề thủ công và cơng ty có quy mơ nhỏ, nƣớc thải ra
thƣờng không đƣợc xử lý hoặc chỉ đƣợc xử lý một phần và đƣợc thải trực tiếp ra
sông hồ, gây ô nhiễm nguồn nƣớc. Các nguồn thải này đều có các chỉ số pH,
DO, BOD, COD,…, rất cao vƣợt quá tiêu chuẩn cho phép đƣợc thải ra môi
trƣờng sinh thái. [6,10]
Dệt nhuộm là ngành từ lâu đã có mặt ở nƣớc ta và hiện nay nó đang phát
triển mạnh trên quy mô của một ngành công nghiệp chủ chốt trong nền kinh tế.
Ngành dệt nhuộm sử dụng một lƣợng nƣớc thải lớn để sản xuất và đồng
thời thải ra một lƣợng nƣớc thải đáng kể cho môi trƣờng. Nhắc đến nƣớc thải

ngành dệt nhuộm là một trong những loại nƣớc thải ô nhiễm nặng, hàm lƣợng
các chất hữu cơ cao, khó phân hủy, pH dao động từ 9 - 12 do thành phần các
3


chất tẩy. Trong q trình sản xuất có rất nhiều hóa chất độc hại đƣợc sử dụng để
sản xuất tạo màu: nhƣ là phẩm nhuộm, chất hoạt động bề mặt, chất điện ly, chất
ngậm, chất tạo môi trƣờng, tinh bột, men, chất ơxy hố….Các chất này thƣờng
có chứa các ion kim loại hịa tan, hay kim loại nặng rất khó phân hủy trong mơi
trƣờng, có thể gây ơ nhiễm mơi trƣờng trầm trọng trong thời gian dài. Một đặc
trƣng quan trọng của nƣớc thải dệt nhuộm đó là độ màu rất cao do lƣợng dƣ màu
nhuộm bị rửa trôi, khi thải ra nguồn tiếp nhận sẽ gây mất cảnh quan, bên cạnh
đó cịn tác động đến q trình quang hợp và hơ hấp của sinh vật do q trình
khuếch tán ánh sáng và hòa tan oxy bị cản trở. [6]
1.1.2. Ảnh hưởng của nước thải dệt nhu m đến môi trường
Các loại phẩm nhuộm tổng hợp đã có từ lâu đời và ngày càng đƣợc sử
dụng phổ biến trong các ngành công nghiệp dệt may, giấy, cao su, nhựa, da, mỹ
phẩm, dƣợc phẩm và các ngành công nghiệp thực phẩm do có đặc điểm là dễ sử
dụng, giá thành rẻ, ổn định và đa dạng về màu sắc so với màu sắc tự nhiên. Tuy
nhiên việc sử dụng rộng rãi thuốc nhuộm và các sản phẩm của chúng gây ra ô
nhiễm nguồn nƣớc ảnh hƣởng tới sức khỏe của con ngƣời và mơi trƣờng sống.
Các thuốc nhuộm hữu cơ nói chung đƣợc xếp loại từ ít độc đến khơng độc đối
với con ngƣời (đƣợc đặc trƣng bằng chỉ số LD50). Các kiểm tra về tính kích
thích da, mắt cho thấy đa số thuốc nhuộm khơng gây kích thích với vật thử
nghiệm (thỏ) ngoại trừ một số cho kích thích nhẹ. Tác hại gây ung thƣ và nghi
ngờ gây ung thƣ: khơng có loại thuốc nhuộm nào nằm trong nhóm gây ung thƣ
cho ngƣời. Các thuốc nhuộm azo đƣợc sử dụng nhiều nhất trong ngành dệt, tuy
nhiên chỉ có một số màu azo, chủ yếu là thuốc nhuộm benzidin, có tác hại gây
ung thƣ. Các nhà sản xuất châu Âu đã ngừng sản xuất loại này, nhƣng trên thực
tế chúng vẫn đƣợc tìm thấy trên thị trƣờng do giá thành rẻ và hiệu quả nhuộm

màu cao. Khi đi vào nguồn nƣớc tự nhiên nhƣ sông, hồ… với một lƣợng rất nhỏ
của thuốc nhuộm đã cho cảm giác về màu sắc. Màu đậm của nƣớc thải cản trở
sự hấp thụ oxi và ánh sáng mặt trời, cản trở quá trình quang hợp, do đó làm
giảm thiểu lƣợng oxi hịa tan trong nƣớc, gây tác hại cho sự hô hấp, sinh trƣởng
4


của các loài thủy sinh, làm tác động xấu đến khả năng phân giải của vi sinh đối
với các chất hữu cơ trong nƣớc thải. Đối với cá và các loài thủy sinh, các kết quả
thử nghiệm trên cá của hơn 3000 loại thuốc nhuộm nằm trong tất cả các nhóm từ
khơng độc, độc vừa, rất độc đến cực độc cho thấy có khoảng 37% loại thuốc
nhuộm gây độc cho cá và thủy sinh, khoảng 2% thuộc loại rất độc và cực độc,
các nghiên cứu cho thấy khả năng phân giải trực tiếp thuốc nhuộm hoạt tính
bằng vi sinh rất thấp do đó thời gian tồn lƣu dài trong mơi trƣờng. [6]
1.2 . Một số phƣơng pháp xử lý hợp chất hữu cơ trong nƣớc thải
1.2.1. Phương pháp hóa học
a, Khử hóa học
Đƣợc ứng dụng trong trƣờng hợp nƣớc thải chứa các chất dễ bị khử.
Phƣơng pháp khử hóa học hiệu quả với các thuốc nhuộm azo nhờ phân giải liên
kết azo tạo thành các amin thơm khơng màu có khản năng phân giải vi sinh hiếu
khí tốt hơn thuốc nhuộm gốc.
Khử hóa học trên cơ sở natri bohidrid, xúc tác bisunfit áp dụng với thuốc
nhuộm tan trong nƣớc nhƣ thuốc nhuộm trực tiếp, axit, hoạt tính chứa các nhóm
azo hoặc các nhóm khử đƣợc và thuốc nhuộm phức đồng. Quy trình này có thể
khử màu trên 90% với các loại thuốc nhuộm kể trên. [7]
b, Phương pháp oxi hóa
Phƣơng pháp oxi hóa thƣờng đƣợc dùng để xử lý các hợp chất hữu cơ
trong nƣớc thải dệt nhuộm. Do các hợp chất hữu cơ trong nƣớc thải có cấu trúc
phức tạp nên phải dùng các chất có tính oxi hóa mạnh để phá vỡ các phân tử
thuốc nhuộm thành các phần tử nhỏ hơn, có cấu tạo đơn giản hơn. Các chất oxi

