Sử Dụng Sơn Titan Dioxit Thế Hệ I Xử Lí Các Chất Hữu Cơ Khó Phân Hủy Trong Nước

Trong những năm gần đây, việc sử dụng xúc tác quang để giải quyết các vấn đề môi trường đang là một hướng đi giành được nhiều sự ủng hộ do tận dụng được nguồn năng lượng tự nhiên sẵn có,

HỌC VIỆN NÔNG NGHIỆP VIỆT NAM

Chuyên ngành : Khoa học Môi trường

Giáo viên hướng dẫn : PGS TS Nguyễn Trường Sơn

Địa điểm thực tập : Bộ môn Hóa, Khoa Môi trường,

Học viện Nông nghiệp Việt Nam

i

LỜI CAM ĐOAN

Em xin cam đoan đây là đề tài nghiên cứu do em thực hiện Các số liệu đƣợc thu thập sơ cấp và tự tiến hành phân tích Nghiên cứu và kết luận nghiên cứu trình bày trong khóa luận chƣa từng đƣợc 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 đƣợc 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 2016

Sinh viên

Kiều Cẩm Nhung

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 2016

Sinh viên

Kiều Cẩm Nhung

iii

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

MỞ ĐẦU 1

Chương 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU 3

1.1. Ô nhiễm môi trường nước bởi chất hữu cơ 3

1.1.1. Ô nhiễm môi trường nước bởi chất hữu cơ 3

1.1.2 Các biện pháp xử lý ô nhiễm nước bởi chất hữu cơ 4

1.2 Chất xúc tác quang TiO2 6

1.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả của xúc tác quang TiO2 7

1.4.1 Ảnh hưởng của pH trong dung dịch 9

1.4.2 Ảnh hưởng của hàm lượng xúc tác 9

1.4.3 Ảnh hưởng của nhiệt độ 10

1.4.4 Ảnh hưởng của bước sóng và cường độ bức xạ 10

1.4.5 Ảnh hưởng của nồng độ oxy hòa tan 11

1.5 Ứng dụng TiO2 trong thực tiễn 11

Chương 2: ĐỐI TƯỢNG, PHẠM VI, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 14

2.1 Đối tượng nghiên cứu 14

2.2 Phạm vi nghiên cứu 15

2.3 Nội dung nghiên cứu 15

2.4 Phương pháp nghiên cứu 15

2.4.1 Phương pháp thu thập số liệu thứ cấp 15

2.4.2 Phương pháp thực nghiệm 15

2.4.3 Phương pháp xử lý số liệu 19

Chương 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 21

3.1 Xác định các thông số ảnh hưởng đến hiệu quả xử lý xanh metylen bằng xúc tác quang dưới ánh sáng đèn UV 21

3.1.1 Ảnh hưởng của khuấy hoặc sục khí đến sự phân hủy MB bằng xúc tác quang TiO2 dưới điều kiện đèn UV 22

3.1.2 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến khả năng phân hủy MB của xúc tác quang 27

3.2 Xử lý chất hữu cơ trong nước bằng xúc tác quang dưới ánh sáng mặt trời 29

3.2.1 Ảnh hưởng của cường độ bức xạ đến tốc độ phân hủy MB 29

3.2.2 Xử lý xanh metylen bằng xúc tác quang TiO2 dưới ánh sáng mặt trời 31

3.2.3 Xử lý metyl da cam bằng xúc tác quang TiO2 dưới ánh sáng mặt trời 33

3.2.4 Xử lý 2,4-D bằng xúc tác quang dưới ánh sáng mặt trời 34

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 37

Kết luận 37

Kiến nghị 37

TÀI LIỆU THAM KHẢO 38

PHỤ LỤC 42

v

DANH MỤC KÝ TỰ VIẾT TẮT

Từ viết tắt Diễn giải

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1 Một số yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả xử lý MB 5.10-6

M bằng TiO2 (trong 6h) 8 Bảng 3.1 Hiệu xuất xử lý MB 5.10-6 M bằng xúc tác quang khi sử

dụng khuấy hoặc sục khí 24 Bảng 3.2 Quá trình xử lý MB 5.10-6

M sử dụng khuấy hoặc sục khí 25 Bảng 3.3 DO trong dung dịch phản ứng khi sử dụng sục hoặc khuấy

(Đo tại 20,4o

C) 26 Bảng 3.4 Quá trình xử lý MB 5.10-6

M bằng xúc tác quang trong các điều kiện nhiệt độ khác nhau 28 Bảng 3.5 Nồng độ oxy hòa tan trong quá trình phản ứng tại các nhiệt

