BÌNH LỌC NƯỚC DI DỘNG SỬ DỤNG CHẤT QUANG XÚC TÁC TIO2 NANO ĐỂ XỬ LÝ VI KHUẨN - HỖ TRỢ ĐỒNG BÀO VÙNG LŨ LỤT

BÌNH LỌC NƯỚC DI DỘNG SỬ DỤNG CHẤT QUANG XÚC TÁC TIO2 NANO ĐỂ XỬ LÝ VI KHUẨN - HỖ TRỢ ĐỒNG BÀO VÙNG LŨ LỤT

TRƯỜNG THPT CHUYÊN HÀ NỘI - AMSTERDAM

MỞ ĐẦU

Miền trung nằm ở khu vực giữa của đất nước, phần lớn là giáp biển Đông.Miền trung là nơi có lượng mưa cao nhất cả nước, có nơi lượng mưa trung bình lên đến 5000mm Hằng năm có từ 200 - 220 ngày mưa ở các vùng núi, 150 - 170ngày mưa ở khu vực đồng bằng duyên hải Vào mùa mưa, mỗi tháng có 16 - 24 ngày mưa Những đợt mưa kéo dài nhiều ngày trên diện rộng thường gây ra lũ lụt lớn

Địa hình phía Tây từ Hà Tĩnh đến Thừa Thiên - Huế bao gồm các dãy núi cao Các dòng sông ở đây có dòng chảy theo hướng Tây Bắc - Đông Nam đổ ra biển thường có lòng sông hẹp, độ dốc lớn, diện tích lưu vực nhỏ nên với lượng mưa tương đối lớn trút xuống sẽ sinh ra lũ, lên nhanh và gây lụt lội cho các khu vực đồng bằng thấp phía Đông Ví dụ như Sông Hương - sông Bồ, có độ cao đầu nguồn là 1.318m, dài trên 100 km và diện tích lưu vực 2.690km2, chảy gần theo hướng Bắc Nam đổ ra biển ở cửa Thuận An Vì toàn bộ diện tích lưu vực sông Hương có trên 80% là đồi núi, khu vực đồng bằng còn lại đa phần ở mức thấp hơn so với mực nước biển, nên hầu hết sẽ bị ngập khi có lũ trên báo động cấp 3 (tương ứng 3,5m)

Mùa mưa lũ ở Bắc Trung Bộ thường xảy ra từ tháng 7 đến tháng 10, ở vùng Duyên hải Nam Trung Bộ thường xảy ra từ tháng 10 đến tháng 12 Những trận lũ lụt lớn đã xảy ra ở miền Trung vào các

năm: 1952, 1964, 1980, 1983, 1990, 1996, 1998, 1999, 2001, 2003, Có lúc xảy

ra lũ chồng lên lũ như các đợt lũ tháng 11, 12 năm 1999; tháng 10, 11 năm 2010.Với lượng mưa chiếm 68 - 75% lượng mưa trong năm, sẽ phát sinh lũ lụt lớn và gây thiệt hại sản xuất, tài sản, tính mạng cư dân, tác động tiêu cực đến môi trường sinh thái

Miền trung giáp biển Đông, thường xuyên phải hứng chịu những cơn bão lớn, gần đây nhất là bão số 8 Sơn Tinh Ước tính thiệt hại của các tỉnh này lên tới hàng nghìn tỷ đồng Trong đó, Thái Bình đã thiệt hại 1.400 tỷ đồng (dù còn 3huyện chưa thống kê xong), Nam Định gần 900 tỷ, Hải Phòng 400 tỷ đồng Hệ thống điện lưới và thông tin liên lạc ở các tỉnh Nam Định, Thái Bình, Thanh Hóa, Hải Phòng bị ảnh hưởng nặng nề, nhiều nơi gần như bị đánh sập hoàn toàn.Cơn bão đã gây thiệt hại lớn về tài sản khi giật sập 11 nhà, tốc mái hơn 13.000 nhà (nặng nhất là Thái Bình, Hải Phòng và Nam Định); gần 80.000 ha lúa và hoa màu bị ngập; hơn 2.000 mét kè bị sạt lở, gần 3.000 mét đê và 10.000 ha nuôitrồng thủy sản bị thiệt hại

