BÁO CÁO TIỂU LUẬN_CNSH TRONG XU LY MOI TRUONG

Báo cáo, đề tài nghiên cứu CNSH TRONG XU LY MOI TRUONG sẽ gíup bạn trong quá trình tìm kiếm thêm nguồn thông tin dữ liệu cho báo cáo của mình. mà tôi đã chắt lọc từ rất nhiều nguồn khác nhau: sách báo, các đề tài nghiên cứu,… tìm hiểu và sàng lọc để có 1 bài báo cáo/nghiên cứu hoàn chỉnh. Hy vọng tài liệu này sẽ giúp bạn trong quá trình làm báo cáo/tiểu luận/đề tài nghiên cứu của mình, và đạt được nhiều kết quả tốt đẹp.

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM TP.HCM KHOA CÔNG NGHỆ SINH HỌC VÀ KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG

BỘ MÔN CÔNG NGHỆ SINH HỌC

TÍNH CHẤT QUANG XÚC TÁC

VÀ ỨNG DỤNG TRONG XỬ LÝ

MÔI TRƯỜNG NƯỚC CỦA VẬT LIỆU TiO2 PHA TẠP V

GVHD: TRẦN HOÀNG NGÂU

Nhóm 3

DANH SÁCH NHÓM

ST

T Họ và Tên MSSV

ST

T Họ và Tên MSSV

1 Trần Thị Mãi 2008120329 4 Nguyễn Vũ Linh 2008120222

2 Phạm Văn Tuân 2008120167 5 Nguyễn Văn Nam 2008120172

3 Trần Công Đức 2008120197 6 Đinh Xuân Thùy 2008120180

MỞ ĐẦU

Titan đioxit (TiO2) đã được nghiên cứu rất nhiều như là một chất xúc tác quang hoá bán dẫn kể từ khi Fujishima và Honda phát hiện khả năng phân tách nước bằng xúc tác quang hoá trên các điện cực TiO2 mà không dùng dòng điện vào năm 1972 Sự kiện này đã đánh dấu sự bắt đầu của kỷ nguyên mới trong xúc tác quang hóa dị thể TiO2 có các tính chất lý, hóa, quang điện tử khá đặc biệt, có độ bền cao và thân thiện với môi trường Vì vậy, titan đioxit có rất nhiều ứng dụng trong cuộc sống như hóa mỹ phẩm, chất màu, sơn, chế tạo các loại thủy tinh, men và gốm chịu nhiệt, Còn TiO2 tinh khiết kích thước nano mét ở các dạng thù hình rutile, anatase và brookite đã được nhiều nhà nghiên cứu quan tâm và tiến hành tổng hợp ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau như: làm chất xúc tác điều chế nhiều hợp chất hữu cơ, làm xúc tác quang hoá trong xử lý môi trường, chế sơn tự làm sạch, làm vật liệu chuyển hoá năng lượng trong pin mặt trời, sử dụng trong dược phẩm, v.v Do TiO2 tinh khiết kích thước nano

có năng lượng vùng cấm khá lớn (3,05 eV đối với pha anatase và 3,25 eV đối với pha rutile), chỉ hoạt động trong vùng ánh sáng tử ngoại Trong khi đó, phần bức xạ tử ngoại trong quang phổ mặt trời đến bề mặt trái đất chỉ chiếm ~ 4% Điều này hạn chế khả năng quang xúc tác của titan đioxit, thu hẹp khả năng ứng dụng của loại vật liệu này Một xu hướng đang được các nhà nghiên cứu quan tâm là tìm cách thu hẹp dải trống của titan đioxit, sao cho có thể tận dụng được ánh sáng mặt trời cho các mục đích quang xúc tác của titan đioxit Để thực hiện được mục đích này, nhiều ion kim loại và không kim loại đã được sử dụng để biến tính các dạng thù hình của titan đioxit Trong các dạng biến tính, đặc biệt là các kim loại chuyển tiếp, cho thấy bột TiO2 điều chế được hoạt động tốt trong vùng ánh sáng nhìn thấy và khả năng ứng dụng quang xúc tác rất cao Ở Việt Nam, việc nghiên cứu vật liệu TiO2 kích thước nano mét mới chỉ được quan tâm khoảng mười năm trở lại đây và chủ yếu điều chế bột TiO2 kích thước nano mét ở dạng tinh khiết Dạng TiO2 biến tính bằng kim loại và phi kim mới chỉ là nghiên cứu bước đầu Để thực hiện được mục đích này, nhiều các ion kim loại như Zn, Fe, Cr,

