Nghiên cứu tổng hợp và tăng cường hoạt tính quang hóa của tio2 nano ống để xử lí nước thải công nghiệp ô nhiễm chất hữu cơ

Nghiên cứu tổng hợp và tăng cường hoạt tính quang hóa của tio2 nano ống để xử lí nước thải công nghiệp ô nhiễm chất hữu cơ LỜI MỞ ĐẦU Như chúng ta đã biết ô nhiễm môi trường là một vấn đề rất đáng quan tâm của toàn thế giới, khí hậu biến đổi, trái đất ngày càng nóng lên là một quan ngại lớn cho toàn nhân loại. Đây là hậu quả của quá trình khai thác thiên nhiên bừa bãi, không có trách nhiệm bảo vệ môi trường, của quá trình công nghiệp hóa, hiện đại hóa, của công nghiệp khai mỏ, công nghiệp luyện kim, công nghiệp hóa chất, nạn phá rừng phục vụ lâm nghiệp… Đồng thời quá trình sinh hoạt của con người góp phần không kém vào quá trình làm ô nhiễm môi trường đơn cử như nước thải, khí thải của ngành công nghiệp hóa chất, khói thải của các nhà máy công nghiệp cũng như khói thải từ phương tiện giao thông của con người.Đứng trước thực trạng nêu trên, các nước trên thế giới đang nỗ lực tìm mọi cách để hạn chế mức độ ô nhiễm thể hiện bởi những nghị định về môi trường như Nghị định thư Kyoto với mục đích cắt giảm khí phát thải gây hiệu ứng nhà kính (k‎ý ngày 11 – 12 – 1997) hay việc các nước ngày càng khắt khe hơn trong việc giới hạn hàm lượng các chất gây ô nhiễm trong nước thải và trong nhiên liệu. Hiện nay thế giới đang quan tâm và đầu tư nghiên cứu nhiều vào đặc tính xúc tác quang của một số chất bán dẫn như TiO2 và các oxit kim loại khác.Đề tài của tôi là: “Nghiên cứu tổng hợp và tăng cường hoạt tính quang hóa của TiO2 nano ống để xử lí nước thải công nghiệp ô nhiễm chất hữu cơ” với nội dung như sau:Tổng quan lý thuyết về xúc tác quang hóa TiO2, CNT, xử lý nước thải hữu cơ bằng xúc tác quang hóa.Do thời gian nghiên cứu có hạn và hạn chế về năng lực bản thân đề tài còn mắc nhiều thiếu sót, kính mong quý ‎thầy cô nhận xét, bổ sung. Tôi xin chân thành cảm ơn.

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy giáo Tiến sĩ NguyễnĐình Lâm, cũng như thầy cô Bộ môn Công nghệ Hóa học Dầu và Khí – Khoa Hóa -Trường Đại Học Bách Khoa – Đại Học Đà Nẵng, cô Huỳnh Thị Thanh Thắng, KSPhan Thanh Sơn đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ và nhắc nhở tôi trong suốt thời gianthực hiện đồ án này

Tôi xin chân thành cảm ơn sự hợp tác giúp đỡ từ các đơn vị nghiên cứu và sảnxuất: Viện Hóa Học Công Nghiệp, Trung tâm Phân tích và Phân loại hàng hóa Hảiquan Miền Trung – Tổng cục Hải quan, phòng thí nghiệm hóa dầu trường Đại họcBách Khoa – Đại học Đà Nẵng đã hỗ trợ cho tôi thực hiện các nghiên cứu đặc trưngxúc tác và sản phẩm

Cuối cùng, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến gia đình và bạn bè, luôn bêncạnh khích lệ, động viên tôi trong suốt thời gian qua

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN i

MỤC LỤC ii

DANH MỤC BẢNG BIỂU v

DANH MỤC HÌNH ẢNH vi

LỜI MỞ ĐẦU ix

PHẦN I: LÝ THUYẾT 1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ XÚC TÁC QUANG HÓA DỊ THỂ TiO2 1

1.1.1 Định nghĩa 1

1.1.2 Giới thiệu về quá trình xúc tác quang hóa bán dẫn 2

1.1.2.1 Giới thiệu chung 2

1.1.2.2 Nguyên lý 2

1.1.2.3 Cơ chế quá trình xúc tác quang 3

1.1.2.4 Các quá trình tạo ra gốc hydroxyl OH* 6

1.1.2.5 Những ưu việt của quá trình phân hủy oxi hóa bằng gốc tự do hydroxyl OH* 8

1.1.3 Xúc tác quang bán dẫn Titanium Dioxide 9

1.1.3.1 Tổng quan về vật liệu TiO2 9

1.1.3.2 Ứng dụng của TiO2 17

1.1.3.3 Xu hướng sử dụng TiO2 17

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ CARBON NANOTUBE 19

1.2.1 Giới thiệu chung về Carbon và Carbon nanotubes 19

1.2.1.1 Carbon và các dạng thù hình của nó 19

1.2.1.2 Carbon nanotubes 20

1.2.2 Cấu trúc & đặc điểm cơ bản của Carbon nanotubes 21

1.2.2.1 CNT đơn lớp (Single Wall Nanotubes – SWNTs) 21

1.2.2.2 CNTs đa lớp (Multi Wall Nano tube – MWNT): 22

1.2.2.3 Các dạng CNTs khác 22

1.2.3 Các tính chất của các vật liệu carbon nano 24

1.2.3.1 Tính chất cơ học 24

1.2.3.2 Tính chất điện 24

1.2.3.3 Độ hoạt động quang học 24

1.2.3.4 Độ hoạt động hoá học 25

1.2.4 Các ứng dụng của Carbon nanotubes 25

1.2.5 Sự sản xuất carbon nanotubes 25

CHƯƠNG 3: XỬ LÝ NƯỚC THẢI BẰNG XÚC TÁC QUANG HÓA 27

1.3.1 Tình hình nước thải hiện nay 27

1.3.1.1 Tổng quan về nguồn nước 27

1.3.1.2 Tổng quan về thành phần nước thải [26] 28

1.3.1.3 Các chỉ tiêu cơ bản về chất lượng nước thải 28

1.3.2 Các phương pháp xử lý nước thải 30

1.3.2.1 Các phương pháp xử lý nước thải truyền thống 30

1.3.2.2 Các phương pháp công nghệ cao trong xử lý nước[12] 31

PHẦN 2: THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ 33

CHƯƠNG 1: THỰC NGHIỆM 33

2.1.1 Nguyên liệu và thiết bị thí nghiệm 33

2.1.1.1 Nguyên liệu được sử dụng trong quá trình nghiên cứu 33

2.1.1.2 Thiết bị 33

2.1.2 Khảo sát khả năng hoạt tính quang hóa của TiO2 bột và TiO2 bột sấy 33

2.1.3 Lựa chọn kim loại dopping 34

2.1.3.1 Tổng hợp xúc tác 35

2.1.3.2 Đánh giá hoạt tính quang hóa giữa các xúc tác sau khi dopping 39

2.1.3.3 Biện luận lựa chọn kim loại doping 40

2.1.4 Tổng hợp xúc tác và các quá trình thực nghiệm 42

2.1.4.1 Đặc trưng nguyên liệu 42

2.1.4.2 Biến tính TiO2 thương mại dạng hạt sang TiO2 dạng ống nano bằng phương pháp thủy nhiệt 43

2.1.4.3 Doping Fe3+ lên TiO2 thương mại dạng hạt sang TiO2 dạng ống nano (Biến tính TiO2 thương mại dạng hạt bằng phương pháp thủy nhiệt) 45

2.1.4.4 Tổng hợp xúc tác TNT – CNT 45

2.1.4.6 Xử lí nước thải công nghiệp ô nhiễm chất hữu cơ (Methylen xanh) 49

2.1.5 Phương pháp đặc trưng 50

2.1.5.1 Hiển vi điện tử truyền qua 50

2.1.5.2 Hiển vi điện tử quét 51

2.1.5.3 Nhiễu xạ tia X (X-Ray Diffraction - XRD) 52

2.1.5.4 Hấp phụ đẳng nhiệt BET 54

2.1.5.5 Phương pháp phân tích nhiệt 57

CHƯƠNG 2: KẾT QUẢ VÀ BIỆN LUẬN 58

2.2.1 Những đặc trưng của xúc tác TNT, biến tính TNT 58

2.2.1.1 Kết quả về hình thái cấu trúc của TiO2 nano ống (TNT), biến tính của TNT tổng hợp từ TiO2 bột 58

2.2.1.2 Nhiễu xạ tia X 60

2.2.1.3 Hấp phụ đẳng nhiệt BET 63

2.2.1.4 Phân tích nhiệt TGA 64

2.2.2 Đánh giá hoạt tính của xúc tác qua phản ứng phân hủy Methylen xanh dưới tác dụng của xúc tác trên hệ thống phản ứng gián đoạn 65

2.2.2.1 Hoạt tính của TiO2 bột và TNT 65

2.2.2.2 Doping kim loại lên TiO2 bột và TNT, TNT – CNT 66

2.2.2.3 So Sánh hoạt tính của xúc tác khi doping Sắt và không doping Sắt 66

CHƯƠNG 3: KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT 72

2.3.1 Kết luận 72

2.3.2 Đề xuất 72

TÀI LIỆU THAM KHẢO 73

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1.1- Cơ chế tạo gốc OH* [12] 7Bảng 1.1.2 – Khả năng oxi hóa của một số tác nhân oxi hóa 8Bảng 1.1.3 – Phổ ánh sáng 11Bảng 1.1.4 - Thời gian các giai đoạn đặc trưng của phản ứng xúc tác quang hóa .16Bảng 1.3.1 – Giới hạn cho phép của các thông số và nồng độ các chất ô nhiễm cómặt trong nước 29Bảng 2.1 1 Đặc trưng MB 50Bảng 2.2 1 Bề mặt riêng của TiO2 bột và TNT 64Bảng 2.2 2 Ảnh hưởng của nồng độ Fe lên bước sóng hấp phụ và năng lượng vùngcấm 69