Nhưng quan trọng nhất là trong những trận bão, có nhiều người đã thiệt mạng, một phần là do thiếu nước sạch Bão lũ làm tê liệt việc giao thông vận tải,nên khó có thể cung cấp nguồn nước sạch cho nhưng người dân ở những nơi bị

cô lập trong lũ Nước thì có khắp nơi nhưng lại không thể sử dụng

Mục tiêu đề tài của chúng tôi là thiết kế một bình lọc nước có kích thước nhỏ gọn như một bình nước uống thông thường, có thể thả từ trực thăng xuống những vùng bị cô lập trong thời gian ngắn nhất Bình có khả năng xử lý các nguồn nước nhiễm đục, chứa chất rắn lơ lửng, màu, mùi, phèn, độc tố, kim loại nặng, vi sinh thành nước đạt tiệu chuẩn Việt Nam (TCVN) phục vụ việc cung cấp nước sạch và nước tinh khiết Bình được thiết kế có cấu tạo nhiều phần, mỗiphần có chức năng khác nhau phù hợp với mục đích lọc nước, đồng thời có giá thành hợp lý, phù hợp với việc cứu hộ cho vùng bão lũ miền trung

Một trong những vấn đề lớn nhất trong xử lý nước vùng lũ là diệt vi khuẩn, phòng tránh dịch bệnh bùng phát, ảnh hưởng trực tiếp tới sức khoẻ con người Trong khi đó, TiO2 nano là vật liệu có tính quang xúc tác, phân hủy chất hữu cơ và vi khuẩn mạnh Đồng thời TiO2 nano rẻ, bền, dễ chế tạo, phù hợp với bình xử lí nước

Chương 1 TỔNG QUAN 6

1.1 Các thông số xác định ô nhiễm nước 6

1.1.1 pH 6

1.1.2 Độ cứng 7

1.1.3 Độ đục 7

1.1.4 Độ màu 7

1.1.5 Hàm lượng chất rắn 7

1.1.6 Hàm lượng oxy hòa tan (DO – Dissolved Oxygen) 8

1.1.7 Nhu cầu oxy hóa sinh hóa (BOD – Biochemical Oxygen Demand) 8

1.1.8 Nhu cầu oxy hóa hóa học (COD – Chemical Oxygen Demand) 8

1.1.9 Hàm lượng các chất 8

1.2 Vật liệu TiO2 nanomet 9

1.2.1 Tính chất quang xúc tác 9

1.2.2 Vật liệu TiO 2 pha tạp 10

1.2.3 Hiệu suất quang hoá 11

1.3 Than hoạt tính 12

1.3.1 Cơ chế lọc nước của than hoạt tính 12

1.3.2 Hiệu suất lọc 13

1.4 Cationite 13

1.4.1 Trao đổi ion - nhựa trao đổi ion 13

1.4.2 Cationite 14

Chương 2 THỰC NGHIỆM 16

2.1 Chế tạo vật liệu TiO2 pha tạp Ni 16

2.1.1 Thí nghiệm chế tạo mẫu TiO 2 pha tap Ni 16

2.1.2 Các kĩ thuật đo khảo sát tính chất của vật liệu TiO 2 pha tạp Ni 22

2.2 Thiết kế bình lọc nước 22

2.3 Thí nghiệm khả năng xử lý vi khuẩn của TiO2 nano 24

2.3.1 Thí nghiệm khả năng xử lý vi khuẩn của TiO2 nano lần 1 24

2.3.2 Thí nghiệm khả năng xử lý vi khuẩn của TiO2 nano lần 2 25

2.4 Thí nghiệm khả năng xử lý của than hoạt tính và cationite 26

2.4.1 Thử nghiệm lớp than hoạt tính 26

2.4.2 Thử nghiệm lớp cationite 27

2.4.3 Thử nghiệm kết hợp lớp than hoạt tính và lớp cationite 27

Chương 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 28

3.1 Kết quả đo mẫu 2 28

3.1.1 Kết quả nhiễu xạ tia X 28

3.1.2 Kết quả đo phổ hấp thụ 29

3.1.3 Kế hoạch khắc phục 30

3.2 Kết quả đo mẫu 3 30

3.2.1 Kết quả nhiễu xạ tia X 31

3.2.2 Kết quả đo phổ hấp thụ 32

3.3 Kết quả xử lý vi khuẩn bằng TiO2 nano 33

3.3.1 Kết quả xử lý vi khuẩn bằng TiO2 nano lần 1 33

3.3.2 Kết quả xử lý vi khuẩn bằng TiO2 nano lần 2 35

3.4 Kết quả xử lý nước bằng than hoạt tính và cationite 36

3.5 Hướng nghiên cứu tiếp theo 37

Tài liệu tham khảo 38

Chương 1 TỔNG QUAN

1.1 Các thông số xác định ô nhiễm nước

Nước vùng lũ lụt bị ô nhiễm nặng Nguồn gây ô nhiễm chủ yếu do phân, rác, nước thải, bãi thu gom, tập kết xử lý chất thải rắn, kho chứa hóa chất, kho chứa thuốc bảo vệ thực vật bị cuốn chung vào nguồn nước Các công trình xử

