B Á O C Á O T Ổ N G K Ế T Đ Ề T À IN G H I Ê N C Ứ U K H O A H Ọ C

BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Ths Nguyễn Thanh Tú eBook Collection [Trailer] NGHIÊN CỨU KHOA HỌC SINH VIÊN NĂM HỌC 2017-2018 “NGHIÊN CỨU THỬ NGHIỆM KHẢ NĂNG XỬ LÝ TẢO LAM CỦA TITAN OXIDE (TiO2) BẰNG PHƯƠNG PHÁP QUANG XÚC TÁC” WORD VERSION | 2021 EDITION ORDER NOW / CHUYỂN GIAO QUA EMAIL TAILIEUCHUANTHAMKHAO@GMAIL.COM Tài liệu chuẩn tham khảo Phát triển kênh Ths Nguyễn Thanh Tú Đơn vị tài trợ / phát hành / chia sẻ học thuật :  Nguyen Thanh Tu Group Hỗ trợ trực tuyến Fb www.facebook.com/DayKemQuyNhon Mobi/Zalo 0905779594 BỘ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG HÀ NỘI KHOA MÔI TRƯỜNG BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC SINH VIÊN NĂM HỌC 2017– 2018 ĐỀ TÀI: “NGHIÊN CỨU THỬ NGHIỆM KHẢ NĂNG XỬ LÝ TẢO LAM CỦA TITAN OXIDE (TiO2) BẰNG PHƯƠNG PHÁP QUANG XÚC TÁC” Thuộc nhóm ngành khoa học: Cơng nghệ kĩ thuật môi trường HÀ NỘI, THÁNG – NĂM 2018 BỘ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG HÀ NỘI KHOA MÔI TRƯỜNG BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC SINH VIÊN NĂM HỌC 2017 - 2018 TÊN ĐỀ TÀI: “NGHIÊN CỨU THỬ NGHIỆM KHẢ NĂNG XỬ LÝ TẢO LAM CỦA TITAN OXIDE (TiO2) BẰNG PHƯƠNG PHÁP QUANG XÚC TÁC” Thuộc nhóm ngành khoa học: Cơng nghệ kĩ thuật môi trường Lớp Khoa Năm thứ Ngành học Người hướng dẫn : ĐH5M5 : Môi trường : 3/4 : Công nghệ kĩ thuật môi trường : TS.LÊ NGỌC THUẤN HÀ NỘI, THÁNG – NĂM 2018 BỘ TÀI NGUYÊN VÀ MƠI TRƯỜNG CỘNG HỊA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC Độc lập - Tự - Hạnh phúc TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG HÀ NỘI THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI Thông tin chung: - Tên đề tài:“Nghiên cứu thử nghiệm khả xử lý tảo lam Titan Oxit (TiO2) phương pháp quang xúc tác - Nhóm Sinh viên thực hiện: Phạm Thị Thu Huyền Trần Thị Việt Hà Nguyễn Thu Hiền Lưu Mai Anh Nguyễn Thị Yến - Lớp: ĐH5M5 Khoa: Môi trường Năm thứ: 03 Số năm đào tạo: 04 - Người hướng dẫn: TS Lê Ngọc Thuấn Mục tiêu đề tài: - Mục tiêu chung: Khảo sát, đánh giá trạng đưa đề xuất cho phương pháp xử lý tảo - Mục tiêu cụ thể: • Ứng dụng quang xúc tác TiO2 diệt tảo • Sử dụng lượng thiên nhiên-năng lượng mặt trời ứng dụng quang xúc tác TiO2 • Tái chế, sử dụng nguồn phế liệu nghiên cứu phương án diệt tảo.Tính tốn đánh giá khả xử lý chất ô nhiễm TiO2 Tính sáng tạo: - Đã xây dựng quy trình chế tạo màng Titan Oxit phương pháp sol-gel bề mặt kính - Vật liệu TiO2 tổng hợp thuđược có hoạt tính oxy hóa quang xúc tác tốt tảo lam nước điều kiện ánh sáng mặt trời Tính đề tài thành công kết hợp TiO2 : Acid citric (tỉ lệ 1:1) tạo lớp màng mỏng phủ bề mặt thủy tinh (SiO2) dạng hình cầu – phương pháp chưa thực Việt Nam - Sử dụng vật liệu màng Tio2 ứng dụng vào việc diệt tảo Lam nước, với phương thức thu hồi lại Tio2 không gây độc cho môi trường lượng TiO2 tồn đọng lại nước, tiết kiệm hóa chất - Sử dụng bóng đèn cũ làm bề mặt đế để phủ gelTiO2 mang tính ứng dụng tính thực tiễn cao - Đánh giá khảo sát hoạt tính xúc tác quang vật liệu việc xử lý chất hữu cơ(xanh metylen) tảo lam nước, cho kết tốt Kết nghiên cứu: - Đã thành cơng chế tạo TiO2 dạng sol - Phân tích xác định đặc trưng cấu trúc, tính chấtcủa vật liệu thơng qua kết phân tích nhiễu xạ tia X, phân tích phổ hồng ngoại IR, chụp ảnh kính hiển vi điện tử SEM, kính hiển vi điện tử truyền qua TEM, phổ UV- Vis Đóng góp mặt kinh tế - xã hội,giáo dục đào tạo, an ninh, quốc phòng khả áp dụng đề tài: - Tảo Lam tồn nhiều ao nuôi tôm, hấp thụ dinh dưỡng phát triển.Chúng làm ao nuôi thiếu oxi để tôm phát triển, gây số bệnh tôm làm giảm chất