hóa đƣợc dùng phổ biến hiện nay là Ozon, Clo, H2O2…
Ozon là chất oxi hóa mạnh, đƣợc dùng để phá hủy các hợp chất hữu cơ,
đặc là các hợp chất màu azo có mặt trong nƣớc thải dệt nhuộm. Ƣu điểm của nó
là dễ tan trong nƣớc, tốc độ phản ứng nhanh, xử lý triệt để, không tạo bùn cặn,
cải thiện phân giải vi sinh, giảm chỉ số COD của nƣớc. Ozon có thể sử dụng đơn

5


lẻ hay kết hợp với hyđroperoxit, tia tử ngoại, siêu âm, hấp phụ than hoạt tính để
phá hủy nhiều thuốc nhuộm azo nhƣ: N-rot-green, N-orange và indigo rabinol.
Hydroperoxit cũng là một chất oxi hóa mạnh, có khả năng oxi hóa nhiều
hợp chất hữu cơ và vô cơ. Tuy nhiên, nếu phản ứng oxi hóa chỉ bằng H 2O2 thì
khơng đủ hiệu quả để oxi hóa các chất có nồng độ lớn. Sự kết hợp giữa H2O2 và
FeSO4 tạo nên hiệu ứng Fenton, cho phép khống hóa rất nhiều hợp chất hữu cơ
và nhiều loại thuốc nhuộm khác nhau (hoạt tính, trực tiếp, bazơ, axit và phân
tán), làm giảm chỉ số COD của nƣớc.
Các chất chứa clo hoạt tính (NaOCl, Cl2,…) có thể xử lý nhiều thuốc
nhuộm khác nhau tƣơng đối hiệu quả, tuy nhiên nó cũng có những hạn chế nhất
định. Một số nghiên cứu chỉ ra rằng, việc xử lý các chất màu họ azo có thể đƣợc
oxi hóa bởi NaOCl, nhƣng sau khi phá hủy các hợp chất hữu cơ, các halogen dễ
dàng hình thành các trihalogenmetan và gây ô nhiễm môi trƣờng thứ cấp. [1].
Vật liệu quang xúc tác là tác nhân oxi hóa đang đƣợc nghiên cứu nhiều
với khả năng khử màu nhuộm trong nƣớc rất tốt. Sử dụng vật liệu quang xúc tác
để chuyển hóa năng lƣợng ánh sáng thành năng lƣợng hóa học trong việc xử lí
các chất ơ nhiễm mơi trƣờng.
1.2.2. Phương pháp vật lý
Các kỹ thuật lọc thơng thƣờng là q trình tách chất rắn ra khỏi nƣớc khi
cho nƣớc đi qua vật liệu lọc có thể giữ cặn và cho nƣớc đi qua. Các kỹ thuật lọc
thông thƣờng không xử lý đƣợc các tạp chất tan nói chung và thuốc nhuộm nói

riêng.
Các kỹ thuật lọc màng, có thể tách đƣợc thuốc nhuộm tan ra khỏi nƣớc
thải dệt nhuộm gồm có vi lọc, siêu lọc, thẩm thấu ngƣợc... Điểm khác biệt giữa
ba kỹ thuật trên là kích thƣớc hạt mà chúng có thể lọc đƣợc. Q trình vi lọc có
đƣờng kính lỗ mng t 0,1 ữ 10àm, siờu lc cú kớch thc lỗ màng trong
khoảng 2 ÷ 100nm, cịn trong thẩm thấu ngƣợc lỗ màng có kích thức từ 0,5 ÷
2nm. Siêu lọc có thể lọc đƣợc các phần tử kích cỡ nano, cùng với các hiệu ứng
hấp phụ, tạo màng thứ cấp, siêu lọc cho phép lọc các phân tử. Trong phƣơng
6


pháp thẩm thấu ngƣợc, màng chỉ cho phép nƣớc đi qua trong khi muối, axit và
các phân tử hữu cơ không đi qua do đặt vào dung dịch nƣớc thải cần xử lý một
áp suất lớn hơn áp suất thẩm thấu của dung dịch đó. Trong các kỹ thuật màng thì
kỹ thuật siêu lọc có thể loại bỏ các chất tan với khối lƣợng phân tử lớn cỡ 1000
÷ 100.000 g/mol. Tuy nhiên nó khơng lọc đƣợc các loại thuốc nhuộm tan và có
phân tử lƣợng thấp, kích thƣớc nhỏ. Việc loại bỏ các loại thuốc nhuộm này đƣợc
thực hiện bằng phƣơng pháp lọc nano và hẩm thấu ngƣợc. Lọc nano đã đƣợc
chứng minh là có thể tách thuốc nhuộm hoạt tính có khối lƣợng phân tử khoảng
400g/mol ra khỏi nƣớc thải.
Tuy với những ƣu điểm trên nhƣng giá thành của màng, thiết bị lọc cao và
năng suất giảm dần do thuốc nhuộm lắng xuống làm bẩn màng lọc. [7]
1.2.3. Phương pháp hóa lý
a, Keo tụ
Hiện tƣợng keo tụ là hiện tƣợng các hạt keo cùng loại có thể hút nhau tạo
thành những tập hợp hạt có kích thƣớc và khối lƣợng đủ lớn để có thể lắng
xuống do trọng lực trong một thời gian đủ ngắn.
Phèn nhơm Al2(SO4)3.nH2O (n=14÷18), muối sắt Fe2(SO4)3.nH2O hoặc
FeCl3.nH2O (n=1÷6) đƣợc coi là những chất keo tụ cổ điển, trong đó phèn nhơm
là chất keo tụ phổ biến nhất tại Việt Nam, trong khi đó muối sắt lại là chất keo tụ