độ khác nhau 29 Bảng 3.6 Ảnh hưởng của cường độ bức xạ mặt trời tới tốc độ phân hủy

MB 5.10-6M 30 Bảng 3.7 Quá trình xử lý MB 5.10-6M bằng xúc tác quang dưới ánh

sáng mặt trời 32 Bảng 3.8 Quá trình xử lý MO 8,8.10-6

M bằng xúc tác quang dưới ánh sáng mặt trời 34 Bảng 3.9 Quá trình xử lý 2,4-D 1,7 ppm bằng xúc tác quang dưới ánh

sáng mặt trời 36

vii

DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1 Cơ chế phân hủy chất hữu cơ bằng xúc tác quang TiO2 7Hình 2.1 Thay đổi tốc độ sục khí bằng bình điều áp 17Hình 3.1 Quá trình xử lý MB 5.10-6

M bằng xúc tác quang khi sử dụng khuấy hoặc sục khí 23Hình 3.2 Quá trình xử lý MB 5.10-6 M bằng xúc tác quang trong các

điều kiện nhiệt độ khác nhau 28Hình 3.3 Tốc độ phân hủy MB phụ thuộc vào cường độ ánh sáng mặt

trời 31Hình 3.4 Quá trình xử lý MB 5.10-6M của xúc tác quang dưới ánh sáng

mặt trời 32Hình 3.5 Quá trình xử lý MO 8,8.10-6

M bằng xúc tác quang dưới ánh sáng mặt trời 33Hình 3.6 Quá trình xử lý 2,4-D 1,7 ppm bằng sơn xúc tác quang dưới

ánh sáng mặt trời 35

MỞ ĐẦU Tính cấp thiết của đề tài

Nước là một thành phần cơ bản không thể thiếu của sự sống và còn có vai trò quan trọng trong cả các hoạt động kinh tế Tuy nhiên, nước lại là nguồn tài nguyên có hạn trong khi phần lớn đang ngày càng bị ô nhiễm bởi các hoạt động của con người, đặc biệt là ô nhiễm bởi các chất hữu cơ khó phân hủy Thực tế này đã thúc đấy các nhà khoa học đi tìm các giải pháp xử lí làm sạch nước để phục vụ nhu cầu to lớn của xã hội

Trong những năm gần đây, việc sử dụng xúc tác quang để giải quyết các vấn đề môi trường đang là một hướng đi giành được nhiều sự ủng hộ do tận dụng được nguồn năng lượng tự nhiên sẵn có, thân thiện với môi trường

và mang lại hiệu quả tương đối cao Chất xúc tác quang là những chất có khả năng kích hoạt, đẩy nhanh tốc độ phản ứng hóa học khi được chiếu sáng ở những bước sóng thích hợp Về khía cạnh bảo vệ môi trường, người ta quan tâm đến khả năng 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 được tiếp xúc với ánh sáng của chất quang xúc tác Một số chất bán dẫn thường được sử dụng làm chất quang xúc tác, trong đó ZnO, TiO2, Zn2TiO2, SiO4, Fe2O3, CdS là các chất cho hiệu quả cao Đặc biệt, các phản ứng quang hóa trên bề mặt TiO2 đã gây được nhiều sự chú ý nhất do TiO2 có những lợi thế rất lớn như sự ổn định hóa học cao, bền, không gây độc, giá thành tương đối thấp, v v Vì vậy hiện nay, TiO2 rất được quan tâm ứng dụng trong lĩnh vực xử lí môi trường như: diệt khuẩn, sát trùng môi trường không khí; xử lý các chất hữu cơ khó phân hủy trong môi trường nước… TiO2 được sử dụng dưới dạng TiO2 100% ( thế hệ 1) hay kết hợp với kim loại, phi kim hoặc oxit kim loại (thế hệ 2, 3, 4)

Các nghiên cứu trước thường đưa TiO2 trực tiếp vào nước gây tốn kém xúc tác và phải tiến hành tách xúc tác sau khi quá trình xử lý hoàn tất Việc dùng sơn xúc tác phủ lên vật liệu rắn sẽ tạo thuận lợi cho việc tái sử dụng xúc

2

tác mà không phải tách lấy xúc tác sau mỗi lần phản ứng Vì vậy, đề tài “Sử

dụng sơn titan dioxit thế hệ I xử lý chất hữu cơ khó phân hủy trong nước” đã

Yêu cầu nghiên cứu:

+ Đưa ra điều kiện của phản ứng để hiệu quả xúc tác đạt cao nhất

+ Xác định được khả năng xử lý các chất hữu cơ trong nước của xúc tác quang trong điều kiện ánh sáng mặt trời

