Xác định một số yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất xúc tác quang của sản phẩm thương mại FN2 chứa TiO2

Ô nhiễm môi trường hiện nay ở Việt Nam nói riêng và trên thế giới nói chung đang có diễn biến hết sức phức tạp. Sự ô nhiễm ngày càng trầm trọng và diễn ra trên diện rộng đe doạ đến sự tồn tại và phát triển bền vững. Việc xử lý ô nhiễm môi trường là vấn đề mang tính cấp thiết, đòi hỏi có sự quan tâm, đầu tư và nghiên cứu sâu rộng hơn nữa để tìm ra các giải pháp nhằm hạn chế và giảm thiểu tác nhân gây ô nhiễm đồng thời tìm ra các phương pháp xử lý các chất làm ô nhiễm môi trường. Sử dụng quang xúc tác bán dẫn là một trong nhiều kĩ thuật hứa hẹn cung cấp năng lượng sạch và phân hủy các chất ô nhiễm hữu cơ bền vững. Đặc điểm của loại xúc tác này là dưới tác dụng của ánh sáng, sẽ sinh ra cặp electron (e) và lỗ trống (h+) có khả năng phân hủy chất hữu cơ hoặc chuyển hóa các kim loại độc hại thành sản phẩm cuối cùng là CO2 và H2O. Có rất nhiều hợp chất quang xúc tác bán dẫn, song được biết đến nhiều nhất là nano Titandioxit – TiO2. Nó là chất bán dẫn thích hợp để sử dụng làm xúc tác quang hóa và đã được ứng dụng nhiều trong thực tế do tính chất quang xúc tác mạnh, tính bền hóa học cao, chi phí thấp, thân thiện với môi trường. Ngoài ra còn có một số vật liệu TiO2 pha tạp với kim loại hoặc phi kim. Hiện nay, trên thị trường, sản phẩm xúc tác TiO2 thường bán dưới dạng sơn nano. Nó được sử dụng với nhiều mục đích khác nhau như chất diệt khuẩn, chất sát trùng trong môi trường không khí, đặc biệt là có khả năng phân hủy chất hữu cơ trong môi trường nước.Tuy nhiên, vì ở dạng sơn nên việc đưa vào môi trường nước sẽ gây khó khăn khi thu hồi vật liệu. Thực tế, loại sơn này thường được sử dụng để sơn tường, sơn các biển báo giao thông. Khi đó, tường và biển báo chính là những chất mang xúc tác. Vậy khi sử dụng cũng cần có một loại vật liệu mang thích hợp để phủ sơn xúc tác lên bề mặt sau đó mới đưa vào xử lý trong môi trường nước. Tuy nhiên, quá trình phân hủy chất hữu cơ trong nước có sử dụng xúc tác quang còn chịu ảnh hưởng của nhiều các yếu tố tác động như lượng xúc tác được sử dụng, pH dung dịch, nồng độ oxi hoà tan trong dung dịch, thời gian phản ứng, điều kiện chiếu sáng,... Một trong những chất hữu cơ khó phân hủy trong nước phải kể đến là phẩm màu nhuộm. Nó là một trong những hóa chất làm ô nhiễm và gây độc cho môi trường sống của sinh vật dưới nước. Các ngành công nghiệp dệt nhuộm, giấy, chất dẻo, da, thực phẩm, mỹ phẩm thường sử dụng các phẩm màu. Do vậy nước thải từ các xí nghiệp nhà máy này thường chứa ít nhiều các phẩm màu nhuộm. Đặc tính của chúng là bền màu và rất khó phân hủy. Thuốc nhuộm xanh metylen (MB) là một chất được sử dụng rất thông dụng trong kỹ thuật nhuộm. MB khó phân hủy khi thải ra ngoài môi trường làm mất vẻ đẹp mĩ quan của môi trường, ảnh hưởng đến quá trình sản xuất và sinh hoạt của con người. Xuất phát từ điều kiện ảnh hưởng khách quan trên, tôi tiến hành nghiên cứu đề tài: “Xác định các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất xúc tác quang của sản phẩm thương mại FN2 chứa TiO2” nhằm kiểm tra hiệu quả phân hủy chất màu hữu cơ trong nước (cụ thể là MB), đồng thời khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả phân hủy MB của sơn xúc tác nano Titanoxit Protectan FN2 (FN2).

HỌC VIỆN NÔNG NGHIỆP VIỆT NAM

KHOA MÔI TRƯỜNG



-KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

TÊN ĐỀ TÀI:

XÁC ĐỊNH MỘT SỐ YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN HIỆU SUẤT XÚC TÁC QUANG CỦA SẢN PHẨM

THƯƠNG MẠI FN2 CHỨA TiO2

Khóa : 56

Chuyên ngành : KHOA HỌC MÔI TRƯỜNG

Giáo viên hướng dẫn : PGS.TS NGUYỄN TRƯỜNG SƠN Địa điểm thực tập : Bộ môn Hóa học – Khoa Môi trường

Học viện Nông nghiệp Việt Nam

Hà Nội - 2015

LỜI CAM ĐOAN

Em xin cam đoan đây là đề tài nghiên cứu do tôi thực hiện Các số liệu được thu thập sơ cấp và tự tiến hành phân tích Nghiên cứu và kết luận nghiên cứu trình bày trong khóa luận chưa từng được công bố ở các nghiên cứu và tài liệu khác

Các đoạn trích dẫn và số liệu thứ cấp sử dụng trong khóa luận đều được dẫn nguồn và có độ chính xác cao nhất trong phạm vi hiểu biết của em

Em xin chịu hoàn toàn trách nhiệm về nghiên cứu của mình

Hà Nội, tháng 5 năm 2015

Sinh viên

Nguyễn Lệ Thủy

LỜI CẢM ƠN

Trong quá trình thực tập và hoàn thành khóa luận tốt nghiệp “ Xác

định một số yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất xúc tác quang của sản phẩm thương mại FN2 chứa TiO 2 ”, em đã nhận được nhiều sự quan tâm, giúp đỡ

tận tình của các tập thể, cá nhân

Trước tiên, em xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu Học viện, toàn thể các thầy cô giáo Khoa Môi trường đã truyền đạt cho em những kiến thức

cơ bản và chuyên sâu Đó là những kiến thức vô cùng quan trọng giúp em có

cơ sở vững vàng trong suốt quá trình nghiên cứu cũng như hoàn thành khóa luận tốt nghiệp này

Với lòng biết ơn sâu sắc, em xin chân thành cảm ơn thầy PGS TS Nguyễn Trường Sơn – Giảng viên Bộ môn Hóa học – Khoa Môi trường – Học viện Nông nghiệp Việt Nam đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ em hoàn thành tốt bài khóa luận

