Nghiên cứu xử lý một số hợp chất hữu cơ ô nhiễm bằng xúc tác quang hóa tio2 có cấu trúc nano

1 Sưu tầm: Thạc sĩ Ngô Thị Thuỳ Dương http://ngothithuyduong.violet.vn MỞ ĐẦU 1. Lý chọn đề tài Một xu hướng khoa học ứng dụng hiện là nghiên cứu và sử dụng các vật liệu có kích thước nano mét. Nguyên do, với kích thước này tính chất vật liệu khác hẳn với tính chất chúng dạng khối các tính chất từ, tính chất quang, hoạt tính phản ứng bề mặt,… Vì vậy, vật liệu nano là lĩnh vực nghiên cứu sôi động hiện nay, được ứng dụng vào nhiều lĩnh vực y học, dược phẩm, mỹ phẩm, công nghệ hóa học. Những vật liệu nano thu hút được nhiều sự quan tâm nhất hiện là: kim loại, oxit kim loại, chất bán dẫn, cacbon… Trong các vật liệu trên, TiO với tính chất ưu việt quang xúc tác, siêu thấm ướt đồng thời rất bền, không độc, trữ lượng cao, . được nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi. Những nghiên cứu khoa học vật liệu nano TiO với vai trò là chất xúc tác quang được bắt đầu thập kỷ từ phát minh nhà khoa học người Nhật (Fujishima và Honda) vào năm 1972 phản ứng phân huỷ nước phương pháp điện hoá quang với chất xúc tác TiO [9]. Hiện nay, hợp chất TiO2 ngày càng đóng vai trò quan trọng đời sống và sản xuất. Nó được sử dụng rộng rãi nhiều lĩnh vực khác từ việc tạo màu sơn, mỹ phẫm ngành thực phẩm. Đặc biệt vài thập kỷ gần đây, người ta nghiên cứu mạnh mẽ khả xúc tác quang TiO ứng dụng lĩnh vực xử lý môi trường, xử lý chất màu… Sự nhiễm bẩn hữu hiện là vấn đề được quan tâm hàng đầu các nhà nghiên cứu. Chất thải phổ biến thường chứa các hợp chất hữu khó phân hủy các hợp chất vòng benzen, chất có nguồn gốc từ các chất tẩy rửa, thuốc trừ sâu, thuốc kích thích sinh trưởng, thuốc diệt cỏ, hóa chất công nghiệp… Các vi sinh vật độc hại (gồm các loài sinh vật có khả lây nhiễm được đưa vào môi trường nước. Ví dụ nước thải các bệnh viện chưa được xử lý xử lý không triệt để các mầm bệnh). Hiện nay, để xử lí chúng sử dụng chất oxi hóa thông thường, mà cần phải có vật liệu có khả oxi hoá cực mạnh. TiO2 kích thước nano là chất xúc tác quang có hiệu lực mạnh, có khả phân hủy các chất hữu bền vững này. Việt Nam là nước nhiệt đới cận xích đạo, thời lượng chiếu sáng năm mặt trời rất cao, mặt khác trữ lượng TiO nước ta rất phong phú tiềm ứng dụng vật liệu xúc tác quang TiO nước ta là rất lớn. Do đó, việc nghiên cứu ứng dụng vật liệu xúc tác quang TiO vào xử lý nước bị ô nhiễm và số ứng dụng khác là vấn đề có ý nghĩa thực tiễn rất cao. Xuất phát từ lý định chọn đề tài “Nghiên cứu xử lí số hợp chất hữu ô nhiễm xúc tác quang hoá TiO2 có cấu trúc nano” 2. Mục đích nghiên cứu - Tổng hợp vật liệu TiO dạng nano phương pháp thủy nhiệt và nghiên cứu tính chất vật liệu xúc tác quang TiO2. - Biến tính (pha tạp) TiO và khảo sát hoạt tính quang xúc tác chúng các phản ứng phân hủy hợp chất hữu cơ. Các yếu tố khảo sát bao gồm: thời gian, hàm lượng xúc tác, loại ánh sáng kích thích, nghiên cứu động học phản