phổ biến ở các nƣớc công nghiệp phát triển do khoảng pH keo tụ tối ƣu rộng
hơn (5 ÷ 9), bơng cặn nặng, bền hơn và dƣ lƣợng sắt trong nƣớc thấp hơn so với
dùng phèn nhơm (pH keo tụ 5,5 ÷ 7), Polime nhơm (PAC): khi hịa tan PAC tạo
các hạt polime Al13 (thực chất là Al13O4(OH)24) có điện tích vƣợt trội và kích
thƣớc lớn gây keo tụ mạnh, bơng cặn lớn và thủy phân chậm nên tăng tác dụng
của chúng lên các hạt keo cần xử lý.
Phƣơng pháp keo tụ đƣợc sử dụng rộng rãi trong xử lý nƣớc thải dệt
nhuộm chứa các thuốc nhuộm phân tán và không tan. Đây là phƣơng pháp khả
thi về mặt kinh thế tuy nhiên nó không xử lý đƣợc tất cả các loại thuốc nhuộm:
Thuốc nhuộm axit; thuốc nhuộm trực tiếp; thuốc nhuộm hoàn nguyên keo tụ tốt
7


nhƣng không kết lắng dễ dàng, bông cặn chất lƣợng thấp; thuốc nhuộm hoạt tính
rất khó xử lý bằng các tác nhân keo tụ thơng thƣờng và cịn ít đƣợc nghiên cứu.
Bên cạnh đó phƣơng pháp keo tụ cũng tạo ra một lƣợng bùn thải lớn và không
làm giảm tổng chất rắn hịa tan nên gây khó khăn cho tuần hoàn nƣớc. [7]
b, Hấp phụ
Phƣơng pháp hấp phụ đƣợc dùng để phân hủy các chất hữu cơ khơng hoặc
khó phân hủy sinh học. Trong công nghệ xử lý nƣớc thải dệt nhuộm, thƣờng
dùng chúng để khử màu nƣớc thải dệt nhuộm hịa tan và thuốc nhuộm hoạt tính.
Cơ sở của quá trình là sự hấp phụ chất tan lên bề mặt chất rắn (chất hấp phụ),
sau đó giải hấp để tái sinh chất hấp phụ. Các chất hấp phụ thƣờng đƣợc sử dụng
là than hoạt tính, than nâu, đất sét, magie cacbonat. Trong số đó, than hoạt tính
hấp phụ hiệu quả nhất là do có bề mặt riêng lớn 400 - 1500 m2/g. Ngồi ra ngƣời
ta cịn dùng xenlulo biến tính và lignoxenlulo để hấp phụ thuốc nhuộm axit và
thuốc nhuộm cation. Các vật liệu thiên nhiên nhƣ lõi ngô, mạt cƣa, thân cây mía,
trấu,…, cũng đƣợc thử nghiệm khả năng hấp phụ thuốc nhuộm. [7]
Phƣơng pháp hấp phụ đƣợc dùng rộng rãi để làm sạch triệt để nƣớc thải
khỏi các chất hữu cơ hoà tan sau khi xử lý sinh học cũng nhƣ xử lý cục bộ khi

trong nƣớc thải có chứa một hàm lƣợng rất nhỏ các chất đó. Những chất này
khơng phân huỷ bằng con đƣờng sinh học và thƣờng có độc tính cao. Nếu các
chất cần khử bị hấp phụ tốt và khi chi phí riêng lƣợng chất hấp phụ khơng lớn
thì việc áp dụng phƣơng pháp này là hợp lý hơn cả.
Trong trƣờng hợp tổng qt, q trình hấp phụ gồm 3 giai đoạn:
• Di chuyển các chất cần hấp phụ từ nƣớc thải tới bề mặt hạt hấp phụ.
• Thực hiện q trình hấp phụ.
• Di chuyển chất ơ nhiễm vào bên trong hạt hấp phụ (vùng khuếch tán
trong). Ngƣời ta thƣờng dùng than hoạt tính, các chất tổng hợp hoặc một số chất
thải của sản xuất nhƣ xỉ tro, xỉ, mạt sắt và các chất hấp phụ bằng khoáng sản
nhƣ đất sét, silicagen…Để loại những chất ô nhiễm nhƣ: chất hoạt động bề mặt,
chất màu tổng hợp, dung mơi clo hố, dẫn xuất phenol và hydroxyl…
8