Em cùng xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo giảng dạy và làm việc tại Bộ môn Hóa học – Khoa Môi trường – Học viện Nông nghiệp Việt Nam

đã tạo điều kiện giúp đỡ em về trang thiết bị, hóa chất và phòng thí nghiệm trong suốt quá trình tiến hành nghiên cứu

Cuối cùng, em cũng xin bày tỏ lòng cảm ơn tới gia đình, bạn bè - những người luôn bên cạnh động viên, giúp đỡ em trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu

Trong quá trình hoàn thành khóa luận này, vì nhiều lý do chủ quan và khách quan không thể tránh khỏi những thiếu sót và hạn chế Em rất mong nhận được sự cảm thông, đóng góp ý kiến và nhận xét của các thầy cô cùng các bạn sinh viên

Em xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, tháng 5 năm 2015

Sinh viên

Nguyễn Lệ Thủy

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN ii

MỤC LỤC iii

DANH MỤC KÝ TỰ VIẾT TẮT v

DANH MỤC BẢNG vi

DANH MỤC HÌNH vii

PHẦN I: ĐẶT VẤN ĐỀ 1

1.1 Tính cấp thiết của đề tài 1

1.2 Mục đích, yêu cầu của đề tài 2

PHẦN 2: TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 2

2.1 Chất xúc tác quang 3

2.2 Đặc điểm của chất xúc tác TiO2 3

2.2.1 Đặc điểm cấu trúc của vật liệu TiO2 3

2.2.2 Đặc tính quang xúc tác của nano TiO2 7

2.2.3 Tính chất quang của vật liệu TiO2 8

2.3 Cơ chế phân hủy các chất ô nhiễm của xúc tác quang TiO2 9

2.4 Vật liệu TiO2 pha tạp 11

2.4.1 Vật liệu TiO2 pha tạp các nguyên tố kim loại 11

2.4.2 Vật liệu TiO2 pha tạp các nguyên tố phi kim 12

2.5 Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả của xúc tác quang hóa TiO2 13

2.5.1 Ảnh hưởng của pH trong dung dịch 13

2.5.2 Ảnh hưởng của hàm lượng xúc tác 14

2.5.3 Ảnh hưởng của nhiệt độ 14

2.5.4 Ảnh hưởng của yếu tố độ tinh thể hóa 14

2.5.5 Ảnh hưởng của bước sóng và cường độ bức xạ 16

2.5.6 Ảnh hưởng của nồng độ oxy hòa tan 16

2.5.7 Ảnh hưởng của yếu tố kích thước hạt 16

2.6 Ứng dụng trong thực tiễn các sản phẩm TiO2 17

PHẦN 3: NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 20

3.1 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 20

3.1.1 Đối tượng nghiên cứu 20

Chất xúc tác quang hóa TiO2 dưới dạng chế phẩm thương mại là FN2 Đây là loại sơn xuất xứ từ Cộng hòa Séc với tác dụng kháng khuẩn và làm sạch không khí 20

3.1.2 Phạm vi nghiên cứu 20

3.2 Nội dung nghiên cứu 20

3.3 Phương pháp nghiên cứu 20

3.3.1 Thu thập số liệu thứ cấp 20

3.3.2 Phương pháp thực nghiệm 20

PHẦN 4: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 24

4.1 Lựa chọn vật liệu phù hợp làm chất mang và xác định phương pháp phủ xúc tác 24

4.1.1 Lựa chọn vật liệu phù hợp làm chất mang 24

4.2 Xác định các thông số kỹ thuật ảnh hưởng đến hiệu quả xúc tác trên bê tông nhẹ 26

4.2.1 Ảnh hưởng của độ dày lớp xúc tác đến hiệu quả phản ứng phân hủy MB 28

4.2.2 Đánh giá độ bền của lớp xúc tác 31

4.2.3 Ảnh hưởng của cường độ ánh sáng đến hiệu quả của xúc tác 32

4.2.4 Ảnh hưởng của chế độ sục khí đến hiệu quả của xúc tác 36

4.2.5 Ảnh hưởng của pH đến hiệu quả của xúc tác 39

PHẦN 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 43

5.1 Kết luận 43

5.2 Kiến nghị 43

TÀI LIỆU THAM KHẢO 44

Tiếng Việt 44

PHỤ LỤC 46

DANH MỤC KÝ TỰ VIẾT TẮT

DO Hàm lượng oxy hòa tan trong nướcFN2 Sơn nano Titanoxit Protectan FN2

MB Metyl Blue – Xanh metylen

DANH MỤC BẢNG

Bảng 2.1 Các đặc tính cấu trúc của các dạng thù hình của TiO2 4 Bảng 2.2 Các đặc tính cấu trúc của các dạng thù hình của TiO2 9 Bảng 4.1: Một số thông số kỹ thuật về vật liệu mang 25 Bảng 4.2 Hiệu suất xử lý MB sau 6 giờ của các bình phản ứng với số lớp sơn xúc tác khác nhau 29 Bảng 4.3 Quan hệ giữa thời gian xử lý với số lớp xúc tác 30 Bảng 4.4 Quan hệ giữa cường độ chiếu sáng với tốc độ phân hủy MB trong dung dịch 35 Bảng 4.5 Quá trình xử lý MB thay đổi tốc độ sục khí bằng việc thay đổi chiều cao cột nước của bình ổn áp so với bình phản ứng 38 Bảng 4.6 Quan hệ giữa pH với hiệu suất quá trình phân hủy MB 42

DANH MỤC HÌNH

Hình 2.1 Các dạng thù hình khác nhau của TiO2: (A) rutile, (B) anatase, (C)

brookite 4

Hình 2.2 Khối bát diện của TiO2 5

Hình 2.3 Cấu trúc tinh thể của TiO2: (A) rutile, (B) anatase và brookite 6

Hình 2.4 Phổ quang dẫn của màng anatase và rutile 9

Hình 4.1: Một số vật liệu được lựa chọn làm chất mang xúc tác 24

Hình 4.2 Mô hình bố trí thí nghiệm phân hủy MB có sục khí, trong điều kiện chiếu sáng 2 bóng UV 45W Các bình sử dụng xúc tác là tấm bê tông nhẹ quét số lớp sơn FN2 khác nhau 28

Hình 4.3 Ảnh hưởng của số lớp sơn xúc tác đến quá trình phân hủy MB theo thời gian 29

Hình 4.4 Kết quả hiệu suất xử lý MB sau 6h của phản ứng phân hủy MB( lặp lại 14 lần) 32

Hình 4.5 Quá trình phản ứng phân hủy MB trong điều kiện thay đổi số bóng đèn thắp sáng 34

