Vật liệu TiO₂ (Titanium Dioxide) là một loại vật liệu quang xúc tác nổi bật và được nghiên cứu, ứng dụng rộng rãi trong xử lý môi trường, đặc biệt là xử lý nước rỉ rác – một trong những nguồn ô nhiễm nghiêm trọng từ các bãi chôn lấp rác thải sinh hoạt.

Cơ chế hoạt động của TiO₂ trong xử lý nước

TiO₂ hoạt động như một chất xúc tác quang hóa dưới tác dụng của tia UV (hoặc ánh sáng mặt trời), tạo ra các gốc tự do như hydroxyl radical (•OH) và superoxide radical (O₂⁻•) – các tác nhân oxy hóa mạnh có khả năng:

– Phân hủy các hợp chất hữu cơ khó phân hủy sinh học (COD, BOD cao).

– Làm bất hoạt vi sinh vật (kể cả vi khuẩn gây bệnh).

– Loại bỏ màu và mùi.

– Xử lý các kim loại nặng thông qua phản ứng kết tủa hoặc hấp phụ.

Đặc điểm của nước rỉ rác

Nước rỉ rác chứa:

  • Hàm lượng chất hữu cơ rất cao (COD > 10.000 mg/L).
  • Kim loại nặng: Zn, Cu, Pb, Hg, Cd, Cr…
  • Nitơ dạng NH₄⁺ và các hợp chất nitơ.
  • Độ màu, mùi cao.
  • Độc tố vi sinh.

Điều này khiến cho các phương pháp xử lý truyền thống như sinh học hoặc hóa lý không đủ hiệu quả – do đó việc kết hợp với phương pháp oxi hóa tiên tiến như quang xúc tác TiO₂ là rất tiềm năng.

Các dạng ứng dụng của TiO₂

TiO₂ có thể được ứng dụng theo nhiều dạng:

Dạng huyền phù (bột)

+ Trộn trực tiếp vào nước rỉ rác → chiếu UV → phản ứng → lọc bỏ bột TiO₂.

+ Nhược điểm: khó thu hồi chất xúc tác, gây ô nhiễm thứ cấp.

Dạng cố định (tráng trên nền gốm, thủy tinh, polymer)

+ Dễ thu hồi, tái sử dụng.

+ Tăng độ bền và hiệu quả sử dụng lâu dài.

TiO₂ biến tính (doping với kim loại hoặc phi kim: Ag, Fe, N, C…)

+ Mở rộng khả năng hấp thụ ánh sáng sang vùng khả kiến (khắc phục nhược điểm chỉ hoạt động dưới UV).

+ Tăng hiệu quả xử lý dưới ánh sáng mặt trời.

Ứng dụng thực tế & nghiên cứu

Một số nghiên cứu và ứng dụng thực tiễn:

+ Xử lý COD/BOD: Giảm tới 60–90% COD sau xử lý bằng TiO₂ kết hợp UV

+ Loại bỏ NH₄⁺ và kim loại nặng: Các ion như Cu²⁺, Pb²⁺ có thể bị hấp phụ hoặc chuyển hóa

+ Kết hợp với các công nghệ khác: Sinh học + quang xúc tác, keo tụ + TiO₂…

Ưu điểm – Hạn chế

– Ưu điểm:

+ Hiệu quả cao với các chất ô nhiễm bền, khó phân hủy như nước rỉ rác, nước thải ngành nhuộm, thuốc trừ sâu,…

+ Không tạo ra sản phẩm phụ độc hại

+ Có thể kết hợp tốt với các công nghệ hiện có

– Hạn chế:

+ Hoạt động kém dưới ánh sáng khả kiến: TiO₂ chỉ hoạt động hiệu quả dưới tia UV, chiếm 4% phổ mặt trời.

+ Dễ kết tụ: Khi ở dạng nano, các hạt TiO₂ dễ kết dính, làm giảm diện tích bề mặt hoạt động.

+ Tái sử dụng khó khăn: Khó thu hồi và tái sử dụng sau quá trình xử lý nước.