Eu, Y, Ag, Ni, và các ion không kim loại như N, C, S, F, Cl, đã đựơc sử dụng để biến tính (modify) hoặc kích hoạt (doping) các dạng thù hình của titan đioxit Quá trình biến tính có thể thực hiện với biến tính cấu trúc, với các phương pháp được sử dụng là sol-gel, thủy phân, thuỷ nhiệt, đồng kết tủa, tự cháy, hoặc biến tính bề mặt với các phương pháp tẩm, cộng kết, cộng kết thuỷ nhiệt, Trên thế giới hiện nay có

một số các công trình nghiên cứu về titan đioxit được biến tính cho kết quả cho thấy năng lượng vùng cấm giảm, hoạt tính quang xúc tác tăng lên đáng kể, tuy nhiên những kết quả thu được vẫn còn nhiều điểm khác nhau giữa các nghiên cứu và quy trình điều chế chưa được công bố một cách cụ thể Mặt khác, với tình hình ô nhiễm môi trường, đặc biệt là môi trường nước như hiện nay thì việc ứng dụng của TiO2 biến tính càng được các nhà khoa học chú trọng.Chính vì vậy, trong bài tiểu luận này chúng em xin trình bày một đề tài liên quan đến vấn đề này để mọi người có thêm tài liệu, thêm thông tin để tham khảo Đó là: “TÍNH CHẤT QUANG XÚC TÁC VÀ ỨNG DỤNG TRONG XỬ LÝ MÔI TRƯỜNG NƯỚC CỦA CỦA VẬT LIỆU TiO2 PHA TẠP V”

Nhóm thực hiện

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

1.1 Công nghệ nano

Công nghệ nano nghiên cứu và ứng dụng các hệ bao gồm các cấu tử có kích cỡ nano (10-9 m) với cấu trúc phân tử hoàn chỉnh trong việc chuyển hóa vật chất, năng lượng và thông tin

1.2 Giới thiệu về titan đioxit kích thước nano

1.2.1 Đặc điểm cấu trúc và tính chất vật lý của TiO 2

Titan đioxit hay còn gọi là titan (IV) oxit hoặc titania, là oxit có nguồn gốc tự nhiên của titan.TiO2 có màu trắng, khi đun nóng có màu vàng, khi làm lạnh thì trở lại màu trắng Tinh thể TiO2 có độ cứng cao, khó nóng chảy Khi được sử dụng như là một loại chất màu sử dụng trong các ngành công nghiệp sản xuất sơn, mỹ phẩm, thực phẩm , nó có tên thương phẩm là chất màu Màu Trắng - 6 (White – 6) hoặc CI 77.891 Nhưng ngày nay titania được biết đến nhiều nhất trong vai trò chất có khả năng xúc tác quang hóa Titan đioxit tinh thể lại có 3 dạng thù hình khác nhau: anatase, rutile và brookite, ngoài ra còn 2 dạng chỉ tồn tại dưới điều kiện áp suất cao đó là đơn

tà baddeleyite và dạng trực thoi, thường chỉ được tìm thấy gần các miệng núi lửa Trong đó, rutile là dạng thù hình phổ biến nhất và bền vững nhất, cả anatase và brookite đều chuyển sang rutile khi được gia nhiệt

Cấu trúc mạng anatase, rutile và brookite đều được xây dựng từ các bát diện mà trong đó Ti có số phối trí bằng 6, 1 nguyên tử Ti liên kết với 6 nguyên tử O bao quanh nó

1.2.2 Giản đồ miền năng lượng của anatase và rutile

TiO2 ở dạng anatase có hoạt tính quang hóa cao hơn hẳn các dạng tinh thể khác, điều này được giải thích dựa vào cấu trúc vùng năng lượng Như chúng ta đã biết, trong cấu trúc của chất rắn có 3 miền năng lượng là vùng hóa trị, vùng cấm và vùng dẫn Tất cả các hiện tượng hóa học xảy ra đều là do sự dịch chuyển electron giữa các vùng với nhau