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 1 Sơ đồ của quá trình xúc tác quang hóa trên một TiO2 [10] 3

Hình 1.1 2 Mô tả quá trình oxi hóa quang xúc tác xảy ra trong TiO2 5

Hình 1.1 3 sơ đồ minh họa về năng lượng của quá trình quang xúc tác trên chất bán dẫn 6

Hình 1.1 4 Sự phân bố miền ánh sáng theo bước sóng 10

Hình 1.1 5 So sánh quang phổ mặt trời và quang phổ hấp thụ của TiO2 11

Hình 1.1 6 Cấu trúc Rutile 12

Hình 1.1 7 Cấu trúc Anatase 13

Hình 1.1 8 Cấu trúc Brookite 13

Hình 1.1 9 Mô hình cơ chế quá trình quang xúc trên chất bán dẫn TiO2 15

Hình 1.1 10 Những lĩnh vực ứng dụng chính của xúc tác quang TiO2 17

Hình 1.1 11 Năng lượng vùng cấm của TiO2 18

Hình 1.2 1 Các dạng thù hình của Carbon 19

Hình 1.2 2 Ba dạng thù hình của Carbon và những dẫn xuất của chúng 20

Hình 1.2 3 SWNT tiêu biểu nằm trong dạng những bó (bundle) 21

Hình 1.2 4 Hình ảnh chụp bằng TEM của SWNT trong dạng bó (a) và mặt cắt ngang tại đầu 1 SWNT đơn 22

Hình 1.2 5 Những dạng CNTs hình chữ Y được chụp bằng SEM – CNTs dạng hai xoắn nhau (double helical) 22

Hình 1.2 6 Hình ảnh dạng CNTs 2 đường xoắn nhau (double helical) – CNTs có cấu trúc như (Bamboo – like structure) 23

Hình 1.2 7 Những hình ảnh CNTs dạng cấu trúc giống cây tre (Bamboo – like structure) chụp bằng TEM 23

Hình 1.2 8 MWCNT có đầu hình mũi nhọn 24

Hình 2.1 1 (a) TiO2 bột và (b) TiO2 sấy qua đêm 34

Hình 2.1 2 Khả năng hoạt động của TiO2 khi doping Ag 35

Hình 2.1 3 Quy trình tổng hợp xúc tác 2%Ag/TiO2 36

(Tẩm và Trao đổi ion) 36

Hình 2.1 4 Xúc tác 2%Ag/TiO2 36

Hình 2.1 5 Quy trình tổng hợp xúc tác 2%Ag/TiO2 37

(Tẩm và Trao đổi ion) 37

Hình 2.1 6 Xúc tác 2%Fe/TiO2 37

Hình 2.1 7 Quy trình tổng hợp xúc tác 2%Ag/TiO2 38

(Tẩm và Trao đổi ion) 38

Hình 2.1 8 Xúc tác 1%Fe/TiO2 38

Hình 2.1 9 Xúc tác 2%Ag/TiO2 (Thủy nhiệt, P=1 atm) 38

Hình 2.1 10 Xúc tác 2%Fe/TiO2 (Thủy nhiệt, P=1 atm) 39

Hình 2.1 11 Xúc tác 1%Fe/TiO2 (Thủy nhiệt, P=1 atm) 39

Hình 2.1 12 Bước sóng hấp phụ của MB 40

Hình 2.1 13 (a) 2%Ag/TiO2 (60 phút) và (b) 1%Fe/TiO2 (60 phút) 40

Hình 2.1 14 Đồ thị thể hiện MB bị phân hủy theo thời gian 41

Hình 2.1 15 (a) 2%Ag/TiO2 (50 phút); (b) 2%Fe/TiO2 (50 phút) và (c) 1%Fe/TiO2 (40phút) 41

Hình 2.1 16 Bước sóng hấp phụ của TiO2 và Fe - TiO2 42

Hình 2.1 17 Ảnh cấu trúc CNT được chụp theo phương pháp hiển vi điện tử truyền qua TEM (a) và phương pháp hiển vi điện tử quét SEM (b) 43

Hình 2.1 18 CNT dạng hạt và dạng bột sau khi đã xử lí 43

Hình 2.1 19 Cấu trúc của Sodium Alginate 43

Hình 2.1 20 Hình ảnh thiết bị phản ứng thủy nhiệt 44

Hình 2.1 21 Sơ đồ quy trình xử lý TiO2 TM theo phương pháp thủy nhiệt 44

Hình 2.1 22 Sơ đồ quy trình tổng hợp xúc tác Tỉ lệ TiO2:CNT:FR là 3:1:0,4 46

Hình 2.1 23 SEM của TiO2 - CNT ( Gel hóa dị thể) 46

Hình 2.1 24 Sơ đồ tổng hợp vật liệu nano bằng phương pháp Sol - Gel 47

Hình 2.1 25 Sơ đồ quy trình tổng hợp xúc tác TNT với tỉ lệ TiO2:CNT là 1:0,05 bằng phương pháp thủy nhiệt 48

Hình 2.1.26 Sơ đồ quy trình tổng hợp xúc tác doping Fe lên TNT và CNT với tỉ lệ TiO2:CNT là 1:0,05 bằng phương pháp thủy nhiệt 49

Hình 2.1 27 Cấu tạo kính hiển vi điện tử truyền qua 51

Hình 2.1 28 Sơ đồ cấu tạo kính hiển vi điện tử quét (SEM) 52

Hình 2.1 29 - Các tia nhiễu xạ trên các mặt tinh thể của chất rắn 53

Hình 2.1 30 Phân loại đường đẳng nhiệt 56

Hình 2.2 1 TEM của TiO2 bột (a) và TNT (b) 58

Hình 2.2 2 SEM của TiO2 bột (c) và TNT (d) 59

Hình 2.2 3 TEM của Fe - TNT Hình 2.2 4 TEM của TNT - CNT 59

Hình 2.2 5 TEM của Fe - TNT – CNT 59

Hình 2.2 6 XRD của TiO2 bột 61

Hình 2.2 7 XRD của TNT 61

Hình 2.2 8 XRD của Fe – TNT 62

Hình 2.2 9 XRD của TNT – CNT 62

Hình 2.2 10 XRD của Fe- TNT – CNT 63

Hình 2.2 11 Giản đồ phân tích nhiệt của xúc tác TNT – CNT 64

Hình 2.2 12 So sánh hoạt tính của xúc tác quang hóa TiO2 bột và TNT 65

Hình 2.2 13 Ảnh hưởng của kích thước TiO2 khi doping kim loại 66

Hình 2.2 14 Cơ chế phản ứng của xúc tác khi doping Sắt 66

Hình 2.2 15 Cơ chế đề xuất cho khả năng tăng cường tính quang hóa của composite TiO2-CNT a) cơ chế của Hoffmann, CNT lấy electron và ngăn không cho electron tái kết hợp với lỗ trống b) cơ chế được đề xuất bởi Wang, CNT nhường electron ở vùng dẫn và lấy electron ở vùng hóa trị của TiO2 68

Hình 2.2 16 So sánh tốc độ xử lý của TNT và Fe – TNT 69

Hình 2.2 17 So sánh khả năng xử lý MB của TNT và Fe – TNT 69

Hình 2.2 18 Năng lượng vùng cấm khi doping Fe [39] 70

Hình 2.2 19 Khả năng xử lý của TNT-CNT và Fe-TNT-CNT 71

LỜI MỞ ĐẦU

Như chúng ta đã biết ô nhiễm môi trường là một vấn đề rất đáng quan tâm củatoàn thế giới, khí hậu biến đổi, trái đất ngày càng nóng lên là một quan ngại lớn chotoàn nhân loại Đây là hậu quả của quá trình khai thác thiên nhiên bừa bãi, không cótrách nhiệm bảo vệ môi trường, của quá trình công nghiệp hóa, hiện đại hóa, củacông nghiệp khai mỏ, công nghiệp luyện kim, công nghiệp hóa chất, nạn phá rừngphục vụ lâm nghiệp… Đồng thời quá trình sinh hoạt của con người góp phần khôngkém vào quá trình làm ô nhiễm môi trường đơn cử như nước thải, khí thải củangành công nghiệp hóa chất, khói thải của các nhà máy công nghiệp cũng như khóithải từ phương tiện giao thông của con người

Đứng trước thực trạng nêu trên, các nước trên thế giới đang nỗ lực tìm mọi cách

để hạn chế mức độ ô nhiễm thể hiện bởi những nghị định về môi trường như Nghịđịnh thư Kyoto với mục đích cắt giảm khí phát thải gây hiệu ứng nhà kính (ký ngày

11 – 12 – 1997) hay việc các nước ngày càng khắt khe hơn trong việc giới hạn hàmlượng các chất gây ô nhiễm trong nước thải và trong nhiên liệu Hiện nay thế giớiđang quan tâm và đầu tư nghiên cứu nhiều vào đặc tính xúc tác quang của một sốchất bán dẫn như TiO2 và các oxit kim loại khác

