Nghiên cứu áp dụng phương pháp tổng hợp bột tio2 cỡ nano làm xúc tác quang hóa trong xử lý môi trường

Hiện nay trên thế giới có nhiều phương pháp để xử lý các hợp chất hữu cơ khó phân hủy sinh học, một trong những phương pháp quan trọng đã và đang hứa hẹn đem đến những thành tựu to lớn c

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-

VŨ THỊ HẠNH

CỠ NANO LÀM XÚC TÁC QUANG HÓA TRONG XỬ LÝ MÔI TRƯỜNG

Lời cam đoan

Tôi xin cam đoan luận văn là công trình nghiên cứu độc lập và nghiêm túc của bản thân tôi Các số liệu trong bản luận văn là trung thực và có nguồn gốc rõ ràng

Tác giả luận văn

Vũ Thị Hạnh

LỜI CẢM ƠN

Tôi xin bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc tới Tiến Sĩ Vũ Đức Thảo - Viện Khoa học

và Công nghệ môi trường – Đại học Bách khoa Hà Nội đã hướng dẫn tận tình, chu đáo

và tạo mọi điều kiện tốt nhất cho tôi hoàn thành khóa luận tốt nghiệp này

Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới toàn thể các thầy cô giáo, các cán bộ tại phòng thí nghiệm của Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường, trường Đại học Bách khoa Hà Nội, các cán bộ phòng phân tích chất lượng môi trường – Đại học Hàng hải Việt Nam đã tạo điều kiện thuận lợi và giúp đỡ tôi trong quá trình làm thực nghiệm Cuối cùng, tôi xin cảm ơn đến gia đình và bạn bè đã động viên, giúp đỡ tôi trong quá trình học tập và làm Luận văn

Hà Nội, ngày 25 tháng 9 năm 2011

HỌC VIÊN

Vũ Thị Hạnh

MỤC LỤC Trang phụ bìa

Lời cam đoan

Lời cảm ơn

Danh mục bảng

Danh mục hình vẽ, biểu đồ

MỞ ĐẦU 1

Chương 1 - TỔNG QUAN 3

Chương 1 - TỔNG QUAN 3

1.1 Vật liệu nano và các ứng dụng 3

1.2 Cấu trúc và ứng dụng của TiO2 5

1.2.1 Các dạng cấu trúc của TiO2 5

1.2.2 Tính chất vật lý của TiO2 7

1.2.3 Tính chất xúc tác quang của TiO2 7

1.2.4 Ứng dụng của TiO2 14

1.2 Một số quy trình cơ bản sản xuất Titan từ tinh quặng ilmenite 15

1.2.1 Sản xuất TiCl4 và TiO2 từ tinh quặng ilmenite bằng phương pháp axit hóa .15

1.2.2 Tổng hợp TiO2 từ tinh quặng ilmenite bằng phương pháp thủy phân trong kiềm 18

1.3 Công nghệ nền cơ bản trong hóa học nano 19

1.3.1 Phương pháp sol – gel 20

1.3.2 Công nghệ hạt nano Micell 21

1.3.3 Tổng hợp hóa học 22

1.3.4 Phương pháp đốt 23

1.4 Phương pháp đẳng nhiệt hấp phụ – giải hấp phụ 23

Chương 2 – ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 24

2.1 Đối tượng nghiên cứu 24

2.2 Hóa chất thiết bị 24

2.3.1 Phương pháp nghiên cứu tài liệu 25

2.3.2 Quy trình tổng hợp bột TiO2 cỡ nano 25

2.3.2 Một số phương pháp nghiên cứu cấu trúc của vật liệu 29

2.3.2 Phương pháp xác định thành phần kim loại 31

2.3.4 Phương pháp xác định sự biến đổi hàm lượng phẩm nhuộm 31

Chương 3 - KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 34

3.1 Kết quả nghiên cứu quá trình tổng hợp bột TiO2 cỡ nano 34

3.1.1 Đặc trưng của ilmenite Huế 34

3.1.2 Các yếu tố ảnh hưởng tới quá trình phân hủy, hòa tách Titan 34

3.1.3 Khảo sát hiệu quả tổng hợp bột TiO2 cỡ nano 41

3.1.4 Kết quả khảo sát cấu trúc, kích thước vật liệu 42

3.2 Kết quả khảo sát khả năng xúc tác của vật liệu tổng hợp trong xử lý nước thải pha E-3G 47

3.2.1 Đặc tính ban đầu của nước thải pha chứa E-3G 47

3.2.2 Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng tới hiệu suất xử lý E-3G 49

3.2.3 Nghiên cứu khả năng tái sinh xúc tác 54

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 56

TÀI LIỆU THAM KHẢO 57

Danh mục chữ viết tắt

COD : Nhu cầu oxy hóa học

ICP-MS : Inductively coupled plasma mass spectroscopy

SEM : Scanning Electron Microscope

XRD : Powder X - rays Diffraction

Danh mục các bảng

Bảng 1 Một số thông số vật lý của anatase và rutile 7

Bảng 2 Năng lượng oxi hoá của một số tác nhân oxi hoá mạnh 11

Bảng 3 Thành phần hóa học của ilmenite Huế 34

Bảng 4: Kết quả khảo sát ảnh hưởng của tỷ lệ H2SO4/ilmenite tới quá trình hòa tách Titan 35

Bảng 5 Kết quả khảo sát nồng độ H2SO4 tới quá trình hòa tách Titan 36

Bảng 6 Kết quả khảo sát ảnh hưởng của lượng nước tới quá trình hòa tách Titan 37

Bảng 7 Kết quả khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ, phản ứng có khuấy trộn 39

