TiO2 nano + than hoạt tính
TS Nguyễn Minh Phương cho biết, TiO2 là một chất xúc tác quang hóa đã và đang được ứng dụng khá rộng rãi trong xử lý môi trường. Tuy nhiên, vật liệu này vẫn còn tồn tại một vài hạn chế. Thêm vào đó, việc xử lý đối tượng thuốc trừ sâu ít được quan tâm nghiên cứu ở Việt Nam. Đây là lý do khiến TS Phương bắt tay nghiên cứu nhằm tạo ra một vật liệu mới có thể xử lý hiệu quả thuốc trừ sâu trong nước.
Cái khó lớn nhất bắt nguồn từ chính những hạn chế của chất bán dẫn TiO2 bởi chất này có năng lượng vùng cấm cao, chỉ có tia UV (tia cực tím) mới có khả năng kích hoạt. Trong môi trường tự nhiên, với lượng tia UV chỉ khoảng 3 - 5%, TiO2 không phát huy được hiệu quả xử lý.
Yêu cầu đặt ra là phải biến tính được TiO2 nhằm tăng hiệu quả xử lý. Để làm được điều này, TS Phương đã áp dụng kỹ thuật doping (kỹ thuật mới đang được thế giới quan tâm nghiên cứu trong vài năm gần đây), nhằm đưa các kim loại chuyển tiếp như Fe, Cr, Mn, hoặc phi kim như N, C, S vào trong mạng lưới tinh thể của TiO2 nhằm tăng cường hoạt tính xúc tác của vật liệu mới đối với thuốc trừ sâu. Kết quả, với cấu trúc nano, tác giả đã biến tính TiO2 bằng các nguyên tố kim loại là Fe và phi kim là C, N để tạo ra vật liệu TiO2 nano biến tính.
Tuy nhiên, khó khăn không dừng lại ở đó vì TiO2 nano có dạng bột, hạt mịn khi đưa vào nước sẽ bị phân tán ở dạng huyền phù, khiến chi phí cho việc lọc rất tốn kém. Sau nhiều thử nghiệm, TS Phương quyết định sử dụng than hoạt tính làm từ xơ dừa như một chất mang bền và rẻ tiền. Lúc này TiO2 nano sẽ được phủ lên trên bề mặt than hoạt tính. Than hoạt tính có ưu điểm là diện tích bề mặt lớn, có khả năng lưu giữ các chất hữu cơ tốt. Điều này tạo điều kiện giúp cho TiO2 nano phân hủy dễ dàng các chất ô nhiễm.
 |
| Các nhà khoa học làm biến tính TiO2 nano trong phòng thí nghiệm. |
Dùng nguyên liệu trong nước
TS Nguyễn Minh Phương tâm sự, khi thực hiện nghiên cứu, chị và cộng sự gặp nhiều áp lực bởi nghiên cứu này nằm trong một đề tài phải thực hiện trong 1 năm với số tiền chỉ có 900 triệu đồng. Để tạo ra một vật liệu mới số tiền này không phải là nhiều. Ví dụ, chỉ làm một mẫu xét nghiệm thuốc trừ sâu cũng mất 800.000đ, trong khi thí nghiệm thì nhiều, lặp đi lặp lại. Hơn thế, đối với nghiên cứu này ngoài việc tạo ra vật liệu mới còn phải chế tạo hệ xử lý với quy mô 3 - 5l.
Theo đó, hệ xử lý gồm hệ thống chiếu sáng với 2 bóng đèn huỳnh quang có nguồn ánh sáng trong vùng bước sóng 400 - 600nm (thay vì sử dụng bóng đèn chiếu tia sáng ở vùng bước sóng ngắn (UV) đắt tiền, với vật liệu mới này có thể dùng bóng đèn huỳnh quang có bước sóng 400 - 600nm hoặc ánh sáng tự nhiên), công suất 20 W/đèn, được lắp ở mặt trong, phía trên của khay chứa vật liệu và dung dịch phản ứng. Khay chứa được làm bằng inox. Bên trong khay chia làm 3 khoang. Khoang 1 là nơi nước cần xử lý chảy vào. Khoang 2 là khoang phản ứng, khoang 3 là khoang xả. Khoang 1 và 3 nằm ở 2 phía của khoang phản ứng. Nước xử lý được chảy tràn từ khoang 2 sang khoang 3 rồi chảy xuống hệ thống bình chứa và được bơm hồi lưu.
Hệ thiết bị hoạt động ổn định, dễ vận hành và cho hiệu suất xử lý thuốc trừ sâu cao.
TS Phương cho biết thêm, khi thực hiện nghiên cứu, hoá chất được sử dụng để tổng hợp là nguồn titan hữu cơ nguyên chất, nhập khẩu nên có giá thành đắt. Tiến tới, nhóm sẽ nghiên cứu để tạo ra TiO2 từ khoáng titan ở Việt Nam, từ đó sẽ giúp giảm chi phí và giá thành.
Các thử nghiệm cho thấy, khi đưa vật liệu mới này vào xử lý nước nhiễm thuốc trừ sâu đạt tới hơn 80%. Thuốc trừ sâu bị phân huỷ thành những hợp chất vô cơ ít độc hại hơn nhiều.