Đề tài của tôi là: “Nghiên cứu tổng hợp và tăng cường hoạt tính quang hóa củaTiO2 nano ống để xử lí nước thải công nghiệp ô nhiễm chất hữu cơ” với nội dungnhư sau:

Tổng quan lý thuyết về xúc tác quang hóa TiO2, CNT, xử lý nước thải hữu cơbằng xúc tác quang hóa

Do thời gian nghiên cứu có hạn và hạn chế về năng lực bản thân đề tài còn mắcnhiều thiếu sót, kính mong quý thầy cô nhận xét, bổ sung Tôi xin chân thành cảmơn

PHẦN I: LÝ THUYẾT CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ XÚC TÁC QUANG HÓA DỊ

1.1.1 Định nghĩa

Sự xúc tác là việc làm tăng tốc một phản ứng hóa học bởi một lượng nhỏvật chất, chất xúc tác, mà lượng và chất của nó không thay đổi trong trong quá trìnhphản ứng Một chất xúc tác chỉ có thể làm tăng tốc một phản ứng nhiệt động có thể

Nó không thể làm thay đổi vị trí cân bằng trong trường hợp của một phản ứng thuậnnghịch bởi vì động thái xúc tác làm tăng tốc phản ứng thuận và phản ứng nghịch vớicùng mức độ Mặt khác, một chất xúc tác đã cho không nhất thiết xúc tác như nhaucho tất cả hay một vài phản ứng có thể trong một hỗn hợp phản ứng Bằng việcchọn lựa chính xác một chất xúc tác, sự xúc tác có thể được dùng để thúc đẩy mộtcách chọn lọc phản ứng mong muốn Động thái chọn lọc và định hướng của sự xúctác này, cũng như việc thúc đẩy các phản ứng, chính là lý do của việc sử dụng rộngrãi các chất xúc tác trong công nghiệp hóa học

Trong sự xúc tác dị thể, pha xúc tác được phân tách với pha chất phản ứng Chất xúc tác thường là một chất rắn, trong khi các chất phản úng là khí hay lỏng.Các ví dụ của xúc tác dị thể như dây gai Pt – Rhodium được dùng để oxy hóaammoniac thành oxit nitơ, Niken trên kizengua để hidro hóa dầu ăn, cácaliminosilicat vô định hình và tinh thể được sử dụng để cracking các phân đoạn dầu

mỏ cao phân tử

Chất xúc tác quang hóa có thể tạo ra sự hấp thụ ánh sáng, các sự chuyểnhóa hóa học của các phản ứng đối tác Trạng thái kích thích của xúc tác quang hóatương tác nhiều lần với các phản ứng đối tác tạo thành các phản ứng trung gian và

tự tạo thành sau mỗi chu kỳ của các sự tương tác này

Sự xúc tác quang hóa được định nghĩa như là sự làm thay đổi vận tốc củamột phản ứng hóa học hay sự khơi mào dưới sự tác động của tia cực tím, tia khảbiến hay hồng ngoại với sự có mặt của một chất – chất xúc tác quang hóa – đã hấpthụ ánh sáng và được kéo theo trong sự chuyển hóa hóa học của các phản ứng đồnghành

Những nghiên cứu liên quan đến sự xúc tác quang hóa đã được bắt đầu từđầu những năm 70 [1] Về những ứng dụng trong lĩnh vực môi trường, nhất làchúng được phát triển để xử lý nước Nhiều nghiên cứu đã chứng minh hiệu quả củaphương pháp trên các họ hợp chất hữu cơ khác nhau như hydrocacbon no haykhông no [2], các hợp chất chứa oxy [3], các loại thuốc trừ sâu [4], các chất gây

màu [5], các axit béo [6], các chất hoạt động bề mặt [3] và các hợp chất vòng khác.Cái này cũng có liên quan đến một số hợp chất vô cơ độc hại như các hợp chất chứaAsen [7], các hợp chất chứa lưu huỳnh [8], [9] và các loại vi khuẩn

1.1.2 Giới thiệu về quá trình xúc tác quang hóa bán dẫn

1.1.2.1 Giới thiệu chung

Quá trình xúc tác quang hóa là một trong những quá trình oxi hóa bậc caonhờ tác nhân ánh sáng Trong khoảng hơn hai mươi năm trở lại đây được ứng dụngngày càng rộng rãi và được xem như là một quá trình có tầm quan trọng trong xử lýmôi trường Quá trình xúc tác quang hóa là quá trình tạo ra các tác nhân oxi hóa vàkhử mạnh, trong đó có quá trình oxi hóa dựa vào sự hình thành gốc OH* do tác độngcủa bức xạ UV lên các chất xúc tác bán dẫn

Quá trình này có nhiều đặc điểm nổi bật, thể hiện ở chỗ:

 Sự phân hủy các chất hữu cơ có thể đạt mức vô cơ hóa hoàn toàn

 Không phát sinh bùn bã thải

 Chi phí đầu tư, vận hành thấp

 Thực hiện trong điều kiện nhiệt độ và áp suất bình thường

 Có thể sử dụng nguồn UV nhân tạo hoặc thiên nhiên

 Chất xúc tác không độc và rẻ tiền

1.1.2.2 Nguyên lý

Sự xúc tác quang hóa dị thể là một quá trình phức tạp, là đề tài của nhiềunghiên cứu Cũng như tất cả các quá trình có chứa các phản ứng ở pha dị thể, quátrình xúc tác quang hóa có thể được chia làm 5 giai đoạn:

 Chất phản ứng khuếch tán tới bề mặt xúc tác

 Hấp phụ vật lí trên bề mặt xúc tác

 Phản ứng xảy ra

 Nhả hấp phụ sản phẩm

 Khuếch tán sản phẩm ra môi trường

Phản ứng quang hóa diễn ra trong giai đoạn 3 Khi một chất bán dẫn dạngoxit (TiO2, ZnO) hay dạng Chalcognure (CdS, ZnS) được chiếu sáng bởi các photon

có năng lượng lớn hơn hay bằng năng lượng vùng cấm Eg (hν ≥ Eg), có sự hấp thụcác photon và sự tạo thành, trong khối chất rắn, những cặp electron – lỗ trống phân

ly thành các quang electro tự do trong vùng dẫn và các lỗ trống trong vùng hóa trị[10]

Đồng thời, với sự có mặt của pha dòng (khí hay lỏng), một sự hấp phụ tựphát diễn ra và tùy thuộc vào thế oxy hóa khử (hay mức năng lượng) của mỗi chất

bị hấp phụ, một sự truyền điện tử đến chất nhận (Acceptor – A), trong khi các lỗ

trống mang điện dương được truyền đến các phân tử có khả năng nhường điện tử(Donor – D).

hν + (SC) → e- + p+ (1.1)

A (ads) + e- → A- (ads) (1.2)

D (ads) + p+ → D+(ads) (1.3)

Hình 1.1 1 Sơ đồ của quá trình xúc tác quang hóa trên một TiO 2 [10]

Mỗi ion được hình thành từ các phản ứng để tạo thành các sản phẩm trunggian và các sản phẩm cuối cùng Theo các phương trình (1.1) ÷ (1.3), sự kích thíchquang học của chất xúc tác xuất hiện như giai đoạn đầu của sự hoạt hóa hệ xúc táctổng Photon hiệu quả phải được coi như một chất phản ứng và dòng photon nhưmột pha riêng biệt, pha điện từ Năng lượng quang học phải phù hợp với sự hấp thụcác photon bởi chất xúc tác chứ không phải bởi các chất phản ứng Sự hoạt hóa củaquá trình được thực hiện bởi sự kích thích của chất xúc tác rắn chứ không phải bởi

sự kích thích của các chất phản ứng Không có quá trình quang hóa hóa học trongpha được hấp phụ, chỉ một chế độ của sự xúc tác quang hóa dị thể

1.1.2.3 Cơ chế quá trình xúc tác quang

Theo lý thuyết vùng, cấu trúc điện tử của kim loại gồm có một vùng (hoặcdải, băng – band) gồm những obitan phân tử liên kết được xếp đủ electron, được gọi

là vùng hóa trị (hoặc băng hóa trị – valance band – VB) và một vùng (hoặc băng)gồm những obitan phân tử phản liên kết còn trống electron, được gọi là vùng dẫn(hoặc dải, băng dẫn – conductance band – CB) Hai vùng này được chia cách bởimột hố năng lượng ngăn cách được gọi là vùng cấm, đặc trưng bằng năng lượngvùng cấm Ebg (bandgap energy), chính là độ chênh lệch về mặt năng lượng giữa hai

vùng nói trên Sự khác nhau về vật liệu dẫn điện, vật liệu cách điện và vật liệu bándẫn chính là sự khác nhau ở vị trí và năng lượng vùng cấm Đối với vật liệu dẫnđiện, vùng hóa trị và vùng dẫn nằm che phủ nhau và không có vùng cấm, nhờ đónhững electron chiếm đầy trong các obitan liên kết trong vùng hóa trị có thể dễdàng di chuyển sang các obitan phản liên kết còn trống trong vùng dẫn khi vật liệuđược đặt dưới một điện áp nào đó Ngược lại, đối với vật liệu cách điện, hai vùnghóa trị và vùng cấm nằm cách nhau khá xa, năng lượng vùng cấm lớn, các electrontrong vùng hóa trị không thể nào vượt qua vùng cấm để di chuyển vào vùng dẫnmặc dù đặt dưới một điện áp khá cao Vật liệu bán dẫn là vật liệu có tính chất trunggian giữa hai loại trên, những electron của các obitan ở vùng hóa trị nếu bị một kíchthích nào đó có thể vượt qua vùng cấm chuyển sang vùng dẫn điện có điều kiện.Nói chung, những chất có năng lượng vùng cấm Ebg lớn hơn 3,5 eV là những chấtcách điện, ngược lại khi Ebg thấp hơn 3,5 eV là các chất bán dẫn.