lý nước thải, hệ thống thoát nước thải bị phá hủy làm cho phân, rác, nước thải tồn đọng từ các nhà vệ sinh, hệ thống cống rãnh, chuồng trại chăn nuôi tràn trực tiếp ra môi trường Để xử lý nước vùng lũ thành nước sạch, cần phải xử lý

nguồn nước mặt nhiễm đục, chất rắn lơ lửng, màu, mùi, phèn, độc tố, kim loại nặng, vi sinh thành nước đạt tiệu chuẩn Việt Nam (TCVN) phục vụ việc cung cấp nước sạch và nước tinh khiết cho sinh hoạt ăn uống và mục đích y tế

Dựa vào tiêu chuẩn quốc gia TCVN hoặc các tiêu chuẩn quốc tế người ta quy định cho các loại nước những tiêu chuẩn, các thông số cần giám sát (loại A

và B)

Nước nguồn phải giám sát các thông số như độ pH, độ trong, độ cứng, màu, độ đục, hàm lượng oxy hòa tan, Fe, Mn và kim loại nặng…

Nước qua sử dụng phải giám sát: độ pH, độ kiềm, độ acid, COD, BOD, N,

P, S, các hóa chất, dầu mỡ và kim loại nặng…

Các tiêu chuẩn cũng được quy định theo hai loại nước nói trên

1.1.1 pH

Nước trung tính có pH = 7; nếu pH < 7 là có tính acid, pH > 7 – tính kiềm Nước ngầm thường có pH = 4-5; nước thải có pH dao động nhiều, đặc biệttrong các quá trình keo tụ, khử trùng, khử sắt, làm mềm nước, chống ăn mòn

pH là chỉ tiêu rất cần thiết cho phép xác định phương pháp xử lý nước thích hợp

Độ acid tự nhiên là do CO2 hoặc acid vô cơ gây ra, có thể ăn mòn kim loại CO2 là do hấp thụ từ không khí hoặc từ hoạt động oxy hóa sinh học các chất hữu cơ Acid vô cơ thường có trong nước ngầm khi chảy qua các vùng mỏ hoặc các lớp khoáng chất, thường thấy dưới dạng hợp chất lưu huỳnh

Độ kiềm tự nhiên là do 3 nhóm ion OH-, CO32- và HCO3- tạo nên Một

số muối như borat, silicat làm tăng độ kiềm Vài acid hữu cơ khá bền với chất oxy hóa sinh học như humix; các muối của chúng gây tăng độ kiềm; tiêu thụ CO2 làm tăng độ pH Độ kiềm cao gây ảnh hưởng xấu đến đời sống vi sinh vật Nói chung cần giám sát độ kiềm để có biện pháp làm mềm nước hoặc tạo dung dịch đệm

1.1.2 Độ cứng

Thường có hai loại là nước cứng và nước mềm

Nước cứng không tạo bọt xà bông, dễ kết tủa do các ion hóa trị 2 như Ca++, Mg++ hoặc Fe++, Mn++, Zn++ Thường chủ yếu do Ca++ và Mg++ Giám sát độ cứng qua hàm lượng CaCO3 quy đổi Nước mềm có CaCO3 < 50 mg/l Nhìn chung nước cứng không độc hại nhưng ảnh hưởng không tốt đến sinh hoạt

và công nghiệp vì không có bọt, giặt lâu sạch, hấp thụ Ca, Mg làm cho vải mau mục, dòn hoặc tạo thành màng cứng trên thành ống, nồi hơi dễ gây nổ

1.1.3 Độ đục

Độ đục là do các hạt rắn lơ lửng, các chất hữu cơ phân rã hoặc do động thực vật chết gây nên Độ đục làm giảm khả năng truyền ánh sáng vào nước, giảm quang hợp và đặc biệt giảm tính thẩm mỹ Các hạt rắn có thể mang theo vi sinh vật và mầm bệnh

Giám sát độ đục thông qua hàm lượng SiO2 trong 1 lít nước Đơn vị độ đục là 1 mg SiO2/lít nước

1.1.4 Độ màu

Nước tự nhiên không có màu; độ màu là do các chất như mùn, vụn chất hữu cơ (xác thực vật phân hủy), các hạt lơ lửng vô cơ, các tanin, acid humic phân hủy, thường có nguồn gốc từ nước thải công nghiệp đặc biệt là giấy, bông, nhuộm hoặc do Fe, có màu nâu đặc trưng