Bảng 8 Kết quả khảo sát ảnh hưởng nhiệt độ, phản ứng không khuấy trộn 39

Bảng 9 Kết quả khảo sát ảnh hưởng của thời gian hoà tách 40

Bảng 11 Mối tương quan giữa giá trị Abs và bước sóng đối với nước thải pha 47

Bảng 12 Mối quan hệ giữa khối lượng thuốc nhuộm và độ hấp thụ quang 48

Bảng 13 Đặc tính ban đầu của nước thải pha chứa E-3G 49

Bảng 14 Ảnh hưởng của khối lượng xúc tác đến hiệu suất 50

Bảng 15 Ảnh hưởng của pH đến hiệu suất xử lý 51

Bảng 16 Ảnh hưởng của thời gian chiếu UV đến hiệu suất xử lý E-3G 52

Bảng 18 Khả năng xử lý của xúc tác qua các lần tái sinh 55

Danh mục các hình vẽ, đồ thị

Hình 1 : Cấu trúc bát diện của TiO6 6

Hình 2: Cấu trúc tinh thể các dạng thù hình của TiO2 6

Hình 3: Chất rắn bán dẫn 8

Hình 4: Hoạt động của hạt bán dẫn khi bị kích thích bằng ánh sáng 8

Hình 5: Cơ chế xúc tác quang hóa của chất bán dẫn 10

Hình 6 : Phản ứng oxy hoá khử trên bề mặt TiO2 [1] 11

Hình 7: Một số ứng dụng của TiO2 15

Hình 8: Sản xuất TiCl4 và TiO2 từ tinh quặng ilmenite bằng phương pháp axit 16

Hình 9: Tổng hợp TiO2 từ tinh quặng ilmenite bằng phương pháp kiềm 18

Hình 10: Sơ đồ các quá trình chế tạo hạt nano polymer dẫn lai hạt kim loại theo công nghệ nano micell 22

Hình 11: Tổng hợp TiO2 cỡ nano từ ilmenite Huế 26

Hình 12: Tổng hợp TiO2 cỡ nano từ TiO2 thương mại 28

Hình 13: Nguyên lí cấu tạo của máy nhiễu xạ tia X 30

Hình 14: Sơ đồ tia tới và tia phản xạ trên tinh thể 30

Hình 15: Đồ thị khảo sát ảnh hưởng của tỷ lệ H2SO4/ilmenite tới quá trình hòa tách Titan 35

Hình 16: Đồ thị khảo sát nồng độ H2SO4 tới quá trình hòa tách Titan 36

Hình 17: Đồ thị khảo sát ảnh hưởng của lượng nước tới quá trình hòa tách Titan 38

Hinh 18: Kết quả khảo sát ảnh hưởng nhiệt độ và tốc độ khuấy 39

Hình 19: Đồ thị khảo sát ảnh hưởng của thời gian hoà tách 41

Hình 20: Vật liệu TiO2 sau nung ở 5000C trong 3 giờ 42

Hình 21: Ảnh XRD của vât liệu tổng hợp từ ilmenite 43

Hình 22: Ảnh XRD của vât liệu tổng hợp từ TiO2 thương mại 44

Hình 23: Ảnh SEM của vât liệu TiO2 điều chế từ Ilmenite 46

Hình 24: Ảnh SEM của vật liệu TiO2 điều chế từ TiO2 thương mại 46

Hình 25: Đồ thị biểu diễn mối tương quan giữa độ hấp thụ quang và bước sóng 48

Hình 26: Đồ thị đường chuẩn xác định hàm lượng phẩm nhuộm E-3G 49

Hinh 28: Ảnh hưởng của pH đến nồng độ E-3G 52 Hình 29 Sự phụ thuộc của nồng độ E-3G vào thời gian chiếu UV 53 Hình 30 Sự giảm nồng độ E-3G khi thay đổi lượng tác nhân oxi hóa H2O2 54

MỞ ĐẦU

Trong thời đại ngày nay, ô nhiễm môi trường đã trở thành một vấn đề mang tính toàn cầu, ảnh hưởng trực tiếp đến cuộc sống và sản xuất của con người, làm thay đổi khí hậu dẫn đến những thảm hoạ thiên nhiên tàn khốc Do đó, việc quan tâm và xử lý ô nhiễm môi trường có một vai trò và ý nghĩa đặc biệt quan trọng đối với cuộc sống hiện tại và tương lai của loài người

Nước thải ngành dệt nhuộm có chứa nhiều loại chất hữu cơ mang màu, khó phân hủy sinh học, gây ô nhiễm nghiêm trọng cho nguồn tiếp nhận Do đó, việc quan tâm và xử lý các hợp chất hữu cơ bền trong đó có các loại thuốc nhuộm có một vai trò

và ý nghĩa đặc biệt quan trọng đối với cuộc sống hiện tại và tương lai của loài người

Hiện nay trên thế giới có nhiều phương pháp để xử lý các hợp chất hữu cơ khó phân hủy sinh học, một trong những phương pháp quan trọng đã và đang hứa hẹn đem đến những thành tựu to lớn cho con người đó là phương pháp quang xúc tác Phương pháp này có nhiều ưu điểm nổi trội như hiệu quả xử lý cao và có khả năng khoáng hóa hoàn toàn các hợp chất hữu cơ độc hại thành các hợp chất vô cơ ít độc hơn Một trong những chất được sử dụng rộng rãi làm xúc tác quang hóa là TiO2.

Trong hai thập kỷ gần đây, quá trình xúc tác quang hóa bán dẫn trên TiO2 được xem như là một phương pháp hiệu quả và có triển vọng thay thế các phương pháp truyền thống để xử lý các chất hữu cơ trong môi trường nước hoặc không khí Trong lĩnh vực này các nghiên cứu cho thấy nếu TiO2 được sử dụng dạng bột, kích thước nano và tinh thể dạng anatase sẽ có hoạt tính xúc tác cao nhất dưới tác dụng của bức xạ

UV

Sản xuất nano TiO2 từ nguyên liệu ban đầu là sa khoáng ilmenite của Việt Nam là

một hướng nghiên cứu được phát triển gần đây ở nước ta do tính sẵn có của loại quặng này cũng như hàm lượng cao của Titan trong ilmenite Trên cơ sở khoa học và thực

tiễn đó tôi chọn đề tài khóa luận của mình là: “Nghiên cứu áp dụng tổng hợp bột TiO 2

cỡ nano làm xúc tác quang hóa trong xử lý môi trường” Nguyên liệu ban đầu là sa

khoáng ilmenite Huế, hoạt tính xúc tác của sản phẩm được đánh giá thông qua khả năng khử màu và phân hủy thuốc nhuộm vàng phân tán E-3G

Nội dung của luận văn bao gồm 5 phần: phần mở đầu, 3 chương nội dung và phần kết luận

Chương 1: Tổng quan về công nghệ nano, TiO2, nano TiO2 và ứng dụng

Chương 2: Thực nghiệm quy trình chế tạo bột TiO2 cỡ nano và các phương pháp nghiên cứu đặc tính vật liệu

Chương 3: Kết quả và thảo luận, khảo sát các yếu tố ảnh hưởng tới quá trình tổng hợp vật liệu, kết quả phân tích cấu trúc, kích thước vật liệu và hiệu quả xử lý của vật liệu thông qua khả năng phân hủy thuốc nhuộm vàng phân tán E-3G

