Untitled Tạp chí phân tích Hóa, Lý và Sinh học Tập 25, Số 2/2020 ỨNG DỤNG APATIT / TiO2 PHA TẠP NITƠ ĐỂ KHỬ MÀU METHYLENE XANH (MB) VÀ XỬ LÝ BENZENE, TOLUENE VÀ XYLENE (BTX) TRONG KHÔNG KHÍ Đến tòa so[.]
Tạp chí phân tích Hóa, Lý Sinh học - Tập 25, Số 2/2020 ỨNG DỤNG APATIT / TiO2 PHA TẠP NITƠ ĐỂ KHỬ MÀU METHYLENE XANH (MB) VÀ XỬ LÝ BENZENE, TOLUENE VÀ XYLENE (BTX) TRONG KHƠNG KHÍ Đến tịa soạn 15-2-2020 Nguyễn Thị Huệ Viện Cơng nghệ mơi trường, Viện HLKHCNVN SUMMARY APPLICATION OF APATITE COATING ON TiO2 DOPED N FOR DECOLORING METHYLENE BLUE (MB) AND TREATING BENZENE, TOLUENE AND XYLENE (BTX) IN THE AIR The apatite coating on TiO2 doped N (Ap/TiO2-Npha), is both a adsorbent and photocatalytic activity, which works in visible light Ap/TiO2 - phaN is synthesized through stages including: (1) synthesizing N-TiO2 powder, (2) synthesizing Ap/TiO2 - phaN powder and (3) synthesizing Ap/TiO2 - phaN suspension solution Ap/TiO2 - phaN is capable of absorbing MB color and treating BTX mixture in air MB concentration was determined by UV-Vis and BTX by Drager (Germany) In dark condition, Ap/TiO2 and Ap/TiO2 phaN absorb part of the MB When illuminated (20W, 365nm), MB (20 ppm) was completely reduced after 120 for Ap/TiO2 - phaN material, while MB only decomposed to 18% for Ap/TiO2 samples Ap/TiO2 - phaN is also effective in treating BTX mixture at a practical scale, after 10 hours of lighting, the concentration of xylene, toluene is reduced to nearly the permitted level while benzene drops to QCVN 05: 2013 / BTNMT Compared with Ap/TiO2 materials, Ap/TiO2 - phaN is superior in processing speed and using lamp’s light This is very economical when using solar light instead Keywords: Apatite /N-TiO2, Apatite/TiO2, benzene, toluene, xylene Apatit/TiO2) làm tăng diện tích bề mặt riêng vật liệu so với vật liệu chế tạo trước đây, đồng thời Apatit/TiO2 tạo khoảng không gian ngăn TiO2 tiếp xúc trực tiếp với vật liệu khác Trong trình thực phản ứng quang xúc tác, Apatit chủ yếu đóng vai trị chất hấp phụ chất ô nhiễm VOCs, NO,CO, vi khuẩn, vi rút, [2,3] Tuy nhiên hoạt tính quang xúc tác Apatit /TiO2) bị phụ thuộc vào nguồn sáng cực tím (UV), gây ảnh hưởng đến sức khỏe Để khắc phục điều này, việc pha tạp nitơ (N) vào vật liệu TiO2 trước phủ Apatit (gọi Apatit/ TiO2 phaN) làm tăng tính ứng dụng thực tế vật GIỚI THIỆU Apatit (còn gọi hydroxyl apatit) có tính bền, trơ hóa học, thường sử dụng sắc ký nhờ khả hấp phụ có chọn lọc protein, cơng nghệ xương giả tính tương thích sinh học [1] Tuy nhiên có khả hấp phụ mà phân hủy chất nên đến lúc đó, bề mặt Apatit bị bão hịa dẫn đến làm giảm khả hấp