Báo cáo tiểu luận quang xúc tác nano titan oxide

Báo cáo tiểu luận quang xúc tác nano titan oxide

Báo cáo tiểu luận

CBGD: PGS TS NGUYỄN NGỌC HẠNH HVTH: NGUYỄN THANH THẢO UYÊN

QUANG XÚC TÁC NANO TITAN OXIDE

a) Anatase b) Rutile c) Brookite

Hình 1 Cấu trúc tinh thể TiO 2

Cấu trúc vật liệu TiO 2

1 TỔNG QUAN

Cấu trúc vật liệu TiO 2

Cấu trúc vật liệu TiO 2

Bảng 1: Tỉ khối và năng lượng vùng cấm TiO 2

Rutile Anatase

• Quá trình quang xúc tác là một trong những

quá trình oxy hóa nâng cao nhờ tác nhân

• Quá trình oxy hóa nâng cao được định nghĩa

là những quá trình phân hủy oxy hóa dựa vào gốc tự do hoạt động hydroxyl *OH được

tạo ra in situ ngay trong các quá trình xử

lý.

Quang xúc tác

1 TỔNG QUAN

Quang xúc tác

Quang xúc tác

1 TỔNG QUAN

Quang xúc tác

Cơ chế hình thành gốc tự do hydroxyl *OH

H 2 O 2 + e - CB → *OH + OH

-Gốc hydroxyl *OH có thể tác kích với các chất ô nhiễm theo các kiểu sau đây:

i) Phản ứng cộng với các hợp chất không no dây thẳng hoặc vòng thơm, tạo ra gốc mới hydroxylat hoạt động:

*OH + CH2=CH2 → *CH2-CH2(OH)

1 TỔNG QUAN

Cơ chế và phương thức phản ứng của *OH

Gốc hydroxyl *OH có thể tác kích với các chất ô nhiễm theo các kiểu sau đây:

ii) Phản ứng tách hydrogen từ các hợp chất

no hoặc không no, tạo thành nước và gốc mới hoạt động:

*OH + CH3-CO-CH3 → *CH2COCH3 + H2O

Cơ chế và phương thức phản ứng của *OH

Gốc hydroxyl *OH có thể tác kích với các chất ô nhiễm theo các kiểu sau đây:

iii) Phản ứng trao đổi điện tử tạo ra gốc ion mới hoạt động:

*OH + CH3-S-C6H5 → [CH3-S-C6H5]+* + OH

-1 TỔNG QUAN

Cơ chế và phương thức phản ứng của *OH

Quá trình phản ứng tiếp tục phát triển nhờcác gốc tự do mới sinh ra theo kiểu phản ứng dây chuỗi cho đến khi vô cơ hóa (khoáng hóa) hoàn toàn hoặc dây chuỗi bị đứt.

Cơ chế và phương thức phản ứng của *OH

2 ỨNG DỤNG

Oxy hóa các hợp chất hữu cơ

• Dệt nhuộm và ngành công nghiệp thuốc nhuộm tạo nên phần lớn các hợp chất hữu cơ nguy hại đối với môi trường

• Khoảng 1 – 20% tổng lượng thuốc nhuộm thoát ra trong suốt quá trình nhuộm và giải phóng ra môi trường

• Giải phóng những chất màu ra nước thải

2 ỨNG DỤNG

Oxy hóa các chất màu

Phương pháp cổ điển:

 Hấp phụ trên than hoạt tính;

 Siêu lọc;

 Thẩm thấu ngược;

 Keo tụ bởi tác nhân hóa học;

 Trao đổi ion;

……

Oxy hóa các chất màu

H Lachheb và các cộng sự, năm 2002 đã khảo sát xúc tác quang hóa TiO2 dạng dung dịch huyền phù khi chiếu xạ UV phân hủy 3 loại thuốc nhuộm: Congo Red (CR), Crocein Orange (OG), và Methyl Red (MR)

2 ỨNG DỤNG

Oxy hóa thuốc nhuộm

Oxy hóa thuốc nhuộm

2 ỨNG DỤNG

Acid Orange 7 (AO 7) khi sử

 Trong công nghiệp và trong cuộc sống hằng ngày, hợp chất phenol được sử dụng rộng rãi và trở thành nguồn ô nhiễm chính trong nước

 Bởi vì tính ổn định khó phân hủy nên chúng tồn tại trong môi trường khá dài

 Độc tính cao và có khả năng gây ung thư

2 ỨNG DỤNG

Oxy hóa phenol

Kỹ thuật xử lý nước cổ điển để loại phenol:

• Hấp phụ bằng cacbon hoạt tính;

• Oxy hóa hóa học;

• Phân hủy sinh học

Oxy hóa phenol

Rahmani AR PhD và các cộng sự, năm 2008 khảo sát khả năng phân hủy phenol bằng xúc tác quang hóa TiO2 có sự hiện diện UV

2 ỨNG DỤNG

Oxy hóa phenol

Oxy hóa phenol

Oxy hóa phenol

2 ỨNG DỤNG

Oxy hóa chất khí

 Nitric oxide (NO và NO2)

 Sulfur dioxide (SO2)

 Cacbon monoxid (CO)

 Các hợp chất dễ bay hơi (VOCs)

Ảnh hưởng nghiêm trọng đến sức khỏe như gây buồn ngủ, đau đầu, đau họng và tinh thần mệt mỏi…

Oxy hóa các chất khí

2 ỨNG DỤNG

Oxy hóa khí NO

• TiO2 (Degussa) dạng thương mại.