Chương 1 - TỔNG QUAN 1.1 Vật liệu nano và các ứng dụng

Công nghệ Nano là công nghệ tạo vật liệu có cấu trúc tinh thể cỡ nanomet Cấu trúc Nano là các hệ thống có kích cỡ thuộc thang Nano (khoảng từ 1 đến 100 nanomet) gồm các nguyên tử, phân tử được sắp đặt vị trí sao cho cả hệ thống thực hiện được các chức năng theo yêu cầu

Phân loại cấu trúc Nano về mặt hình học có các loại: hạt nano, sợi nano, dây nano, ống nano, lớp nano,…

Phân loại về mặt chức năng bao gồm: vật liệu nano (hạt nano, vật liệu nền nano tinh thể, ống nano), linh kiện nano (cảm biến nano, linh kiện đơn điện tử), máy nano, máy nano phân tử),…

Thực tế trong một, hai thập kỷ qua cho thấy có thể thiết kế và chế tạo được nhiều cấu trúc nano từ nhiều dạng vật liệu bình thường hiện có bao gồm vật liệu vô cơ, vật liệu hữu cơ và vật liệu sinh học

Ngày nay, có 10 ứng dụng cơ bản nhất của sản phẩm công nghệ Nano được thế giới biết đến, cụ thể:

- Dự trữ, sản xuất và chuyển biến năng lượng

- Tăng sản lượng nông nghiệp

- Phát hiện và kiểm soát vật truyền bệnh và côn trùng gây bệnh

- Khác với các chất độn thông thường, nếu sử dụng chất độn bentonit cỡ nano với lượng rất nhỏ thì có thể tăng tính ổn định nhiệt của polyamit thêm khoảng 500C Nếu chỉ bổ sung các chất độn nano ở mức 2% trọng lượng của vật liệu composit thì có thể

- Cỡ hạt đặt biệt mịn của các chất độn bentonit cỡ nano cho phép tạo ra các lớp vật liệu silicat vô cơ 3 chiều, trong chất nền hữu cơ với hàm lượng chất độn chỉ ở mức vài phần trăm trọng lượng Khi cháy, mạng khoáng chất vô cơ này góp phần tạo thành các vách cứng, nhờ đó ngăn lửa lan rộng Tính chất này được áp dụng để sản xuất các vật liệu có tính năng chống cháy

- Các loại bột màu đặc biệt với khả năng hấp thụ cao (ví dụ canxi cacbonat tự nhiên, nghiền mịn với các biến đổi đặc biệt trong cấu trúc bề mặt) đã được phát triển cho các loại sơn đặc biệt ở đây người ta áp dụng phương pháp tạo hoạt tính nano trên

Nhiều ứng dụng đã được tiến hành trong nhiều lĩnh vực ít ai ngờ và những ý tưởng mới và lạ nhất đang hình thành ở khắp mọi công ty lớn trên thế giới Chẳng hạn, những phân tử polyme siêu nhỏ và siêu bền, được dùng để chế tạo ván trượt tuyết, giúp trượt dễ hơn Quần áo của các vận động viên hay nhà thám hiểm cũng được dệt từ các loại sợi nano siêu kín và siêu mỏng, chống chọi tốt với cái lạnh khắc nghiệt của vùng cực hay đỉnh Everest Một quả bóng tennis được chế tạo từ kỹ thuật nano sẽ có sức chịu đựng gấp đôi so với bóng hiện nay Dầu hay kem dưỡng da từ nano sẽ giúp da chống lại tia cực tím một các hữu hiệu Máy in Xerox vào năm 2015 có kích thước chỉ bằng viên xúc xắc Những tấm pin mặt trời hay trạm điện mặt trời chỉ to bằng hòn tẩy Một loạt công ty đã nhảy vào cuộc: Mitsubishi, Motorola, Lucent, Hitachi, Nec, Sony, Microsoft, IBM Riêng Mitsubishi đã đầu tư hơn 100 triệu Euro cho nano đến năm

2007 Công ty này sẽ tạo ra những loại sợi carbone nhỏ chắc hơn thép 100 lần và nhẹ hơn thép 6 lần Hewlett - Packard cũng không muốn chậm chân: nhà nghiên cứu Stanley Williams đang chỉ huy hệ thống phòng thí nghiệm thử nghiệm nhiều loại chất liệu nano Theo tạp chí Forber, giáo sư này là một trong những cao thủ về nano của thế

giới Hiện nay, Williams đã thành công trong việc nhét một bóng bán dẫn vào một phân tử Một khoản ngân sách, chỉ riêng năm 2003, đã có 3 tỷ Euro được chi ra cho những nhà nghiên cứu nano thượng thặng Tạp chí Asiaweek nhận định rằng thị trường nano chưa bùng nổ sớm tại Châu á, nhưng Trung Quốc không muốn thua kém Nhật Bản và ấn Độ…

1.2 Cấu trúc và ứng dụng của TiO 2

1.2.1 Các dạng cấu trúc của TiO 2

Titan được phân bố rộng khắp và khá dồi dào Người ta ước tính tổng lượng Titan(Ti) thô chiếm khoảng 0.6% trọng lượng vỏ trái đất nó chỉ đứng thứ 9 sau oxy, sillic(Si), nhôm(Al), sắt(Fe), magiê(Mg), canxi(Ca), natri(Na) và kali(K) Bằng 1/20 so với nhôm và 1/10 so với sắt, gấp 5-10 lần lượng Clo, lưu huỳnh, hay phốt pho và hơn tất cả trữ lượng các kim loại hiếm còn lại trên trái đất hiện nay

TiO2 là một trong các vật liệu cơ bản trong cuộc sống hàng ngày, nó được sử dụng rộng rãi làm phẩm màu trắng trong sơn, mỹ phẩm…TiO2 với cấu trúc tinh thể dạng anatase có kích thước tinh thể từ 5 - 50 nm có hoạt tính quang xúc tác mạnh, nên gần đây đã được nghiên cứu rất nhiều để ứng dụng xử lý các chất độc hại trong môi trường

TiO2 là vật liệu bán dẫn có thể được kích hoạt hoá học bằng ánh sáng Dưới tác dụng của ánh sáng, vật liệu này có thể thúc đẩy quá trình phân huỷ các chất hữu cơ Hiệu ứng này đưa tới một hiện tượng là các thành phần hữu cơ của chất màu bị phân huỷ do tác động của quá trình xúc tác quang hoá