lượng suất nuôi tôm.Việc ứng dụng vật liệu TiO2giúp cho ao nuôi tôm diệt tảo mà không dùng đến hóa chất độc hại thị trường nay, góp phần lớn vào kinh tế đề tài quan tâm phát triển - Xuất hồ Tây hồ Gươm với mật độ dày đăc gây tượng “tảo nở hoa” làm cá chết hàng loạt khiến cho giá trị văn hóa dịch vụ hồ bị ảnh hưởng nghiêm trọng Chức sinh thái điều hòa bị giảm mạnh tảo lam gây Nghiên cứu mong muốn áp dụng thực tế giải vấn đề trả lại cảnh quan đẹp cho thành phố - Dùng bóng đèn cũ làm vật liệu đóng vai trị chất mang, cố định gel TiO2 thả bề mặt ao hồ bị nhiễm tảo Lam, ý tưởng mang tính chất dùng rác thải để xử lý nhiễm mơi trường Mang tính sáng tạo sinh viên Mơi trường - Ơ nhiễm nước nguồn nước khơng đe dọa đến sống sức khỏe người mà tác động lớn tới hệ động thực vật nói chung Nghiên cứu chế tạo vật liệu xúc tác quang TiO2 ứng dụng việc xử lý tảo lam nước Nhận xét người hướng dẫn đóng góp khoa học sinh viên thực đề tài ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ……………………….………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ……………………………………………….………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………….………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… …….…………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… …………………………….…………………………………………………………… ………………………………………… Hà Nội, Ngày 07 tháng 05 năm 2018 Xác nhận trường đại học Người hướng dẫn Lê Ngọc Thuấn LỜI CẢM ƠN! Trong trình thực đề tài: “NGHIÊN CỨU THỬ NGHIỆM KHẢ NĂNG XỬ LÝ TẢO LAM CỦA TITAN OXIDE (TiO2) BẰNG PHƯƠNG PHÁP QUANG XÚC TÁC” Chúng em nhận nhiều giúp đỡ, tạo điều kiện thuận lợi quý thầy cô giáo trung tâm ứng dụng Khoa học Vật liệu – trường Đại học Khoa học Tự nhiên – Đại học Quốc gia Hà Nội Chúng em xin bày tỏ lòng cảm ơn chân thành giúp đỡ Đặc biệt, chúng em xin bày tỏ kính trọng lịng biết ơn sâu sắc đến TS.Lưu Mạnh Quỳnh - giảng viên khoa Vật Lý- trường Đại học Khoa học Tự nhiên – Đại học Quốc gia Hà Nội - người thầy trực tiếp hướng dẫn bảo cho chúng em suốt q trình hồn thành đề tài nghiên cứu Thầy tận tình bảo cho chúng em kiến thức lý thuyết thực nghiệm quý báu với lời động viên TS Lê Ngọc Thuấn – giảng viên khoa Môi trường – trường Đại học Tài nguyên Môi trường Hà Nội – người chịu trách nhiệm hướng dẫn lên ý tưởng ban đầu để chúng em có bước đệm hồn thành đề tài nghiên cứu Tiếp theo, chúng em xin cảm ơn quan tâm, giúp đỡ, ân cần bảo nhiệt tình giảng dạy thầy Trường Đại học Tài nguyên Môi trường Hà Nội Những kiến thức mà thầy truyền đạt tảng cho chúng em thực đề tài nghiên cứu Cuối cùng, để có kết ngày hôm nay, chúng em xin gửi lời cảm ơn lòng biết ơn đến người thân, bạn bè Hà Nội, ngày 07 tháng 05 năm 2018 Nhóm sinh viên thực 1.Phạm Thị Thu Huyền 2.Lưu Mai Anh 3.Trần Thị Việt Hà 4.Nguyễn Thu Hiền 5.Nguyễn Thị Yến MỤC LỤC MỞ ĐẦU 1.Tính cấp thiết đề tài 2.Mục tiêu đề tài 3.Phương pháp nghiên cứu Tóm tắt nội dung kết đạt CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1.Vật liệu xúc tác quang hóa TiO2 1.1.1.Giới thiệu TiO2 1.1.2.Cơ chế xúc tác quang hóa vật liệu nano TiO2 xử lí chất nhiễm 1.2 Ứng dụng 1.3 Vật liệu xúc tác quang hóa nano TiO2 11 1.3.1 Giới thiệu phương pháp tẩm vật liệu nano bề mặt chất mang 12 1.3.2 Các chất mang nano titan dioxit 12 1.3.3 Các loại chất mang 12 1.3.4 Các kỹ thuật cố định xúc tác quang hóa TiO2 lên vật liệu mang 13 1.4 Tình hình nghiên cứu ứng dụng vật liệu xúc tác quang hóa nano TiO2 Việt Nam giới 15 1.5.Chế tạo vật liệu nano phương pháp sol-gel 16 1.6 Các phương pháp nghiên cứu đặc trưng, tính chất cấu trúc vật liệu 17 1.6.1 Phương pháp phổ phát tán lượng tia X 17 1.6.2 Phương pháp nhiễu xạ Rơnghen(XRD–X–Rays