Các yếu tố quan trọng nhất ảnh hƣởng đến khả năng hấp thụ là: Diện tích
bề mặt của vật liệu hấp phụ có diện tích lớn bao hàm một khả năng hấp phụ cao
hơn.
Kích thƣớc hạt của vật liệu hấp phụ: kích thƣớc hạt nhỏ hơn làm giảm sự
khuếch tán nội bộ và truyền khối hạn chế để sự xâm nhập của các chất bị hấp
phụ bên trong vật liệu hấp phụ (ví dụ, trạng thái cân bằng đƣợc dễ dàng đạt đƣợc
và khả năng hấp thụ gần nhƣ đầy đủ có thể đạt đƣợc). Ngồi ra bột vật liệu hấp
phụ phải đƣợc tuân thủ bằng cách loại bỏ.
Thời gian tiếp xúc và thời gian lƣu: thời gian càng lâu hiệu quả càng cao
tuy nhiên các thiết bị sẽ lớn hơn.
Độ tan của chất tan (chất bị hấp phụ) trong chất lỏng (nƣớc thải): chất ít
tan trong nƣớc sẽ đƣợc dễ dàng tách ra khỏi nƣớc hơn so với các chất có khả
năng hịa tan cao. Ngồi ra, các chất không phân cực sẽ đƣợc loại bỏ dễ dàng
hơn chất phân cực kể từ sau có áp lực lớn hơn cho nƣớc.
Tính chất hóa học của chất bị hấp phụ: các chất kị nƣớc sẽ hấp phụ tốt

hơn sơ với những chất ƣa nƣớc, các chất không phân ly bị hấp phụ nhƣ nhau với
bất kỳ giá trị nào của pH trong mơi trƣờng. Nói chung đa số các chất bẩn khi
hấp phụ có thể xác định đƣợc giá trị pH tối ƣu. Nếu không tạo đƣợc điều kiện tối
ƣu cho từng loại chất hữu cơ phân ly trong nƣớc thì sẽ tốn nhiều lƣợng vật liệu
hấp phụ mà hiệu quả sẽ không đạt đƣợc nhƣ mong muốn.
Mối quan hệ của các chất tan trong vật liệu hấp phụ (carbon): Bề mặt của
than hoạt tính chỉ là hơi phân cực. Do đó các chất khơng phân cực sẽ dễ dàng
chọn carbon hơn so với những chất phân cực (nƣớc phân cực).
Số lƣợng của các nguyên tử carbon: đối lƣợng lớn các nguyên tử cacbon
liên kết với độ phân cực thấp và đó một tiềm năng lớn để đƣợc hấp phụ (ví dụ,
mức độ hấp thụ tăng trong chuỗi formic, axit propionic acetic-butyric).
Kích thƣớc của các phân tử liên quan đến kích thƣớc của các lỗ rỗng: các
phân tử lớn có thể quá lớn để vào lỗ rỗng. Điều này có thể làm khả năng giảm hấp
phụ.
9


Mức độ ion hóa của phân tử chất bị hấp phụ: các phân tử bị ion hóa đƣợc
hấp thụ ở một mức độ nhỏ hơn so với các phân tử trung tính.
pH mức độ ion hóa bị ảnh hƣởng bởi pH (các hợp chất có tính axit là loại
bỏ tốt hơn ở pH thấp hơn).
Đối với tích hợp hấp phụ và q trình lọc: than hoạt tính chỉ có tác dụng
với một lƣợng nƣớc nhất định. Sau khi lọc đƣợc một khối lƣợng nƣớc theo chỉ
định của nhà sản xuất (chỉ những hãng uy tín mới chỉ định theo tiêu chí này),
than sẽ khơng cịn khả năng hấp thụ nữa.
Ứng dụng của q trình hấp phụ:
• Tách các chất hữu cơ nhƣ phenol, alkylbenzen-sulphonic acid, thuốc
nhuộm, các hợp chất thơm từ nƣớc thải bằng than hoạt tính;
• Có thể dùng than hoạt tính khử thuỷ ngân;
• Có thể dùng để tách các chất nhuộm khó phân huỷ;

c, i n hóa
Phƣơng pháp này dựa trên cơ sở q trình oxi hóa khử xảy ra trên các
điện cực. Ở anot, nƣớc và các ion clorua bị oxi hóa dẫn đến sự hình thành O2,
O3, Cl2 và các gốc là tác nhân oxi hóa các chất hữu cơ trong dung dịch. Q
trình khử điện hóa các hợp chất hữu cơ nhƣ thuốc nhuộm, ở catot, kết hợp với
phản ứng oxi hóa điện hóa và q trình tuyển nổi, keo tụ điện hóa dẫn đến hiệu
suất xử lý màu và khống hóa cao. Phƣơng pháp điện hóa với điện cực nhơm
hoặc sắt là cơng nghệ xử lý hiệu quả độ màu, COD, BOD, TOC, kim loại nặng,
chất rắn lơ lửng. Nghiên cứu cho thấy hiệu suất xử lý các loại nƣớc thải từ
xƣởng nhuộm chứa nhiều loại thuốc nhuộm khác nhau có khả năng đạt tới 90%.
Đây là phƣơng pháp đƣợc chứng minh hiệu quả đối với việc xử lý độ màu,
COD, BOD, TOC, kim loại nặng, chất rắn lơ lửng của nƣớc thải dệt nhuộm. Tuy
nhiên phƣơng pháp điện hóa có giá thành cao do tiêu tốn năng lƣợng và kim loại
làm điện cực. [7]