Những chất bán dẫn có Ebg thấp hơn 3,5 eV đều có thể làm chất xúc tácquang hóa (photocatalysis) vì khi được kích thích bởi những photon ánh sáng, cácelectron trên vùng hóa trị của chất bán dẫn sẽ bị kích thích và di chuyển lên vùngdẫn với điều kiện năng lượng các photon phải lớn hơn năng lượng vùng cấm Ebg.Kết quả trên vùng dẫn sẽ có các electron (e-

CB) mang điện tích âm do quá trình bức

xạ photon tạo ra, được gọi là electron quang sinh (photogenerated electron) và trên

vùng hóa trị sẽ có những lỗ trống (hole) mang điện tích dương (h+

VB), được gọi là lỗ

trống quang sinh (photogenerated hole) Chính những lỗ trống quang sinh và các

electron quang sinh này là nguyên nhân dẫn đến các quá trình hóa học xảy ra, baogồm quá trình oxy hóa với lỗ trống quang sinh mang điện tích dương và quá trìnhkhử electron quang sinh mang điện tích âm Khả năng khử và khả năng oxy hóa củacác electron quang sinh và lỗ trống quang sinh nói chung là rất cao so với nhiều tácnhân khử và tác nhân oxy hóa đã biết trong hóa học Các electron quang sinh có khảnăng khử từ + 0,5 đến - 1,5 volt, các lỗ trống quang sinh có khả năng oxy hóa từ+1,0 đến + 3,5 volt

Hình 1.1 2 Mô tả quá trình oxi hóa quang xúc tác xảy ra trong TiO 2

Các electron quang sinh và lỗ trống quang sinh có thể di chuyển ra bề mặtcủa hạt xúc tác sẽ tác dụng trực tiếp với các chất hấp phụ trên bề mặt Nếu chất hấpphụ trên bề mặt chất xúc tác bán dẫn là chất cho electron D (electron donor), các lỗtrống quang sinh sẽ tác dụng trực tiếp hoặc gián tiếp để tạo ra sản phẩm oxy hóa D+.Tương tự, nếu chất hấp phụ trên bề mặt chất xúc tác bán dẫn là chất nhận electron Aelectron acceptor), các electron quang sinh sẽ tác dụng trực tiếp hoặc gián tiếp đểtạo ra sản phẩm khử A-

Phản ứng quang xúc tác với chất bán dẫn có dạng tổng quát như sau:

(1.4)

Áp dụng quá trình quang xúc tác vào xử lý nước, A chính là oxy hòa tantrong nước và D chính là chất ô nhiễm hữu cơ Như vậy, quá trình oxy hóa quangxúc tác chất ô nhiễm chất hữu cơ về tổng thể được viết dưới dạng sau:

Sơ đồ năng lượng liên quan đến quá trình quang xúc tác được thấy rõ trênhình dưới đây:

Hình 1.1 3 sơ đồ minh họa về năng lượng của quá trình quang xúc tác trên chất bán dẫn

Một số phản ứng xảy ra khi có sự tạo thành electron quang sinh và lỗ trốngquang sinh khi có mặt nước và oxy:

Photocat + hν → h+ + e- (1.6)

H2O + h+ → OH* + H+ (1.7)2OH + 2 h+ → 2*O2- +2H+ (1.8)2H+ + e- → H2 (1.9)

2*O2- + H+ → HO2 (1.10)2HO2* → O2 + H2O2 (1.11)

H2O2 + *O2- → *OH + OH- + O2 (1.12)Một số chất bán dẫn là oxyt kim loại đơn giản và sunfur kim loại có nănglượng vùng cấm Ebg nằm dưới mức 3,5 eV, như TiO2 (Ebg=3,2 eV), WO3

(Ebg=2,8eV), α-Fe2O3 (Ebg=3,1 eV), SrTiO3 (Ebg=3,2 eV), ZnO (Ebg=3,2eV) [15 –19] đều có thể làm chất xúc tác quang hóa trên lý thuyết, nhưng thực tế trong số nàychỉ có TiO2 là chất thích hợp nhất hơn cả khi sử dụng vào xử lý môi trường Lý do

vì TiO2 có hoạt tính quang xúc tác cao nhất, trơ về hóa học và sinh học, bền vững,không bị ăn mòn dưới tác dụng của ánh sáng và hóa học, giá không đắt

Trong các oxyt kim loại kể trên, ZnO có thể được xem như là chất xúc tácquang hóa thích hợp nhất có thể thay thế cho TiO2 Tuy vậy ZnO lại không ổn định

vì bị hòa tan tạo ra Zn(OH)2 trên bề mặt các hạt ZnO, làm cho chất xúc tác mất dầnhoạt tính theo thời gian Do đó, cho đến nay chưa có chất xúc tác quang nào thaythế được cho TiO2

1.1.2.4 Các quá trình tạo ra gốc hydroxyl OH *

Do gốc hydroxyl OH* có khả năng oxi hóa rất mạnh, tốc độ phản ứng oxihóa rất nhanh và không chọn lọc khi phản ứng với các hợp chất khác nhau, nhiềucông trình nghiên cứu trong nhiều năm qua là tìm kiếm cách tạo ra gốc OH* trên cơ

sở các tác nhân oxi hóa thông thường như hydrogen peroxide thông qua phản ứng

hóa học (H2O2/Fe2+, O3/H2O2, O3/xúc tác) hay nhờ năng lượng bức xạ tia UV(O3/UV, H2O2/UV, O3+H2O2/UV, TiO2/UV) và các nguồn năng lượng cao (siêu âm,tia gamma, tia X, chùm electron)

Bảng 1.1.1- Cơ chế tạo gốc OH * [12]

STT Tác nhân phản ứng Phản ứng đặc trưng Tên quá trình

1 H2O2/Fe2+ H2O2 + Fe2+ → Fe3+ + OH- + OH* Fenton2

1.1.2.5 Những ưu việt của quá trình phân hủy oxi hóa bằng gốc tự do hydroxyl

OH *

 Gốc hydroxyl OH* và khả năng oxi hóa của gốc hydroxyl

Oxi hóa là quá trình trong đó electron được chuyển từ chất này sang chấtkhác Điều này tạo ra một thế điện cực được biểu thị bằng volt (V) so với thế điệncực của hydrogen bằng 0 Mỗi chất (tác nhân) oxi hóa đều có một thế oxi hóa khácnhau và đại lượng này dùng để đánh giá tính oxi hóa mạnh hay yếu khác nhau củachúng Khả năng oxi hóa được thể hiện qua thế oxi hóa và được sắp xếp theo thứ tựtrong bảng 1.1.2

Bảng 1.1.2 – Khả năng oxi hóa của một số tác nhân oxi hóa

Nhiều tác nhân oxi hóa mạnh đều các "gốc tự do", trong đó, gốc hydroxyl

OH* là tác nhân oxi hóa mạnh nhất

 Cơ chế phản ứng và phương thức phản ứng của gốc hydroxyl OH*

Một khi gốc tự do được hình thành, lập tức hàng loạt các phản ứng khácxảy ra liên tiếp theo kiểu chuỗi những gốc hoạt động mới Vì vậy, sự hình thành gốchydroxyl được xem như khơi mào cho hàng loạt các phản ứng khác xảy ra trongdung dịch Vì phản ứng của gốc hydroxyl không chọn lọc, nên quá trình đó tạo

nhiều sản phẩm trung gian, khó tiên đoán tất cả những sản phẩm oxi hóa trung giansinh ra trong quá trình.

Gốc hydroxyl có thể phản ứng với các chất ô nhiễm theo các kiểu sau đây:

 Phản ứng cộng với các hợp chất không no mạch thẳng hoặc vòngthơm, tạo ra gốc hydrolat hoạt động mới:

Mục đích mong muốn cuối cùng của quá trình oxy hóa các chất ô nhiễmtrong nước và nước thải là để “vô cơ hóa” hoặc “khoáng hóa”, tức chuyển hóa cácchất ô nhiễm hữu cơ thành các chất vô cơ đơn giản và không độc hại Cụ thể chuyểnhóa:

 Cacbon trong phân tử thành cacbon dioxyt

 Hydrogen trong phân tử các chất ô nhiễm thành nước

 Photpho trong phân tử chất ô nhiễm thành photphat hoặc photphoricaxit

 Sunfua trong phân tử chất ô nhiễm thành sunfat

 Nitơ trong phân tử chất ô nhiễm thành nitrat

 Halogen trong phân tử chất ô nhiễm thành halogen axit

 Các hợp chất vô cơ tạo thành trạng thái oxy hóa cao hơn như Fe2+

thành Fe3+

1.1.3 Xúc tác quang bán dẫn Titanium Dioxide

1.1.3.1 Tổng quan về vật liệu TiO2

TiO2 là một chất nhuộm màu trắng đục dễ tìm Hợp chất ổn định và có màunày được sử dụng một cách rộng rãi để chế tạo các sản phẩm đa dạng như giấy,nhựa, son môi, kem đánh răng và các sản phẩm dược Hơn nữa, các hạt TiO2 kíchthước 10 – 50 nm sở hữu những tính chất đặc biệt khác và có thể có những ứngdụng khác như các loại kính có khả năng tự làm sạch, lọc không khí và nước và lớpphủ chống vi khuẩn trên các tường, trên các vỏ tàu thủy… nhờ vào tính chất xúc tácquang hóa của nó Các nhà khoa học đã ứng dụng các tính chất quang hóa này để

loại bỏ oxit nitơ trong khói thải của các nhà máy điện Họ cũng nghiên cứu cácphương tiện để khai thác các xúc tác môi trường này để xử lý các phát thải của xechạy bằng nhiên liệu diesel TiO2 là một chất bán dẫn có năng lượng vùng cấm cao.Năm 1972, Fujishima và Honda đã khám phá ra sự phân chia nhờ xúc tác quang hóacủa nước trên các điện cực TiO2 Từ đó, các nhà khoa học đã thực hiện nhiều nghiêncứu chuyên sâu để nắm được quá trình cơ bản và để tăng cường hiệu quả xúc tácquang hóa của TiO2 Những năm vừa qua, những ứng dụng về làm sạch môi trường

là một trong những lĩnh vực hoạt động sôi nổi nhất của xúc tác quang hóa dị thể.Điều này được lấy ý tưởng từ tiềm năng ứng dụng của TiO2 trên cơ sở xúc tácquang hóa để phân hủy hoàn toàn các hợp chất nhiễm bẩn hữu cơ trong không khí

và trong nước đã sử dụng Một số chất bán dẫn có thể được sử dụng làm xúc tácquang hóa, như WO3, Fe2O3, CeO2, ZnO2 và ZnS Tuy nhiên, các sulfure kim loạichưa được ổn định để làm xúc tác trong môi trường dung dịch, do ăn mòn quang a-nốt và chúng cũng là những chất độc hại các ô-xít sắt bị ăn mòn quang ca-tốt Oxitkẽm không ổn định trong nước và tạo thành Zn(OH)2 trên bề mặt hạt xúc tác

 Đặc tính hấp thụ ánh sáng của TiO2

Như chúng ta đã biết chất xúc tác quang hóa hấp phụ những tia sáng nằmtrong vùng UV Tia UV có năng lượng lớn hơn nhiều so với năng lượng của các tiakhả kiến và tia hồng ngoại

Sơ đồ sau giới thiệu về sự khác nhau về miền của hai tia và được phân chiabởi bước sóng [11]

Hình 1.1 4 Sự phân bố miền ánh sáng theo bước sóng

Tia cực tím thông thường được tách ra 3 phần theo tác dụng của nó:

 Trong vùng UV – A (315 ÷ 400 nm), chúng là tia ít có hại nhất.Chúng thường được gọi là ánh sáng đen Chúng được làm để kíchthích những vật liệu huỳnh quang để tạo ra ánh sáng nhìn thấy được,chúng thường xuất hiện trong đêm

 Trong vùng UV – B (280 ÷ 315 nm), đây là những tia mang tính chấtphá hủy cao, vì năng lượng của chúng đủ để tạo ra những tổn hại chonhững cấu tạo sinh học Trong vùng tia sáng này, được xem như là

nguồn gây ung thư Chúng có thể hoàn toàn được hấp thụ bởi khíquyển.

 Trong vùng UV – C (100 ÷ 280 nm), chúng hoàn toàn bị hấp phụ bởikhông khí Khi những photon trong vùng này đến và va chạm vớikhông khí thì năng lượng của chúng đủ để tạo ra ozon Những đèn

UV – C thường dùng để xử lý nước vì tia này có thể tiêu diệt vikhuẩn Có thể tóm tắt phổ ánh sáng như sau:

Hình 1.1 5 So sánh quang phổ mặt trời và quang phổ hấp thụ của TiO 2

Nguồn ánh sáng này vô tận và đặc biệt phong phú ở Việt Nam Tuy phầnhấp thụ bức xạ tương ứng với bước sóng UV không lớn, chỉ khoảng 4% trong tổngbức xạ của ánh sáng mặt trời, nhưng hoàn toàn có thể tận dụng được nguồn UVthiên nhiên này để thực hiện các quá trình quang hóa học, đặc biệt các quá trìnhquang hóa nâng cao Với những nước nằm giữa 35o vĩ bắc và 35o vĩ nam, bức xạ

UV của mặt trời nói chung > 0,015 mW cm-2, năng lượng này đủ để thực hiện quátrình quang xúc tác [12].

Khi sử dụng nguồn bức xạ UV thiên nhiên cần lưu ý là năng lượng bức xạnày không cố định mà thay đổi theo mùa, theo ngày, theo giờ và theo cả thời tiếtmây mưa Do dòng photon không ổn định nên không thể lấy giá trị chính xác lượngbức xạ UV cung cấp cho quá trình phản ứng

a Tính chất vật lý

TiO2 là chất bột màu trắng tuyết, có trọng lượng riêng từ 4,13 ÷ 4,25 g/cm3;nóng chảy ở nhiệt độ cao gần 18000C TiO2 không tan trong nước, không tan trongcác acid như: acid sunfulric và acid chlohidric ngay cả khi đun nóng

Dioxyt titan – TiO2 là một chất bán dẫn, tồn tại dưới nhiều hình dạng cấutrúc khác nhau Dioxyt titan thuộc trong họ oxyt lớn có công thức tổng quát là

TinO2n-1 tồn tại dạng cấu trúc tinh thể, giá trị n nằm trong khoảng 4 ÷ 9 TiO2 có ba

dạng tinh thể: Rutile, Anatase và Brookite Trong đó, Anatase và Rutile là hai

dạng phổ biến hơn cả Ở nhiệt độ cao từ 600 ÷ 11000C thì các pha anatase vàbrookite sẽ chuyển thành rutile Khả năng quang xúc tác tồn tại nhiều ở dạnganatase và rutile

 Tinh thể Rutile thuộc hệ tứ phương, cấu tạo từ các đơn vị bát diệnTiO62- có góp chung cạnh và góc Pha rutile có năng lượng vùng cấm

là 3,05 eV, khối lượng riêng 4,2 g/cm3

Hình 1.1 6 Cấu trúc Rutile

 Tinh thể Anatase có cấu trúc tứ phương giãn dài với các bát diệnTiO62- không đều đặn Anatase có thể chuyển thành dạng Rutile ởcác điều kiện nhiệt độ thích hợp Anatase là dạng có hoạt tính mạnhnhất, có năng lượng vùng cấm là 3,25 eV, khối lượng riêng là 3,84 g/

cm3

7 Nhiệt dung riêng (cal/mol.0C) 12,96 13,2

b Tính chất hóa học

TiO2 ở dạng có kích thước micromet rất bền về hóa học, không tan trongacid Tuy nhiên, khi đưa về dạng có kích thước nanomet, TiO2 có thể tham gia một

số phản ứng với acid và kiềm mạnh

Các dạng oxit, hydroxit và các hợp chất của Ti (IV) đều có tính lưỡng tính

 Tính xúc tác quang của vật liệu TiO2

Dưới tác dụng của một photon có năng lượng ≈ 3,2 eV tương ứng với ánhsáng có bước sóng khoảng 387,5 nm (chính là dải bước sóng của UV-A) sẽ xảy raquá trình như sau:

Khi xuất hiện lỗ trống quang sinh mang điện tích dương (h+

VB), các lỗ trốngquang sinh này sẽ di chuyển ra bề mặt của hạt xúc tác, nếu trong môi trường nước

sẽ xảy ra những phản ứng tạo gốc hydroxyl *OH trên bề mặt hạt xúc tác như cácphương trình sau đây:



 O2*O2

e CB (gốc ion superoxyt) (1.15)

2 2

2 2

tạo ra thêm gốc *OH

Mặt khác, các electron quang sinh trên vùng dẫn e

-CB có xu hướng tái kếthợp với các lỗ trống quang sinh trên vùng hóa trị h+

VB kèm theo giải phóng nhiệthoặc ánh sáng

e - CB + h + VB → nhiệt và (hoặc) ánh sáng (1.18)

Để minh hoạ, có thể mô tả các quá trình trên như Hình 1.1.9 dưới đây:

Hình 1.1 9 Mô hình cơ chế quá trình quang xúc trên chất bán dẫn TiO 2

Bức xạ UV kích thích các electron từ vùng hóa trị di chuyển lên vùng dẫn,tạo ra lỗ trống quang sinh trên vùng hóa trị (h+

VB) và electron quang sinh trên vùngdẫn (e-

 Tái kết hợp electron quang sinh (e

-CB) và lỗ trống quang sinh (h+

VB)xảy ra trên bề mặt hạt xúc tác

 Quá trình tạo gốc *OH nhờ các lỗ trống quang sinh (h+

VB) di chuyển

ra bề mặt tác dụng với H2O và OH

- Quá trình tạo gốc *O2- nhờ các electron quang sinh (e

-CB) di chuyển

ra bề mặt hạt xúc tác khử oxy (O2) hòa tan

Các phản ứng kể trên theo Turchi và Ollis (1990) có thể xảy ra với phươngtrình như sau [13]:

(1) Hoạt hóa: TiO2  hv e CB h VB

(5) Bẫy electron quang sinh: III

Bảng 1.1.4 - Thời gian các giai đoạn đặc trưng của phản ứng xúc tác quang hóa

Tạo lỗ trống quang sinh (h+) và electron

fs (rất nhanh)(fs – femto, 10-15 s)

Phản ứng bẫy điện tích trên bề mặt:

h+

VB + >TiIVOH →{ >TiIV*OH}

e

-CB + > TiIVOH{TiIIIOH}

Phản ứng bẫy điện tích bên trong:

e

-CB + >TiIV→ >TiIII

10 ns (nhanh)(ns- nano second, 10-9 s)