Diffraction) 18 1.6.3 Phương pháp phổ hấp thụ phân tử UV- Vis 20 1.6.4 Phương pháp kính hiển vi điện tử quét (SEM) 21 1.6.5 Phương pháp hiển vi điện tử truyền qua (TEM) 22 1.7 Giới thiệu tảo 22 CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM 25 2.1 Chế tạo vật liệu màng TiO2 25 2.1.1.Chế tạo mẫu dạng sol: 26 2.2 Phủ màng TiO2 lên bóng đèn thử nghiệm diệt tảo Lam 29 2.3.Nghiên cứu khả phân hủy chất hữu 32 CHƯƠNG KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 34 3.1 Khảo sát tỷ lệ tối ưu hóa TTIP:AC 34 3.2.Phân tích đặc trưng cấu trúc, tính chất vật liệu 36 3.3 Kết nhận xét: 40 CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN 43 TÀI LIỆU THAM KHẢO 44 cho ánh sáng qua lại hấp thụ tia tử ngoại để phân hủy hạt bụi nhỏ, hạt dầu mỡ…Các vết bẩn có mưa dễ dàng bị loại bỏ, lực lớn bề mặt với nước, tạo lớp nước mỏng bề mặt 1.2.3 Các vật liệu chống bám sương Hiện tượng mà ta thường thấy bề mặt gạch men, kính thường có nước phù thành lớp sương đọng thành giọt nước nhỏ gây mờ kính Sản phẩm gạch men, kính phủ lớp mỏng TiO2 kết hợp với số chất phụ gia thích hợp kéo giọt nước bề mặt trải dàn thành mặt phẳng ánh sáng truyền qua mà khơng gây biến dạng hình ảnh 1.2.4 Sản phẩm diệt khuẩn, khử trùng, chống rêu mốc Bằng việc khử lớp phin mỏng TiO2 lên bề mặt vật liệu gạch men, sơn tường…dưới tác động tia cực tím xảy phản ứng quang hóa tạo tác nhân oxy hóa mạnh (mạnh gấp trăm lần so với tác nhân khử trùng bình thường chlor, ozon) tiêu diệt vi khuẩn, nấm mốc Các sản phẩm dùng phổ biến cơng trình địi hỏi u cầu vệ sinh cao bệnh viện, phịng vơ trùng 1.2.5 Tiêu diệt tế bào ung thư TiO2 dạng hạt nano đưa vào thể, tiếp cận tế bào ung thư Tia UV dẫn thông qua sợi thủy tinh quang học chiếu trực tiếp hạt TiO2 Các tác nhân oxy hóa mạnh có khả tiêu diệt tế bào ung thư nhờ phản ứng quang xúc tác 1.2.6 Sản xuất nguồn lượng H2 Nguồn lượng hóa thạch dần cạn kiệt nên địi hỏi tìm nguồn lượng mới, sạch, thân thiện môi trường H2 xem giải pháp hữu hiệu, vừa đảm bảo nguồn lượng lớn, tạo sản phẩm phụ H2O Thông qua phản ứng xúc tác quang TiO2/UV tạo H2 thu hồi làm nguyên liệu 1.2.7 Khử mùi, làm khơng khí Vật liệu TiO2 lắp chứa nhiều máy điều hòa nhiệt độ với chức tiêu diệt vi khuẩn, nấm mốc khí nhiễm Các nghiên cứu cho thấy vật liệu TiO2 có khả xử lý Nox, dung mơi hữu cơ, khí phát sinh mùi khói thuốc 10 1.2.8 Xử lý nước nhiễm bẩn Do khả sản sinh gốc oxy hóa - khử mạnh có mặt UV vật liệu TiO2 xem hướng xử lý thành phần ô nhiễm nước TiO2 ứng dụng để xử lý nước bị ô nhiễm chất hữu cơ, tiêu diệt vi khuẩn, xử lý dầu, thuốc nhuộm, chất hoạt động bề mặt, chuyển hóa kim loại nặng dạng độc cho hệ sinh thái người Các vật liệu TiO2 ứng dụng trình xử lý nước thải như: TiO2 dạng bột kích thước nano, TiO2 dạng phin mỏng, hạt bead 1.2.9 Ứng dụng TiO2 xử lý nước thải, nước nhiễm khuẩn 1.3 Vật liệu xúc tác quang hóa nano TiO2 Dạng anatat TiO2 có lượng vùng cấm 3.25 eV tương đương với lượng tử ánh sáng có λ = 388nm Chính mà phần lớn bước sóng bị hấp thụ TiO2 nằm vùng ánh sáng cực tím (UV), chiếm – 5% lượng ánh sáng từ mặt trời Chính vỉ việc mở rộng vùng cấm TiO2 làm tăng khả hấp phụ bước sóng dài hơn, từ tăng hiệu q trình xúc tác quang hóa vật liệu nano Có số mở rộng vùng cấm để hấp thụ ánh sáng phát vùng Vis (vùng ánh sáng nhìn thấy) Phổ biến việc cố gắng kiểm soát vùng cấm vật liệu sử dụng số chất hóa học ion kim loạt lanthanides Trong vật liệu rời, chất phụ gia dẫn tới việc mức lượng 3d 4f bên cấu trúc vật liệu thức đẩy việc điều chỉnh hấp thụ phát quang vùng phổ UV, nhìn thấy hồng ngoại (IR) Nghiên cứu gần Candal R, et.al.vai trò nguyên tố nhóm lantan việc mở rộng vùng