Người ta phân biệt màu thực và màu biểu kiến Màu thực là do các dạng hữu cơ, thực vật dạng keo, khó xử lý ví dụ mùn humic có màu vàng; thủy sinh, rong tảo có màu xanh Màu biểu kiến là do các hạt rắn vô cơ có màu, xử lý đơn giản hơn

Nước thải công nghiệp thường có màu hỗn hợp vừa thực, vừa màu biểu kiến Đôi khi nước có màu không gây độc hại đáng kể cho sinh vật nhưng làm giảm vẻ thẩm mỹ hoặc làm giảm phẩm chất trong chế biến thực phẩm, công nghiệp nhuộm

1.1.5 Hàm lượng chất rắn

Các chất rắn bao gồm các chất vô cơ hòa tan (các muối) hoặc không hòa tan (đất đá dạng huyền phù) và các chất hữu cơ như vi sinh vật (kể cả động vật nguyên sinh và tảo), các chất hữu cơ tổng hợp (phân bón, chất thải) Người ta

1.1.6 Hàm lượng oxy hòa tan (DO – Dissolved Oxygen)

Tất cả các sinh vật hiếu khí đều cần O2 cho hô hấp Động vật trên cạn sử dụng O2 của không khí (khoảng 21% trong khí quyển), động vật dưới nước sử dụng O2 hòa tan (trung bình 4 mg/l); O2 hòa tan có nhiều hơn trên phần nước mặt, hoặc ở vùng có thực vật xanh Hàm lượng O2 hòa tan phụ thuộc vào áp suất riêng phần O2 trong không khí; vào nhiệt độ nước và quang hợp, vào hàm lượng muối trong nước O2 hòa tan giảm là dấu hiệu ô nhiễm nước Khi hàm lượng O2 hòa tan gần bằng 0 thì nước ô nhiễm nặng Nước sạch thì O2 bão hòa

toC = 0oC; p = 1 atm thì DO = 14,6 mg/l

toC = 20oC; p = 1 atm thì DO = 9,2 mg/l

toC = 35oC; p = 1 atm thì DO = 7 mg/l

1.1.7 Nhu cầu oxy hóa sinh hóa (BOD – Biochemical Oxygen Demand)

Đó là lượng O2 cần thiết để vi sinh vật thực hiện quá trình oxy hóa sinh hóa các chất hữu cơ bị phân hủy Đơn vị là mg O2/l Chỉ số BOD cao thì ô nhiễm nặng

Nước sạch thì BOD < 2 mg O2/l

Nước thải sinh hoạt thường có BOD = 80-240 mg O2/l

Thông thường phải có thời gian dài khoảng 20 ngày thì 80-90% lượng chất hữu cơ mới bị oxy hóa hết Người ta quy ước để 5 ngày vì vậy gọi là

BOD5

1.1.8 Nhu cầu oxy hóa hóa học (COD – Chemical Oxygen Demand)

Đó là lượng oxy cần thiết cho quá trình oxy hóa hóa học các chất hữu cơ tạo thành CO2 và nước Vì BOD không tính đến các chất hữu cơ bền vững vốn không bị oxy hóa sinh hóa, còn COD thì có tác dụng với mọi chất hữu cơ, nên COD được coi là đặc trưng hơn trong giám sát ô nhiễm nước Nước thải ô nhiễm

có tỉ lệ BOD/COD là 0,7 - 0,5

1.1.9 Hàm lượng các chất

Sulfat SO42- ảnh hưởng đến sự tạo thành H2S gây mùi khó chịu, rất độc cho cá; gây cặn cứng ở thành nồi hơi, nồi nấu nước, làm mòn kim loại, gây bệnhtiêu chảy

Nitơ và hợp chất nitơ: Chủ yếu bắt nguồn từ quá trình phân hủy chất hữu

cơ do vi sinh vật Nitrit – NO2 là giai đoạn trung gian trong quá trình đạm hóa Nitrat – NO3 là giai đoạn oxy hóa cao nhất cũng là giai đoạn sau cùng của oxy hóa sinh học

Phosphat PO43-: Đó là nguồn dinh dưỡng giúp sinh vật và hệ sinh thái nước phát triển Nhưng nếu nhiều quá sẽ sinh ra thiếu O2 tạo nên hiện tượng thốirữa

Các kim loại và kim loại nặng: Các kim loại thường được lưu ý giám sát bởi tính độc hại và tác động gây ô nhiễm của chúng như: đồng, sắt, mangan, kẽm, chì, crom, nhôm,

1.2 Vật liệu TiO2 nanomet

1.2.1 Tính chất quang xúc tác

Hiện tượng quang điện trong: Khi bán dẫn được chiếu bằng chùm ánh sang có bước song thích hợp, thì một số êlectron liên kết trong bán dẫn có thể bứt ra khỏi các nguyên tử bán dẫn và chuyển động tự do trong khối bán dẫn đó Đồng thời có một số lượng như vậy các lỗ trống được tạo ra và tham gia vào quátrình dẫn điện