100 ps (nhanh)(ps-pico second, 10-12 s)

10 nsPhản ứng tái kết hợp:

{>TiIV*OH} + chất ô nhiễm hữu cơ →

>TiIVOH + chất ô nhiễm bị oxy hóa

{>TiIIIOH} + O2→TiIVOH + *O2

-100 ns (chậm)

ms (rất chậm)(ms- mili second, 10-3 s)(ký hiệu: “>” chỉ phần bề mặt còn lại của xúc tác - > TiIVOH)

Qua số liệu bảng trên cho thấy hai giai đoạn xảy ra với thời gian đặc trưngchậm nhất là quá trình oxy hóa (100 ns) và khử oxy (ms), như vậy đây chính là haigiai đoạn quyết định tốc độ chung của quá trình tổng thể

1.1.3.2 Ứng dụng của TiO2

Hình 1.1 10 Những lĩnh vực ứng dụng chính của xúc tác quang TiO 2

1.1.3.3 Xu hướng sử dụng TiO2

Hoạt tính xúc tác quang hóa của TiO2 chỉ hoạt động trong vùng UV cóbước sóng từ 3 - 3,2 eV Vì vậy mà hơn hai thập kỉ qua đã có rất nhiều cuộc nghiêncứu để biến tính TiO2 để nó có thể hoạt động ở vùng ánh sáng khả kiến Và đã cónhiều cuộc nghiên cứu kết hợp TiO2 với các thành phần khác như:

 TiO2 – Một số kim loại (Ag, Fe, Au, Pt…) : Một số kim loại ( Ag,

Pt, Li, Zn, Cd, Mn, Fe, Ce, Cr, Al…) được kết hợp với TiO2 để tạo

ra những điểm giữ electron quang sinh, nhờ đó hạn chế được quátrình tái kết hợp và đồng nghĩa với sự nâng cao hoạt tính xúc tácquang hóa Ngoài ra, kim loại doping lên TiO2 sẽ bẫy electron, làmgiảm năng lượng vùng cấm Có sự thay đổi này là do các hạt kimloại đi vào trong TiO2 Do đó, ta có thể vừa tăng hoạt tính xúc tácquang hóa của TiO2 vừa sử dụng được vùng ánh sáng khả kiến và cảvùng ánh sáng tử ngoại.[15 – 19]

Hình 1.1 11 Năng lượng vùng cấm của TiO 2

Bên cạnh đó, có một số nghiên cứu kết hợp RuO2, RuS với TiO2 tạo

ra các điểm giữ lổ trống quang sinh và cũng đem lại hiệu quả tương tự nhưkhi kết hợp với các kim loại

 TiO2 - Một số nguyên tố phi kim (N, S, C, F): Khi khảo sát sản phẩmcủa sự kết hợp giữa TiO2 với các nguyên tố N, S, C, F… người tanhận thấy năng lượng vùng cấm Ebg giảm xuống Do đó, yêu cầu vềmức năng lượng để chuyển electron từ vùng hóa trị lên vùng dẫncũng giảm xuống, và có thể sử dụng vùng ánh sáng nhìn thấy để kíchthích quang hóa [15 – 19]

Việc kết hợp của TiO2 với một số thành phần khác nhờ các phương phápnhư: Thủy nhiệt, Đồng kết tinh, Nung kết, Sol – gel, Tẩm, …

Theo nhiệm vụ đề tài được giao, chúng em sử dụng vật liệu TiO2 có sẵn nên

sử dụng phương pháp tẩm làm cơ sở để tổng hợp các xúc tác cho giai đoạn khảo sát

hoạt tính xúc tác – là phương pháp phổ biến nhất hiện nay, có một số ưu điểm sovới các phương pháp khác đó là: đơn giản, lượng các chất thải độc hại thấp, sử dụngcác nguyên tố hoạt động hiệu quả hơn Có 2 phương pháp tẩm, đó là: tẩm ướt, tẩmkhô Phương pháp tẩm gồm các giai đoạn sau:

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ CARBON NANOTUBE1.2.1 Giới thiệu chung về Carbon và Carbon nanotubes

1.2.1.1 Carbon và các dạng thù hình của nó

Carbon là nguyên tố thứ 6 trong bảng hệ thống tuần hoàn với phân tử lượng12,01115 ± 0,00005 Carbon bao gồm 98,89% đồng vị 12C, và 1,11% đồng vị 13C vàvài đồng vị không bền khác Đồng vị 14C được hình thành bởi phản ứng 14N(n,p) 14Ctrong khí quyển, nó được sử dụng trong ngành khảo cổ học cho sự xác định tuổi các

cổ vật Chu kì bán rã của dạng phóng xạ  là 5570 năm [20]

Carbon là một nguyên tố có nhiều ứng dụng nhất trên Trái đất Nó có nhiềuthuộc tính được sử dụng ở nhiều lĩnh vực khác nhau tùy thuộc vào cách sắp xếp cácnguyên tử Carbon

Carbon có những dạng thù hình chủ yếu: Carbyne, Fullerenes, Nanotubes,Nanofibers, Graphite, Kim cương hình 1.2.1 Các dạng thù hình khác nhau nguyên

do cách sắp xếp các phân tử carbon trong cấu trúc tinh thể của nó [21]

Hình 1.2 1 Các dạng thù hình của Carbon

Hình 1.2 2 Ba dạng thù hình của Carbon và những dẫn xuất của chúng

1.2.1.2 Carbon nanotubes

Năm 1991, S Iijima khi phóng điện hồ quang giữa hai cực than lại pháthiện có những tinh thể cực nhỏ dài dạng ống bám ở Cathode [22], [23] Quan sát vàphân tích kỹ hơn thì đó là các ống rỗng đường kính chỉ vào cỡ 1,5 đến 2,0 nanomet,dài có thể đến cỡ micromet Vỏ của ống gồm các nguyên tử Carbon xếp theo đỉnhcác hình 6 cạnh rất đều đặn, hai đầu ống giống như là có hai nửa quả cầu fullerenesđậy kín lại Người ta gọi đó là các ống CNTs Carbon nanotube có 2 dạng lànanotube đơn lớp (SWNTs – Single Wall Nanotubes) và nanotube đa lớp (MWNTs– Multi Wall Nanotubes)

Những quan sát đầu tiên của Sumio, ông đã thực hiện được đó là dạngnanotube đa lớp (MWNTs), cho đến mãi 2 năm sau ông mới quan sát đượcnanotube đơn lớp (SWNTs) Năm 1996, Smalley đã tổng hợp những bó SWNTs.

Carbon nanotube là những vật liệu có cấu trúc hình trụ với những thuộctính làm cho nó có khả năng sử dụng đặc biệt do tỉ lệ vô cùng nhỏ nên có nhữngứng dụng về mặt điện tử và cơ khí Những ống này gồm những hình 6 cạnh tạothành giống như một mạch dạng tổ ong, mảnh hơn gấp 10000 sợi tóc con người.Carbon nanotube lý tưởng được mô tả là như một hình trụ được cuộn lại từ mộtmạng những hình 6 cạnh những nguyên tử Carbon và được đóng lại ở đoạn cuối vớimột nửa fullerenes

Hình 1.2 3 SWNT tiêu biểu nằm trong dạng những bó (bundle)

1.2.2 Cấu trúc & đặc điểm cơ bản của Carbon nanotubes

1.2.2.1 CNT đơn lớp (Single Wall Nanotubes – SWNTs)

Thật dễ dàng tưởng tượng ra cấu trúc SWNT Lý tưởng nhất, nó được xemxét như một tấm Graphen hoàn hảo không ghép nối, được cuộn lại với đường kínhtiêu biểu khoảng 1,4 nm, gần như Fullerene (C60), chúng có xu hướng hình thànhnhững bó song song với sự tiếp xúc và gồm có từ 10 đến hàng trăm CNTs (Đượcbiểu diễn trên hình 1.2.4(a) Phụ thuộc vào cách những tường Graphite của CNTsđược cuộn lại với nhau, chúng có thể hình thành một trong 3 dạng là kiểu ghế bành(arm chair), zig zag, hoặc chiral

Hình 1.2 4 Hình ảnh chụp bằng TEM của SWNT trong dạng bó (a) và mặt cắt ngang tại

đầu 1 SWNT đơn 1.2.2.2 CNTs đa lớp (Multi Wall Nano tube – MWNT):

Ống CNTs nhiều vách do nhiều ống đơn lồng vào nhau, đường kính ống tonhất bên ngoài cỡ 2 ÷ 25 nm, ống rỗng ở giữa đường kính cỡ 1 ÷ 8 nm, khoảng cáchgiữa các vách ở ống nhiều vách cỡ 0,34 nm Chiều dài mỗi ống có thể từ vài trămnanomet đến micromet Như vậy, ống CNTs có nhiều loại: loại đơn lớp (SingleWall Nanotubes-SWNTs), đa lớp (Multi Wall Nanotubes - MWNTs), có loại to nhỏdài ngắn khác nhau, nanotubes có thể còn bị rẽ nhánh Ngoài ra, ta còn quan tâmđến hai đầu ống CNTs như thế nào, kín hay hở Nói chung khi mọc lên ống nano làkín hai đầu, khi bẻ gãy, cắt vụn một đầu hay cả hai đầu đều có thể hở