TiO2 là vật liệu tinh thể với bảy dạng cấu trúc đã được công bố, bốn dạng cấu trúc

là tự nhiên còn các dạng khác là tổng hợp Trong đó có hai dạng phổ biến nhất là tinh thể là rutil và anatase, cấu trúc của dạng tinh thể anatase và rutil đều thuộc hệ tinh thể tetragonal, cả 2 dạng tinh thể trên đều được tạo nên từ các đa diện phối trí TiO6 cấu trúc theo kiểu bát diện (Hình 1)

Hình 1 : Cấu trúc bát diện của TiO 6

Cấu trúc rutile và anatase có thể được mô tả dưới dạng chuỗi của TiO6

2-(octachedra tám mặt) Hai cấu trúc này khác nhau bởi sự biến dạng của mỗi hình tám mặt và liên kết giữa các octachdra Trong cấu trúc của rutile, mỗi octachedra được gắn kết với 10 octachedra lân cận Trong khi ở anatase, mỗi octachedra tiếp xúc với 8 octachedra lân cận khác Mỗi ion Ti4+ được bao bọc xung quanh bởi một nhóm octachedra gồm 6 ion O2- Hình 8 mặt trong rutile không đồng đều do có sự biến dạng của các octhorhombic (hệ thoi) yếu Các octachedra của anatase bị biến dạng mạnh

Anatas Rutil

Hình 2: Cấu trúc tinh thể các dạng thù hình của TiO 2

Trong anatase, khoảng cách Ti - Ti lớn hơn (3,79 và 3,04Å ở anatase, trong đó 3,57 và 2,96 Å ở rutile), trái lại khoảng cách Ti-O ngắn hơn (1,934 và 1,980Å ở anatase trong khi 1,949 và 1,98Å ở rutile) Sự khác nhau về cấu trúc mạng lưới dẫn đến

sự khác nhau về mật độ và cấu trúc điện tử giữa hai dạng Vì thế, dạng anatase có hoạt tính xúc tác cao hơn

Hệ tinh thể Tetragonal Tetragonal

Khối lượng riêng 3,895g/cm3 4,25g/cm3

Nguyên lý cơ bản xúc tác quang hoá của chất bán dẫn

Phản ứng quang hoá chỉ xảy ra khi có bức xạ ánh sáng với năng lượng đủ lớn phá vỡ liên kết hoá học của chất tham gia phản ứng để hình thành các liên kết hoá học mới Chất xúc tác quang hoá là những chất nhạy sáng, trong quá trình bức xạ quang, các chất này thường sinh ra các hạt có khả năng oxy hoá và khử mạnh, chúng có tác dụng đẩy nhanh tốc độ của phản ứng quang hoá

Trong phản ứng oxy hoá quang hoá, khi không có xúc tác quang hầu hết các chất hydrocacbon bị oxy hoá chậm Một hệ xúc tác quang dị thể có chứa các hạt bán dẫn đóng vai trò xúc tác quang Chất xúc tác quang có tác dụng làm giảm năng lượng hoạt hoá của phản ứng Khi các chất này bị bức xạ ánh sáng nó sẽ tạo ra trạng thái bị kích thích

Từ trạng thái kích thích này khơi mào thành các trạng thái tiếp theo như các phản ứng

Dưới đây là sơ đồ minh hoạ cơ chế hoạt động của một hệ xúc tác quang dị thể có chứa các hạt bán dẫn ( Hình 3) đóng vai trò xúc tác quang

Hình 3: Chất rắn bán dẫn

Do cấu trúc điện tử được xác định bởi vùng hoá trị (VB) và vùng dẫn trống (CB), các chất bán dẫn như ZnO, CdS, TiO2, Fe2O3, ZnS… có thể hoạt động như các chất làm nhạy cho các quá trình oxy hoá khử có tác nhân là ánh sáng Sự chênh lệch về năng lượng giữa mức nặng lượng thấp nhất của vùng dẫn trống (CB) và mức năng lượng cao nhất của vùng hoá trị (VB) được gọi là khe năng lượng vùng cấm Eg Nó tương ứng với năng lượng tối thiểu của ánh sáng kích thích cần có để làm cho vật liệu trở nên dẫn điện

Hình 4: Hoạt động của hạt bán dẫn khi bị kích thích bằng ánh sáng

Trong hệ xúc tác dị thể sự tác động của các photon lên các phân tử và những phản ứng quang hoá chủ yếu xảy ra trên bề mặt xúc tác Chất mang điện tích linh động có thể được tạo ra bằng ba cơ chế khác nhau: kích thích nhiệt, kích thích quang và pha tạp Khi chiếu một photon có năng lượng hν cao hơn năng lượng của vùng cấm thì một electron (e-) bị đẩy ra khỏi vùng hoá trị tới vùng dẫn để lại một lỗ trống (h+) Trong các vật

Vùng hoá trị

Vùng cấm (Eg < 3 eV) Vùng dẫn

D• +gE

liệu dẫn (kim loại) các chất mang điện tích ngay lập tức tái kết hợp Trong các chất bán dẫn một bộ phận các cặp electron - lỗ trống bị kích thích bằng ánh sáng này khuếch tán trên bề mặt của hạt xúc tác (các cặp electron- lỗ trống bị giữ lại trên bề mặt) và tham gia vào phản ứng hoá học với các phân tử nhận (A) hoặc các phân tử cho (D) bị hấp thụ Các lỗ trống có thể oxy hoá các phân tử cho (a), trong khi đó các electron vùng dẫn có thể khử các phân tử nhận electron thích hợp (b)

D + h+ → D•+ (a)

A + e- → A•- (b)

Một tính chất đặc trưng của các oxit kim loại bán dẫn là các lỗ trống h+ có năng lượng oxy hoá mạnh Chúng có thể oxy hoá nước để tạo ra gốc hydroxyl hoạt động mạnh (•OH) Các lỗ trống và các gốc hydroxyl là các chất oxy hoá rất mạnh, chúng có thể được dùng để oxy hoá hầu hết các chất ô nhiễm hữu cơ

H2O + h+ → •OH + H+ (c) Nhìn chung, oxy không khí hoạt động như là một chất nhận electron bằng cách tạo thành ion •O2-

O2 + e- → •O2- (d) Ion này cũng có khả năng oxy hoá các chất hữu cơ

Phương pháp oxi hóa sử dụng xúc tác quang hóa

Ngày nay, phương pháp oxi hóa sử dụng xúc tác quang hóa là một trong những biện pháp phổ biến được sử dụng để xử lý các chất ô nhiễm do đây là phương pháp có khả năng phân hủy triệt để những chất hữu cơ có cấu trúc bền, độc tính chưa bị loại bỏ hoàn toàn bởi quá trình keo tụ và không dễ bị oxy hóa bởi các chất oxy hóa thông thường, cũng như không hoặc ít bị phân hủy bởi vi sinh vật