• Sử dụng màng lọc đặc biệt hiệu quả cao (HEPA) và cacbon hoạt tính (AC)

• Quạt ly tâm sử dụng để hướng không khí đi vào chất xúc tác

• Tại bề mặt màng TiO2 được chiếu UVA, UVC

• Nồng độ NO được đo bằng hệ thống phân tích NO Chemiluminescence (Thermo

Oxy hóa khí NO

2 ỨNG DỤNG

Oxy hóa khí NO

Oxy hóa khí NO

Hình 13 Sử dụng TiO 2 và TiO 2 /AC loại NO

2 ỨNG DỤNG

Oxy hóa khí NO

• Cơ chế phân hủy NO bằng TiO2

NO + HO* → HNO2

HNO2 + HO* → NO2 + H2O

NO2 + HO* → NO3- + H+

Oxy hóa khí NO

• Sangman Hwang và các cộng sự, năm 2003 nghiên cứu khả năng oxy hóa CO trên quang xúc tác TiO2 Tác giả sử dụng 3 loại TiO2thương mại: Degussa P25 (TiO2-D), ISK STS-01 (TiO2-I) và Hombikat UV-100 (TiO2-H)

• Màng TiO2 được phủ trên đĩa thủy tinh diện

2 ỨNG DỤNG

Oxy hóa khí CO

Oxy hóa khí CO

Hình 15 Khả năng oxy hóa CO trên các hệ phản ứng

khác nhau theo thời gian

Cơ chế quá trình oxy hóa CO được mô tả

2 ỨNG DỤNG

Oxy hóa khí CO

Formaldehyde (HCHO) từ các tòa nhà, từ vật liệu và các sản phẩm tiêu dùng là một trong nguồn tạo VOCs bên môi trường ngoài HCHO là nguyên nhân gây kích ứng da, mắt, đường hô hấp.

Oxy hóa khí HCHO

Song Sun và các cộng sự, vào năm 2010 đã nghiên cứu khả năng oxy hóa của xúc tác quang hóa TiO2 Tác giả đã sử dụng TiO2thương mại (Degussa P25)

2 ỨNG DỤNG

Oxy hóa khí HCHO

Oxy hóa khí HCHO

Hình 16 Độ chuyển hóa formaldehyde thành sản phẩm

cuối cùng là CO 2 ; a) khan, b) ẩm

2 ỨNG DỤNG

Oxy hóa khí HCHO

Tốc độ phân hủy HCHO trên TiO2 trong môi trường ẩm có phần cao hơn là do có sự hiện diện của nước, đã tạo ra gốc tự do *OH cóthế oxy hóa cao, xúc tiến cho sự hình thành formate trung gian, và sản phẩm cuối cùng là

CO2 và H2O

Oxy hóa khí HCHO

3 KẾT LUẬN

Khoa học tự nhiên và công nghệ, 283 – 305 (2007)

• 2 Trần Mạnh Trí, Trần Mạnh Trung Các quá trình oxy hóa nâng cao trong xử lý

nước và nước thải – Cơ sở khoa học và ứng dụng Nhà xuất bản Khoa học và kỹ

thuật (2006)

• 3 Hubert Gnaser, Bernd Huber, Christiane Ziegler, Nanocrystalline TiO2 for

Photocatalysis, 505 – 535 (2004).

• 4 H Lachheb et al., Application catalyst B: Environment 39, 75 (2002)

• 5 Ioannis K Konstantinou, Trianfafyllos A Albanis, TiO 2 – assisted photocatalytic degradation of azo dyes in aqueous solution: kinetic and mechanistic invesgations:

A review 2003.

• 6 Rahmani AR PhD, Samadi MT PhD, Enayati Moafagh A Investigation of

photocatalytic degradation of phenol by UV/TiO2 process in aquatic solutions

2008.

• 7 C H Ao, S C Lee Indoor air purification by photocatalyst TiO 2 immobilized on

an activated carbon filter installed in an air cleaner 2003.

• 8 Q L Yu, H J H Brouwers Indoor air purification using heterogeneous

photocatalytic oxidation Part I: Experimental stuydy 2009.

• 9 Sangman Hwang, Myung Churl Lee, Wonyong Choi Highly enhanced

photocatalytic oxidation of CO on titania deposited with Pt nanoparticles: kinetics and mechnism 2003.

• 10 Song Sun, Jianjun Ding, Jun Bao, Chen Gao, Zeming Qi, Chengxiang Li

Photocatalytic Oxidation of Gaseous Formaldehyde on TiO2: An in situ Drifts study

Cám ơn cô và các bạn đã theo dõi.