1.2.3 Sự chuyển pha trong TiO 2

Hầu hết các tài liệu tham khảo đều chỉ ra rằng quá trình thuỷ phân các muối vô

cơ đều tạo ra tiền chất titan đioxit dạng vô định hình hoặc dạng cấu trúc anatase hay rutile Khi nung axit metatitanic H2TiO3, một sản phẩm trung gian chủ yếu của quá trình sản xuất TiO2 nhận được khi thuỷ phân các dung dịch muối titan, thì trước hết tạo thành anatase Khi nâng nhiệt độ lên thì anatase chuyển thành rutile

1.2.4 Tính chất hóa học của TiO 2

TiO2 bền về mặt hoá học (nhất là dạng đã nung), không phản ứng với nước, dung dịch axít vô vơ loãng, kiềm, amoniac, các axit hữu cơ

1.2.5 Hoạt tính quang xúc tác của TiO 2

Titan oxit ngoài tính chất là vật liệu khối thì nó còn được biểu hiện ở một số tính chất khác nữa: Tính chất cấu trúc về hình thái, tính chất điện, tính chất từ, tính chất quang xúc tác… đặc biệt hoạt tính quang xúc tác được quan tâm nhất Khái niệm quang xúc tác ra đời vào năm 1930 Trong hóa học, khái niệm này dùng để nói đến những phản ứng xảy ra dưới tác dụng đồng thời của chất xúc tác và ánh sáng, 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 bởi ánh sáng, trong chất bán dẫn sẽ tạo ra cặp điện tử - lỗ trống và

có sự trao đổi electron giữa các chất bị hấp phụ, thông qua cầu nối là chất bán dẫn TiO2 thuộc loại xúc tác quang dị thể, chất xúc tác và chất phản ứng nằm ở hai pha khác nhau: TiO2 tồn tại dạng pha rắn còn chất phản ứng ở pha khí hoặc pha lỏng Trong phản ứng xúc tác truyền thống, xúc tác thường được hoạt hóa bởi nhiệt còn trong phản ứng quang xúc tác, xúc tác được hoạt hóa bởi sự hấp thụ ánh sáng Một chất có khả năng xúc tác quang thì chất đó phải có năng lượng vùng cấm thích hợp để hấp thụ ánh sáng cực tím hoặc ánh sáng khả kiến Anatase có năng lượng vùng cấm là 3,25 eV tương đương với một lượng tử ánh sáng có bước sóng 388nm Rutile có năng lượng vùng cấm là 3,05 eV tương đương với một lượng tử ánh sáng có bước sóng 413nm Năng lượng vùng cấm của TiO2 đều phù hợp để hấp phụ ánh sáng tử ngoại

1.3 Vật liệu TiO 2 biến tính

1.3.1 Mục đích của sự biến tính vật liệu TiO 2

Những ứng dụng quan trọng của vật liệu TiO2 kích thước nano chính là nhờ khả năng quang xúc tác dưới ánh sáng tử ngoại Tuy nhiên, hiệu suất của quá trình quang xúc tác này đôi khi bị ngăn cản bởi độ rộng vùng cấm của titania Vùng cấm của TiO2 nằm giữa vùng UV (như đã nói ở trên), mà vùng UV chỉ chiếm một phần nhỏ của năng lượng mặt trời (<10%) Do đó, một trong những mục đích khi cải tiến hiệu suất của TiO2 là làm tăng hoạt tính quang xúc tác bằng cách dịch chuyển dải sóng hấp phụ về vùng khả kiến, tức là thu hẹp năng lượng vùng cấm của TiO2 Mặt khác, như đã trình bày phần cơ chế của quá trình phản ứng quang xúc tác, hiệu suất lượng tử của phản ứng bị cản trở bởi sự tái hợp các electron và các lỗ trống, và để hiệu suất lượng tử của phản ứng quang xúc tác tăng, cần phải thêm một điều kiện nữa, đó là tăng tốc độ di chuyển của các electron và các lỗ trống Như vậy, mục đích của sự biến tính TiO2, đó là:

- Đưa năng lượng vùng cấm của TiO2 về vùng ánh sáng khả kiến, tức là vật liệu thể hiện hoạt tính quang xúc tác ngay cả khi chiếu ánh sáng khả kiến lên bề mặt

- Tạo các “bẫy điện tích” để giảm sự tái kết hợp của các electron và lỗ trống

- Tăng tốc độ di chuyển electron từ đó tăng hiệu suất lượng tử của phản ứng quang hóa