Xúc tác quang hóa ở pha rắn (thường là chất bán dẫn), tiếp xúc với pha khí hoặc pha lỏng của chất phản ứng Khi được chiếu sáng, xúc tác sẽ hấp thụ năng lượng, một electron của lớp vỏ hoá trị sẽ nhảy lên lớp dẫn điện, tạo ra một lỗ trống mang điện tích dương (h+) trong lớp vỏ hoá trị Electron (e-) và lỗ trống (h+) có thể kết hợp lại với nhau, giải phóng ra năng lượng, hoặc sẽ định cư luôn trên bề mặt xúc tác Khi đó sẽ tạo

ra một tác nhân oxi hoá hoạt động nhờ phản ứng của (e-) hoặc (h+) với một chất oxi hoá, chẳng hạn như H2O2 và O3

Hình 5: Cơ chế xúc tác quang hóa của chất bán dẫn

Khi sử dụng H2O2 làm chất oxi hóa với xúc tác quang được chiếu sáng sẽ tạo ra gốc hydroxyl (•OH) theo các phản ứng sau

2

* 2

2 2

2 2

* 2

2

* 2

2

2 2 2

*

* 2

2

22

O OH OH

O H O

O e

O

OH O

H

OH OH

e O H

O H e

H O

OH h

OH

H OH h

O H

hv

++

⎯→

⎯+

⎯→

⎯+

⎯→

⎯+

+

⎯→

⎯+

+

⎯→

⎯+

+

−

+ +

1.2.3.2 Tính chất xúc tác quang của TiO 2

TiO2 là một chất bán dẫn có khe năng lượng vùng cấm được xác định: Eg = 3,2

eV Nếu nó được bức xạ bằng photon có năng lượng lớn hơn 3,2 eV (bước sóng < 388 nm) thì vùng cấm bị vượt quá và một electron bị đẩy từ vùng hoá trị đến vùng dẫn, theo đó quá trình chính là tạo thành chất mang điện tích (e)

TiO2 + hν → h+ + e⎯ (1.1) (e) Nước hấp phụ trên bề mặt của TiO2 bị oxy hoá bởi các lỗ trống và sau đó tạo ra gốc hydroxyl, tiếp theo gốc hydroxyl này phản ứng với các chất hữu cơ Cuối cùng các chất hữu cơ bị phân huỷ thành CO2 và H2O Mặt khác electron khử oxy để tạo ra •O2-,

sau đó ion này tạo ra peroxide là sản phẩm trung gian của phản ứng oxy hoá, hoặc tạo

ra nước thông qua hydrogen peroxide

OH - + h+ → •OH (1.2)

O2 + e- → •O2- (1.3)

Hình 6 : Phản ứng oxy hoá khử trên bề mặt TiO 2 [1]

Các lỗ trống có thể tham gia trực tiếp vào các phản ứng oxi hóa các chất độc hại, cũng có thể qua giai đoạn trung gian tạo thành gốc tự do như •OH, •O2- Các gốc

tự do sinh ra sẽ tiếp tục oxi hóa các chất hữu cơ bị hấp phụ trên bề mặt xúc tác thành phẩm cuối cùng không độc hại là CO2 và H2O, các axit vô cơ đơn giản như: HCl,

H2SO4, HNO3

Bảng 2 Năng lượng oxi hoá của một số tác nhân oxi hoá mạnh

Phản ứng xúc tác quang hóa thường được thực hiện với các chất bán dẫn như CdS, WO3, TiO2…Tuy nhiên trong các chất bán dẫn, người ta thấy rằng TiO2 có hoạt tính tương đối tốt với nhiều ưu điểm như:

- Có hoạt tính xúc tác cao;

- Trơ về mặt hóa học, sinh học;

- Không bị ăn mòn bởi tác dụng của ánh sáng và hóa chất

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

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, không khí khỏi các tác nhân ô nhiễm

TiO2 có hoạt tính quang hóa cao, với khả năng khoáng hóa hoàn toàn các hợp chất hữu cơ thành các hợp chất vô cơ vô hại [11] Tuy nhiên quá trình này chỉ thực hiện được dưới tác động của tia UV do năng lượng vùng cấm Eg vào khoảng 3,2 eV

Mà bức xạ này chỉ chiếm khoảng 4% ánh sáng mặt trời, hơn nữa việc tạo ra bức xạ

UV khá tốn kém, cần nhiều thiết bị chuyên dụng Vì vậy, tăng khả năng hấp thụ ánh sáng của vật liệu TiO2 ở vùng có bước sóng dài hơn có thể mang lại một tương lai mới cho việc ứng dụng xúc tác quang hóa tại vùng khả kiến để xử lý ô nhiễm môi trường là một vấn đề đang được nhiều nhà khoa học quan tâm

Để tăng cường khả năng xúc tác quang hóa của TiO2 ở vùng khả kiến, đã có một số công trình nghiên cứu về cấy thêm các nguyên tố khác lên TiO2 Việc đưa thêm nguyên tố khác vào xúc tác TiO2 làm tăng khả năng hấp thụ ánh sáng ở bước sóng dài hơn, có thể tiến tới vùng khả kiến Việc biến tính TiO2 đã được thực hiện với nhiều kim loại như: Co, Cr, Mn, Ni, Cu, Ag [15,19]… hay phi kim như N, S, C, …Vật liệu TiO2 cấy thêm Ag cũng đã được quan tâm nghiên cứu trong một số công trình

™ Các tham số ảnh hưởng đến động học phản ứng quang hóa

- Khối lượng xúc tác (m)

Đối với cả hai hệ xúc tác quang hóa (hệ xúc tác huyền phù và hệ xúc tác cố định), tốc độ phản ứng đầu đều tỉ lệ thuận với khối lượng xúc tác Tuy nhiên tồn tại

một giá trị mmax mà nếu tiếp tục tăng khối lượng xúc tác thì tốc độ phản ứng không thay đổi Giá trị mmax phụ thuộc vào dạng hình học và điều kiện tiến hành của thiết bị phản ứng quang hóa Giá trị mmax thường xấp xỉ 1,3mg TiO2/cm2 đối với hệ cố định và 2,5g TiO2/l đối với hệ huyền phù

Đối với điều kiện thực hiện phản ứng trong phòng thí nghiệm, các công trình nghiên cứu đã cho thấy khi thực hiện phản ứng quang hóa trong bình cố định thì nồng