cấm TiO2 Điều có lớp -4fn chuyển động nhóm lantan, giúp tăng cường hấp thụ quang TiO2, từ di chuyển vào vùng ánh sáng nhìn thấy Theo nghiên cứu từ trước, nhóm đất pha tạp với TiO2 có khả xúc tác chất ô nhiễm hữu thuốc nhuộm, phenol, điều kiện vùng UV Vis Mặt khác, vật liệu xúc tác quang thu hút quan tâm toàn giới Sự quan tâm chủ yếu tập trung vào đặc tính quang phổ, hình dạng phổ phát xạ, hiệu suất quan lượng phát quang ảnh hưởng nồng độ tỉ lệ nhóm đất 11 cho vào tới phát quang TiO2 vật liệu kết hợp với SiO2 hứa hẹn mở rộng vùng cấm TiO2 tăng hiệu suất khả xúc tác Trong nghiên cứu này, vật liệu điều chế theo phương pháp sol-gel cách pha TTiP : Acid Citric theo tỉ lệ 1:1 để tạo nên biến đổi hoạt tính quang hóa TiO2 sau nung Vật liệu có khả xúc tác ánh sáng nhìn thấy, từ xử lý số hợp chất hữu nước, u cầu thiết yếu q trình phát triển cơng nghiệp gắn liền với bảo vệ môi trường 1.3.1 Giới thiệu phương pháp tẩm vật liệu nano bề mặt chất mang Phương pháp tẩm phương pháp phổ biến, có số ưu điểm so với phương pháp khác là: đơn giản, sử dụng nguyên tố hoạt động hiệu hơn, lượng chất thải độc hại thấp: Phương pháp tẩm gồm giai đoạn sau: - Chọn xử lý bề mặt chất rắn trước tẩm - Tẩm dung dịch chứa pha hoạt tính lên chất rắn loại bỏ phần dung dịch dư - Xử lý nhiệt xúc tác (sấy, nung) - Hoạt hóa xúc tác 1.3.2 Các chất mang nano titan dioxit Một chất mang tốt cho xúc tác quang hóa phải đảm bảo yếu tố sau: - Không cản trở truyền tia UV thực tế khó tìm loại chất mang đáp ứng yêu cầu - Liên kết hóa lý TiO2 bề mặt phải đủ mạnh mà khơng có bất lợi ảnh hưởng đến tính chất xúc tác TiO2 - Chất mang phải có diện tích bề mặt cao - Chất mang phải có khả hấp phụ tốt chất hữu cần xử lý - Chất mang phải trơ mặt hóa học 1.3.3 Các loại chất mang Các loại chất mang bao gồm:Thủy tinh, than hoạt tính, vật liệu có cấu trúc xốp Thủy tinh: Do có liên kết bền Ti-O-Si hình thành nhờ nhóm –OH nhóm Si-OH họat tính chất SiO2 khả truyền tia UV mà thủy tinh lựa chọn làm chất mang xúc tác TiO2 Các loại chất thủy tinh khác sử dụng như: thủy tinh borosilicat, thủy tinh bản, silic nấu chảy, thủy tinh pyrex, thủy tinh vôi natri cacboat 12 hay quartz Các loại thủy tinh có chứa natri hay ion kim loại kiềm với hàm lượng khác nhau, khả truyền ánh sáng UV, độ bền nhiệt mật độ Si-OH bề mặt khác Độ ổn định bám dính quang xúc tác TiO2 cố định chất có tầm quan trọng lớn sử dụng thời gian dài điều kiện vận hành thực tế Độ bám dính liên quan trực tiếp đến quy trình chế tạo để quang xúc tác cố dịnh chất nền.Ngoài việc cố định bột TiO2 cách xử lý nhiệt độ cao, phương pháp phủ sol-gel bắt đầu phân hủy tiền chất titan tạo liên kết giai đoạn xử lý nhiệt cuối nhiệt độ trung bình thơng thường khoảng 350-550oC.Để hình thành liên kết Ti-O-Si ổn định suốt q trình nung nhóm OH bề mặt nhóm Si-OH hoạt tính đóng vai trị quan trọng Do đó, việc tiền xử lý chất cách để tăng mật độ bề mặt liên kết Si-OH Nó làm tăng độ nhám bề mặt chất nên đóg vai trị tích cực cho việc ổn định TiO2 với kết cấu bề mặt xù xì cát thạch anh, mang lại diện tích bề mặt lớn cho việc cố định TiO2 1.3.4 Các kỹ thuật cố định xúc tác quang hóa TiO2 lên vật liệu mang - Phương pháp sử dụng chất kết dính: Chất kết dính cố định xúc tác quang trực tiếp lên chất Các chất dính hay sử dụng polyme, keo SiO2, plyme organosilane có nhóm chức hữu Nhờ nhóm liên kế TiO2-polyme hình thành Nhược điểm phương pháp làm giảm bề mặt TiO2 cho trình hấp phụ phản ứng phần hay toàn TiO2 nằm lớp phủ chất kết dính - Phương pháp khơng sử dụng chất kết dính: Có nhiều phương pháp khơng sử dụng chất kết dính như: phương pháp xử lý nhiệt, Phương pháp sol-gel, phương