ứng. - Đánh giá khả xử lí nước thải công nghiệp, nước thải sinh hoạt, vi sinh vật nước nhờ quá trình sử dụng vật liệu nano TiO dạng pha tạp ánh sáng mặt trời. 3. Đối tượng phạm vi nghiên cứu a. Đối tượng - Nghiên cứu các đặc trưng cấu trúc cúa vật liệu chứa TiO được điều chế dạng bột. - Nghiên cứu biến tính (pha tạp) nitơ vào vật liệu nano TiO và tính chất vật liệu sau biến tính. - Nghiên cứu hoạt tính quang xúc tác TiO biến tính thí nghiệm xử lí các chất hữu cơ. b. Phạm vi nghiên cứu - Đối với nghiên cứu các đặc trưng cấu trúc vật liệu chứa thành phần TiO2 dạng bột, các thông số phạm vi nghiên cứu bao gồm: + Diện tích bề mặt riêng. + Hình thái bề mặt. + Phân tích cấu trúc tinh thể. + Xác định các kiểu liên kết vật liệu. + Khảo sát độ bền vật liệu. - Đối với quá trình biến tính TiO2 dạng nano nitơ: khảo sát tỉ lệ pha tạp. - Đối với quá trình xử lí metyl da cam: + Hiệu xử lí theo thời gian, lượng TiO2 pha tạp, lượng dung dịch đem xử lí. + Nguồn chiếu sáng. - Đối với quá trình xử lí chất thải, vi khuẩn: hiệu xử lí theo thời gian. 4. Phương pháp nghiên cứu a. Phương pháp thí nghiệm - Tổng hợp TiO2 nano phương pháp thủy nhiệt. - Pha tạp nguyên tố nitơ và TiO2 phương pháp nghiền trộn, nung. b. Các phương pháp phân tích - Đặc trưng vật liệu: + Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD): Phân tích cấu trúc tinh thể và vi tinh thể. + Phương pháp kính hiển vi điện tử quét (SEM), kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM): khảo sát hình thái, kích thước, trạng thái xếp mao quản vật liệu. + Phương pháp đo diện tích bề mặt riêng (BET): khảo sát độ xốp và diện tích bề mặt riêng vật liệu. + Phương pháp quang phổ Raman: Xác định các kiểu liên kết vật liệu. + Phương pháp phân tích nhiệt (TG-DSC): khảo sát độ bền nhiệt vật liệu. - Khảo sát phản ứng quang xúc tác: + Phương pháp phổ kích thích electron (UV-Vis): Định lượng chất trước và sau phản ứng. + Xác định số COD theo phương pháp Đicromat. + Phương pháp đếm khuẩn lạc. 5. Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài a. Ý nghĩa khoa học Góp phần làm phong phú thêm các phương pháp tổng hợp, biến tính và khả ứng dụng vật liệu nano TiO2. b. Ý nghĩa thực tiễn Đề tài theo hướng đơn giản hoá quá trình điều chế vật liệu nano TiO 2. Kết qủa đề tài mở khả ứng dụng vật liệu nano TiO biến tính xử lý môi trường nước và số ứng dụng khác (chống rêu mốc, diệt vi khuẩn). 6. Cấu trúc luận văn Luận văn bao gồm chương Chương : Tổng Quan Trình bày sở lý thuyết tính chất TiO cấu trúc nano, biến tính chất TiO nano và các ứng dụng TiO2 nano thực tiễn, tình hình nghiên cứu hiện nay. Chương : Thực nghiệm Trình bày các bước tiến hành thực nghiệm về: - Quy trình điều chế TiO phương pháp thủy nhiệt, tổng hợp vật liệu pha tạp nitơ. - Khảo sát hoạt tính quang xúc tác vật liệu theo thời gian, hàm lượng xúc tác, loại ánh sáng kích thích, nghiên cứu động học phản ứng metyl da cam. - Khảo sát khả xử lý vật liệu TiO pha tạp