1.2.2.3 Các dạng CNTs khác

CNTs chắc chắn là cấu trúc nano carbon quan trọng nhất, vừa từ quan điểm

cơ bản, vừa cho những ứng dụng tương lai Thoạt tiên, CNTs đơn giản được phânloại bởi carbon nanotube có đơn lớp (SWNTs) và carbon nanotube đa lớp(MWNTs) như đã giới thiệu ở trên Những kiểu CNTs khác nhau đã được tổng hợpqua nhiều quá trình

Hình 1.2.5 thể hiện CNTs dạng chữ Y được chụp bằng SEM

Hình 1.2 5 Những dạng CNTs hình chữ Y được chụp bằng SEM – CNTs dạng hai xoắn

nhau (double helical)

Hình 1.2 6 Hình ảnh dạng CNTs 2 đường xoắn nhau (double helical) – CNTs có cấu trúc

như (Bamboo – like structure)

Hình 1.2 7 Những hình ảnh CNTs dạng cấu trúc giống cây tre (Bamboo – like structure)

chụp bằng TEM

- MWCNTs có đầu hình mũi nhọn (Cone Shape End Caps)

Ta có thể làm một phép so sánh với thép và nhận thấy rằng Nanotubes nhẹhơn thép 6 lần và bền hơn thép 100 lần, lấy mũi nhọn nén vào đầu ống, ống bị uốncong nhưng đầu ống không bị hư hại gì Nếu thôi không tác dụng lực nữa ống thẳnglại như ban đầu

1.2.3.2 Tính chất điện

Điện trở của nó được xác định bởi lớp vỏ lượng tử và hoàn toàn không phụthuộc vào chiều dài ống Độ dẫn điện phụ thuộc vào cấu trúc (m,n), nếu ta thay đổicấu trúc thì Nanotubes có thể thay đổi độ dẫn điện từ điện môi đến bán dẫn rồi đếndẫn điện như kim loại [24]

Độ dẫn điện của loại đơn lớp cũng phụ thuộc vào đường kính của ống cũngnhư lực tác dụng lên ống

Độ hoạt động hoá học của SWNTs là do tính bất đối xứng của Orbital – π

do sự uốn cong của tầm Graphit Vì vậy, phải phân biệt rõ thân và nắp của ốngnano, chúng có độ hoạt động hoá học khác nhau (là do sự uốn cong này) Và cũng

vì vậy mà các ống nano có đường kính nhỏ hoạt động hơn [25] Có thể thay đổi cácliên kết cộng hoá trị của vách hay nắp bằng cách hoà tan trong dung môi Và rất khókhi khảo sát trực tiếp sự biến đổi hoá học khi mẫu sản phẩm thô chưa được làmsạch

1.2.4 Các ứng dụng của Carbon nanotubes

Carbon nanotubes đã thu hút nhiều chú ý của toàn thế giới với những thuộctính duy nhất của nó mà đang dẫn tới nhiều ứng dụng đầy hứa hẹn Những ứngdụng đã được báo cáo:

 Những sự tăng cường trong composite chất lượng cao

 Đầu dò nanoprobes trong khí tượng học và y – sinh học

1.2.5 Sự sản xuất carbon nanotubes

Có nhiều phương pháp từ phát triển hồ quang điện đã được tìm ra để sảnxuất các cấu trúc carbon nano Thực chất các cấu trúc carbon nano được hình thànhcùng một cách nhưng quá trình gây ra sự hình thành là khác nhau

Phương pháp đầu tiên để sản xuất là qua hồ quang điện Nhưng phươngpháp được ưu chuộng nhất là phương pháp Kết tụ hóa học trong pha hơi – Chemical

Vapor Deposition (CVD) Có nhiều cách để gây ra sự bay hơi carbon như là Hồquang điện, hoặc cắt laser hoặc dùng năng lượng mặt trời

Những phương pháp hóa học được tìm thấy để sản xuất các vật liệu nanocarbon như là sự phân hủy hydro carbon có xúc tác, sự sản xuất bằng phương phápđiện phân, sự nhiệt luyện polymer, nhiệt phân rắn ở nhiệt độ thấp Vài phương phápkhác cũng được tìm thấy để dùng sản xuất các cấu trúc cacbon nano như dùng mỏphun plasma, phương pháp hồ quang điện xoay chiều dưới nước và những phươngpháp sản xuất trong một môi trường vi mô

CHƯƠNG 3: XỬ LÝ NƯỚC THẢI BẰNG XÚC TÁC QUANG

HÓA1.3.1 Tình hình nước thải hiện nay

1.3.1.1 Tổng quan về nguồn nước

Trên thế giới hiện nay, trữ lượng nước tồn tại trên bề mặt trái đất (nướcbiển, nước ao hồ, nước trên các dòng sông, nước tồn tại ở dạng băng…) vào khoảng1,4 tỉ km3 Trữ lượng nước uống được vào khoảng 9000 km3 Trong đó Việt Nam làmột quốc gia luôn được xem là có nguồn nước dồi dào nhờ vào hệ thống sông hồchằn chịt và hằng năm có một lượng mưa tương đối lớn Tuy nhiên, vấn đề sử dụngnguồn nước sạch hiệu quả và tình trạng thiếu nguồn nước sạch đang diễn ra tươngđối nghiêm trọng ở quốc gia này Nguyên nhân chính là do sự ô nhiễm nguồn nướcngày càng trở nên trầm trọng và thu hẹp trữ lượng của nguồn nước sạch Sự tăngtrưởng một cách nhanh chóng về kinh tế và xã hội, từ thời kỳ đổi mới năm 1986 đếnnay đã gây ra sự ô nhiễm nguồn nước ngày càng trầm trọng trên tất cả các thành thịcũng như nông thôn nước ta hiện nay, và chất lượng các nguồn nước ở Việt Namhiện nay càng ngày càng xuống cấp Ngoài ra, do sự hạn chế của khả năng cung cấpnước và chưa có những phương pháp xử lý nguồn nước đã qua sử dụng một cáchhiệu quả nên một số vùng ở nước ta còn nằm trong tình trạng thiếu nước sạch chosinh hoạt cũng như sản xuất

Bên cạnh đó, nước thải từ các khu đô thị, các khu công nghiệp được thảitrực tiếp vào đồng ruộng, kênh rạch, ao hồ, sông ngòi mà không được xử lý chấtđộc hại Trên toàn quốc, số lượng nước thải gia dụng và kỹ nghệ không được gạnlọc, không được xử lý được thải trực tiếp vào sông ngòi ước tính khoảng 240 đến

300 triệu m3 một năm Theo ước tính của Ngân Hàng Thế Giới số liệu này sẽ tănglên gấp 10 lần vào năm 2010 [26]

Việc thải nước không qua xử lý chất độc hại đã gây nên tình trạng ô nhiễmnguồn nước nghiêm trọng ở các thành phố lớn như Hà Nội, TP Hồ Chí Minh, ViệtTrì, Hải Phòng, Biên Hòa… Theo báo cáo hiện trạng môi trường Việt Nam năm

2000 “Hầu hết các sông ngòi được theo dõi đều bị ô nhiễm các chất như N và P, từ

4 đến 20 lần cao hơn tiêu chuẩn cho nước loại B (loại nước không uống được)”[12] Tình trạng ô nhiễm các chất hữu cơ trên sông Sài Gòn và sông Đồng Nai là rấtnghiêm trọng [26] Các thành phố lớn, trên các dòng sông có độ BOD (Biochimicaloxygen demand) cao gấp 2,5 đến 7,5 lần tiêu chuẩn nước uống của Việt Nam và củacộng đồng Châu Âu, chứng tỏ nước chứa nhiều chất hữu cơ, cá không thể sống trêncác dòng sông này vì hàm lượng oxy nhỏ hơn 4 mg/l [26]

Ngoài các chất hữu cơ và chất đạm, hóa chất độc hại cũng hiện diện trongnước thải Một số nghiên cứu về nhà máy Giấy Bãi Bằng trong tỉnh Vĩnh Phúc đãphát hiện có chất độc thuộc họ dioxin trong cây cỏ cú, trong bùn lắng ở ao hồ vànguồn nước nhận nước thải của nhà máy [26] Đáng chú ý nhất là những chất ônhiễm hữu cơ bền vững (Persistent Organic Pollutants – POPs), là những chấtkhông bị phân hủy trong môi trường theo thời gian và ngay cả khi di chuyển từvùng này sang vùng khác Thuốc trừ sâu có chứa chlorine và PCBs (Polychlorinatedbiphenyls) cũng được phát hiện ở trầm tích cửa sông Hậu [26].