pháp CVD, lắng đọng điện li… Phương pháp xử lý nhiệt: Đây phương pháp đơn giản số phương pháp cố định titan dioxit lên chất mang Phương pháp sử dụng trực tiếp bột TiO2 tinh thể thuận lợi để thực Xúc tác quang hóa lắng đọng trước bề mặt chất cách bao phủ chất huyền phù xúc tác nồng độ tối ưu.Tuy nhiên quan trọng nhiệt độ xử lý phải phù hợp với độ ổn định hóa học nhiệt chất Và nhiệt độ khơng ảnh hưởng xấu đến hoạt tính quang xúc tác nhiệt độ làm ảnh 13 hưởng đến tính chất hóa lý bề mặt hay lòng xúc tác Nhiệt độ cao ảnh hưởng khơng tốt đến việc trì diện tích bề mặt riêng cho q trình hấp phụ phân tử chất phản ứng Phương pháp bốc bay: Việc sử dụng kĩ thuật chân không từ chế tạo màng mỏng công nghệ lắng đọng pha vật lý, cơng nghệ này, phần tử hóa (như phân tử, cụm nguyên tử, nguyên tử) nhận phương pháp vật lý Từ kĩ thuật tạo nguồn bố bay, nguồn hóa chân khơng khác nhau, có phương pháp để chế tạo màng mỏng sau: Bốc bay nhiệt truyền thống (bốc bay nhiệt) Bốc bay chùm tia điện tử (bốc bay chùm tia điện tử) Bốc bay laze xung (boosc bay laze) Epitaxy chùm phân tử Ưu điểm phương pháp: - Môi trờng chế tạo mẫu sạch, nhờ có chân khơng cao - Độ tinh khiết màng so với vật liệu gốc đảm bảo chùm tia điện tử cấp nhiệt trực tiếp cho vật liệu gốc phần tử hóa xảy tức tác dụng nhanh nhiệt - Bốc bay hầu hết loại vật liệu khó nóng chảy chùm tia điện tử hội tụ có lượng lớn - Dễ điều chỉnh áp suất, nhiệt độ thành phần khí dễ theo dõi qáu trình lắng đọng - Có thể sử dụng vật liệu gốc Vì trường hợp cần tiến hành nhiều thực nghiệm, tiết kiệm đáng kể nguồn vật liệu vật liệu quý Phương pháp sol-gel: Màng mỏng TiO2 lắng đọng chất kĩ thuật khác đo kỹ thuật sol-gel có ưu điểm Có thể tạo màng phủ liên kết mỏng để mang đến dính chặt tốt vật liệu kim loại màng Có thể tạo màng dày cung cấp cho q trình chống ăn mịn 14 Có thể dễ dàng tạo hình vật liệu có hình dạng phức tạp Có thể sản suất sản phẩm có độ tinh khiết cao Khả thiêu kết nhiệt độ thấp, thường 200 – 600 độ Có thể điều khiển cấu trúc vật liệu Tạo hợp chất với độ pha tạp lớn Một số ứng dụng phương pháp sol-gel : Phương pháp sol-gel sử dụng rộng rãi chế tạo nghiên cứu vật liệu oxide kim loại tinh khiết Những nghiên cứu phương pháp sol-gel chủ yếu chế tạo gel khối SiO2 (silica) sau mở rộng chế tạo oxide kim loại chuyển tiếp khác TiO2 (titania), ZrO2 (zirconia),… Hiện nay, phương pháp solgel thành công việc chế tạo vật liệu oxide đa thành phần (multicomponent oxide: SiO2-TiO2, TiO2:SnO2…) chế tạo vật liệu lai hữu cơ-vơ (hybrid material) 1.4 Tình hình nghiên cứu ứng dụng vật liệu xúc tác quang hóa nano TiO2 Việt Nam giới Tại Việt Nam, vật liệu xúc tác quang hóa nano TiO2 hướng nhiều nhà khoa học ý, nhiều cơng trình nghiên cứu nano TiO2và vật liệu nano TiO2 biến tính cơng bố Càng trở đây, số lượng cơng trình nghiên cứu liên quan ngày tăng, tập chung chủ yếu vào vật liệu nano TiO2 biến tính nhằm mở rộng vùng cấm TiO2 Ngoài ra, việc phủ TiO2 bề mặt chất mang ứng dụng nhiều giới với chức tự làm sạch, khử tảo, khử màu nước, Kỹ thuật phủ màng mỏng toàn hạt nano( all- nanoparticle thin film coating) TiO2, SiO2 sở nghiên cứu lớn giới, ví dụ viện Massacusetts Insitute of Technology(MIT), Mỹ nước khác quan tâm Cũng nhiều màng mỏng oxit kim loại khác, màng mỏng TiO2 phát hiện, ứng dụng rộng rãi thương mại hóa từ lâu, việc thiện tính chất quan trọng vật liệu dựa sở giảm kích thước hạt, thay đổi cấu trúc hay cách tạo nó,… cho mục tiêu ứng dụng cụ thể vấn đề thời nhà khoa học nghiên cứu tổng hợp TiO2 có ý nghĩ thực tế lớn Ứng dụng dân dụng quan trọng công nghệ nano khả áp dụng chúng vào bề mặt thủy tinh Khi màng hình thành bề mặt