nitơ số nguồn nước bị ô nhiễm nước nước thải công nghiệp, nước thải sinh hoạt, nguồn nước nhiễm khuẩn… ánh sáng mặt trời và số ứng dụng khác. Chương 3: Kết bàn luận Trình bày các vấn đề về: Đặc trưng, tính chất vật liệu; hoạt tính quang xúc tác vật liệu metyl da cam; thử nghiệm ứng dụng vật liệu xử lí vi khuẩn, chất thải và chống rêu mốc. Ngoài có phần mở đầu, kết luận và kiến nghị, tài liệu tham khảo. Chương - TỔNG QUAN 1.1. Giới thiệu vật liệu nano TiO2 1.1.1. Cấu trúc Titan là nguyên tố phổ biến thứ chín lớp vỏ trái đất, tự nhiên nó kết hợp với nguyên tố khác oxi để tạo thành Titan đioxit (TiO 2). Dạng thường thấy TiO2 tự nhiên là FeTiO3 hay FeO-TiO2 (quặng illmenit) và vật liệu TiO2 thường dùng được sản xuất từ nguồn này. Titan đioxit là chất bán dẫn, cấu trúc tinh thể gồm ba dạng sau: rutile, anatase và brookite, đó hai dạng thù hình thường gặp nhất là rutile và anatase. 1.1.1.1. Rutile Rutile là trạng thái tinh thể bền TiO 2. Rutile dạng Bravais tứ phương với các hình bát diện tiếp xúc đỉnh. Rutile là pha có độ xếp chặt cao nhất so với hai pha lại. a) (b) Hình 1.1. Tinh thể Rutile: (a) dạng tự nhiên; (b) cấu trúc tinh thể Đối với rutile nguyên tử O được bao xung quanh nguyên tử Ti tạo thành tam giác đều. Các bát diện TiO có cạnh chung dọc theo trục [001] và đỉnh chung với các bát diện nằm kề. Khoảng cách Ti-O là 1,959 nm; Ti-Ti là 2,96 nm và 3,57 nm. Góc TiÔTi là 1200. 1.1.1.2. Anatase Dạng có hoạt tính quang hóa mạnh nhất pha. Anatase dạng Bravais tứ phương với các hình bát diện tiếp xúc cạnh với và trục c tinh thể bị kéo dài. Anatase thường có màu nâu sẫm, có thể có màu vàng xanh, có độ sáng bóng tinh thể kim loại. Tuy nhiên lại rất dễ rỗ bề mặt, các vết xước có màu trắng. TiO2 dạng Anatase có thể chuyển hóa thành dạng Rutil các điều kiện nhiệt độ phản ứng thích hợp. Titan Oxy (a) (b) Hình 1.2. Tinh thể anatat: (a) dạng tự nhiên; (b) cấu trúc tinh thể. Anatase có cấu trúc tứ phương dãn dài với các bát diện bị biến dạng mạnh độ dài liên kết Ti-O lại mọi phía, trung bình là 1,917 Å. 1.1.1.3. Brookite Có hoạt tính quang hóa rất yếu, thường rất ít gặp nên ít được đề cập các nghiên cứu và ứng dụng. Cấu trúc tinh thể Brookite được biểu diễn hình 1.3. Hình 1.3. Cấu trúc tinh thể Brookite 1.1.2. Một số tính chất của TiO2 Hình 1.4. Cấu trúc tinh thể anatase rutile Cả hai dạng anatase và rutile được tạo nên từ các đa diện phối trí TiO (bát diện). Các bát diện này xếp khác không gian. Sự khác cấu trúc tinh thể ảnh hưởng đến mật độ khối và cấu trúc điện tử dạng tinh thể kéo theo sự khác tính chất vật lý và tính chất hoá học. Bảng 1.1. Nêu số tính chất vật lý TiO2 dạng anatase và rutile. Bảng 1.1. Một số tính chất vật lý TiO2 dạng anatase rutile Tính chất Hệ tinh thể Nhóm không gian Anatase Tetragonal I41/amd Thông số mạng a 3,78 A o 4,58 A Thông số mạng c 9,49 A o 2,95 A Khối lượng riêng Độ khúc xạ Độ cứng (thang Mox) Hằng số điện môi 3,895 g/cm3 2,52 5,5-6,0 