Có rất nhiều phương pháp để đạt được những mục đích này Một trong những giải pháp được sử dụng nhiều nhất đó là biến tính TiO2 với một số nguyên tố mà nhờ

đó TiO2 có thể thu hẹp độ rộng vùng cấm, tạo các bẫy điện tích, và tăng tốc độ di chuyển electron Danh sách các nguyên tố được đưa vào TiO2 đang ngày càng dài ra theo sự phát triển của công nghệ, đó có thể là các nguyên tố kim loại phân nhóm chính, phân nhóm phụ, hay các phi kim thậm chí một số á kim Tuy nhiên, được nghiên cứu nhiều nhất là các kim loại chuyển tiếp

1.4 Ứng dụng của vật liệu TiO 2 kích thước nano

Gần 58% titan đioxit sản xuất được được dùng làm chất màu trắng trong công nghiệp sản xuất sơn Chất màu trắng titan đioxit cũng đã được sử dụng một lượng lớn trong sản xuất giấy, cao su, vải sơn, chất dẻo, sợi tổng hợp và một lượng nhỏ trong công nghiệp hương liệu Các yêu cầu đòi hỏi đối với sản phẩm là rất đa dạng phụ thuộc vào công dụng của chúng

o Ứng dụng trong xúc tác quang hóa xử lý môi trường

o Ứng dụng làm chất độn trong các lĩnh vực sơn tự làm sạch, chất dẻo

o Xử lý các ion kim loại nặng trong nước

o Diệt vi khuẩn, vi rút, nấm, tế bào ung thư

o Bề mặt siêu thấm ướt của vật liệu TiO2

o Các ứng dụng khác

CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM

2.1 Mục tiêu và các nội dung nghiên cứu

2.1.1 Mục tiêu

Nghiên cứu điều chế, khảo sát cấu trúc, hoạt tính quang xúc tác của vật liệu TiO2 pha tạp V

2.1.2 Các nội dung nghiên cứu

Để đạt được mục tiêu trên chúng tôi tiến hành nghiên cứu một

số nội dung nghiên

cứu quan trọng như sau:

- Khảo sát, nghiên cứu các điều kiện ảnh hưởng đến quá trình điều chế vật liệu TiO2 pha tạp V bằng phương pháp sol-gel và đồng kết tủa

- Sử dụng một số phương pháp hiện đại để nghiên cứu cấu trúc, đặc tính của sản phẩm như: phương pháp phân tích nhiệt, phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD), phương pháp hấp thụ quang UV-VIS, phương pháp tán xạ diện tử EXD, phương pháp hiển vi điện tử truyền qua (TEM)

2.1.3 Phương pháp nghiên cứu

Trong quá trình nghiên cứu tổng hợp vật liệu TiO2 pha tạp V, các phương pháp được sử dụng, đó là:

- Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: sưu tầm, phân tích, tổng hợp các tài liệu

liên quan đến lĩnh vực nghiên cứu

- Phương pháp thực nghiệm: sử dụng phương pháp sol-gel và phương pháp đồng kết tủa để điều chế vật liệu, phương pháp thử hoạt tính quang xúc tác của bột TiO2 điều chế được

- Sử dụng các phương pháp hóa lý hiện đại để nghiên cứu cấu trúc và đặc tính của vật liệu

2.2 Điều chế vật liệu

Phương pháp sol-gel

Phương pháp đồng kết tủa:

Các tác giả đã sử dụng dung dịch TiCl4 làm chất đầu để điều chế bột TiO2 bằng phương pháp kết tủa đồng thể Dung dịch TiCl4 được làm lạnh ở 0oC, sau đó thêm từng mẩu đá nhỏ vào để thực hiện phản ứng thuỷ phân tạo thành dung dịch màu vàng nhạt TiOCl2. Thêm nước cất vào dung dịch TiOCl2 để thu được dung dịch trong suốt dùng cho quá trình kết tủa đồng thể

Đây là sơ đồ điều chế: phương pháp đồng kết tủa (trái) và sol-gel (phải)

CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1 Nghiên cứu cấu trúc và quang hấp thụ

Kết quả đo XRD của mẫu TiO2 5%V chế tạo theo hai phương pháp trên hình 2 cho thấy các mẫu đều có cấu trúc anatase, đơn pha, kích thước tinh thể trung bình (xác định theo công thức Scherrer) khoảng 15:19 nm

Hình 3.1 Giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu bột TiO2:0,5% V chế tạo bằng phương pháp