Hình 4.7 Quá trình xử lý MB ở các chế độ sục khí khác nhau khác nhau, thay đổi tốc độ sục bằng chiều cao cột áp nước tỉ lệ với chiều cao dung dịch phản ứng .37 Hình 4.8 Quá trình xử lý MB ở các điều kiện pH khác nhau 41

Hình 4.9 Ảnh hưởng của pH tới hiêu suất phản ứng sau 6 giờ xử lý MB 41

PHẦN I: ĐẶT VẤN ĐỀ

1.1 Tính cấp thiết của đề tài

Ô nhiễm môi trường hiện nay ở Việt Nam nói riêng và trên thế giới nói chung đang có diễn biến hết sức phức tạp Sự ô nhiễm ngày càng trầm trọng

và diễn ra trên diện rộng đe doạ đến sự tồn tại và phát triển bền vững Việc xử

lý ô nhiễm môi trường là vấn đề mang tính cấp thiết, đòi hỏi có sự quan tâm, đầu tư và nghiên cứu sâu rộng hơn nữa để tìm ra các giải pháp nhằm hạn chế

và giảm thiểu tác nhân gây ô nhiễm đồng thời tìm ra các phương pháp xử lý các chất làm ô nhiễm môi trường

Sử dụng quang xúc tác bán dẫn là một trong nhiều kĩ thuật hứa hẹn cung cấp năng lượng sạch và phân hủy các chất ô nhiễm hữu cơ bền vững Đặc điểm của loại xúc tác này là dưới tác dụng của ánh sáng, sẽ sinh ra cặp electron (e-) và lỗ trống (h+) có khả năng phân hủy chất hữu cơ hoặc chuyển hóa các kim loại độc hại thành sản phẩm cuối cùng là CO2 và H2O Có rất nhiều hợp chất quang xúc tác bán dẫn, song được biết đến nhiều nhất là nano Titandioxit – TiO2 Nó là chất bán dẫn thích hợp để sử dụng làm xúc tác quang hóa và đã được ứng dụng nhiều trong thực tế do tính chất quang xúc tác mạnh, tính bền hóa học cao, chi phí thấp, thân thiện với môi trường Ngoài

ra còn có một số vật liệu TiO2 pha tạp với kim loại hoặc phi kim

Hiện nay, trên thị trường, sản phẩm xúc tác TiO2 thường bán dưới dạng sơn nano Nó được sử dụng với nhiều mục đích khác nhau như chất diệt khuẩn, chất sát trùng trong môi trường không khí, đặc biệt là có khả năng phân hủy chất hữu cơ trong môi trường nước.Tuy nhiên, vì ở dạng sơn nên việc đưa vào môi trường nước sẽ gây khó khăn khi thu hồi vật liệu Thực tế, loại sơn này thường được sử dụng để sơn tường, sơn các biển báo giao thông Khi đó, tường và biển báo chính là những chất mang xúc tác Vậy khi sử dụng

cũng cần có một loại vật liệu mang thích hợp để phủ sơn xúc tác lên bề mặt sau đó mới đưa vào xử lý trong môi trường nước Tuy nhiên, quá trình phân hủy chất hữu cơ trong nước có sử dụng xúc tác quang còn chịu ảnh hưởng của nhiều các yếu tố tác động như lượng xúc tác được sử dụng, pH dung dịch, nồng

độ oxi hoà tan trong dung dịch, thời gian phản ứng, điều kiện chiếu sáng,

Một trong những chất hữu cơ khó phân hủy trong nước phải kể đến là phẩm màu nhuộm Nó là một trong những hóa chất làm ô nhiễm và gây độc cho môi trường sống của sinh vật dưới nước Các ngành công nghiệp dệt nhuộm, giấy, chất dẻo, da, thực phẩm, mỹ phẩm thường sử dụng các phẩm màu Do vậy nước thải từ các xí nghiệp nhà máy này thường chứa ít nhiều các phẩm màu nhuộm Đặc tính của chúng là bền màu và rất khó phân hủy Thuốc nhuộm xanh metylen (MB) là một chất được sử dụng rất thông dụng trong kỹ thuật nhuộm

MB khó phân hủy khi thải ra ngoài môi trường làm mất vẻ đẹp mĩ quan của môi trường, ảnh hưởng đến quá trình sản xuất và sinh hoạt của con người

Xuất phát từ điều kiện ảnh hưởng khách quan trên, tôi tiến hành nghiên

cứu đề tài: “Xác định các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất xúc tác quang

của sản phẩm thương mại FN2 chứa TiO 2 ” nhằm kiểm tra hiệu quả phân

hủy chất màu hữu cơ trong nước (cụ thể là MB), đồng thời khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả phân hủy MB của sơn xúc tác nano Titanoxit Protectan FN2 (FN2)

1.2 Mục đích, yêu cầu của đề tài

1.2.1 Mục đích của đề tài:

Xác định vật liệu mang xúc tác và các thông số kỹ thuật ảnh hưởng đến hiệu quả xúc tác

1.2.2 Yêu cầu của đề tài:

Tìm hiểu các vật liệu mang xúc tác và lựa chọn vật liệu thích hợp nhất Đồng thời đưa ra các điều kiện của phản ứng để hiệu quả của xúc tác đạt cao nhất

PHẦN 2: TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

Trong trường hợp như vậy, chúng ta cần một loại vật liệu mới thân thiện với môi trường bị ô nhiễm để khôi phục lại nguyên trạng Một giải pháp cho vấn đề đó là chất xúc tác quang Chất xúc tác quang tạo ra quá trình oxy hóa trên bề mặt để loại bỏ các chất độc hại như các hợp chất hữu cơ hay vi khuẩn, khi nó được tiếp xúc với ánh sáng mặt trời Hiện nay một số chất bán dẫn được sử dụng làm chất xúc tác quang như ZnO, TiO2, Zn2TiO2, cát biển, CdS, SiO2 đều cho hiệu quả cao Tuy nhiên, TiO2 đã thu hút nhiều sự chú ý hơn cả bởi tính chất quang xúc tác mạnh, tính bền hóa học cao, chi phí thấp

và thân thiện với môi trường

2.2 Đặc điểm của chất xúc tác TiO 2

2.2.1 Đặc điểm cấu trúc của vật liệu TiO 2

TiO2 là loại vật liệu rất phổ biến trong cuộc sống của chúng ta Được sử dụng nhiều trong lĩnh vực pha chế, tạo màu sơn, màu men, mĩ phẩm và cả trong thực phẩm Ngoài ra, TiO2 còn được biết đến rộng rãi trong vai trò của một chất xúc tác quang hóa

TiO2 tồn tại ở dạng bột, thường có màu trắng tuyết ở điều kiện bình thường, khi đun nóng có màu vàng Khối lượng phân tử là 79,87g/mol, khối

lượng riêng khoảng 4,13- 4,25g/cm3, nóng chảy ở nhiệt độ cao 1870°C, không tan trong nước, không tan trong các axit như axit sunfuric, axit clohidric,… ngay cả khi đun nóng Tuy nhiên, với kích thước nanomet, TiO2 có thể tham gia phản ứng với kiềm mạnh Các dạng hợp chất của Titan đều có tính bán dẫn.