10


1.2.4. Phương pháp sinh học
Cơ sở của phƣơng pháp sinh học là sử dụng các vi sinh vật để phân hủy
các hợp chất hữu cơ trong nƣớc thải. Phƣơng pháp sinh học đạt hiệu quả cao
trong xử lý nƣớc thải chứa các chất hữu cơ dễ phân hủy sinh học với pH, nhiệt
độ, chủngvi sinh thích hợp và khơng chứa các chất độc làm ức chế vi sinh. Tuy
nhiên nƣớc thải xƣởng nhuộm chứa thuốc nhuộm rất bền vi sinh hầu nhƣ khơng
bị phân hủy sinh học. Vì vậy để xử lý nƣớc thải dệt nhuộm cần qua hai bƣớc:
tiền xử lý chất hữu cơ khó phân giải sinh học chuyển chúng thành những chất có
thể phân hủy sinh học, tiếp theo là dùng phƣơng pháp vi sinh.
Xử lý sinh học có thể là xử lý vi sinh hiếu khí hoặc yếm khí tùy thuộc vào
sự có mặt hay khơng có mặt oxi. Q trình yếm khí xảy ra sự khử cịn q trình
hiếu khí xảy ra sự oxi hóa các chất hữu cơ. Q trình yếm khí có thể chạy với tải

lƣợng hữu cơ lớn, loại bỏ một lƣợng lớn các chất hữu cơ đồng thời tạo ra khí
sinh học, tiêu tốn ít năng lƣợng. Lƣợng bùn thải của q trình yếm khí rất thấp.
Tuy nhiên, hiệu quả khử màu của q trình này khơng cao (đối với thuốc nhuộm
axit là 80 – 90 %, thuốc nhuộm trực tiếp là 81%). Ngƣợc lại, q trình hiếu khí
có hiệu suất cao trên 85% nhƣng nó lại tiêu tốn năng lƣợng cho sục khí và tạo
lƣợng bùn thải lớn. [7]
1.3. Tổng quan về vật liệu quang xúc tác
1.3.1. Khái niệm phản ứng xúc tác quang
Trong hóa học, khái niệm phản ứng xúc tác quang dùng để nói đến những
phản ứng xảy ra dƣới tác dụng đồng thời của chất xúc tác và ánh sáng. Nói cách
khác, ánh sáng chính là nhân tố kích hoạt chất xúc tác, giúp cho phản ứng xảy
ra. Khi có sự kích thích của ánh sáng, trong chất bán dẫn sẽ tạo ra cặp electron –
lỗ trống quang sinh ở vùng dẫn và vùng hóa trị. Những cặp electron – lỗ trống
này sẽ di chuyển ra bề mặt để thực hiện phản ứng oxi hóa- khử.
Xúc tác quang là một trong những q trình oxi hóa – khử nhờ tác nhân
ánh sáng. Bằng cách nhƣ vậy, chất xúc tác quang làm tăng tốc độ phản ứng
quang hóa, cụ thể là tạo ra một loạt quy trình giống nhƣ phản ứng oxy hoá - khử
11


và các phân tử ở dạng chuyển tiếp có khả năng oxy hoá - khử mạnh khi đƣợc
chiếu bằng ánh sáng thích hợp. [2]
Cơ chế phản ứng quang xúc tác: q trình quang xúc tác dị thể có thể đƣợc
tiến hành ở pha khí hoặc pha lỏng. Q trình quang xúc tác gồm 6 giai đoạn.
Giai đoạn đầu tiên các chất tham gia phản ứng khuếch tán từ pha lỏng hoặc pha
khí đến bề mặt xúc tác. Giai đoạn thứ hai các chất tham gia phản ứng đƣợc hấp
thụ lên bề mặt chất xúc tác. Giai đoạn thứ ba vật liệu quang xúc tác hấp thụ
photon ánh sáng, phân tử chuyển từ trạng thái cơ bản sang trạng thái kích thích
với sự chuyển mức năng lƣợng của electron. Giai đoạn thứ tƣ là phản ứng quang
hóa. Bao gồm phản quang hóa sơ cấp, trong đó các phân tử bị kích thích (các

phân tử chất bán dẫn) tham gia trực tiếp vào phản ứng với các chất bị hấp phụ và
phản quang hóa thứ cấp, cịn gọi là giai đoạn phản ứng “tối” hay phản ứng nhiệt.
Đó là giai đoạn phản ứng của các sản phẩm thuộc giai đoạn sơ cấp. Giai đoạn
thứ năm nhả hấp phụ các sản phẩm. Giai đoạn sáu các sản phẩm khuếch tán vào
pha khí lỗng hoặc lỏng.
1.3.2. Ứng dụng của vật liệu quang xúc tác
Một số ví dụ về tiềm năng của vật liệu quang xúc tác bao gồm sự bền bỉ
tăng lên của vật liệu chống lại sự va chạm cơ học hoặc thời tiết, giúp tăng tuổi
thọ hữu ích của một sản phẩm, các lớp phủ chống ăn mòn và chống thấm nƣớc
dựa trên công nghệ quang xúc tác, vật liệu cách nhiệt mới để nâng cao hiệu suất
năng lƣợng của các tòa nhà; thêm các hạt nano vào vật liệu để giảm trọng lƣợng
và tiết kiệm năng lƣợng trong quá trình vận chuyển. Trong lĩnh vực cơng nghiệp
hóa chất, vật liệu quang xúc tác đƣợc ứng dụng dựa trên các đặc tính xúc tác đặc
biệt của chúng để tăng năng lƣợng và hiệu quả nguồn tài nguyên, và các vật liệu
quang xúc tác có thể thay thế các hóa chất có hại cho môi trƣờng trong các lĩnh
vực ứng dụng nhất định. Các tiềm năng đang đƣợc đặt trong các sản phẩm tối ƣu
hóa cơng nghệ nano và các quy trình sản xuất và lƣu trữ năng lƣợng; hiện đang
trong giai đoạn phát triển và dự kiến sẽ đóng góp đáng kể vào việc bảo vệ khí
hậu và giải quyết các vấn đề năng lƣợng của chúng ta trong tƣơng lai.
12


Vật liệu quang xúc tác đã bắt đầu đƣợc sử dụng để làm sạch rác thải, thay
thế các nguồn năng lƣợng không tái tạo bằng năng lƣợng tái tạo, giảm ô nhiễm,
tăng hiệu suất của pin mặt trời. Gia tăng diện tích bề mặt của một số dạng vật
liệu quang xúc tác và kim loại có thể giúp giảm nhanh nồng độ các chất gây ô
nhiễm trong đất, nƣớc, không khí. Sắt nano hiện đã đƣợc sử dụng trong rất nhiều
dự án xử lý môi trƣờng và mang lại thành cơng đáng khích lệ. Các nhà nghiên
cứu đã thử nghiệm bơm cacbon trộn các hạt sắt nano vào đất ô nhiễm khả năng
thấm hút các chất gây ô nhiễm cao hơn nhiều so với vật liệu khơng có hạt nano.