phụ Vì vậy, việc chế tạo loại vật liệu hỗn hợp Apatit chất có khả phân hủy TiO2 tận dụng tối đa ưu điểm Apatit Qua phân tích đặc trưng vật liệu cho thấy, Apatit phủ bề mặt TiO2 (viết tắt 203 liệu Một ứng dụng Apatit/ TiO2 phaN xử lý dung môi benzene, toluene, xylen (BTX) quy mô thực tế giới thiệu báo PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 Chuẩn bị thí nghiệm Vật liệu Apatit/N-TiO2 tổng hợp qua giai đoạn gồm: (1) tổng hợp bột N-TiO2, (2) tổng hợp bột Apatit/TiO2 - phaN (3) tổng hợp dung dịch dạng huyền phù Apatit/N-TiO2 Bột TiO2 thương mại (AT 02,Trung Quốc) phân tán dung dịch NaOH 10M, sau thủy nhiệt 180ºC 10 Hỗn hợp thu sau trình thủy nhiệt rửa nhiều lần nước cất để đạt môi trường trung tính Sản phẩm sau rửa sấy khô 105 ºC nung 600 oC Bột TiO2 sau làm khô nghiền khô với lượng ure giờ, sau nung 400 ºC thu bột TiO2 - phaN Cho bột vào dung dịch SBF (MgCl2.6H2O CaCl2.2H2O; NaCl; KCl; KH2PO4, Na2HPO4.12H2O, NaHCO3 nước cất lần), tiến hành siêu âm gia nhiệt 37 oC thu dung dịch huyền phù Apatit/ TiO2 - phaN (pH=7) [4] 2.2 Kết thảo luận 2.2.1 Thử nghiệm hoạt tính quang xúc tác vật liệu Apatit/ TiO2 - phaN Metylen xanh (MB) có cơng thức hóa học C16H18ClN3S.3H2O chất hữu bền màu sử dụng để thử nghiệm khả quang xúc tác vật liệu tổng hợp Thử nghiệm mẫu, mẫu đối chứng có MB, mẫu Apatit/TiO2 (AT 02) mẫu Apatit/TiO2 pha tạp nitơ (Apatit/TiO2 - phaN) Nồng độ MB 20 ppm, phân tích thiết bị UV-Vis 2540, Nhật Bản Mẫu để tối 150 phút trước chiếu sáng nguồn sáng UV - 365nm (UVA) với lượng chiếu sáng 30W Hình Hình 2.1 biểu diễn phân hủy MB Apatit/TiO2 - AT 02, Apatit/TiO2 - phaN mẫu đối chứng MB theo thời gian chiếu sáng không chiếu sáng Dưới tác dụng ánh sáng, nồng độ MB mẫu đối chứng gần không thay đổi Sau để tối 150 phút, nồng độ MB mẫu phân hủy Apatit/ TiO2 - phaN thấp nhiều so với mẫu phân hủy Apatit/TiO2 (AT 02) Trong điều kiện tối, khả hấp thụ MB mẫu Apatit/TiO2 - AT 02 mẫu Apatit/ TiO2 - phaN tương đương Nhưng chiếu sáng, mẫu Apatit/TiO2 – AT 02 phân huỷ MB chậm, sau 120 phút xử lý 18% MB, mẫu Apatit/ TiO2 - pha N phân huỷ hồn tồn MB Hình 2.1 Sự phân hủy MB Apatit/TiO2 (AT 02), Apatit/TiO2 - phaN theo thời gian chiếu sáng không chiếu sáng Kết thể Apatit/TiO2 (AT02) có khả hấp thụ tốt (các phân tử MB giữ bề mặt bột Apatit/TiO2) điều kiện ánh sáng Sau 120 phút chiếu sáng, mẫu Apatit/ TiO2 - phaN làm màu MB hoàn toàn Ưu điểm trội vật liệu khả hấp thụ khơng có ánh sáng quang xúc tác tốt chiếu sáng 2.2.2 Thử nghiệm hoạt tính xúc tác quang vật liệu xử lý hợp chất BTX quy mơ phịng thí nghiệm Thí nghiệm tiến hành buồng thử nghiệm dung tích m3, bơm hỗn hợp BTX với nồng