TiO2 trong tự nhiên tồn tại ba dạng thù hình khác nhau là rutile, anatase, và brookite (hình 2.1) Cả ba dạng tinh thể này đều có chung một công thức hóa học TiO2, tuy nhiên cấu trúc tinh thể của chúng là khác nhau Hằng số mạng, thể tích ô cơ sở và khối lượng riêng của ba pha tinh thể được trình bày trong bảng 2.1

Hình 2.1 Các dạng thù hình khác nhau của TiO 2 : (A) rutile, (B) anatase,

(C) brookite.

Bảng 2.1 Các đặc tính cấu trúc của các dạng thù hình của TiO 2

Hằng số mạng (Å) a=4,59

c=2,96

a=3,78c=9,52

a=9,18b=5,45c=5,15

Hình 2.2 Khối bát diện của TiO 2.

Các mạng lưới tinh thể của rutile, anatase và brookite khác nhau bởi sự biến dạng của mỗi hình tám mặt và cách gắn kết giữa các octahedra

Pha rutile và anatase đều có cấu trúc tetragonal lần lượt chứa 6 và 12 nguyên tử tương ứng trên một ô đơn vị Trong cả hai cấu trúc, mỗi cation Ti+4 được phối trí với sáu anion O2-; và mỗi anion O2- được phối trí với ba cation

Ti+4 Trong mỗi trường hợp nói trên khối bát diện TiO6 bị biến dạng nhẹ, với hai liên kết Ti-O lớn hơn một chút so với bốn liên kết còn lại và một vài góc liên kết lệch khỏi 90o Sự biến dạng này thể hiện trong pha anatase rõ hơn trong pha rutile Mặt khác, khoảng cách Ti-Ti trong anatase lớn hơn trong rutile nhưng khoảng cách Ti-O trong anatase lại ngắn hơn so với rutile Điều

này ảnh hưởng đến cấu trúc điện tử của hai dạng tinh thể, kéo theo sự khác nhau về các tính chất vật lý và hóa học.

Hình 2.3 Cấu trúc tinh thể của TiO 2 : (A) rutile, (B) anatase và brookite

Sự gắn kết giữa các octahedra của hai pha rutile và anatase được mô tả như hình 2.3 Pha rutile có độ xếp chặt cao nhất so với hai pha còn lại, các khối bát diện xếp tiếp xúc nhau ở các đỉnh, hai khối bát diện đứng cạnh nhau chia sẻ hai cạnh chung và tạo thành chuỗi, pha rutile có khối lượng riêng 4,2 g/cm3 Với pha anatase, các khối bát diện tiếp xúc cạnh với nhau, trục của tinh thể kéo dài ra và có khối lượng riêng là 3,9 g/cm3 TiO2 anatase không pha tạp

là một chất cách điện dị hướng có cấu trúc tetragonal (a=3,78 Å ; c=9,52 Å)

có hằng số điện môi là 31

Pha brookite có cấu trúc orthorhombic phức tạp với đối xứng 2/m 2/m 2/m và nhóm không gian Pbca Ngoài ra, độ dài của liên kết Ti-O cũng khác nhiều so với các pha anatase và rutile, cũng như góc liên kết O-Ti-O Có rất ít tài liệu nghiên cứu về pha brookite

Tất cả các dạng tinh thể đó của TiO2 tồn tại trong tự nhiên như là các khoáng, nhưng chỉ có rutile và anatase ở dạng đơn tinh thể là được tổng hợp ở nhiệt độ thấp Hai pha này cũng được sử dụng trong thực tế làm chất màu, chất độn, chất xúc tác Các mẫu TiO2 phân tích trong các nghiên cứu hiện nay bắt đầu được tổng hợp từ pha anatase và trải qua một chương trình nung

để đạt được pha rutile bền Brookite cũng quan trọng về mặt ứng dụng, tuy vậy bị hạn chế bởi việc điều chế brookite sạch không lẫn rutile hoặc anatase là

điều khó khăn Mặt khác, do vật liệu màng mỏng và hạt nano TiO2 chỉ tồn tại

ở dạng thù hình anatase và rutile, hơn nữa khả năng xúc tác quang của brookite hầu như không có nên ta sẽ không xét đến pha brookite trong phần còn lại của đề tài

2.2.2 Đặc tính quang xúc tác của nano TiO 2

- Chất xúc tác là chất có tác dụng làm tăng năng lượng kích hoạt của phản ứng hóa học và không bị mất đi sau khi phản ứng Nếu quá trình xúc tác được kích thích bằng ánh sáng thì được gọi là quang xúc tác Chất có tính năng hoạt động mạnh trong các phản ứng hóa học khi được chiếu sáng gọi là chất quang xúc tác, và nano TiO2 là một chất quang xúc tác tiêu biểu

- Khi được chiếu sáng, nano TiO2 trở thành một chất oxy hóa khử mạnh nhất trong những chất đã biết gấp 1,5 lần ozon, gấp 2 lần clo – là những chất thông dụng vẫn được dụng trong xử lý môi trường Điều này tạo cho vật liệu nhiều ứng dụng phong phú, đa dạng và quý giá Nano TiO2 có thể phân hủy được các chất độc hại bền vững như: đioxin, thuốc trừ sâu, benzen, Dưới tác dụng của ánh sáng, nano TiO2 trở nên kỵ nước hay ưu nước tùy thuộc vào công nghệ chế tạo Khả năng này được ứng dụng để tạo ra các bề mặt tự tẩy rửa không cần hóa chất hay tác động cơ học

- Nano TiO2 kháng khuẩn bằng cơ chế phân hủy, tác động vào vi sinh vật như phân hủy một hợp chất hữu cơ Vì vậy, nó tránh được hiện tượng “nhờn thuốc” và là một công cụ hữu hiệu chống lại sự biến đổi gen của vi sinh vật gây bệnh

- Nano TiO2 hoạt động theo cơ chế xúc tác nên bản thân không bị tiêu hao, nghĩa là đầu tư một lần và sử dụng lâu dài

- Bản thân nano TiO2 không độc hại, sản phẩm của sự phân hủy chất này cũng rất an toàn

Những đặc tính này tạo cho nano TiO2 những lợi thế vượt trội về hiệu quả kinh tế và kỹ thuật trong việc làm sạch môi trường nước và không khí cũng như các tác nhân ô nhiễm hữu cơ, vô cơ và sinh học.