Vật liệu quang xúc tác còn đƣợc sử dụng để chế tạo các loại bao bì từ rác
thải, dùng thay thế các loại vật liệu tráng phủ truyền thống sản xuất từ nguyên
liệu dầu mỏ không tái tạo.Trong lĩnh vực năng lƣợng, màng mỏng nano và cơng
nghệ quang điện đang góp phần nâng cao hiệu quả của điện mặt trời, tăng khả
năng hấp thu ánh sáng của pin mặt trời màng mỏng.
Trong tƣơng lai, vật liệu quang xúc tác có thể giúp tạo ra các dạng năng
lƣợng thay thế. Sử dụng các chất xúc tác nano, ngƣời ta có thể sản xuất hyđrô
(một dạng năng lƣợng thay thế) từ nƣớc. Điện cực quang sử dụng vật liệu nano,
chuyển đổi ánh sáng mặt trời thành hyđrô với hiệu quả cao gấp 6 lần so với
phƣơng pháp dùng các vật liệu thông thƣờng. Hệ thống lọc và khử mặn nƣớc
ứng dụng công nghệ nano cho phép các phân tử nƣớc đi qua nhƣng giữ lại các
phân tử có kích thƣớc lớn hơn nhƣ ion muối và các tạp chất nhƣ vi khuẩn, virus,
kim loại nặng, vật chất hữu cơ.Vỏ cách điện cho dây cáp xử lý bằng vật liệu
nano composite chứa silic điơxít nano có khả năng chịu điện áp gấp 100, khả
năng tải dòng cao gấp 100 lần các loại dây dẫn tốt nhất hiện nay.
Vật liệu quang xúc tác đƣợc ứng dụng trong việc xử lý ô nhiễm trong môi
trƣờng: xử lý và khắc phục hậu quả, phát hiện và ngăn ngừa ô nhiễm và cải tiến
kỹ thuật khử muối là một lĩnh vực chính. Các thiết bị lọc nƣớc có cơng nghệ
nano có khả năng biến đổi lĩnh vực khử muối, ví dụ bằng cách sử dụng hiện
tƣợng phân cực nồng độ ion.[8]

13


1.3.3. M t số phương pháp tổng hợp vật liệu quang xúc tác
a, Phương pháp pha rắn
Phƣơng pháp pha rắn là phƣơng pháp phổ biến để tổng hợp vật liệu. Đặc
điểm chung của phản ứng pha rắn là rất ít xảy ra ở nhiệt độ thƣờng, xảy ra ở
nhiệt độ cao. Điểm bắt đầu phản ứng tại những vị trí khuyết tật, sai lệch trên bề
mặt. Tốc độ phản ứng tỉ lệ với bề mặt tiếp xúc chung của các ion. Tùy thuộc vào

độ linh động của các ion và khả năng tạo dung dịch rắn của các chất mà tạo
thành mạng lƣới tinh thể. Ƣu điểm của phƣơng pháp là thiết bị đơn giản, dễ thực
hiện nhƣng lại có nhiều khuyết điểm nhƣ tiền chất phải thật tinh khiết, thời gian
phản ứng dài, nhiệt độ phản ứng cao, sản phẩm thu đƣợc cịn tồn tại nhiều thành
phần pha khơng mong muốn và kích thƣớc hạt khơng đồng đều. [5]
b, Phương pháp nuôi đơn tinh thể
Phƣơng pháp nuôi đơn tinh thể là một phƣơng pháp chủ yếu đƣợc sử dụng
để chế tạo các loại hợp chất có cấu trúc đơn tinh thể, có độ tinh khiết cao. Một
trong những yếu tố quan trọng nhất là nguyên liệu ban đầu cho việc nuôi đơn
tinh thể phải thuộc loại rất tinh khiết (siêu sạch), sự có mặt của chất bẩn ảnh
hƣởng rất lớn đến độ hoàn chỉnh của tinh thể để từ đó ảnh hƣởng đến các tính
chất vật lí của sản phẩm. Bởi vậy, không những chất ban đầu dùng để nuôi tinh
thể phải siêu sạch mà các dụng cụ đựng, phịng làm việc, khí quyển trong thiết
bị ni đơn tinh thể cũng phải bảo đảm rất sạch. Quá trình kết tinh là q trình
tỏa nhiệt, do đó để đảm bảo điều kiện cân bằng cho sự phát triển tinh thể thật
hồn chỉnh phải có những bộ phận thu hồi lƣợng nhiệt tỏa ra khi kết tinh. Tùy
thuộc vào loại vật liệu mà có nhiều cách tổng hợp đơn tinh thể. Có thể phân
thành 3 nhóm phƣơng pháp ni đơn tinh thể: kết tinh từ dung dịch nƣớc hoặc
dung dịch với dung môi không phải là nƣớc; kết tinh từ pha lỏng nguyên chất
của chất đó; kết tinh từ pha hơi. [11]