kính chúng 15 có khả tự làm kháng khuẩn cao, dựa sở màng nano TiO2 phủ kính, mục tiêu nghiên cứu ứng dụng quy mô nhỏ đề tài Như điểm cần đạt đề tài là: chế tạo hạt nano TiO2 anatase Sau dùng phương pháp nhúng phủ tạo màng đế thủy tinh.Dựa nhận định mà nhóm sinh viên chúng em thử nghiệm phủ màng mỏng TiO2 lên bóng đèn cũ sử dụng ưu điểm để khử tảo ao, hồ, đề tài mang tính thực tế, tính sáng tạo tính ứng dụng cao mà chúng em hướng tới để giải vấn đề ô nhiễm nước 1.5.Chế tạo vật liệu nano phương pháp sol-gel a) Giới thiệu chung - Phương pháp sol-gel q trình chuyển hóa sol thành gel Phương pháp thường trải qua giai đoạn sol gel ngưng tụ hạt keo thu - Bằng phương pháp thu vật liệu có độ tinh khiết cao, độ lớn đồng - Ngày nay, phương pháp sol-gel kĩ thuật sử dụng rộng rãi tỏ ưu việt để chế tạo vật liệu khối, màng mỏng, mẫu bột với độ mịn cao dạng sợi với cấu trúc đa tinh thể hay vô định hình - Phương pháp sol-gel năm gần phát triển đa dạng, quy tụ vào ba hướng chính: • Thủy phân muối • Theo đường tạo phức • Thủy phân ankoxit b) Các q trình xảy sol-gel: - Phản ứng điển hình phương pháp sol-gel phản ứng thủy phân phản ứng trùng ngưng - Các ankoxit titan có cơng thức tổng qt M(OR)x với gốc R thường etyl, isopropyl n-butyl phản ứng mạnh với nước - Phản ứng thủy phân ankoxit xảy dung dịch nước: phản ứng thủy phân thay nhóm ankoxit (-OR) liên kết kim loại – ankoxit nhóm hydroxyl (-OH) để tạo thành liên kết kim loại – hydroxyl M(OR)n + xH2O → M(OR)n-x(OH)x + 16 xROH - Phản ứng trùng ngưng: trình liên kết Ti – O – H biến thành Ti – O – Ti tạo sản phẩm phụ nước rượu Hiện tượng trùng ngưng diễn liên tục làm cho liên kết Ti –O – Ti không ngừng tăng lên tạo mạng lưới Ti– O– Ti toàn dung dung dịch Phản ứng trùng ngưng diễn theo hai kiểu: • Ngưng tụ nước: M(OR)n-x(OH)x + M(OR)n-x(OH)x → (OR)n-x M-O-M(OR)n-x + xH2O • Ngưng tụ rượu: M(OR)n-x(OH)x + M(OR)n → (OR)n-x M-O-M(OR)n-x + ROH - Các giai đoạn q trình sol-gel: • Tạo dung dịch sol: ankoxit kim loại bị thủy phân ngưng tụ, tạo thành dung dịch sol gồm hạt oxit kim loại nhỏ (hạt sol) phân tán dung dịch sol • Gel hóa: hạt sol hình thành liên kết Độ nhớt dung dịch tiến vô hạn có hình thành mạng lưới oxit kim loại ba chiều dung dịch • Thiêu kết: trình kết chặt khối mạng, điều khiển lượng Thơng qua q trình gel chuyển từ pha vơ định hình sang pha tinh thể tác dụng nhiệt độ cao Trong toàn trình, hai phản ứng thủy phân – trùng ngưng hai phản ứng định cấu trúc tính chất sản phẩm sau Do đó, phương pháp sol-gel, việc kiểm soát tốc độ phản ứng thủy phân – trùng ngưng quan trọng 1.6 Các phương pháp nghiên cứu đặc trưng, tính chất cấu trúc vật liệu 1.6.1 Phương pháp phổ phát tán lượng tia X Phổ tán xạ lượng tia X kỹ thuật phân tích thành phần hóa học vật rắn dựa vào việc ghi lại phổ tia X phát từ vật rắn tương tác với xạ (chủ yếu chùm điện tử có lượng cao kính hiển vi điện tử) Nguyên lý hoạt động: chùm điện tử có lượng cao tương tác với lớp vỏ điện tử bên nguyên tử vật rắn, phổ tia X đặc trưng ghi nhận Tần số tia X phát đặc trưng với nguyên tử chất có mặt chất rắn Việc ghi nhận phổ tia X phát từ vật rắn cho thông tin nguyên tố háo học có mặt mẫu đồng thời cho thông tin tỉ phần nguyên tố 17 Hình 1.11.Ngun lí hoạt động EDX 1.6.2 Phương pháp nhiễu xạ Rơnghen(XRD–X–Rays Diffraction) Ngày nay, phương pháp phổ biến để nghiên cứu cấu trúc tinh thể vật chất phương pháp nhiễu xạ tia X - ray Đây phương pháp có nhiều ưu điểm không phá hủy mẫu, đồng thời cần lượng nhỏ để phân tích cho phép biết cấu tạo vật liệu, mặt khác cung cấp thơng tin kích thước tinh thể Ngun tắc hoạt động máy nhiễu xạ tia X dựa vào định luật phản xạ Bragg: Xét chùm tia X có bước sóng λ chiếu tới tinh thể chất rắn góc tới θ Do tinh thể có tính chất tuần hoàn, mặt tinh thể cách khoảng đặn d, đóng vai trị giống cách tử nhiễu xạ tạo tượng nhiễu xạ tia X Nếu ta quan sát chùm tia tán xạ theo phương phản xạ (bằng góc tới) hiệu quang trình tia tán xạ mặt là: ∆L = 2.d.sinθ Như vậy, để có cực đại nhiễu xạ góc tới phải thỏa mãn điều kiện: ∆L = 2.d.sinθ = n.