2.2.3 Tính chất quang của vật liệu TiO 2

Cấu trúc điện tử của chất bán dẫn đóng vai trò quan trọng trong quá trình quang xúc tác Không giống như chất dẫn điện, chất bán dẫn bao gồm vùng dẫn và vùng hóa trị Năng lượng khác biệt giữa hai mức này được gọi là năng lượng vùng cấm Eg Nếu không có sự kích thích, điện tử lấp đầy vùng hóa trị, còn vùng dẫn trống Khi chất bán dẫn được kích thích bởi các photon với năng lượng bằng hoặc cao hơn mức năng lượng vùng cấm, các điện tử nhận được năng lượng từ các photon sẽ chuyển dời từ vùng hóa trị lên vùng dẫn Đối với chất bán dẫn TiO2, quá trình được thể hiện như sau:

Như chúng ta đã biết năng lượng vùng cấm của anatase và rutile tương ứng là 3,2 và 3,0 eV tại nhiệt độ phòng Chúng có thể được xác định từ nhiều kết quả thực nghiệm khác nhau như đo đặc trưng I/V hay C/V của tiếp giáp p/n hay tiếp giáp Schottky bán dẫn kim loại hoặc đo phổ hấp thụ,

đo độ dẫn phụ thuộc nhiệt độ hay quang dẫn của vật liệu Hình 2.4 trình bày phổ quang dẫn của màng anatase và rutile Kết quả cho thấy năng lượng ngưỡng quang dẫn của màng anatase cao hơn màng rutile Đây là quang dẫn do kích thích vùng và kết quả là năng lượng ngưỡng gần như phù hợp với năng lượng vùng cấm quang học Cấu trúc vùng năng lượng của pha rutile được nghiên cứu rộng rãi TiO2 rutile có vùng cấm thẳng (3,0 eV) Còn bờ hấp thụ của tinh thể anatase được xác định là 3,2 eV tại nhiệt độ phòng và mở rộng tới 3,3 eV tại 4 K

(Theo Trần Mạnh Trí, 2005)

Hình 2.4 Phổ quang dẫn của màng anatase và rutile.

Bảng 2.2 Các đặc tính cấu trúc của các dạng thù hình của TiO 2

Khối lượng riêng (g/cm 3 ) Độ rộng vùng cấm (eV)

2.3 Cơ chế phân hủy các chất ô nhiễm của xúc tác quang TiO 2

Biện pháp oxi hóa quang hóa sử dụng huyền phù TiO2 kết hợp chiếu ánh sáng tử ngoại, quá trình quang Fenton thường được sử dụng để đảm bảo

sự oxi hóa hoàn toàn thuốc trừ sâu, không tạo ra các sản phẩm phụ độc hại Tuy nhiên, các phương pháp oxi hóa quang hóa bằng TiO2 có nhược điểm chỉ

có hoạt tính xúc tác trong trong vùng ánh sáng tử ngoại (UV) nên việc áp dụng trong thực tế khó khăn, ít hiệu quả vì trong ánh sáng mặt trời chỉ có 3 - 5% tia UV Hoạt tính quang xúc tác của TiO2 hay tốc độ quá trình tạo gốc hydroxyl OH- có được do sự tạo thành của electron quang sinh e- (e- trong vùng dẫn) và lỗ trống quang sinh h+ (h+ trong vùng hóa trị) Electron quang sinh và lỗ trống quang sinh chính là nguyên nhân dẫn đến các quá trình hoá học xảy ra, bao gồm quá trình oxi hoá đối với lỗ trống quang sinh và quá trình khử đối với electron quang sinh Tuy nhiên, electron quang sinh e- ở trạng thái kích thích trong vùng dẫn không bền, dễ tái kết hợp với lỗ trống quang sinh h+ trong vùng hóa trị, làm mất hoạt tính quang xúc tác của TiO2 Các electron quang sinh và lỗ trống quang sinh có thể di chuyển ra bề mặt hạt xúc tác và tác dụng trực tiếp hay gián tiếp với các chất hấp phụ trên bề mặt

Các electron quang sinh trên bề mặt chất xúc tác có khả năng khử mạnh Nếu có mặt O2 hấp phụ lên bề mặt xúc tác sẽ xảy ra phản ứng tạo •O2- (ion supe oxit) trên bề mặt và tiếp sau đó xảy ra phản ứng với H2O như sau:

xảy ra sự chuyển dịch điện tử từ vùng hóa trị lên vùng dẫn, tại vùng hóa trị có

sự hình thành các gốc •OH và RX+

TiO2(h+) + H2O → •OH + H+ + TiO2

TiO2(h+) + OH- → •OH + TiO2

là chất nhận để tạo ra các chất mới có tính oxy hóa - khử mạnh ( OH• và O2- )

có thể oxy hóa hầu hết các chất hữu cơ bị hút bám lên bề mặt vật liệu

2.4 Vật liệu TiO 2 pha tạp

2.4.1 Vật liệu TiO 2 pha tạp các nguyên tố kim loại

Sự pha tạp các ion kim loại chuyển tiếp hoặc các ion kim loại nhóm đất hiếm được khảo sát một cách rộng rãi để tăng cường sự hoạt động xúc tác quang của TiO2 Choi và cộng sự (1994) đã tiến hành một cuộc khảo sát có

hệ thống để nghiên cứu phản ứng quang hóa (photoreactivity) của 21 loại ion kim loại được pha tạp vào TiO2 Kết quả cho thấy, sự pha tạp ion kim loại có thể mở rộng đáp ứng quang của TiO2 vào vùng phổ khả kiến Khi ion kim loại được kết hợp vào mạng tinh thể của TiO2, các mức năng lượng tạp chất được hình thành trong vùng cấm của TiO2 theo quá trình như sau:

Mn+ + hν → M(n+1)+ + ech

-Mn+ + hν → M(n-1)+ + hνb

-Trong đó M và Mn+1 lần lượt là kim loại và ion kim loại pha tạp.