Chương 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1.1 Ô nhiễm môi trường nước bởi chất hữu cơ

1.1.1 Ô nhiễm môi trường nước bởi chất hữu cơ

Nước là tài nguyên thiên nhiên vô cùng quý giá mang lại sự sống cho trái đất Nước tham gia vào thành phần cấu trúc của sinh quyển và điều hòa các yếu tố của khí hậu, đất đai và sinh vật, đáp ứng nhu cầu đa dạng của con người: tưới tiêu cho nông nghiệp; dùng cho sản xuất công nghiệp, tạo ra điện

năng và nhiều thắng cảnh văn hóa khác…

Nguồn nước trên trái đất rất lớn, tuy nhiên nước ngọt là yêu cầu cơ bản của con người lại chiếm một phần rất ít trong tổng lượng nước trên trái đất Khi sự phát triển của xã hội loài người còn ở mức thấp, nước chỉ mới được coi là môi trường cần thiết cho sự sống và tồn tại của con người Lúc đó nước chưa thực sự được coi là một tài nguyên Trong quá trình phát triển do sự mất cân đối giữa yêu cầu về nước và sự mất cân đối nước trên tự nhiên, nguồn nước đã được coi là tài nguyên quý, cần phải bảo vệ và khai thác có kế hoạch Cho đến khi con người nhận ra tầm quan trọng của nước thì đa phần nước

ngọt đã bị ô nhiễm

Ô nhiễm nước do nhiều nguyên nhân khác nhau gây ra Ô nhiễm nước

do các yếu tố tự nhiên (núi lửa, xói mòn, bão, lụt, ) có thể rất nghiêm trọng, nhưng không thường xuyên, và không phải là nguyên nhân chính gây suy thoái chất lượng nước toàn cầu Hoạt động của con người mới là nguyên nhân

chính dẫn đến sự ô nhiễm nước

Nước đang ngày càng giảm chất lượng do chính những hoạt động nhiều mặt của con người gây ra Khoa học kỹ thuật phát triển đã thúc đẩy quá trình sản xuất ra của cải vật chất thỏa mãn nhu cầu của con người Cùng với việc tạo ra của cải vật chất thì một lượng chất thải cũng được hình thành Các chất

cơ có độc tính cao Một số có tác dụng tích lũy và tồn lưu lâu dài trong môi trường và trong cơ thể sinh vật, từ đó dẫn đến ô nhiễm lâu dài đồng thời tác hại nghiêm trọng đến các hệ sinh thái Do có khả năng tích luỹ sinh học, nên các chất này có thể thâm nhập vào chuỗi thức ăn và từ đó đi vào cơ thể con người Các chất hữu cơ khó phân hủy điển hình có thể kể đến là các loại hóa chất bảo vệ thực vật như 2,4-D; 2,4,5-T, DDT; các loại phẩm nhuộm axit, phẩm nhuộm bazơ; các loại thuốc kháng sinh… Những chất này không những làm mất mỹ quan môi trường mà còn ảnh hưởng đến sức khỏe con người và nhiều loài sinh vật khác

1.1.2 Các biện pháp xử lý ô nhiễm nước bởi chất hữu cơ

Ô nhiễm nước là một vấn đề lớn cần được nhanh chóng giải quyết khi

mà nguồn tài nguyên nước ngày càng cạn kiệt Vấn đề này đang thu hút được

sự tham gia của nhiều nhà khoa học Rất nhiều phương pháp đã được đưa ra,

trong đó một số phương pháp tiêu biểu để xử lý chất hữu cơ trong nước như

sau:

Phương pháp phân hủy sinh học sử dụng khả năng sống và hoạt động của các vi sinh vật hoặc thực vật để phân hủy các hợp chất hữu cơ có trong nước thải Chúng sử dụng các chất hữu cơ và một số chất khoáng làm nguồn dinh dưỡng và tạo ra năng lượng Phương pháp này có nhiều ưu điểm là chi phí thấp, dễ thực hiện lại thân thiện với môi trường, có thể thực hiện ở các quy mô lớn nhỏ khác nhau, có thể tiến hành riêng hoặc kết hợp với các phương pháp khác để tăng cường sự phân hủy Tuy nhiên nhược điểm của phương pháp này là thời gian xử lý dài Hiện nay, phương pháp sinh học đang

được ứng dụng rộng rãi và đạt được nhiều thành tựu

Phương pháp Fenton được đặt theo tên nhà khoa học J.H Fenton – người đã phát hiện ra khả năng oxy hóa mạnh của tổ hợp H2O2 và muối sắt