λ Trong đó: d: Khoảng cách mặt tinh thể tham số cần tìm; θ: Góc nhiễu xạ - xác định vị trí mặt tinh thể so với chùm tia tới; n: Thứ nguyên; λ : Bước sóng chùm tia Hai sóng sau phản xạ cho hai tia phản xạ 1’ 2’, hai song kết hợp (cùng tần số), hai tia cho cực đại giao thoa hiệu quang trình chúng số nguyên lần bước song (nλ) 18 Đối với loại tinh thể giá trị d xác định Hình 1.12.Sự phản xạ bề mặt tinh thể - Phân tích định tính: từ số lượng, vị trí cường độ đường nhiễu xạ để suy đốn kiểu mạng, từ xác định chất vật thể gồm hợp chất - Phân tích định lượng: xác định hàm lượng pha khác mẫu nghiên cứu Đối với mẫu, sử dụng phương pháp nhiễu xạ bột cách sử dụng chùm tia X song song hẹp, đơn sắc chiếu vào mẫu Người ta quay mẫu quay đầu thu chùm nhiễu xạ đường tròn đồng tâm, ghi lại cường độ chùm tia phản xạ ghi phổ nhiễu xạ bậc (n=1) Hình 1.13 Cấu tạo thiết bị quan sát nhiễu xạ tia X (1)- Ống tia X,(2) – Đầu thu xạ, (3) – Mẫu đo, (4) – Giác kế đo góc Phổ nhiễu xạ phụ thuộc cường độ nhiễu xạ vào lần góc nhiễu xạ 2θ Từ giản đồ nhiễu xạ tia X, người ta tính kích thước trung bình hạt theo cơng thức Scherrer: r= 0.89 ⋅ λ β ⋅ cosθ 19 Trong : − r kích thước hạt trung bình (nm) λ bước sóng xạ β độ rộng (FWHM) nửa độ cao pic cực đại (radian), θ góc nhiễu xạ Bragg ứng với pic cực đại (độ) Từ giản đồ nhiễu xạ tia X ta tính thành phần pha anatase rutile mẫu theo phương trình (1.15) χ= + 0.8 ⋅ ΙA ΙR Trong đó: χlà hàm lượng rutile (%), IA cường độ nhiễu xạ anatase ứng với mặt phản xạ IR cường độ nhiễu xạ rutile ứng với mặt phản xạ 1.6.3 Phương pháp phổ hấp thụ phân tử UV- Vis Để xác định phổ hấp thụ mẫu (dung dịch, khối, hay màng mỏng…) ta tiến hành theo sơ đồ sau: Hình 1.14 Sơ đồ nguyên lý hoạt động thiết bị đo độ hấp thụ quang Tia sáng từ nguồn sáng đơn sắc tách làm hai tia có cường độ I0 nhờ gương bán mạ L1, tia truyền thẳng tới vật (trong trường hợp mẫu dung dịch lọ dùng để đựng dung dịch, với mẫu màng mỏng phủ đế thủy tinh miếng thủy tinh dùng để phủ màng…), tia thứ sau phản xạ gương L2 đưa tới mẫu cần xác định độ hấp thụ Sau so sánh cường độ sáng sau truyền qua mẫu IS cường độ ánh sáng IG, ta xác định độ hấp thụ mẫu Cường độ sáng bị hấp thụ mẫu xác định: IS = I0 - IG 20 Để thu phổ hấp thụ mẫu, bước sóng ánh sáng tới quét từ vùng hồng ngoại gần tới vùng tử ngoại gần (UV-VIS-NIR) Bước sóng mà ISthu nhỏ bước sóng mà hấp thụ mẫu cực đại, bước sóng đặc trưng mẫu 1.6.4 Phương pháp kính hiển vi điện tử quét (SEM) Kính hiển vi điện tử quét (tiếng Anh: Scanning Electron Microscope, thường viết tắt SEM), loại kính hiển vi điện tử tạo ảnh với độ phân giải cao bề mặt mẫu cách sử dụng chùm điện tử hẹp quét bề mặt mẫu Việc tạo ảnh mẫu vật thực thơng qua việc ghi nhận phân tích xạ phát từ tương tác chùm điện tử với bề mặt mẫu Việc phát chùm điện tử SEM giống việc tạo chùm điện tử, tức điện tử phát từ súng phóng điện tử (có thể phát xạ nhiệt, hay phát xạ trường ), sau tăng tốc Thế tăng tốc SEM từ 10 kV đến 50 kV.Điện tử phát ra, tăng tốc hội tụ thành chùm điện tử hẹp (cỡ vài trăm Angstrong đến vài nm) nhờ hệ thống thấu kính từ, sau quét bề mặt mẫu nhờ cuộn quét tĩnh điện.