14


c, Phương pháp thủy nhi t
Phƣơng pháp thủy nhiệt là phƣơng pháp dùng nƣớc dƣới áp suất cao và
nhiệt độ cao hơn điểm sơi bình thƣờng. Lúc đó, nƣớc thực hiện hai chức năng
thứ nhất vì ở trạng thái hơi nên nƣớc đóng vai trị là mơi trƣờng truyền áp suất,
thứ hai nó đóng vai trị nhƣ một dung mơi có thể hồ tan một phần chất phản
ứng dƣới áp suất cao. Do đó phản ứng đƣợc thực hiện trong pha lỏng hoặc có sự

tham gia một phần của pha lỏng hoặc pha hơi. Phƣơng pháp này có một số ƣu
điểm so với các phƣơng pháp khác nhƣ nhiệt độ tƣơng đối thấp, khơng gây hại
mơi trƣờng vì phản ứng đƣợc tiến hành trong một hệ kín. Nhƣng, phƣơng pháp
này cũng gặp nhiều khó khăn bởi hiệu suất phản ứng không cao, và phụ thuộc
rất nhiều vào điều kiện nhiệt độ, áp suất mơi trƣờng phản ứng và kích cỡ vật liệu
khoảng vài trăm nanomet đến cỡ vài micromet. [9, 13]
d, Phương pháp tổng hợp đốt cháy gel polymer
Trong số các phƣơng pháp hóa học, tổng hợp đốt cháy có thể tạo ra tinh
thể bột nano oxit và oxit phức hợp ở nhiệt độ thấp hơn trong một thời gian ngắn
và có thể đạt ngay đến sản phẩm cuối cùng mà không phải xử lý nhiệt thêm nên
hạn chế đƣợc sự tạo pha trung gian và tiết kiệm đƣợc năng lƣợng. Quá trình tổng
hợp đốt cháy xảy ra phản ứng oxi hóa khử tỏa nhiệt mạnh giữa hợp phần chứa
kim loại và hợp phần không kim loại, phản ứng trao đổi giữa các hợp chất hoạt
tính hoặc phản ứng chứa hợp chất hay hỗn hợp oxi hóa khử…Những đặc tính
này làm cho tổng hợp đốt cháy trở thành một phƣơng pháp hấp dẫn cho sản xuất
các vật liệu mới với chi phí thấp so với các phƣơng pháp truyền thống. Một số
ƣu điểm khác của phƣơng pháp tổng hợp đốt cháy là: thiết bị công nghệ tƣơng
đối đơn giản, sản phẩm có độ tinh khiết cao, kích thƣớc hạt tƣơng đối đồng đều.
Một số polime hữu cơ đƣợc sử dụng ngồi vai trị tác nhân tạo gel cịn là nguồn
nhiên liệu nhƣ polivinyl ancol, polietylen glycol, polyacrylic axit. [5]

15


e, Phương pháp đồng kết tủa
Phƣơng pháp đồng kết tủa là phƣơng pháp cực kỳ đa năng để chế tạo vật
liệu có kích thƣớc rất nhỏ và có thể đƣợc điều chế đơn giản bằng việc điều chỉnh
điều kiện thí nghiệm. Với phƣơng pháp đồng kết tủa: chất gốc là các muối vơ cơ
đƣợc hịa tan trong mơi trƣờng nƣớc, sau đó đƣợc cho phản ứng với các hydroxit
nhƣ KOH, NaOH, NH4OH,…, để tạo kết tủa. Sản phẩm kết tủa đƣợc lọc rửa

sạch bằng nƣớc cất và đƣợc làm khô. Các hạt đƣợc tổng hợp có kích thƣớc từ
vài nanomét đến vài trăm nanomét. Kích thƣớc hạt có thể đƣợc kiểm sốt thơng
qua nhiều yếu tố nhƣ tỉ lệ vật liệu ban đầu, trạng thái oxy hóa, độ pH dung dịch
…Mặc dù đồng kết tủa là phƣơng pháp đơn giản nhƣng khi các hạt nano hình
thành chúng kết tụ rất mạnh do nhiều yếu tố nhƣ diện tích tiếp xúc trực tiếp nhau
tăng, ảnh hƣởng của lực trọng trƣờng, môi trƣờng lƣu giữ hạt dễ bị oxy hóa và
có sự xen lẫn nhiều pha khác nhau. Phƣơng pháp có những ƣu điểm khá quan
trọng: chế tạo đơn giản, phản ứng xảy ra nhanh, có thể tạo ra hạt nano với độ
đồng nhất, độ phân tán khá cao. Nhƣng phƣơng pháp này có nhƣợc điểm là độ
từ hóa thấp, các hạt nano sau khi hình thành sẽ kết tụ mạnh. Tuy nhiên, còn tùy
thuộc vào những ứng dụng cụ thể, những nhƣợc điểm này thì khơng đáng kể so
với những thuận lợi mà phƣơng pháp mang lại. Vì thế, nó đƣợc sử dụng khá phổ
biến.
1.3.4. Vật liệu quang xúc tác BiFeO3
Bitmut ferit BiFeO3 (thƣờng đƣợc viết tắt là BFO) là oxit phức hợp của ba
nguyên tố bitmut, sắt và oxy, BFO không tồn tại trong tự nhiên mà đƣợc tổng
hợp dƣới dạng cấu trúc perovskit (hình 1.1.)

