Chế tạo hệ kiểm tra hiệu suất phản ứng oxi hóa quang xúc tác và khảo sát phản ứng oxi hóa quang xúc tác với nhiều chất khí hữu cơ khác nhau của TiO2.pdf

NTTU-NCKH-04 CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự - Hạnh phúc Đơn vị chủ trì: Trường Đại học Nguyễn Tất Thành BÁO CÁO TỔNG KÉT ĐÈ TÀI NCKH DÀNH CHO CÁN Bộ - GIẢNG VIÊN 2019 Tên đề tài: Chế tạo hệ kiểm tra hiệu suất phản ứng oxi hóa quang xúc tác khảo sát phản ứng oxi hóa quang xúc tác với nhiều chất khí hữu khác T1O2 Sổ hợp đồng: 2019.01.06 Chủ nhiệm đề tài: Đoàn Tuấn Anh Đơn vị công tác: Viên kỹ thuật công nghệ cao NTT Thời gian thực hiện: tháng TP Hồ Chí Minh, ngày 18 thảng năm 2019 CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự - Hạnh phúc Đơn vị chủ trì: Trường Đại học Nguyễn Tất Thành BÁO CÁO TÔNG KẾT ĐÈ TÀI NCKH DÀNH CHO CÁN Bộ - GIẢNG VIÊN 2019 Tên đề tài: Chế tạo hệ kiểm tra hiệu suất phản ứng oxi hóa quang xúc tác khảo sát phản ứng oxi hóa quang xúc tác với nhiều chất khí hữu khác T1O2 Số hợp đồng: 2019.01.06 Chủ nhiệm đề tài: Đồn Tuấn Anh Đơn vị cơng tác: Viện kỳ thuật công nghệ cao NTT Thời gian thực hiện: tháng Các thành viên phối hợp cộng tác: STT Họ tên Trần Việt Cường Chuyên ngành Cơ quan công tác Viện KT-CNC NTT Vật lý Ký tên MỤC LỤC MỞ ĐẦU CHƯƠNG TÓNG QUAN TÀI LIỆU CHƯƠNG NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN cứu 14 CHƯƠNG KÉT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 29 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 40 TÀI LIỆU THAM KHẢO 42 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỦ VIÉT TẮT Eg: Dài lượng vùng cấm e-h exciton: Cặp điện từ lồ trống GC-MS: Gas chromatography-mass spectrometry LabVIEW: Laboratory Virtual Instrumentation Engineering Workbench NDIR: Non-dispersive infrared PCO: Photocatalytic Oxidation PWM: Pulse Width Modulation ROG: Reactive Organic Gases SCL: Serial Clock SDA: Serial Data UV: Ultra Violet LED: Light Emitting Diode VOCs: Volatile Organic Compounds TVOC: Total Volatile Organic Compounds DANH MỤC CÁC BẢNG BIÉU, so ĐỎ, HÌNH ẢNH Trang Bàng 1: Thơng số đo nong độ khí theo thời gian cùa T1O2 34 Băng 2: Thơng số đo nong độ khí theo thời gian cùa SnO/SnO2 37 Bang 3: Thông số đo tốc độ phản ứng T1O2 SnO/SnO2 39 Hình 1.1: Quy trình cùa Phản ứng Oxi hóa quang xúc tác Hình 1.2: Sự phân tách điện tích tạo cặp điện từ - lồ trống cùa T1O2 chiếu ƯV 10 Hình 1.3: Chuồi phàn ứng hóa học cùa T1O2 11 Hình 2.1: Sơ đồ khối biểu diễn hoạt động hệ kiểm tra PCO pha khí 15 Hình 2.2: Mạch vi xù lý Arduino két nối với buồng khí 17 Hình 2.3: Đồ thị mô tà chế độ xung PWM ứng với phan trăm chu kỳ khác 19 Hình 2.5: Giao diện cách thức mở cổng giao tiếp với Arduino 20 Hình 2.6: Giao diện cách thức mở che độ đọc xung PWM 21 Hình 2.7: Giao diện hệ thống đường nối mã che độ đọc xung PWM 21 Hình 2.8: Mã thiết lập điều chinh độ lệch thời gian 22 Hình 2.9: Hàm lệnh ứng với chế độ điều khiển 23 Hình 2.10: Đường mã code dùng đe mở cổng giao tiep I2C che độ đọc tín hiệu 24 Hình 2.11: Đường mã code chuyển đổi dạng thông tin cùa giao tiếp I2C từ nhị phân thành thập phân 25 Hình 2.13: Cơng thức tính giá trị độ ẩm từ nhà sản xuất cảm biến 26 Hình 2.14: Hàm code điều kiện dành cho tín hiệu CO2 27 Hình 2.15: Case Structure de sap xep thứ tự đọc tín hiệu 27 Hình 3.la: Phần cứng cùa Hệ kiểm tra PCO 29 Hình 3.1b: Hệ thống