Độ phân giải SEM xác định từ kích thước chùm điện tử hội tụ, mà kích thước chùm điện tử bị hạn chế quang sai.Ngồi ra, độ phân giải SEM cịn phụ thuộc vào tương tác vật liệu bề mặt mẫu vật điện tử.Khi điện tử tương tác với bề mặt mẫu vật, có xạ phát ra, tạo ảnh SEM phép phân tích thực thơng qua việc phân tích xạ Hình 1.15.Sơ đồ khối kính hiển vi điện tử quét 21 1.6.5 Phương pháp hiển vi điện tử truyền qua (TEM) Kính hiển vi điện tử truyền qua (transmission electron microscopy, viết tắt: TEM) thiết bị nghiên cứu vi cấu trúc vật rắn, sử dụng chùm điện tử có lượng cao chiếu xuyên qua mẫu vật rắn mỏng sử dụng thấu kính từ để tạo ảnh với độ phóng đại lớn (có thể tới hàng triệu lần), ảnh tạo huỳnh quang, hay film quang học, hay ghi nhận máy chụp kỹ thuật số 1.7 Giới thiệu tảo a Giới thiệu tảo Lam Tảo nhóm lớn đa dạng, bao gồm sinh vật thông thường tự dưỡng, gồm hay nhiều tế bào có cấu tạo đơn giản, có màu khác nhau, ln ln có chất diệp lục chưa có rễ, thân, Hầu hết tảo sống nước Đây sinh vật mà vách thân chứa xenluloza, sinh vật tự dưỡng chứa diệp lục, quang hợp nhờ ánh sáng CO2 Cơ quan dinh dưỡng cịn gọi tản Tảo có nhiều dạng: đơn bào, sợi xiên, sợi phân nhánh, hình ống, hình phiến Tảo khơng có mơ dẫn truyền Nhóm tảo có 20000 loài sống trái đất - Tảo lam nhóm lớn lồi tảo,mà thực vật có phôi (Embryophyta) (hay thực vật bậc cao) phát sinh từ Như vậy, chúng tạo nên nhóm cận ngành, nhóm bao gồm tảo lục phân giới Thực vật có phơi đơn ngành (và thường biết đến với tên gọi giới Thực vật –plantae) - Tảo lam lồi tảo có hại thường xuất ao nuôi tôm với loại: tảo lam dạng sợi tảo lam dạng hạt - Phần lớn loại tảo dạng tập đồn hay đa bào hình sợi, hình chuỗi hạt đơn hay phân nhánh Đây lồi có sức sống tốt chu kỳ phát triển dài, kích thước lớn, nhiều loài dài đến vài milimet phát triển mạnh vào tháng nóng năm Một số tảo lam cịn quang hợp mơi trường yếm khí tương tự vi khuẩn Tảo lam di chuyển chủ yếu trượt bề mặt 22 b Tác hại tảo lam Tảo lam loại tảo độc, khơng có lợi cho ao ni thủy sản Ở nhiệt độ lớn 25oC loài tảo lam có tốc độ phát triển mạnh dễ dàng đạt cực đại môi trường nước đủ dinh dưỡng cho tảo phát triển Tảo lam thức ăn cho loại phiêu sinh động vật, chúng phát triển mạnh vào cuối chu kỳ nuôi, mà chất thải động vật tích tụ nhiều, thức ăn dư thừa làm tảo phát triển mạnh mẽ (tảo nở hoa) lớp sơn quánh đặc phủ kín mặt ao, tảo phát triển mạnh gây thiếu oxy vào ban đêm tùy theo mật độ tảo, góp phần làm cho cá bị ngạt thiếu oxy Ngoài việc gây tình trạng trên, chúng cịn tiết độc tố gây bệnh cho cá đặc biệt loại cá ăn lọc cá mè trắng, mè hoa, loại nhuyễn thể, giáp xác cho người ăn phải Khi tiếp xúc với loại tảo gây dị ứng da mắt, ăn với lượng nhỏ có triệu trứng dày, ruột Ăn nhiều gây hại tới gan, hệ thần kinh Dưỡng chất quan trọng mà tảo lam sử dụng để phát triền phốt nitơ, hai loại dưỡng chất có nguồn gốc từ phân hữu cơ, chất thải gia súc, gia cầm, nước thải sinh hoạt nước thải từ bể Biogas… Hiện ao nuôi thủy sản địa bàn Thành phố Hà Nội phải đối mặt với tượng tảo lam phát triển dày đặc gây ảnh hưởng đến hiệu kinh tế người nuôi Nguyên nhân yếu tố từ khâu cải tạo ao, lấy nước vào quản lý mơi trường q trình chăm sóc, cho ăn q trình ni khơng tốt làm tảo phát triển gặp điều kiện thuận lợi Ngoài ra, phát triển nhanh chóng chúng hồ hồ Tây, hồ Gươm gây tượng cá chết hàng loạt, hồ bốc mùi hôi thối, phá vỡ cân sinh thái 23 khu vực, điểm mang chức hồ điều hòa, điểm mang lại lợi nhuận cao ngành dịch vụ cho thành phố Hà Nội Tác hại tảo Lam gây làm sụt giảm suất, chất lượng thành phẩm ao nuôi, làm cho kinh tế thương mại, dịch vụ, nuôi trồng thủy sản giảm mạnh Hơn chúng làm ảnh hưởng đến sức khỏe người sống gần ao hồ bốc mùi hôi thối ăn phải tôm cá bị nhiễm độc tảo 24