1.3.1.2 Tổng quan về thành phần nước thải [26]

Thành phần những chất trong nước thải: các chất hữu cơ, vô cơ và sinh vật

- Các chất hữu cơ trong nước thải sinh hoạt chiếm khoảng 50 – 60% tổng cácchất gồm các chất hữu cơ thực vật: cặn bã thực vật, rau, quả, giấy… và các chất hữu

cơ động vật chất thải bài tiết của con người và động vật, xác động vật… Các chấthữu cơ trong nước thải theo đặc tính hóa học gồm chủ yếu là protein (chiếm khoảng

40 – 60%), hydrat cacbon (25 – 50%), các chất béo, dầu mỡ (10%) Urê cũng làchất hữu cơ quan trọng trong nước thải sinh hoạt…

- Các chất vô cơ trong nước thải chiếm 40 – 42% gồm chủ yếu: cát, đất sét,các axit, bazơ vô cơ, muối khoáng…

Ngoài ra, trong nước thải luôn có mặt nhiều dạng vi sinh vật: vi khuẩn, virus,nấm, rong tảo, trứng giun sán… Trong số các dạng sinh vật đó có thể có cả các vitrùng gây bệnh như: lỵ, thương hàn… có khả năng gây thành dịch bệnh

1.3.1.3 Các chỉ tiêu cơ bản về chất lượng nước thải

1.3.1.3.1 Các chỉ tiêu lý học

- Chất rắn tổng cộng: chất rắn tổng cộng bao gồm các chất rắn không tan

hoặc các chất rắn lơ lửng và các chất tan đã được hòa tan vào trong nước

- Mùi: Việc xác định mùi trong nước thải ngày càng quan trọng, đặc biệt là

các tác hại của nó gây ra cho sức khoẻ của con người và môi trường sống Hợp chấtmùi đặc trưng nhất là hydrosulfua (H2S – mùi trứng thối) Các hợp chất khác, chẳnghạn như indiol, skatol, cadaverin và mercaptan, được tạo thành dưới điều kiện yếmkhí có thể gây ra những mùi khó chịu hơn cả H2S

- Nhiệt độ: Nhiệt độ của nước thải thường cao hơn nhiệt độ của nước cấp vì

trong quá trình thải nước nóng hoặc ấm từ các hoạt động của sinh hoạt, thương mạihay công nghiệp Nhiệt độ của nước thải là một trong những thông số quan trọngliên quan đến các thông số lắng của các hạt cặn, ảnh hưởng đến độ nhớt của chấtlỏng Nước thải thải ra từ các khu đô thị thường dao động từ 24 đến 30oC

- Độ màu: Độ màu của của nước thải là do các chất thải sinh hoạt, công

nghiệp, thuốc nhuộm hoặc do các sản phẩm tạo ra từ quá trình phân hủy các hợpchất hữu cơ Đơn vị đo độ màu thông dụng là Pt – Coban (Pt – Co)

- Độ đục: Độ đục của nước thải là do các chất lơ lửng và các chất dạng keo

chứa trong nước thải tạo nên Đơn vị đo độ đục thông dụng là NTU

1.3.1.3.2 Các chỉ tiêu hóa học và sinh hóa

- pH: pH là chỉ tiêu đặc trưng cho tính axit của hoặc tính bazơ của nước và

được tính bằng nồng độ của ion hydro Giá trị pH là chỉ tiêu quan trọng nhất trongquá trình xử lý bởi tốc độ của quá trình này phụ thuộc đáng kể vào sự thay đổi của

pH Các quá trình xử lý nước thải thường hoạt động tốt khi pH = 6,5 – 8 [27]

- Nhu cầu oxy hóa học – COD: Nhu cầu oxy hóa học (COD: Chemical

Oxygen Demand) là lượng oxy cần thiết để oxy hóa toàn bộ các chất hữu cơ cótrong nước thải, kể cả các chất hữu cơ không bị phân hủy sinh học Đơn vị đo củaCOD là mgO2/l hay đơn giản là mg/l [28]

- Nhu cầu oxy sinh hóa – BOD: Nhu cầu sinh hóa ( BOD: Biochimical

Oxygen Demand) là một thông số đặc trưng cơ bản đặc trưng cho mức độ ô nhiễmnước thải bởi các chất hữu cơ có thể bị oxy hóa sinh hóa (các chất hữu cơ dễ phânhủy sinh học) Được tính bằng mgO2/l hay đơn giản là mg/l [28]

- Bên cạnh đó còn có các chỉ tiêu về Nitơ, chỉ tiêu về chất hoạt động bềmặt, oxy hòa tan, kim loại nặng và các chất độc hại

Tiêu chuẩn Việt Nam (TCVN 5942 – 1995) đã đưa ra các giới hạn chophép của các thông số và nồng độ các chất ô nhiễm có mặt trong nước:

Bảng 1.3.1 – Giới hạn cho phép của các thông số và nồng độ các chất ô nhiễm có mặt

- A: Nguồn nước loại A gồm sông, hồ dùng làm nguồn nước cho ăn uống,sinh hoạt của nhân dân nhưng phải qua xử lý.

- B: Nguồn nước loại B gồm các nguồn nước sông, hồ dùng trong mục đíchkhác (dùng trong bơi lội, du lịch, nghỉ ngơi…)

1.3.2 Các phương pháp xử lý nước thải

Hiện tại người ta chia thành 2 loại nước cần xử lý:

Xử lý nguồn nước uống được: nguồn nước tự nhiên trên bề mặt và nướctrong lòng đất

Nguồn nước đã qua sử dụng có chứa nhiều cấu tử độc hại và những cấu tửkhông thể tự phân hủy được

1.3.2.1 Các phương pháp xử lý nước thải truyền thống

1.3.2.1.1 Phương pháp xử lý bằng cơ học

Xử lý cơ học là nhằm loại bỏ các tạp chất không hòa tan chứa trong nướcthải và được thực hiện ở các công trình xử lý: song chắn rác, bể lắng cát, bể lắng, bểlọc cát…

Trong thực tế thì quá trình xử lý cơ học chỉ là giai đoạn xử lý sơ bộ trướckhi xử lý tiếp theo nhằm hạn chế những ảnh hưởng của các chất rắn đến hiệu quả xử

lý của các giai đoạn tiếp theo

1.3.2.1.2 Xử lý nước thải bằng phương pháp hóa học và hóa lý

Các phương pháp xử lý hóa học và hóa lý gồm: trung hòa, kết tủa cặn, oxyhóa khử, keo tụ bằng phèn nhôm, phèn sắt, tuyển nổi, hấp phụ…

Phương pháp hóa học và hóa lý chủ yếu được sử dụng để xử lý nước thảicông nghiệp

1.3.2.1.3 Xử lý nước bằng phương pháp sinh hóa

Cơ sở của phương pháp xử lý sinh học nước thải là dựa vào khả năng oxyhóa các liên kết hữu cơ dạng hòa tan và không hòa tan của vi sinh vật Chúng sửdụng liên kết đó như là nguồn thức ăn của chúng

1.3.2.1.4 Xử lý nước thải mức độ cao (xử lý bổ sung)

Xử lý nước ở mức độ cao được ứng dụng trong các trường hợp yêu cầugiảm thấp nồng độ chất bẩn (theo chất lơ lửng, COD, BOD, nitơ, photpho…) saukhi đã xử lý sinh học trước khi xả vào nguồn nước Nước thải sau khi được xử lý ởmức độ cao có thể sử dụng lại trong các quá trình công nghệ của nhà máy và do đógiảm được lượng nước thải xả vào nguồn, giảm nhu cầu sử dụng nước cho sản xuất

1.3.2.2 Các phương pháp công nghệ cao trong xử lý nước [12]

1.3.2.2.1 Công nghệ lọc bằng màng (Membrane Filtration Technologies)

Công nghệ lọc màng được định nghĩa tổng quát là các công nghệ sử dụngmàng bán thấm (semipermeable membrane) để thực hiện quá trình phân chia dòngnước đầu vào thành hai phần: phần nước thấm qua màng là nước sạch, phần bị cảnlại không qua màng là phần chứa các chất ô nhiễm cần xử lý Màng lọc chính là bộrào cản chọn lọc, cho vật này đi qua nhưng không cho vật khác đi qua

Nhược điểm của phương pháp này là quá trình xử lý có thể bị gián đoạn bởi

sự tích tụ chất bẩn trên bề mặt màng lọc và chi phí tương đối lớn Các công nghệ lọcmàng phổ biến nhất hiện nay bao gồm các công nghệ sau:

 Công nghệ lọc micro (Microfiltration - MF)

 Công nghệ lọc ultra (Ultrafiltration – UF)

 Công nghệ lọc nano (Nanofiltration – NF)

 Công nghệ thẫm thấu ngược (Reverse omsis – RO)

1.3.2.2.2 Công nghệ khử trùng bằng bức xạ tử ngoại (Utraviolet Irradiation Disinfection)

Hiệu quả khử trùng bằng bức xạ UV cao hơn và triệt để hơn so với các chấtkhử trùng truyền thống là clo Đồng thời không có nguy cơ tạo các hợp chất phụđộc hại Tuy nhiên việc khử trùng bằng bức xạ UV đòi hỏi vi khuẩn phải hấp phụnăng lượng UV Do đó, mọi cản trở tia UV tiếp cận với vi khuẩn đều làm giảm hiệuquả khử trùng

1.3.2.2.3 Công nghệ phân hủychất ô nhiễm hữu cơ dựa trên các quá trình oxy

hóa nâng cao (Advanced Oxidation Processes – AOPs)

Một trong những công nghệ cao nổi tiếng trong thời gian gần đây là côngnghệ phân hủy khoáng hóa chất ô nhiễm hữu cơ trong nước và nước thải dựa trêncác quá trình oxy hóa nâng cao Hiện nay, người ta chia các quá trình oxy hóa nângcao thành hai lĩnh vực riêng lẻ:

 Các quá trình oxy hóa nâng cao không nhờ tác nhân ánh sáng

(Advanced Non-photochemical Oxidation Processes – ANPOs).

 Các quá trình oxy hóa nâng cao nhờ tác nhân ánh sáng (Advanced Photochemical Oxidation Processes – APOs).

Trong phạm vi của đề tài, tôi thiên về nghiên cứu các quá trình oxy hóanâng cao nhờ tác nhân là ánh sáng mặt trời dựa trên cơ sở của xúc tác quang hóa làTiO2 là một chất bán dẫn Quá trình oxy hóa dựa vào sự sinh ra gốc hydroxyl khi có

sự chiếu các tia bức xạ UV lên bề mặt chất bán dẫn TiO2 Bởi vì gốc hydroxyl *OH

là tác nhân oxy hóa mạnh nhất