càm biến cùa Hệ kiểm tra PCO 30 Hình 3.le: ống thạch anh đèn LED uv cùa Hệ kiểm tra PCO 30 Hình 3.2: Giao diện phần mềm cùa Hệ kiểm tra PCO 32 Hình 3.3: Đo thị kết lần kiểm tra với T1O2 35 Hình 3.4: Hình ảnh SEM cùa mẫu SnO/SnC>2 36 Hình 3.5: Đo thị kết cùa lần kiểm tra với SnO/SnƠ2 36 Hình 3.6: Đo thị so sánh tốc độ phân ứng T1O2 38 TÓM TẤT KÉT QUẢ NGHIÊN cúu Sản phẩm thực đạt đuợc Sán phẩm đăng ký thuyết minh Thiết bị đo VOCs Bản tháo hoàn chinh Sản phẩm hoàn thiện thực tế Phần mềm điều khiến Arduino thu Bài báo khoa học cho Tạp chí ĐH thập sơ liệu từ cảm biến CƠ2, căm biến độ ẩm NTT Bài báo khoa học cho Tạp chí ĐH NTT Thời gian đăng ký : từ ngày 01/2019 đến ngày 09/2019 Thời gian nộp báo cáo: ngày 21/9/2019 CHƯƠNG TỐNG QUAN 1.1 HỢP CHẤT HŨU Cơ DỀ BAY HƠI (VOLATILE ORGANIC COMPOUNDS - VOCs) VÀ Sự ẢNH HƯỞNG CỦA VOCs ĐẾN súc KHOE CON NGƯỜI 1.1.1 Hợp chất hữu bay VOCs định nghĩa theo nhiều cách khác nhiều quốc gia: ví dụ Canada người ta định nghĩa VOCs họp chất hữu có điếm sơi khống từ 50°C đen 250°C (122°F đen 482°F) Tại Mỳ, định nghĩa phân loại VOCs khác Bang, ví dụ California người ta dùng tên gọi “Reactive Organic Gases” - ROG thay cho VOCs Tại Châu Âu, người ta định nghĩa VOCs "bất kỳ họp chất hữu có điểm sơi ban đàu nhỏ 250°C (482°F) đo áp suất khí chuẩn 101,3 kPa." Một cách tổng quan, (VOCs) chất hữu có áp suất bay cao nhiệt độ phịng bình thường VOCs có áp suất bay cao chúng có điểm sơi thấp (low-boiling point), làm cho số lượng lớn phân tử bay thăng hoa từ dạng lỏng ran họp chất hữu dễ dàng vào khơng khí 1.1.2 Nguồn gốc phát sinh VOCs VOCs có nhiều loại đa dạng phổ biến, chúng sinh cã từ nguồn tự nhiên nguồn nhân tạo Hau het loại họp chất hữu có mùi có VOCs, tự nhiên đa phần VOCs tạo từ cối thực vật, phan nhỏ tạo từ động vật vi sinh vật Trong mùa sinh trưởng thực vật rừng sinh số lượng lớn VOCs Trong ngành công nghiệp chăn nuôi, phát sinh VOCs từ chất thải cùa gia súc lớn Trong ngành công nghiệp hóa chất VOCs có nguồn gốc nhân tạo sinh từ sàn phẩm cơng nghiệp hóa lỏng, ví dụ Formaldehyde có thề phát từ sơn, VOCs khác phát từ sàn phẩm hóa chất khác keo dán, vecni, mỳ phẩm, khí thải, khói thuốc lá, nhiêu liệu cháy v.v 1.1.3 Tính chất hóa học VOCs VOCs có the có lợi có hại Trong tự nhiên, VOCs cối sinh có để ngăn chặn trùng phá hoại mầm bệnh có tác dụng kích thích sinh trưởng Tuy nhiên VOCs cối phát có tác động đen người gây khó chịu, buồn nơn chóng mặt Vì nhiều quốc gia, người ta đề số tiêu chuấn VOCs việc trồng đô thị 1.1.4 Ảnh hưởng VOCs có nguồn gốc nhân tạo vói sức khỏe người Những VOCs nguồn gốc nhân tạo thường có tác động lớn đen sức khỏe người, mức độ nhẹ gây triệu chứng khó chịu đau đau, buồn nơn, chóng mặt, dị ứng da mắt hen suyễn mức độ nghiêm trọng, VOCs gây bệnh nguy hiểm ung thư, đột biến, quái thai gây tổn hại nghiêm trọng đến phổi, gan, thận Ví dụ như: Benzen chất gây ung thư Formaldehyde khơng gây dị ứng khó chịu mà gây ung thư theo khuyến cáo cùa nhà sàn xuất MTBE gây ô nhiễm nguồn nước ngầm Perchloroethylene dùng giặt khơ có the gây cảm giác khó chịu hơ hấp chứng minh có gây ung thư so động vật 1.1.5 Chất lượng khơng khí Tại Mỳ, Cơ quan bảo vệ môi trường Hoa Kỳ (EPA) phát rang khơng khí nhà nói riêng phịng kín nói chung có nong độ VOCs lớn gấp nhiều lan so với trời Điều minh chứng Châu Âu Vì the ngoại quốc, người ta