Năm 1930, khái niệm quang xúc tác ra đời Trong hoá học nó dùng để nóiđến những phản ứng xảy ra dưới tác dụng đồng thời của ánh sáng và chất xúc tác, hay 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 có năng lượng lớn hơn năng lượng vùng cấm, một số êlectron liên kết trong vùng hóa trị có thể bứt ra khỏi các nguyên tử bán dẫn và chuyển lên vùng dẫn thành các điện tử tự do trong khối bán dẫn đó, trong chất bán dẫn sẽ tạo ra cặp điện tử - lỗ trống (e-/h+).Cặp điện tử - lỗ trống đó khuếch tán ra bề mặt, phản ứng với H2O và O2 tạo ra các gốc có khả năng oxy hóa khử các chất hữu cơ Các chất hữu cơ được hấp phụ ở bề mặt bị oxy hóa thành CO2 và H2O

TiO2(h+) + H2O OH* + H+ + TiO2

TiO2(e-) + O2 TiO2 + O

2 Khả năng oxy hóa mạnh của lỗ trống được sản sinh bởi photon khi hấp thụ ánh sáng có bước sóng ngắn hơn 380nm (vùng ánh sáng tử ngoại, UV)

- TiO2 là chất trơ về mặt hóa học và sinh học, do đó mà 1 lượng dư TiO2

còn lại sau quá trình xử lý các chất ô nhiễm môi trường không gây tác động xấu đến sinh quyển và sức khỏe con người

- Không cần các chất phụ gia hóa học

- TiO2 bền, không bị ăn mòn quang học và hóa học, do đó việc sử dụng mang lại hiệu quả cao

- Chất xúc tác quang có thể được tái tạo cho việc tái sử dụng

- Hiệu suất phân hủy cao tại nhiệt độ phòng

TiO2 anatase có năng lượng vùng cấm là 3,2 eV, tương đương với một lượng tử ánh sáng có bước sóng 388 nm TiO2 rutile có năng lượng vùng cấm là 3,0 eV tương đương với một lượng tử ánh sáng có bước sóng λ = 413 nm

1.2.2 Vật liệu TiO 2 pha tạp

Với độ rộng vùng cấm khoảng 3.2eV - 3.8eV, vật liệu TiO2 chỉ có thể cho hiệu ứng quang xúc tác trong vùng ánh sáng UV Tuy nhiên, hiệu suất quang xúc tác ngoài trời thấp do bức xạ UV chỉ chiếm khoảng 5% năng lượng Mặt Trời Để sửdụng năng lượng Mặt Trời một cách hiệu quả hơn, cần mở rộng phổ hấp thu của TiO2 vào vùng ánh sáng khả kiến (loại bức xạ chiếm đến 45% năng lượng mặt trời) Để chế tạo vật liệu có tính năng quang xúc tác tốt trong vùng ánh sáng khả kiến trên nền vật liệu TiO2, cho đến nay có bốn phương pháp chủ yếu được đề nghị là:

(1) pha tạp ion kim loại chuyển tiếp (để tạo những trạng thái trung gian trong vùng cấm TiO2)

(2) gắn kết chất nhạy quang (đóng vai trò là chất hữu cơ có khả năng hấp thụ ánh sáng khả kiến)

(3) thành lập TiOx (tạo trạng thái khuyết oxygen (O) định xứ trên mức năng lượng trong khoảng 0.75eV – 1.18 eV ở dưới vùng dẫn)

(4) pha tạp các anion của C, N, F, P hoặc S (để thay thế O trong tinh thể anatase TiO2)

Tuy nhiên, 2 phương pháp (2), (3) đều không bền nhiệt, độ lập lại quang xúc tác kém, hoặc làm tăng nồng độ tâm tái hợp Trong khi đó, phương pháp (1),(4) được cho là hiệu dụng nhất do có khả năng thành lập mức tạp mới gần vùng hóa trị

Trong dự án của nhóm, chúng tôi đã quyết định pha tạp TiO2 với Ni để giảm độ rộng vùng cấm

1.2.3 Hiệu suất quang hoá

-Kích thước: Một trong những giới hạn chính của quá trình quang hoá xúc tác là giá trị hiệu suất lượng tử tương đối thấp do sự tái hợp của các cặp e-/h+ trước khi chúng tham gia các phản ứng oxy hoá khử với cơ chất Nhằm đạt đượchiệu quả quang hoá cao, cần thiết phải hạn chế các quá trình tái hợp của các cặp e-/h+ Các yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến hiệu suất lượng tử là kích thước hạt,cấu trúc và mức độ tinh thể hoá của TiO2