Fe2+ và công bố trong công trình nghiên cứu của ông vào năm 1894 Tổ hợp

H2O2 và muối sắt Fe2+ đã được sử dụng làm tác nhân oxy hóa cho nhiều đối tượng chất hữu cơ Nhờ những ưu thế nổi bật trong việc loại bỏ chất ô nhiễm hữu cơ, đặc biệt là những chất hữu cơ khó phân hủy mà phương pháp này đã

được nhiều nhà khoa học chú ý và phát triển

Phương pháp xử dụng xúc tác quang để giải quyết các vấn đề môi trường đang là một hướng đi giành được nhiều sự ủng hộ do tận dụng được nguồn năng lượng tự nhiên sẵn có, thân thiện với môi trường và mang lại hiệu quả tương đối cao Các chất được sử dụng làm xúc tác quang cũng vô cùng đa dạng, mỗi loại lại có nhiều ưu nhược điểm khác nhau, tuy nhiên TiO2 là cái tên được nghiên cứu và sử dụng rộng rãi nhất với nhiều ưu điểm: tính chất quang xúc tác mạnh, tính bền hóa học cao, không gây độc, giá thành tương

đối thấp, v v

Các nhà khoa học cho rằng rất nhiều hợp chất có thể bị phân hủy bởi xúc tác quang hóa, bao gồm nhóm thuốc nhuộm, thuốc trừ sâu, thuốc diệt cỏ,

Như vậy, với khả năng xử lý nhiều nhóm chất hữu cơ khác nhau cùng các ưu điểm nổi trội như ổn định hóa học cao, bền, không gây độc, giá thành tương đối thấp; TiO2 đang là một hướng đi đúng đắn trong xử lý ô nhiễm môi trường nước bởi chất hữu cơ

1.2 Chất xúc tác quang TiO 2

TiO2 là chất rắn màu trắng, khi đun nóng có màu vàng, khi làm lạnh thì trở lại màu trắng TiO2 có độ cứng cao, khó nóng chảy (1870 oC), khối lượng 79,88 g/mol và có trọng lượng riêng 4,13–4,25g/m3

Trong tự nhiên, Titan đioxit tồn tại ở 3 dạng tinh thể là anatase, rutile và brookite

TiO2 là một 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 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 electron hóa trị sẽ tách ra khỏi liên kết, chuyển lên vùng dẫn, tạo ra một lỗ trống mang điện tích dương ở vùng hóa trị Các lỗ trống này mang tính oxy hóa mạnh và có khả năng oxy hóa nước thành OH*, cũng như một số gốc hữu cơ khác Các electron chuyển lên vùng dẫn có khả năng khử O2 thành O2- Các gốc OH* và O2- có khả năng phân hủy các hợp chất hữu cơ thành H2O và CO2

Hình 1.1 Cơ chế phân hủy chất hữu cơ bằng xúc tác quang TiO 2

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

Quá trình quang xúc tác xử lý chất hữu cơ chịu ảnh hưởng của một số yếu tố khác nhau Nguyễn Lệ Thủy (2015) đã chỉ ra một số yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả xử lý MB bằng xúc tác quang là FN2 được quét lên tấm bê tông nhẹ

8

Bảng 1.1 Một số yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả xử lý MB 5.10 -6

M bằng TiO 2 (trong 6h)

Các điều kiện ảnh hưởng

Hiệu xuất

xử lý MB (%)

Ngoài ra, Bảng 1.1 cũng cho thấy càng tăng số lượng bóng thì hiệu quả

xử lý càng cao Tuy nhiên, khi thắp thêm 3 bóng hay 4 bóng thì hiệu quả tăng không đáng kể, hơn nữa diện tích thực hiện thí nghiệm tương đối nhỏ nên thắp 2 bóng UV là tối ưu cho phản ứng phân hủy MB

Tóm lại, phản ứng quang xúc tác chịu ảnh hưởng của rất nhiều các yếu

tố khác nhau

1.4.1 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 Hoàng Hiệp (2015) chỉ ra rằng điểm

đẳng điện (pzc) của TiO2 trong môi trường nước có giá trị nằm trong khoảng

6,9 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

Tùy theo loại chất hữu cơ cần xử lý, điều kiện pH thích hợp lại thay đổi

khác nhau Bảng 1.1 cho thấy phản ứng phân hủy xanh metylen bằng TiO2

xảy ra tốt nhất tại pH = 8

1.4.2 Ảnh hưởng của hàm lượng xúc tác

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 Nguyễn Lệ Thủy