Hơn nữa, sự trao đổi điện tử (lỗ trống) giữa ion kim loại và TiO2 có thể làm thay đổi sự tái hợp điện tử - lỗ trống:

Bẫy điện tử : Mn+1 + ecb- → M(n-1)+

Bẫy lỗ trống : Mn-1 + hvb+ → M

(n-1)-Mức năng lượng của Mn+/M(n-1)+ phải kém âm hơn cạnh vùng dẫn của TiO2, còn mức năng lượng của Mn+/M(n+1)+ phải dương hơn cạnh vùng hóa trị của TiO2 Đối với những phản ứng quang xúc tác, quá trình dịch chuyển hạt tải cũng quan trọng như quá trình bẫy hạt tải Chỉ khi điện tử và lỗ trống bị bẫy được dịch chuyển tới bề mặt, phản ứng xúc tác quang mới có thể xảy ra

Do đó, ion kim loại phải được pha tạp gần bề mặt của hạt TiO2 để sự dịch chuyển của điện tích được tốt hơn Trong trường hợp pha tạp sâu, do sự dịch chuyển điện tử, lỗ trống tới bề mặt khó khăn hơn, ion kim loại thường như những tâm tái hợp Hơn nữa, tồn tại nồng độ tối ưu của ion kim loại pha tạp, trên mức đó, quá trình quang xúc tác bị giảm do sự tái hợp được tăng cường Trong số 21 ion kim loại được Choi và cộng sự nghiên cứu (1994), ion Fe,

Mo, Ru, Os, Re, V và Rh có thể làm tăng quá trình quang xúc tác, trong khi

đó, pha tạp ion Co, Al, lại tạo ra những hiệu ứng không tốt Sự khác nhau về hiệu ứng của các ion kim loại là do khả năng bẫy và dịch chuyển điện tử - lỗ trống của chúng Ví dụ, Cu và Fe, không chỉ có thể bẫy điện tử mà cả lỗ trống

và các mức năng lượng tạp chất xuất hiện gần cạnh vùng dẫn cũng như cạnh vùng hóa trị của TiO2 Do vậy, pha tạp Cu và Fe có thể tăng cường quá trình quang xúc tác

2.4.2 Vật liệu TiO 2 pha tạp các nguyên tố phi kim

Việc pha tạp các anion (N, F, C, S,…) trong tinh thể TiO2 có thể làm chuyển dịch đáp ứng quang của TiO2 đến vùng khả kiến Không giống như

các ion kim loại (cation), các anion ít có khả năng hình thành các trung tâm tái hợp và do đó nâng cao hiệu quả hoạt tính quang hoá hơn Asahi và cộng sự (2001) đã xác định hàm lượng pha tạp thay thế của C, N, F, P và S cho oxy trong anatase TiO2 Họ cho rằng việc trộn trạng thái p của N với 2p của O có thể đẩy bờ vùng hóa trị lên trên làm hẹp vùng cấm của TiO2 Màng mỏng TiO2 pha tạp N2 bằng phương pháp tán xạ trong môi trường chứa hỗn hợp khí N2 (40%) trong Ar, tiếp theo được ủ ở 550oC trong N2 khoảng 4 giờ Bột TiO2 pha tạp N2 cũng được chế tạo bằng cách xử lý TiO2 trong NH3 (67% ) trong

Ar ở 600oC trong 3 giờ Các mẫu TiO2 pha tạp N đã được báo cáo là có hiệu quả cho phân hủy MB dưới ánh sáng nhìn thấy (λ > 400 nm)

2.5 Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả của xúc tác quang hóa TiO 2

Các mẫu TiO2 thương mại thường có hoạt tính khác nhau dưới cùng điều kiện phản ứng như nhau Sự khác nhau này thường được giải thích là do

có sự khác biệt về các đặc trưng hóa lý của TiO2 như yếu tố hình thái học, thành phần cấu trúc tinh thể, điện tích bề mặt riêng, kích thước hạt, mật độ nhóm hydroxyl bề mặt, thành phần cấu tạo chất của các mẫu TiO2 Hơn nữa, với cùng mẫu TiO2 tiến hành trong các điều kiện phản ứng khác nhau sẽ đem lại hiệu quả khác nhau

Hiện nay, chưa có nghiên cứu hệ thống nào về các yếu tố ảnh hưởng của TiO2 đến hoạt tính quang xúc tác Sau đây là một số yếu số ảnh hưởng đến hoạt tính quang hóa của TiO2

2.5.1 Ảnh hưởng của pH trong dung dịch

Như các quá trình xúc tác xảy ra trên oxit kim loại, quá trình quang xúc tác trên TiO2 cũng bị ảnh hưởng của pH pH của dung dịch phản ứng ảnh hưởng đáng kể đến kích thước tổ hợp, điện tích bề mặt và thế oxy hóa khử của các biên vùng năng lượng xúc tác Điểm đẳng điện (pzc) của TiO2 trong môi trường nước có giá trị nằm trong khoảng 6 – 8 Khi dung dịch có pH >

pzc, bề mặt TiO2 tích điện âm Ngược lại khi dung dịch có pH < pzc, bề mặt TiO2 tích điện dương Vì vậy quá trình quang xúc tác trên TiO2 chịu ảnh hưởng bởi pH dung dịch phản ứng Tuy nhiên sự thay đổi tốc độ của phản ứng quang hóa xúc tác ở các pH khác nhau thường không quá một bậc độ lớn Đây cùng là một thuận lợi của quá trình quang hóa xúc tác trên TiO2 so với các quá trình oxy hóa nâng cao khác.

2.5.2 Ảnh hưởng của hàm lượng xúc tác

Như đã biết, tốc độ của phản ứng tỉ lệ với hàm lượng xúc tác cho vào Tuy nhiên, khi nồng độ TiO2 vượt quá một giá trị giới hạn nào đó thì sự tăng tốc độ phản ứng chậm lại và trở nên không phụ thuộc vào nồng độ TiO2 Điều này được giải thích là do khi hàm lượng xúc tác lớn hơn giá trị tới hạn, các hạt xúc tác thừa ra sẽ che chắn một phần bề mặt nhạy sáng của xúc tác Đối với các hệ quang hóa tĩnh trong phòng thí nghiệm, hàm lượng xúc tác tối ưu khoảng 2,5g TiO2/lít (Hoàng Hiệp và cộng sự, 2014) Vì vậy cần xác định hàm lượng xúc tác tối ưu để tránh lãng phí xúc xác, đồng thời để hấp phụ tối

đa lượng photon ánh sáng

2.5.3 Ảnh hưởng của nhiệt độ

Đa số các phản ứng quang xúc tác không nhạy với nhiệt độ Về mặt nguyên tắc, năng lượng hoạt hóa của quá trình quang hóa xúc tác bằng 0, tuy nhiên việc tăng nhiệt độ có thể làm giảm tốc độ giữa e- và h+ nên một số ít trường hợp cho thấy sự phụ thuộc của nhiệt độ tới quá trình phân hủy quang hóa, với năng lượng hoạt hóa biểu kiến cỡ vài kJ/mol trong khoảng nhiệt độ khoảng 20˚ - 80˚C Nhờ vậy quá trình quang xúc tác không đòi hỏi cấp nhiệt, nhiệt độ tối ưu trong khoảng từ 20 - 80˚C Đây cũng là ưu điểm của quá trình quang xúc tác đối với các ứng dụng trong môi trường nước