độ ban đầu benzen, xylen toluen gần 200 µg/m3, 4000 µg/m3 900 µg/m3 Thời gian hút mẫu sau bơm hỗn hợp BTX vào buồng thử nghiệm thời gian 2, 4, 6, 10 Các thử nghiệm tiến hành với nguồn sáng UV - 365 nm, công suất 20W Nồng độ hỗn hợp BTX trước sau sử dụng vật liệu Apatit/TiO2 - N pha thể hình 2.2 2.3 Sau 10 chiếu sáng, nồng độ nồng độ xylen giảm xuống cịn 240 µg/m3, benzen xuống QCVN 05: 2013/BTNMT cho phép, toluen cịn 150 µg/m3 204 60 Xylen 58,87 Toluen 45,87 Xylen 93,47 Benzen 52,82 Benzen 87,03 Toluen 82,76 Xylen 87,99 Xylen 53,39 Toluen 31,84 80 Benzen 39,55 Hiệu xử lý (%) 100 Benzen 73,77 Hình 2.2 Nồng độ BTX trước sau sử dụng Apatit/TiO2 - phaN Toluen 68,73 thể lấy phịng thí nghiệm để đánh giá đối chiếu) Apatit/TiO2 - phaN (kí hiệu HA/TiO2(N)) thử nghiệm với nguồn sáng, nguồn sáng thường (đèn tuýp sử dụng hàng ngày) đèn UV 365 nm Kết xử lý BTX 120 phút HA/TiO2(N) hình 2.4 Nửa bên trái hiệu xử lý với ánh sáng thường, nửa bên phải sử dụng đèn UV Từ hình 2.4 ta thấy, tổng hiệu xử lý BTX đạt mức 68 - 88%, phần đóng góp xúc tác quang hóa 31 - 53% Sử dụng ánh sáng thường, kết so với dùng đèn UV gần tương đương Như vậy, dùng ánh sáng thường (có thể dùng nguồn ánh sáng mặt trời) tiết kiệm điện tiêu thụ, đồng thời không ảnh hưởng đến sức khỏe người mà hiệu suất xử lý hiệu Như vậy, vật liệu Apatit/TiO2 - phaN có hiệu tốt xử lý dung môi hữu cơ, hợp chất VOCs [5] 40 20 Tổng Xúc tác quang HA/TiO2(N) + Đèn thường Tổng … Xúc tác quang HA/TiO2(N) + Đèn UV Hình 2.3 Nồng độ xylen, toluen trước sau sử dụng Apatit/TiO2 - phaN Hình 2.4 Hiệu xúc tác quang hóa HA/TiO2(N) với đèn thường ánh sáng trắng đèn UV 365 nm 2.2.3 Thử nghiệm hoạt tính xúc tác quang vật liệu xử lý hợp chất BTX quy mô thực tế Trên kết nghiên cứu có phịng thí nghiệm, nghiên cứu tiếp tục thực trường Diện tích thử nghiệm buồng phun sơn rộng 40 m2 xưởng sửa chữa ô tô Công ty TNHH thành viên Tây Hồ, Quận Tây Hồ, Hà Nội vị trí tiến hành đo kiểm khơng gian kín buồng sơn sửa tơ góc bên trên, phía buồng phun sơn; gần cửa buồng sơn cách mặt sàn 1,2 mét khu vực buồng sơn cách mặt sàn 1,2 mét Dung dịch Apatit/TiO2 - phaN phun lên bề mặt buồng sơn 125 mL/m2 Sử dụng thiết bị Drager (Đức) để kiểm tra nồng độ BTX trường (mẫu có Tuy nhiên lượng BTX thử nghiệm nghiên cứu sử dụng chưa triệt để Điều nhiều nguyên nhân, có độ rộng vùng cấm Eg HA/TiO2(N) tương đối lớn nên chưa hấp thụ ánh sáng có bước sóng cao, diện tích bề mặt riêng HA/TiO2(N) chưa cao kích thước hạt TiO2 làm ngun liệu đầu cịn lớn Về phân bố sử dụng, HA/TiO2(N) chủ yếu phủ tường, buồng phun sơn khơng có quạt để khuấy trộn khơng khí, BTX dễ bay nên khuếch tán tiếp