độ tốt nhất của TiO2 là 2,5g/l, còn khi thực hiện phản ứng trong một hệ thống tuần hoàn dung dịch thì chỉ cần lượng TiO2 là 0,2g/l

- Bước sóng của đèn

Tốc độ phản ứng nói chung phụ thuộc vào bước sóng của đèn Đối với TiO2khoảng cách giữa vùng dẫn và vùng hóa trị có năng lượng Ebg = 3,2eV tương ứng với bước sóng 380 nm

đó năng lượng hoạt hóa của các quá trình quang hóa (Ea) là nhỏ nhất (khoảng 1-2 kJ/mol) Nếu nhiệt độ quá thấp (dưới 00C) giá trị Ea sẽ tăng lên Nếu nhiệt độ quá cao (trên 800C) sẽ không thích hợp cho quá trình hấp phụ các chất phản ứng lên bề mặt xúc tác, vì vậy tốc độ phản ứng sẽ giảm

Được định nghĩa là tỉ lệ giữa tốc độ phản ứng quang hóa (mol.s-1) và tốc độ dòng photon Vì vậy trên thực tế với phản ứng quang hóa xúc tác phân hủy các hợp chất hữu cơ thì luôn tồn tại các giai đoạn phản ứng trung gian nên hiệu suất lượng tử thường nhỏ hơn 1

1.2.4 Ứng dụng của TiO 2

Những nghiên cứu về TiO2 bắt đầu từ năm 1960, đến nay đã có rất nhiều công trình nghiên cứu sâu về tính chất của TiO2 mở ra triển vọng ứng dụng trong nhiều lĩnh vực

Trong lĩnh vực xây dựng, hiện nay phần lớn các nhà cao ốc được trang trí bằng những tấm kính lớn thay cho bức tường hay cửa sổ Việc làm sạch những tấm kính này rất nguy hiểm và cần nhiều thời gian Tuy nhiên nếu ta phủ lên bề mặt các tấm kính một màng mỏng TiO2 thì dưới tác dụng của tia cực tím trong ánh sáng mặt trời, các chất bẩn bám trên bề mặt sẽ bị phân hủy thành các chất vô cơ không độc hại và được rửa trôi bởi nước mưa Như vậy, với công nghệ này các tấm kính hoàn toàn có khả năng tự làm sạch

Trong y tế, TiO2 cũng đang được nghiên cứu trong việc ứng dụng để điều trị bệnh ung thư Người ta đã thử nghiệm trên chuột bằng cách đưa TiO2 đến vùng bị ung thư, sau đó chiếu rọi bằng tia cực tím thì kết quả cho thấy TiO2 có khả năng diệt được các tế bào ung thư mà không ảnh hưởng đến các tế bào bên cạnh Xúc tác quang hóa cũng được ứng dụng trong diệt khuẩn, đặc biệt là những vi khuẩn độc hại như E.coli Trong công nghệ nhuộm màu, TiO2 có chức năng quan trọng, nó tạo độ bóng, độ trắng, độ đục cho các sản phẩm như sơn, chất dẻo, mĩ phẩm, kem đánh răng, mực in,

đồ gốm sứ… Chức năng này dựa trên chỉ số chiết suất cao, khả năng uốn cong ánh sáng của rutile

Màng TiO2 anatase kích thước nano có tính siêu thấm nước, do đó nó dùng để phủ lên kính ô tô để chống sương mù và nước mưa

Trong lĩnh vực môi trường, trong những năm gần đây, khi các nhu cầu về xử lý các thành phần hữu cơ độc hại trong môi trường trở nên bức xúc, hiệu ứng quang hóa của TiO2 được xem như là một đặc tính tích cực và đóng vai trò quan trọng trong công nghệ xử lý nước và không khí bị ô nhiễm Tại Việt Nam ứng dụng về nano TiO2 được

triển khai tại hầu hết các cơ sở nghiên cứu khoa học hàng đầu của Việt Nam trong vòng 10 năm trở lại đây như: Nghiên cứu và ứng dụng nano TiO2 trong chế tạo sensor nhạy khí, sensor hóa học tại Trung tâm Quốc tế Nghiên cứu và Đào tạo Khoa học Vật liệu (ITIMS); Nghiên cứu vật liệu và tính chất TiO2 trong các quá trình hóa học chống

ăn mòn đang được triển khai tại Khoa Hóa, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQG Hà Nội Trong xử lý nước thải: Tổng hợp và đặc trưng cấu trúc vật liệu titan dioxit biến tính bằng kim loại bạc trên bentonit để xử lý mẫu nước thải dệt nhuộm làng nghề Dương Nội (Hà Đông - Hà Nội) tại Khoa hóa, trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQG Hà Nội, Đánh giá hoạt tính xúc tác cử TiO2 trong phản ứng phân hủy axit organe 10 (AO10) tại viện Khoa học vật liệu tại Tp Hồ Chí Minh, trường Đại học Khoa học tự nhiên, ĐHQG thành phố Hồ Chí Minh; Nghiên cứu hoạt hóa xúc tác quang của TiO2 điều chế từ ilmenite Hàm Tân (Ninh Thuận) thông qua khả năng khử màu và phân hủy thuốc thử Công gô đỏ tại phân viện Khoa học Vật liệu tại thành phố

Hồ Chí Minh, Viện công Nghệ Hóa Học, Đại học Khoa học tự nhiên - ĐHQG thành phố Hồ Chí Minh

Xử lý nước thải nhuộm Tính năng diệt khuẩn

Hình 7: Một số ứng dụng của TiO 2

1.2 Một số quy trình cơ bản sản xuất Titan từ tinh quặng ilmenite

1.2.1 Sản xuất TiCl 4 và TiO 2 từ tinh quặng ilmenite bằng phương pháp axit hóa

Sơ đồ quy trình công nghệ sản xuất TiCl4 và TiO2 từ tinh quặng ilmenite bằng phương pháp axit hóa:

Hình 8: Sản xuất TiCl 4 và TiO 2 từ tinh quặng ilmenite bằng phương pháp axit a) Nấu hoàn nguyên ilmenite (luyện xỉ titan)

Hoàn nguyên tinh quặng để tách sắt, sản phẩm của quá trình này là xỉ titan và gang

Trong công nghiệp việc luyện xỉ titan, phản ứng xảy ra trong lò rất phức tạp Có thể nêu một số phản ứng chính như sau:

Ngoài các anoxovit trong xỉ titan còn chứa một số hợp chất của oxit cacbua nitrua [Ti (C, O, N)] dưới dạng dung dịch rắn của TiC, TiN, TiO có mạng tinh thể giống nhau

Quá trình phân hủy

Các phản ứng chủ yếu xảy ra khi phân hủy như sau:

FeTiO3 + 2H2SO4 → TiOSO4 + FeSO4 + 2H2O

FeTiO3 + 3H2SO4 = Ti(SO4) 2 + FeSO4 + 3H2O

c) Sản xuất TiO 2 từ TiCl 4

Phương pháp này dựa trên phản ứng

Hình 9: Tổng hợp TiO2 từ tinh quặng ilmenite bằng phương pháp kiềm Giai đoạn 1: Quá trình phân hủy ilmenite bằng KOH

KOH

Phân hủy bằng kiền

Bột nhão

100-130 0 C

keo

650-700 0 C nung 3h

Lọc rửa HCl

khuấy 3h

Vật liêu TiO2

Phản ứng của FeTiO3 (thành phần chính trong ilmenite) với KOH nồng độ cao được mô tả như sau:

3FeTiO3 + 4KOH → K4Ti3O8 + 3FeO + 2H2O Nồng độ KOH, thời gian, nhiệt độ phản ứng và tỷ lệ ilmenite và dung dịch KOH

là các yếu tố chính ảnh hưởng đến quá trình Sử dụng KOH nồng độ 70%, thời gian khuấy trong 3h, tỷ lệ KOH:ilmenite = 5:1, và nhiệt độ phản ứng 130 -1500C

Giai đoạn 2: Quá trình chiết tách TiO 2 bằng H 2 C 2 O 4

Sản phẩm của phản ứng trên ở dạng bột nhão được rửa bằng nước cất để tách các tạp chất sau đó tác dụng với H2C2O4 để tạo ra Ti(OH)2(C2O4)2 và FeC2O4 theo phản ứng:

K4Ti3O8 +8H2C2O4 → 3H2Ti(OH)2(C2O4)2 + 2K2C2O2 +2H2O

K2C2O4 + FeO + H2O → FeC2O4 + 2KOH Quá trình trên sử dụng nồng độ oxalic acid 80%, thời gian phản ứng 3 giờ tại nhiệt độ 100 - 1300C nhằm để phản ứng xảy ra tốt nhất với kết quả là sự tạo thành

H2Ti(OH)2(C2O4) 2 Sau đó mẫu được lọc, rửa bằng nước nóng và dung dịch đem đun sôi để thu được dung dịch keo và được đem đi sấy và nung ở 6500C - 7000C trong

3 giờ Mẫu thu được được rửa bằng HCl lần cuối, sau đó rửa bằng nước cất, cuối cùng đem đi sấy ở 110-1200C

Lựa chọn phương pháp: Từ một số quy trình cơ bản sản xuất Titan ở trên trong

luận văn của mình tôi lựa chọn phương pháp tổng hợp TiO2 từ tinh quặng ilmenite bằng phương pháp phân hủy bằng H2SO4 do các quá trình xảy ra đơn giản và có khả năng điều chế được TiO2 với hiệu suất cao

1.3 Công nghệ nền cơ bản trong hóa học nano

Vật liệu nano có thể là bột rời có kích thước hạt từ 0,1 nm đến 100 nm, có thể là vật liệu khối nhưng cấu tạo từ những hạt có kích thước nanomet Trong công nghệ nano có//phương thức từ trên xuống dưới (top – down) chia nhỏ một hệ thống lớn để cuối cùng tạo ra được đơn vị có kích thước nano và phương thức từ dưới lên trên (bottom – up) lắp ghép những hạt cỡ phân tử hay nguyên tử lại để thu được kích thước

trở thành kỹ thuật có thể tạo ra các hình thái vật liệu mà loài người hằng mong ước nên thu hút được rất nhiều sự quan tâm

1.3.1 Phương pháp sol – gel

Phương pháp sol- gel do R.Roy đề xuất năm 1956 [2] cho phép trộn lẫn các chất ở qui mô nguyên tử do đố sản phẩm thu được độ đồng nhất và độ tinh khiết cao, bề mặt riêng lớn, sự phân bố kích thước hạt hẹp

Phương pháp sol-gel là phương pháp hữu hiệu nhất để chế tạo nhiều loại vật liệu kích thước nanomet dạng bột hoặc màng mỏng với cấu trúc, thành phần mong muốn phương pháp này có ưu điểm là dễ điều khiển kích thước hạt và hạt đồng đều, đặc biệt

* Tỉ số thủy phân (r)

Tỉ số thủy phân (r) được tính bằng [H2O]/[alkoxide] Giá trị của r biến đổi trong khoảng rộng Nói chung khi r tăng thì tốc độ thủy phân tăng

* Dung môi và nhiệt độ

Dung môi được sử dụng với mục đích làm môi trường hòa tan các chất không trộn lẫn với nhau, ngoài ra khi dùng dung môi ta có thể kiểm soát được nồng độ của các chất tham gia phản ứng Bằng cách thay đổi lượng dung môi, loại dung môi, ta có thể điều chỉnh tốc độ của các phản ứng Dung môi được chia làm hai loại theo độ phân cực của dung môi hoặc theo khả năng cho nhận proton của nó

Về ảnh hưởng của nhiệt độ, thực nghiệm cho thấy nhiệt độ cao làm thời gian gel hóa ngắn Nhiệt độ tăng sẽ làm tăng tốc độ của phản ứng ngưng tụ giữa các nhóm M –

OH trong quá trình tách loại nước và làm tốc độ va chạm của các hạt tăng Tốc độ va chạm của các hạt cao hơn dẫn đến tốc độ tạo thành các liên kết cũng cao hơn

* Xúc tác

- Xúc tác axit

Dưới điều kiện axit người ta cho rằng các nhóm alkaxide được proton hóa nhanh

ở bước đầu tiên làm cho mật độ điện tử trên nguyên tử trung tâm giảm đi làm cho nguyên tử trung tâm dương điện hơn Bước tiếp theo là nguyên tử trung tâm này bị tấn công bới nước Nước tạo liên kết yếu với nguyên tử trung tâm, nó hút điện tích dương

tử nguyên tử trung tâm do đó mật độ điện tích dương giảm tại nhóm alkoxde bị proton hóa, làm cho liên kết giữa nguyên tử trung tâm và nhóm alkoxide đã được proton hóa trở lên yếu đi Bước thứ ba xảy ra rất nhanh: liên kết mới M-OH được hình thành, đồng thời với việc đó là sự tách một phần tử rượu và sự giải phóng ion H+