-Ánh sáng: Hiệu ứng quang xúc tác trên bề mặt màng TiO2 không phụ thuộc vào cường độ ánh sáng kích thích mà chỉ phụ thuộc vào bước sóng của ánh sáng kích thích hay năng lượng photon Như vậy, những chùm ánh sáng kích thích có cường độ chiếu sáng yếu nhưng năng lượng photon đủ lớn đều có khả năng gây ra hiệu ứng quang xúc tác Điều này có nghĩa là, ánh sáng đèn huỳnh quang trong phòng ở (có chứa khoảng 4% bức xạ UV) cũng có thể gây ra được hiệu ứng quang xúc tác Trong quang xúc tác nhờ TiO2, yêu cầu cần thiết

là vật liệu sau khi được chế tạo phải hấp thụ tốt ánh sáng UV Tương tự với quang xúc tác nhờ TiO2 pha tạp Ni, vật liệu sau khi chế tạo cũng phải có khả năng hấp thụ tốt ánh sáng v ùng khả kiến Điều này chỉ đạt được khi bờ hấp thụ của màng sau khi chế tạo nằm trong vùng tử ngoại hoặc khả kiến

Ngoài các yếu tố trên, còn một số các yếu tố khác cũng ảnh hưởng đến khả năng quang xúc tác của vật liệu như: chất phụ gia, nhiệt độ, khối lượng xúc tác, diện tích hiệu dụng bề mặt ,…

1.3 Than hoạt tính

Than hoạt tính có khả năng loại bỏ hàng trăm hợp chất hóa học có thể gây hại cho con người, có công dụng khử mùi, màu, cặn, hóa chất vô cơ và hữu cơ,

1.3.1 Cơ chế lọc nước của than hoạt tính

Than hoạt tính lọc nước thông qua hai quá trình song song:

1 Lọc cơ học, giữ lại các hạt cặn bằng những lỗ nhỏ,

2 Hấp thụ các tạp chất hòa tan trong nước bằng cơ

chế hấp thụ bề mặt hoặc trao đổi ion

Than hoạt tính là một chất liệu xốp, có rất

nhiều lỗ lớn nhỏ Dưới kính hiển vi điện tử, một hạt

than trông giống như một tổ kiến Vì thế, diện tích

tiếp xúc bề mặt của nó rất rộng để hấp thụ tạp chất

(Tùy theo nguyên liệu gốc, tổng diện tích bề mặt của

1/2kg than hoạt tính còn rộng hơn cả một sân bóng đá)

Than hoạt tính kết cấu khối đặc

1.3.2 Hiệu suất lọc

Hiệu suất lọc sẽ tùy thuộc chủ yếu vào những yếu tố:

1) Tính chất vật lý của Than hoạt tính, như kết cấu, kích thước, mật độ lỗ,diện tích tiếp xúc

2) Tính chất lý hóa của các loại tạp chất cần loại bỏ

3) Thời gian tiếp xúc của nước với than hoạt tính càng lâu, việc hấp thụ càng tốt

Than hoạt tính chỉ có tác dụng với một lượng nước nhất định Sau khi lọcđược một khối lượng nước theo chỉ định của nhà sản xuất, than sẽ không còn khả năng hấp phụ nữa (no/ bão hòa)

1.4 Cationite

1.4.1 Trao đổi ion - nhựa trao đổi ion

Để kiểm soát độ tinh khiết và pH của nước bằng cách loại bỏ các ion không mong muốn và thay thế chúng bằng các ion khác có thể chấp nhận được

Cụ thể, đó là sự trao đổi ion giữa một chất rắn ( nhựa trao đổi ) với một chất lỏng, ở đây chủ yếu là nước uống và nước cấp thậm chí sử dụng rong xử lý nước thải, ví dụ nước thải ngành xi mạ Trao đổi ion là quá trình trao đổi qua lạigiữa ion trong chất lỏng và nhựa trao đổi Quá trình này thường được sử dụng

để loại bỏ các ion không mong muốn từ chất lỏng và thay thế bằng các ion khác

có thể chấp nhận được ở nhựa trao đổi Các thiết bị trao đổi ion cũng thường được gọi là thiết bị khử khoáng

Có hai loại nhựa trao đổi ion chính, là nhựa Cation – nhựa trao đổi ion dương thường gặp là Ca2+, Mg2+, Fe2+, H+, và nhựa Anion – nhựa trao đổi ion