xúc với bề mặt vật liệu chưa tối ưu KẾT LUẬN Apatit/TiO2- phaN có ưu điểm vừa có tính hấp phụ lại vừa có tính quang xúc tác Vật liệu 205 [3] Christensen F M et al., Nano -TiO2 feasibility and challenges for human health risk assessment based on open literature, Nanotoxicology, 5, 2, 110 – 124 (2011) [4] T Nonami, Nguyen Thi Hue, Apatite formation on TiO2 photocatalyst film in a pseudo body solution, Mater Res Bull., 33, 1, 125 – 131 (1998) [5] Ma Thi Anh Thu, Nguyen Manh Nghia, Nguyen Thi Hue, Application of hydroxylapatite - coated titanium dioxide suspension for air purification, Int Symp Nano-Materials, Technol Appl SS 25, Hanoi, Vietnam, pp.150 (2014) [6] Mã Thị Anh Thư, Nguyễn Thị Huệ, Fabrication and effective evaluation of antibacterial of Apatite/TiO2 nano paint in hospital, National Biotechnology Science Conference, 563 – 567 (2013) [7] Nguyễn Thị Huệ, Nguyễn Hà Giang, Application of HA/TiO2 suspension solution for decomposing bacteria and fungi in hospital, 6th Intenational Work Adv Mater Sci Nanotechnology, Oct.30th - Nov.2nd, 350 (2012) Apatit/TiO2- phaN (hay gọi HA/TiO2(N)) dạng dung dịch sử dụng cho nhiều mục đích, xử lý chất màu hữu (MB), hỗn hợp dung mơi BTX quy mơ phịng thí nghiệm lẫn quy mô thực tế Nồng độ chất sau trình xử lý đạt tiêu chuẩn cho phép QCVN 08:2018/BTNMT (mơi trường khơng khí) Vật liệu có nhiều hứa hẹn diệt khuẩn, vi nấm, hóa chất độc hại khác mơi trường [6,7] LỜI CÁM ƠN Bài báo hoàn thành nhờ phần hỗ trợ kinh phí từ chương trình nghiên cứu dành cho NCVCC, mã số NVCC 30.03.20-20 Tác giả trân trọng cám ơn Chủ tịch Ban lãnh đạo Viện HLKHCNVN TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nonami T., Hase H., Funakoshi K., Apatitecoated titanium dioxide photocatalyst for air purification, Catal Today, 96, 3, 113 – 118 (2004) [2] Mã Thị Anh Thư, Nguyễn Thị Huệ, Fabrication and effective evaluation of antibacterial of Apatite/TiO2 nano paint in hospital, National Biotechnology Science Conference, 563 – 567 (2013) 206 ... hữu bền màu sử dụng để thử nghiệm khả quang xúc tác vật liệu tổng hợp Thử nghiệm mẫu, mẫu đối chứng có MB, mẫu Apatit/ TiO2 (AT 02) mẫu Apatit/ TiO2 pha tạp nitơ (Apatit/ TiO2 - phaN) Nồng độ MB...liệu Một ứng dụng Apatit/ TiO2 phaN xử lý dung môi benzene, toluene, xylen (BTX) quy mô thực tế giới thiệu báo PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 Chuẩn bị thí nghiệm Vật liệu Apatit/ N -TiO2 tổng hợp... 02) Trong điều kiện tối, khả hấp thụ MB mẫu Apatit/ TiO2 - AT 02 mẫu Apatit/ TiO2 - phaN tương đương Nhưng chiếu sáng, mẫu Apatit/ TiO2 – AT 02 phân huỷ MB chậm, sau 120 phút xử lý 18% MB, mẫu Apatit/