thường ban hành quy định khác tiêu chuẩn chất lượng khơng khí phịng Ớ quốc gia khác, sản phấm hóa chất phải tuân thủ số lượng VOCs thoát trước sàn xuất đem sữ dụng Như nay, quốc gia ngày gắt gao việc kiểm sốt chất lượng khơng khí nhiều tiêu chuẩn khác Điều khẳng định tầm quan trọng cùa chất lượng khơng khí đoi với sức khỏe người 1.1.6 Khơng gian kín khí Trong khơng gian kín, nồng độ voc riêng lẻ không đáng kể, tổng nồng độ tất VOCs (TVOC) có the lên tới gần 1000 lần so với bên Điều gây nguy hại đen sức khỏe cùa người Trong văn phịng làm việc đơng người, phịng học có nhiêu học sinh, bệnh viện, khoang hành khách máy bay đặc biệt ngành không gian vũ trụ Các phi hành gia phâi buồng kín tuyệt đối khơng gian ngồi vũ trụ, phát sinh VOCs trình sinh hoạt phận khoang chứa bị tác động tia vũ trụ gây nguy đến sức khỏe phi hành gia 1.2 PHẢN ÚNG 0X1 HOÁ QUANG xúc TÁC (PHOTOCATALYTIC OXIDATION - PCO) 1.2.1 Quá trình quang xúc tác (Photocatalysis) Quá trình quang xúc tác kích hoạt thúc đay phàn ứng quang hoá bang cách sứ dụng chất xúc tác (catalyst) Vật liệu quang xúc tác (Photocatalyst) vật liệu mà nhận ánh sáng có lượng photon lớn lượng vùng cấm điện từ chuyển từ vùng hóa trị lên vùng dần tạo lồ trống mang điện dương vùng hóa trị Chính xuất cặp điện tử-lỗ nguyên nhân kích hoạt phản ứng xảy Phản ứng oxi hóa quang xúc tác (Photocatalytic Oxidation - PCO) oxi hóa chất hữu thành chất vô hại CO2 H2O Ví dụ, vật liệu T1O2 tạo tác nhân ơxi hố mạnh tác động tia cực tím, tác nhân phân huỳ chất độc mơi trường thành khí CO2 nước (hình 1.1; 1.2) Q trình Oxi hóa quang xúc tác (PCO) TiO, hấp thụ uv Chất oxi hóa mạnh Bao quanh tiêu dược sinh diệt tế bào mầm Phân húy chất độc hại chất gây dị ứng 11,0 co, dưọc tạo Hình 1.1: Quy trình cùa Phản ứng Oxi hỏa quang xúc tác 1.2.2 Quá trình phản ứng PCO Quá trình cùa phản ứng PCO chuồi phản ứng liên tiếp bao gom giai đoạn: ❖ Giai đoạn 1: Quá trình tạo cặp điện từ lồ trống (e-h exciton) Khi lượng cùa photon phù họp với lượng Eg cùa vật liệu quang xúc tác photon bị hấp thụ phân tử chất xúc tác, e xúc tác di chuyển từ dãi hóa trị lên dải dẫn, điện tử trở nên linh động tách khỏi phân từ chất xúc tác để di chuyển vào môi trường Sự thiếu hụt e liên kết phân tử dần đến hình thành lồ mang điện dương theo định luật bào toàn điện tích Hình 1.2: Sự phân tách điện tích tạo cặp điện tử - lỗ trống cùa TiOỉkhi đirợc chiếu uv ❖ Giai đoạn 2: Quá trình tạo chất oxi hóa mạnh Khi bề mặt vật liệu quang xúc tác tiếp xúc với phân tử khác nước, oxi, khơng khí phân từ oxi nhận điện từ đe trở thành siêu ion oxide o2' Khi đó, be mặt vật liệu quang xúc tác chi lồ trống nước khơng khí cho e vào lồ trống, hình thành gốc hydroxyl linh động OH’ ❖ Giai đoạn 3: Quá trình phân hủy VOCs 10 ... Bộ - GIẢNG VIÊN 2019 Tên đề tài: Chế tạo hệ kiểm tra hiệu suất phản ứng oxi hóa quang xúc tác khảo sát phản ứng oxi hóa quang xúc tác với nhiều chất khí hữu khác T1O2 Số hợp đồng: 2019.01.06... 1.3: Chuỗi phán ứng hóa học cùa TiO? 1.3 HỆ KIÉM TRA PHẢN ỨNG PCO 1.3.1 Nguyên lý chung Trong quy trình kiểm tra phản ứng PCO, dù hệ kiểm tra pha lịng hay hệ kiểm tra pha khí, phàn ứng thực không... có tác dụng làm phát sinh VOCs Trạng thái chất hữu yếu tố phân biệt để lựa chọn sữ dụng hệ kiểm tra pha lõng hệ kiểm tra pha khí: chất hữu tồn trạng thái khí ta sứ dụng hệ kiểm tra pha khí, chất