đồng kết tủa và sol-gel

Hình 3.2 Quang hấp thụ của các mẫu bột TiO2 0,5%V (a) và 0,3%V (b)

Hình 3.3 Quang hấp thụ của TiO2 0,5%V bọc hạt từ tính Hình 3.2 thể hiện phổ hấp thụ của các mẫu TiO2 và TiO2 : 0.3%V(b) và 0.5%V(a)

Bờ hấp thụ của các mẫu pha tạp dịch một cách hệ thống về phía bước sóng dài, vùng hấp thụ chuyển tới 450-500nm đối với mẫu 0.5%V Hình 3.3 thể hiện phổ hấp thụ của các mẫu TiO2:0.5%V bọc quanh hạt từ tính Có thể thấy khi lắng đọng trên các hạt từ, vùng hấp phụ của mẫu dịch rất mạnh về phía bước sóng dài, chiếm cả vùng từ 500-600nm Các kết quả này cần tiếp tục phân tích và có thể cho phép nghiên cứu tính quang xúc tác của các hệ mẫu này trong vùng khả kiến, hứa hẹn sự ứng dụng của vật liệu này

3.2 Nghiên cứu phản ứng xúc tác quang hóa

Phản ứng xúc tác quang oxi hóa benzene, phenon xảy ra trong một ống Pyrex thể tích 40ml nguồn sáng UV phát ra từ đèn hơi thủy ngân áp suất cao (công suất 500W) 5ml benzen và 100mg TiO2 được lấy chính xác và cho vào ống Pyrex Hỗn hợp được đặt trên máy khuấy từ và được chiếu tia UV trong 2 giờ ở nhiệt độ phòng Sau các khoảng thời gian xác định, hỗn hợp mẫu được lấy ra, lọc và phân tích sản phẩm trên mấy HPLC Dung môi là hỗn hợp 60% methanol 40% nước về thể tích Bước sóng sử dụng cho detector là 275nm Thời gian ghi nhận tín hiệu là 12 phút

Hình 3.4 Sắc kí đồ của phản ứng oxi hóa benzen trên xúc tác TiO2 pha tạp 0,5%V

Từ sắc kí đồ trên hình 3.4, ta thấy có 3 sản phẩm chính sinh ra trong quá trình oxi hóa quang hóa benzen trên xúc tác TiO2 tương ứng với các đỉnh số 1, 2 và 3 Cột sắc kí ODS C18 có bản chất không phân cực, những chất có độ phân cực cao sẽ có thời gian lưu ngắn hơn các chất không phân cực Theo thứ tự độ phân cực giảm dần từ sản phẩm 1 đến sản phẩm 3 Trên sắc kí đồ này không xuất hiện pic của benzene vì benzene không phân

cực và thời gian lưu trên cột sắc kí rất lâu (từ 30-35 phút) Sử dụng kĩ thuật quét các bước sóng của detector, chúng tôi đã thu được các phổ hấp thụ tử ngoại của các sản phẩm tương ứng với các pic trên Bằng cách so sánh giá trị thời gian lưu của các sản phẩm và phổ biến tử ngoại của các chất chuẩn cho thấy pic số 1 là sản phẩm muconic axit (HOOC-CH=CH-CH=CH-COOH); pic số 2 là sản phẩm muconic anđehit (OHC-CH=CH-CH=CH-CHO) và pic số 3 là phenon Sau phenon không thu được sản phẩm nào khác Sản phẩm của phản ứng oxi hóa phenon là muconic axit Điều này chứng tỏ sản phẩm trực tiếp của phản ứng oxi hóa benzene là muconic andehit và phenon Sau đó phenon và muconic andehit lại bị oxi hóa tiếp tục thành muconic axit và cuối cùng bị oxi hóa hoàn toàn tạo thành CO2 và H2O không gây độc hại cho môi trường Việc theo dõi sự hình thành 2 sản phẩm muconic anđehit và phenon sẽ có ý nghĩa trong việc nghiên cứu

cơ chế phản ứng này, ứng dụng quan trọng trong tổng hợp hữu cơ

Chúng tôi đã tiến hành so sánh lượng sản phẩm muconic anđehit và phenon sinh ra trong phản ứng oxi hóa benzene trên các xúc tác TiO2 pha tạp V với hàm lượng 0,1:1% Kết quả được chỉ ra ở hình 3.5