2.5.4 Ảnh hưởng của yếu tố độ tinh thể hóa

Kích thước hạt, tính chất cấu trúc, mức độ tinh thể hóa cũng là một yếu

tố quan trọng ảnh hưởng đến hoạt tính quang hóa Độ tinh thể hóa liên quan trực tiếp đến năng lượng vùng cấm của bán dẫn Hiệu quả khoáng hóa thấp đối với loại xúc tác TiO2 có năng lượng vùng cấm cao hơn hay có số lớn khuyết tật trong thể khối

Rất nhiều công trình nghiên cứu cho rằng khi độ tinh thể hóa cao sẽ làm tăng hoạt tính quang hóa Nung ở nhiệt độ cao là một phương pháp xử lý thường được dùng để tăng cường độ tinh thể hóa Tuy nhiên việc tăng nhiệt

độ nung có thể làm tăng kích thước hạt và làm giảm điện tích bề mặt của TiO2 Vì vậy, mỗi phương pháp điều chế cần xác lập các chế độ xử lý nhiệt độ tối ưu thích hợp nhằm tăng cường hoạt tính quang hóa của TiO2

2.5.5 Ảnh hưởng của bước sóng và cường độ bức xạ

Sự phụ thuộc tốc độ quá trình quang xúc tác vào bước sóng của bức xạ cùng dạng với phổ hấp thụ của xúc tác có giá trị ngưỡng tương ứng với năng lượng vùng cấm của xúc tác Xúc tác TiO2 (anatase) có năng lượng vùng cấm

Eg = 3,2eV, tương ứng với khả năng hấp phụ bức xạ có bước sóng λ ≤ 387,5nm Với các bức xạ có λ > 387,5nm, quá trình xúc tác quang hóa không xảy ra

Tốc độ quá trình quang hóa tăng một cách tuyến tính (bậc nhất) cùng với cường độ bức xạ UV-A trong khoảng 0-20mW/cm2 Khi cường độ bức xạ vượt qua một giá trị nhất định ( khoảng 25mW/cm2 ), tốc độ quá trình quang xúc tác tỷ lệ với căn bậc 2 của cường độ bức xạ Vì vậy, công suất nguồn UV tối ưu cần được chọn tương ứng với vùng có cường độ bức xạ tỉ lệ tuyến tính với tốc độ quá trình quang hóa

2.5.6 Ảnh hưởng của nồng độ oxy hòa tan

Tốc độ và hiệu quả của quá trình quang xúc tác phân hủy chất hữu cơ được tăng cường nhờ sự tham gia của oxy Với vai trò làm tâm bẫy điện tử vùng dẫn, phân tử oxy đã ngăn chặn một phần tử tái hợp của cặp e-/h+ cùng với việc tạo thành một tác nhân oxy hóa hiệu quả là anion peroxide

2.5.7 Ảnh hưởng của yếu tố kích thước hạt

Một thông số rất quan trọng ảnh hưởng đến các giai đoạn phản ứng quang hóa là hình thái học của xúc tác, chủ yếu là kích thước hạt của TiO2 TiO2 với kích thước nanomet khắc phục được những yếu tố gây ảnh hưởng đến quá trình quang xúc tác là hiệu suất lượng tử thấp và sự hình thành sản phẩm phụ thuộc không mong muốn TiO2 nanomet có hoạt tính quang hóa cao hơn và chọn lọc hơn TiO2 thương mại P25 Degussa Tùy theo kích thước

tinh thể, TiO2 nanomet có những tính chất cấu trúc, tính chất điện và tính chất quang hóa khác nhau.

Các nghiên cứu thực tế chỉ ra rằng, không phải kích thước hạt càng bé

sẽ dẫn đến hoạt tính quang hóa càng cao mà tồn tại một kích thước hạt tối ưu

để cho các tốc độ phân hủy quang hóa cực đại Nghiêm Bá Xuân và Mai Tuyên (2006) đã nghiên cứu quá trình quang phân hủy chloroform trong nước, kích thước tối ưu của TiO2 là 11nm

Kích thước hạt ảnh hưởng đáng kể đối với hệ quang hóa trong môi trường nước Ở kích thước nhỏ hơn 30nm, hoạt tính quang hóa tăng lên cùng với kích thước hạt Kích thước hạt tăng ảnh hưởng đáng kể lên sự hấp phụ ánh sáng và động lực của các hạt mang điện quang sinh trong khoảng kích thước này Khi kích thước hạt lớn hơn 30nm, diện tích bề mặt có tính chất quyết định đến hoạt tính quang hóa và khi đó hoạt tính giảm cùng với việc tăng kích thước hạt Đối với TiO2 có bề mặt và kích thước hạt cố định thì họat tính xúc tác sẽ tăng tuyến tính theo kích thước tinh thể pha anatase cho đến khi không có sự xuất hiện của pha rutile

2.6 Ứng dụng trong thực tiễn các sản phẩm TiO 2

Hiện nay, trên thị trường TiO2 được bán phổ biến và rộng rãi dưới dạng bột mịn hoặc huyền phù Sơn xúc tác quang- một loại sơn tự làm sạch chính

là dạng huyền phù của TiO2 Thực chất, loại sơn này là môt dạng dung dịch chứa vô số các tinh thể TiO2 cỡ chừng từ 8 đến 25nm Do tinh thể TiO2 có thể

lơ lửng trong dung dịch mà không lắng đọng nên còn được gọi là sơn huyền phù TiO2 Khi được phun lên tường, kính, gạch, sơn sẽ tự tạo ra một lớp màng mỏng bám chắc vào bề mặt

Nguyên lý hoạt động của loại sơn trên như sau: khi các vật liệu được đưa vào sử dụng, dưới tác dụng của tia cực tím trong ánh sáng mặt trời, oxi và nước trong dung dịch, TiO2 sẽ phân hủy hầu hết các chất hữu cơ, chất độc hại bám trên bề mặt vật liệu thành H2O và CO2 TiO2 không bị tiêu hao trong thời

gian sử dụng do nó là chất xúc tác, không tham gia vào quá trình phân hủy

Cơ chế của hiện tượng này có liên quan đến sự quang hoá – oxi hóa các chất gây ô nhiễm trong nước bởi TiO2 Các chất hữu cơ bền, rêu, mốc,… bám chặt vào sơn có thể bị oxi hóa bằng cặp điện tử - lỗ trống được hình thành khi các hạt nano TiO2 hấp thụ ánh sáng và như vậy chúng được làm sạch khỏi màng sơn Hơn nữa chính lớp sơn không bị tấn công bởi các cặp oxi hóa – khử mạnh mẽ này Người ta phát hiện ra rằng, chúng có tuổi thọ không kém gì sơn không biến tính bằng các hạt nano TiO2