16


Hình 1.1. Cấu trúc tinh thể BiFeO3 [12]
Cấu trúc perovskit của vật liệu là tên gọi chung của các hệ vật liệu có cấu
trúc tinh thể ABO3 giống với cấu trúc của khống chất canxi titanat CaTiO3.Ơ
mạng cơ sở của hệ tinh thể perovskit là hình lập phƣơng với hằng số mạng a = b
= c và α = β = ɣ =90°. Trong đó các cation A là các nguyên tố kiềm thổ hoặc
các nguyên tố đất hiếm nằm ở các góc của hình lập phƣơng, cation B là các
nguyên tố kim loại chuyển tiếp nhóm d (3d; 4d; 5d) nằm tại tâm ơ mạng có số
phối trí 6 với các nguyên tử O và các nguyên tử O nằm tại tâm của 6 mặt của
hình lập phƣơng. Cấu trúc tinh thể perovskit có thể bị biến dạng khi các cation

A, B bị thay thể bởi các cation khác.
Vật liệu BiFeO3 đƣợc biết đến là một trong những vật liệu đa pha từ quan
trọng nhất. Các nghiên cứu khoa học về BFO chủ yếu theo hƣớng phát triển tính
chất sắt từ, sắt điện và phản sắt từ. Gần đây, hoạt tính quang xúc tác phân hủy
các hợp chất hữu cơ của vật liệu BiFeO3 mới đƣợc các nhà khoa học quan tâm
nghiên cứu. Do có năng lƣợng vùng cấm hẹp cỡ 2,1 eV nên BiFeO3 thể hiện
hoạt tính quang xúc tác ở vùng ánh sang nhìn thấy với bờ hấp thụ ánh sáng ở
bƣớc sóng khoảng nhỏ hơn hoặc bằng 600nm. Thêm vào đó, BiFeO3 thể hiện
tính sắt từ ở nhiệt độ phịng nên có thể dễ dàng thu hồi và tái sử dụng. Có nhiều
phƣơng pháp để tổng hợp vật liệu BFO cấu trúc perovskit nhƣ phƣơng pháp
phản ứng pha rắn, phƣơng pháp sol-gel, phƣơng pháp đồng kết tủa, phƣơng
pháp thủy nhiệt,... [3, 5]
17


Chƣơng 2
MỤC TIÊU – NỘI DUNG – PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
2.1. Mục tiêu nghiên cứu
 Mục tiêu tổng quát:
- Tìm ra các điều kiện phản ứng tối ƣu cho quá trình xử lí phẩm màu hữu
cơ trong nƣớc bằng vật liệu quang xúc tác.
 Mục tiêu cụ thể:
- Xác định khả năng hấp phụ của vật liệu quang xúc tác BiFeO3 trong việc
xử lí MO.
- Tìm ra điều kiện thích hợp cho quá trình quang xúc tác phân hủy MO
của vật liệu BiFeO3.
2.2. Nội dung nghiên cứu
+ Nghiên cứu sử dụng vật liệu BFO cho quá trình quang xúc tác, q trình
hấp phụ xử lý chất hữu cơ ơ nhiễm trong môi trƣờng nƣớc.
- Nghiên cứu khả năng hấp phụ của vật liệu BFO trong việc xử lí phẩm

màu metyl da cam trong nƣớc.
- Nghiên cứu khảo sát các yếu tố ảnh hƣởng đến quá trình quang xúc tác
phân hủy MO của vật liệu BFO: loại vật liệu, pH, thời gian phản ứng, khối
lƣợng vật liệu, lƣợng H2O2, nồng độ phẩm nhuộm và khả năng tái sử dụng vật
liệu.
2.3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu
23

Đối tượng nghiên cứu
Metyl da cam (MO) là một chất bột tinh thể màu da cam, khơng tan

trong dung mơi hữu cơ, khó tan trong nƣớc nguội, nhƣng dễ tan trong nƣớc
nóng. Cơng thức phân tử của metyl da cam là C14H14N3NaO3S và cấu trúc hóa
học nhƣ Hình 2.1., khối lƣợng phân tử 327,34 đvc, khối lƣợng riêng 1,28g/cm3.
Hợp chất methyl da cam là hợp chất màu azo (chứa nhóm mang màu –N=N-) ,
thuộc loại thuốc nhuộm axit, có tính độc mạnh và có tính chất lƣỡng tính với
hằng số axit Ka = 4.10-4. Trong mơi trƣờng kiềm và trung tính, metyl da cam có
18


màu vàng và chuyển dần sang màu đỏ khi pH của môi trƣờng thay đổi tới môi
trƣờng axit, với khoảng pH chuyển màu từ 3,1 đến 4,4. Do có cấu tạo mạch
cacbon khá phức tạp và cồng kềnh, liên kết –N=N- và vòng benzen khá bền
vững nên methyl da cam rất khó bị phân hủy.

Hình 2.1. Cơng thức cấu tạo của hợp chất metyl da cam
Metyl da cam thƣờng đƣợc sử dụng để nhuộm trực tiếp các loại sợi động
vật,các loại sợi có chứa nhóm bazơ nhƣ len, tơ tằm, sợi tổng hợp polyamit trong
mơi trƣờng axit, ngồi ra cũng có thể nhuộm xơ sợi xenlulozơ với sự có mặt của
urê. Do có khả năng chuyển màu từ đỏ sang vàng khi pH của dung dịch thay đổi

nên metyl da cam còn đƣợc sử dụng làm chất chỉ thị trong Hóa phân tích.
Trong mơi trƣờng nƣớc, chỉ một lƣợng nhỏ metyl da cam đã có thể cảm
giác về màu sắc. Lƣợng metyl da cam trong nƣớc càng lớn màu càng đậm. Màu
đậm của nƣớc thải cản trở sự hấp thụ oxy và ánh sáng mặt trời gây tác hại cho
sự hơ hấp, sinh trƣởng của các lồi thủy sinh, làm tác động xấu đến khả năng
phân giải vi sinh vật đối với các chất hữu cơ trong nƣớc thải. Việc loại bỏ lƣợng
dƣ metyl da cam khỏi môi trƣờng. [5]
2.3.2. Phạm vi nghiên cứu
+ Phạm vi về nội dung: Ứng dụng vật liệu BiFeO3 để xử lý phẩm màu
MO trong mẫu nƣớc nhân tạo.
+ Phạm vi khơng gian: Tại phịng thí nghiệm hóa học trƣờng Đại học Lâm
nghiệp.
+ Phạm vi thời gian: từ 21/1/2019 đến ngày 1/4/2019.

19