âm bao gồm Cl-, SO42-, OH-

Theo hóa học, cà hai loại nhựa đều thuộc về một nhóm hợp chất gọi là polymer, là những phân tử cực lớn hình thành bởi sự kết hợp nhiều phân tử của một hoặc hai hợp chất với cấu trúc lặp đi lặp lại tạo thành một chuỗi dài

Theo lý học, nhựa trao đổi ion là các dạng hạt nhỏ, được gọi là hạt nhựa với đường kính trung bình khoảng 0.5 mm Loại nhựa này có độ ẫm, trong suốt màu hổ phách, không tan trong nước, acid và bazo

1.4.2 Cationite

Phương pháp sử dụng cationit (nhựa trao đổi cation) được dùng phổ biến nhất vì có giá thành rẻ kể cả chi phí đầu tư lẫn chi phí vận hành

Nguyên lý của phương pháp sử dụng cationit:

Đưa nước qua 1 vật liệu chứa các ion dương hoạt động mạnh hơn Ca2+ và

Mg2+, vật liệu này sẽ hấp thụ các ion Ca2+ và Mg2+ trong nước và nhả ra các ion mạnh hơn kia, do đó tạo ra các hợp chất carbonat không kết tủa Thông thường người ta dùng 2 loại cationit là Na-Cationit và H-Cationit tương ứng với các ion

là Na+ và H+ và các hợp chất tạo ra tương ứng là Na2CO3 và H2CO3 (H2CO3 sẽ bịphân tích ngay thành H2O và CO2)

Khi các Cationit đã hết khả năng trao đổi, người ta phải "hoàn nguyên" tức là phục hồi lại các ion dương cho nó Đối với Na-Cationit người ta dùng muối ăn NaCl, đối với H-Cationit người ta dùng axit

Thiết bị trao đổi Na-Cationit thông thường có thể hạ độ cứng của nước xuống đến dưới 10 ppm, nếu được thiết kế đặc biệt có thể hạ xuống dưới 2 ppm Mỗi lít hạt Na-Cationit có khả năng trao đổi khoảng từ 2-6 gam đương lượng tùy loại, tức là có thể làm hạ độ cứng từ 300 đến 1000 lít nước có độ cứng 6 mgdl/lít (300 ppm hay 16,8 dH) xuống 0 trước khi phải hoàn nguyên

H-Cationit có khả năng trao đổi mạnh hơn Na-Cationit và cũng triệt để hơn vì nó loại bỏ hoàn toàn gốc carbonat ra khỏi nước Tuy nhiên nó có giá thành cao hơn nhiều lần, chi phí vận hành cũng cao hơn (axit đắt hơn muối ăn)

và yêu cầu vận hành cũng nghiêm ngặt hơn do phải dùng axit nên ít được sử dụng

Ngoài cách trao đổi ion dương người ta còn dùng cả trao đổi ion âm (chấttrao đổi gọi là Anionit) để loại bỏ các ion HCO3- ra khỏi nước Phương pháp này thường chỉ được sử dụng trong các nhà máy nhiệt điện, ở đó họ dùng cả Na-Cationit, H-Cationit và Anionit nối tiếp nhau trong 1 hệ thống

Quá trình trao đổi với cationitRSO3H + Na+ + Cl-  RSO3Na+ + H+ + Cl-

2RSO3H + Ca2+ + 2Cl-  (RSO3)2Ca + 2H+ + 2Cl

hoặc RCOOH + Na+ + OH-  RCOONa + H2O

Có thể xem đây là quá trình hoá học dị thể (lỏng-rắn) Mức độ ion hoá phụ thuộc bản chất hoá học của nhóm hoạt động, tính chất dung dịch bên ngoài

Ví dụ: Nhóm sunlfur: ion hoá tốt trong môi trường acid

-COOH, OH: trong môi trường acid ion hoá kém hơn Cationit acid mạnh: mực độ phân ly không phụ thuộc pH Cationit acid yếu: thay đổi dung tích trao đổi theo pH Một đặc điểm khác: khi cationit trao đổi đạt đến bảo hoà với cation này, thì có thể trao đổi với cation khác

Chương 2 THỰC NGHIỆM

Với mục đích nghiên cứu cấu trúc tinh thể và tính chất quang của vật liệuTiO2 pha tạp N, chúng tôi tiến hành chế tạo mẫu, thực hiện một số phép đo khảosát cấu trúc tinh thể và tính chất quang của mẫu nghiên cứu Chi tiết nội dungtrên sẽ được trình bày dưới đây

2.1 Chế tạo vật liệu TiO2 pha tạp Ni

2.1.1 Thí nghiệm chế tạo mẫu TiO 2 pha tap Ni

Hệ vật liệu TiO2 dạng sol được chế được chế tạo bằng phương pháp sol-gel tạo phức Phương pháp này đơn giản, linh hoạt và rẻ tiền Thiết bị chế tạo và các hóa chất được sử dụng như sau:

 Thiết bị hóa học bao gồm: Cân điện tử, buret điện tử, bếp khuấy từ nhiệt điện tử, con từ, cốc chịu nhiệt, các loại pipet, máy ly tâm, ống

ly tâm, tủ sấy, thuyền sứ(chứa mẫu dùng để nung), lò nung vuông

Tất cả các dụng cụ trực tiếp tiếp xúc với hoá chất đều được rửa sạch,tráng bằng nước cất và cồn, sấy khô

Hoá chất:

•Tetraisopropyl orthotitanate (TTIP): Ti(i-OC3H7)4, 284.22g/mol, 98%, MERCK

•Axetylaxetone (ACT): C5H8O2, 100.10g/mol, 96.3%, TQ

•Isopropanol (IPA): 2-C3H7OH, 60.10g/mol, 99.7%, TQ

•Nitric acid : HNO3, 63.01g/mol, 65->68%, TQ

•Nickel (II) nitrate hexahydrate: Ni(NO3)2.6H2O, 290.79g/mol, 98%

Với thiết bị phản ứng, hóa chất và phòng thí nghiệm chứa hộp sạch

Nước được dung trong thí nghiệm là nước cất hai lần

Ngày 10/10:

 Lấy mẫu, đưa lên máy khuấy từ, chỉnh tốc độ lên 220rpm

 Cho thêm nước, thấy xuất hiện rất ít kết tủa

 Đưa mẫu có kết tủa vào trong ống ly tâm rồi ly tâm trong 3 phút tốc

độ 6000rpm KHÔNG THẤY XUẤT HIỆN THÊM KẾT TỦA

 Thí nghiệm lần 1 thất bại

 Lý do: Do lượng dung dịch và axit trong cốc quá nhiều nên không còn

đủ thể tích thêm nước để đưa dung dịch về trạng thái trung hòa tạo kết tủa Ti(OH)4

 Rút kinh nghiệm: Thay đổi quy trình thực nghiệm, không đưa dung dịch

về trạng thái trung hòa nữa

Lần 2: Sơ đồ Quy trình thực nghiệm lần 2 - Mẫu 2

Ngày 27/10:

 Lấy mẫu của ngày hôm trước tiếp tục làm thí nghiệm

 Gia nhiệt cho hỗn hợp tại 110oC đến khi gần cạn

 Cho mẫu vào tủ sấy bảo quản ở 90oC

Ngày 30/10:

 Lấy mẫu từ trong tủ sấy ra, để nguội

 Thu bột từ trong cốc, nghiền nhỏ

 Cho bột vào thuyền sứ, cho vào lò nung vuông, nung ở 400oC trong 3h

 Thu mẫu, để nguội, bảo quản bằng cách bọc giấy nilon, để ở nhiệt độphòng

Lần 3: Sơ đồ Quy trình thực nghiệm giống lần 2 - Mẫu 3

 Cân 1.4377g Ni(NO3)2.6H2O rồi cho vào cốc đựng 20ml H2O (đong bằng buret điện tử) khuấy nhanh.(Trong lần 3 này chỉ tập trung vào tang nồng độ pha tạp TiO2)

 Chuẩn bị một cốc thí nghiệm sạch Cho khuấy từ vào cốc và đưa lên bếp khuấy từ Lấy 16.8ml ACT cho vào cốc bằng pipet 1ml, tất cả các hoá chất không nhỏ trực tiếp vào khuấy từ Khuấy ở tốc độ 220rpm Lấy 5ml TTIP cho vào nhanh Khuấy hỗn hợp với tốc độ trên ở nhiệt độ 30oC trong 30 phút

 Lấy 65ml IPA cho vào cốc Cho tiếp 2 ml HNO3 vào Khuấy hỗn hợp ở 80oC trong 30 phút

 Cho dung dịch Ni(NO3)2 đã pha vào hốn hợp trên, bọc miệng cốc Khuấy ở 65oC trong 1h30’

 Lấy mẫu của ngày hôm trước tiếp tục làm thí nghiệm

 Gia nhiệt cho hỗn hợp tại 110oC đến khi gần cạn

 Cho mẫu vào tủ sấy bảo quản ở 90oC

 Lấy mẫu từ trong tủ sấy ra, để nguội

 Thu bột từ trong cốc, nghiền nhỏ

 Cho bột vào thuyền sứ, cho vào lò nung vuông, nung ở 400oC trong 3h

 Thu mẫu, để nguội, bảo quản bằng cách bọc giấy nilon, để ở nhiệt độphòng