Các loại sơn phổ biến trên thị trường hiện nay có thể kể đến như là sơn nano titanoxit protectan: FN1, FN2, FN3 Đây là loại sơn được sản xuất từ Cộng hòa Séc với công dụng kháng khuẩn, làm sạch không khí và phù hợp để

sử dụng trên tất cả các loại tường nhà, thạch cao,

Kết luận:

Từ những tổng quan trên, nhận thấy được TiO2 hoàn toàn có thể trở thành một sản phẩm công nghệ được ưa chuộng trong nhiều ngành nghề khác nhau với nhiều mục đích khác nhau Với giá thành rẻ, hiệu quả cao, cũng như tính bền vững với thời gian, TiO2 là hướng nghiên cứu hữu hiệu trong việc xử

lý môi trường bị ô nhiễm

Mặt khác, nước ta đang là một nước công nghiệp hóa, hiện đại hóa với nhiều ngành nghề phát triển vượt bậc Công nghiệp dệt may xuất khẩu nhiều năm gần đây có xu hướng tăng cao, hàng loạt các nhà máy lớn nhỏ về dệt nhuộm, may mặc được ra đời Tuy nhiên, không phải tất cả các nhà máy, xí nghiệp đều có các hệ thống xử lý nước thải Hầu hết chúng có quy mô vừa và nhỏ và hàng ngày xả thải trực tiếp ra môi trường Việc sử dụng các loại thuốc nhuộm, phẩm màu trong các ngành công nghiệp này làm ảnh hưởng nghiệm trọng tới nguồn nước, do việc hấp thụ chất màu của vải chỉ đạt 60 đến 70% Còn lại số thuốc nhuộm, phẩm màu theo nguồn nước thải ra môi trường gây ô nhiễm nguồn nước, ảnh hưởng đến sức khỏe cộng đồng Cụ thể là các bệnh về đường hô hấp ở con người, gây ức chế sự sinh trưởng của các loại sinh vật

trong nước, Việc nghiên cứu, xử lý loại nước thải này cũng được nhiều chuyên gia chú ý.

Việc sử dụng TiO2 để xử lý chất hữu cơ dạng màu trong nước là hướng nghiên cứu gần đây của nhiều nhà khoa học Để dễ dàng được thu hồi và tái

sử dụng xúc tác sau xử lý, cần phải có một vật liệu mang phù hợp để sơn TiO2 lên bề mặt Vì vậy, tìm ra được loại vật liệu thích hợp để có thể làm chất mang xúc tác và tìm hiểu các yếu tố ảnh hưởng đến phản ứng phân hủy chất hữu cơ màu trong nước và đưa ra điều kiện phản ứng tối thích là rất cần thiết

PHẦN 3: NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

3.1 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

3.1.1 Đối tượng nghiên cứu

- Chất xúc tác quang hóa TiO2 dưới dạng chế phẩm thương mại là FN2 Đây

là loại sơn xuất xứ từ Cộng hòa Séc với tác dụng kháng khuẩn và làm sạch không khí

- Dung dịch màu hữu cơ MB nồng độ 5.10-6M Dung dịch được pha từ MB dạng bột nhập khẩu từ Trung Quốc

3.1.2 Phạm vi nghiên cứu

Phạm vi thời gian: Từ tháng 1 đến tháng 5, năm 2015

3.2 Nội dung nghiên cứu

Tìm các nguyên vật liệu làm chất mang xúc tác

Xác định điều kiện để xúc tác đạt hiệu quả cao nhất

3.3 Phương pháp nghiên cứu

3.3.1 Thu thập số liệu thứ cấp

Thu thập số liệu thứ cấp từ mạng internet, thư viện của khoa, trường, các tạp chí khoa học, sách báo, từ thông tin thu thập được từ thầy cô và bạn bè

về các vấn đề liên quan đến nội dung của đề tài:

Các thông tin về cơ chế của phản ứng phân hủy chất hữu cơ trong nước

Mô hình trong buồng kín dùng bóng đèn chiếu sáng tia UV 40W.

Máy so màu, máy đo pH, máy đo DO

Dung dịch ban đầu: MB 5.10-6M

Dung dịch sau xử lý: Tiến hành thí nghiệm xử lý MB liên tục trong nhiều giờ Đo độ hấp phụ quang A của dung dịch MB ở bước sóng λ= 650nm tại nhiều thời điểm Xây dựng phương trình toán học biểu diễn sự phân hủy

MB theo thời gian

Dự báo thời gian dung dịch xử lý đạt giá trị tới hạn đo của máy so màu

Tiến hành lấy mẫu, đo độ hấp phụ quang A ở bước sóng λ= 650nm 45phút/lần.Thí nghiệm xử lý trong ngày, khoảng 6 -10 tiếng.

Lặp lại thí nghiệm trong 3 ngày liên tiếp

Thí nghiệm 3: Xác định độ bền của chất xúc tác

Thí nghiệm nhằm kiểm tra tính ổn định của vật liệu khi đưa vào sử dụng

Bố trí thí nghiệm như thí nghiệm 2: Xử lý MB sử dụng tấm xúc tác là bê tông nhẹ phủ 2 lớp FN2, trong điều kiện sục khí, chiếu sáng 2 bóng UV

Để xác định sự ổn định của vật liệu phản ứng, ta lặp lại thí nghiệm trên

14 ngày liên tiếp, mỗi ngày xử lý trong 6 tiếng

Thí nghiệm 4: Xác định cường độ chiếu sáng tối ưu

Bố trí thí nghiệm trong điều kiện như thí nghiệm 3 Thay đổi số bóng chiếu sáng lần lượt từ 1 đến 4 bóng tia UV

Với mỗi chế độ chiếu sáng, tiến hành lặp lại 3 lần, mỗi lần xử lý trong

Với mỗi giá trị chiều cao cột áp nước khác nhau, thí nghiệm được lặp lại 3 lần, mỗi lần xử lý trong 6 tiếng

Thí nghiệm 6: Xác định giá trị pH dung dịch tối ưu

Sử dụng HCl 2M và NaOH 2M để điều chỉnh pH dung dịch trong các bình phản ứng đạt các giá trị pH lần lượt 6, 7, 8, 9, 10

Bố trí thí nghiệm như trong thí nghiệm 3 với 5 bình phản ứng tương ứng với 5 giá trị pH như trên

Lặp lại thí nghiệm 3 lần, mỗi lần xử lý trong 6 tiếng

3.3.3 Sử dụng toán học thống kê để xử lý số liệu

- Số liệu sau khi được phân tích được xử lý thống kê toán học