Người ta cho rằng khi sử dụng axit xúc tác cho quá trình tổng hợp thì mẫu sau khi thu được có nhiều nhóm OH- còn lại trên bề mặt các lỗ xốp do quá trình ngưng tụ xảy

ra không hoàn toàn

Trong hai dạng thù hình quan trọng của TiO2 là rutile và anatase thì anatase có hoạt tính xúc tác quang cao hơn Tuy nhiên ở nhiệt độ cao anatase thường kém bền, nó

bị chuyển thành tinh thể dạng rutil Vì vậy trong một số nghiên cứu các tác giả đã đưa vào một số chất để hạn chế quá trình này Tác giả Jaguo Yu và cộng sự [4] đã nghiên cứu ảnh hưởng của sự thêm PEG (polyethylen glycol) trong quá trình tạo gel, từ thực nghiệm tác giả khẳng định sự có mặt của PEG không chỉ làm tăng độ xốp của vật liệu

mà còn có tác dụng giữ cho TiO2 bền ở pha anatase

1.3.2 Công nghệ hạt nano Micell

Đây là công nghệ chế tạo hạt nano trong vi nhũ tương sử dụng chất hoạt động

bề mặt Các giai đoạn chính của quá trình này được trình trong hình:

Hình 10: Sơ đồ các quá trình chế tạo hạt nano polymer dẫn lai hạt kim loại

theo công nghệ nano micell

1.3.3 Tổng hợp hóa học

Tổng hợp hóa học giúp tạo ra lượng lớn vật liệu nano với giá thành hợp lý Có thể bắt đầu với dung dịch muối và cho thêm hóa chất (như hydroxide) Sau khi sản phẩm ở trạng thái siêu bão hòa, quá trình kết tủa xảy ra do sự nhân hóa đồng hoặc dị hợp Để tạo hạt với phân bố kích thước hẹp, toàn bộ quá trình kết tủa phải xảy ra cùng lúc và phải không có sự nhân hóa sau khi đã tạo thành hạt Tính chất hạt phần lớn được xác định bởi tốc độ phản ứng, tốc độ phản ứng lại bị ảnh hưởng bởi nồng độ của các chất tham gia phản ứng, nhiệt độ, pH và thứ tự chất phản ứng cho vào dung dịch Vật liệu nano đa pha khó tạo ra hơn bằng phương pháp hóa học vì mỗi pha cần các điều kiện kết tủa khác nhau

TiO2 được phân hủy và hòa tách trong dung dịch H2SO4 và được thu hồi ở dạng Titan oxit Ti(OH)4 bằng cách bổ sung một lượng thích hợp NH4OH Quy trình này thực hiện khá đơn giản và hiệu quả thu hồi kim loại cao hơn so với phương pháp tách chiết dung môi

Quá trình tổng hợp bột TiO2 được tiến hành qua 2 bước: Trước tiên đun, khuấy

ở nhiệt độ 190-2000C trong 1 giờ để phân hủy và hòa tách vật liệu Sau đó khi vật liệu trong dung dịch axit nitric được khử bởi các phản ứng, chất gel được nung trong lò nung trong không khí trong vòng 3 giờ tại nhiệt độ 5000C

1.4 Phương pháp đẳng nhiệt hấp phụ – giải hấp phụ

Phương pháp xác định diện tích bề mặt (BET)

Phương pháp xác định diện tích bề mặt của các vật liệu rắn dựa trên giả thuyết của Brunauer-Emmett-Teller và phương trình mang tên tác giả này (phương trình BET (1)) Phương trình này được sử dụng rộng rãi để xác định diện tích bề mặt vật liệu rắn:

0 0

11

1)/(

1

P

P C W

C C W P

P

Trong đó: W là khối lượng của khí bị hấp phụ tại áp suất tương đối P/P0

Wm là khối lượng của khí bị hấp phụ tạo nên một đơn lớp trên bề mặt vật liệu rắn

C là hằng số BET, liên quan đến năng lượng hấp phụ trong đơn lớp hấp phụ đầu tiên và kết quả là giá trị đó được đưa ra khả năng tương tác qua lại giữa chất hấp phụ và chất bị hấp phụ

Chương 2 – ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

2.1 Đối tượng nghiên cứu

- Nghiên cứu chế tạo bột titan oxit cỡ nano từ TiO2 thương mại và quặng ilmenite

* Thiết bị

• Lò nung: Trung Quốc

• Tủ sấy: Binder - Đức

• Buồng chiếu tia UV: Trung Quốc

• Bộ cất nước hai lần: Hamilton - Anh

• Cân điện tử 4 số: Đức

• Máy đo pH: pH 24 hãng Aqualytic – Đức

• Máy khuấy từ: Trung Quốc

• Máy quang phổ hấp thụ phân tử (UV-VIS): Trung Quốc

• Nhiễu xạ tia X (XRD, Siemens D5000): Máy phân tích cấu trúc TiO2

• Thiết bị quét vi điện tử (SEM, Hitachi S-4800): dùng để xác định kích thước hạt TiO2

• Quặng Ilmenite

• TiO2 thương mại

• Etylen glycol (C2H4(OH)2)

• Nước cất 2 lần

* Dụng cụ

• Cốc thủy tinh loại 100ml, 250ml, 500ml;

• Pipet loại 5ml, 10ml, ;

• Đũa thủy tinh, giấy thấm,

• Buồng chiếu tia UV: Trung Quốc

2.3 Phương pháp nghiên cứu

2.3.1 Phương pháp nghiên cứu tài liệu

- Thu thập, nghiên cứu và phân tích, kế thừa các tài liệu đã có trên thế giới và Việt Nam về phương pháp chế tạo TiO2, vật liệu nano TiO2 và ứng dụng của nó trong

xử lý môi trường

2.3.2 Quy trình tổng hợp bột TiO 2 cỡ nano

2.3.2.1 Tổng hợp bột TiO 2 cỡ nano từ ilmenite bằng phương pháp axit

Thông thường để điều chế TiO2 thường sử dụng axit sunfuric hay axit clohydric với nồng độ cao quặng ilmenite ở giai đoạn đầu tiên thủy phân TiO2 tạo cỡ hạt nano bằng phương pháp sol – gel [6, 17]

Phương pháp chế tạo vật liệu TiO2 cỡ nano từ ilmenite Huế bằng phương pháp trọng lực, tuyển từ tạo TiO2 bằng axit sunfuric và thủy phân TiO2 tạo cỡ hạt nano bằng phương pháp sol – gel