31 Nhiệt độ cao chuyển sang dạng rutile 3,25 4,25 g/cm3 2,71 6,0-7,0 114 Nhiệt độ nóng chảy Mức lượng vùng cấm (eV) Rutile Tetragonal P42/mnm o o 18580C 3,05 TiO2 dạng có kích thước micromet rất bền mặt hóa học, không tan các axit. TiO2 kích thước nanomet, có thể tham gia số phản ứng với axit và kiềm mạnh. TiO2 có số tính chất ưu việt thích hợp dùng làm chất xúc tác quang như: - Hấp thụ ánh sáng vùng tử ngoại, cho ánh sáng vùng hồng ngoại và khả kiến truyền qua. - Là vật liệu có độ xốp cao, vì vậy tăng cường khả xúc tác bề mặt. - Bền, không độc hại, giá thành thấp. - Ái lực bề mặt TiO2 các phân tử rất cao, đó dễ dàng phủ lớp TiO2 lên các loại đế với độ bám dính rất tốt. - Nồng độ chất bẩn loãng cách hấp phụ bề mặt TiO 2, nơi tạo gốc hoạt tính. Điều này rất thích hợp cho việc xử lý các chất khí nặng mùi hay các vết bẩn ô nhiễm làm không khí nhà. - Các chất bẩn thường bị khoáng hóa hoàn toàn TiO 2, ít nhất thì nồng độ sản phẩm và chất bẩn đủ nhỏ có thể chấp nhận được. Tuy nhiên, tốc độ quá trình quang xúc tác bị giới hạn tốc độ tái hợp lỗ trống - điện tử, các khuyết tật cấu trúc và các ion dương bên ngoài. Do đó, rất khó điều khiển và hạn chế việc ứng dụng quang xúc tác vào nhiều lĩnh vực. Khi sử dụng việc xử lý nước, bề mặt TiO phải được bao phủ các phân tử nước để tạo nên nhóm hydroxyl từ các liên kết hydro. Điều này hạn chế sự tiếp xúc chất bẩn với bề mặt TiO2, đặc biệt chất dễ hòa tan. Gần các nhà khoa học phát hiện thêm tính chất tuyệt vời TiO là bề mặt TiO2 trở nên siêu thấm ướt được chiếu sáng UV. Vì vậy, hiện TiO2 được sử dụng nhiều lĩnh vực: xử lí môi trường, sản xuất kính có khả tự làm và chống mờ, chống đọng sương, sản xuất các thiết bị điện tử,… 1.1.3. Tổng hợp 1.1.3.1. Phương pháp cổ điển [9] Người ta điều chế TiO2 tinh khiết cách kết tủa axit titanic cho NH 4OH tác dụng lên dung dịch TiCl4 (hoặc Ti(SO4)2), rửa kết tủa sấy khô nung. 10 TiCl4 + NH4OH = Ti(OH)4 + 4NH4Cl (1.1) Ti(OH)4 = TiO2 + 2H2O (1.2) 1.1.3.2. Phương pháp tổng hợp lửa [38] TiO2 được sản xuất với quá trình oxy hoá TiCl xảy lò sol khí ngọn lửa. Các hạt TiO2 hầu hết kết tinh dạng anatase và rutile. Phản ứng thường được thực hiện nhiệt độ cao 10000C để thu được sản phẩm có chất lượng cao. TiCl4 + O2  TiO2 + 2Cl2  (1.3) TiO2 P25 (Degussa) là sản phẩm thương mại được điều chế phương pháp nhiệt phân TiCl4 ngọn lửa có nhiệt độ cao 1200C với sự có mặt hiđro và oxy. TiO2 sau đó được xử lý dòng để loại bỏ HCl. 1.1.3.3. Phân huỷ quặng illmenit [3], [4] Đây là phương pháp được sử dụng để sản xuất TiO2. Quá trình điều chế gồm giai đoạn: ♦ Phân huỷ quặng illmenite H2SO4 TiO2 + 2H2SO4 = Ti(SO4)2 + 2H2O (1.4) FeO + H2SO4 = FeSO4 + H2O (1.5) Fe2O3+ 3H2SO4 = Fe2(SO4)3 + 3H2O (1.6) ♦ Thuỷ phân dung dịch muối titan mTi(SO4)2 + 3(m-1)H2O = [TiO(OH)2]m-1Ti(SO4)2 + 2(m-1)H2SO4 (1.7) mTiO(SO4) + 2(m-1)H2O = [TiO(OH)2]m-1TiO(SO4) +(m-1)H2SO4 (1.8) ♦ Nung sản phẩm thuỷ phân [TiO(OH)2]m-1Ti(SO4)2 = mTiO2 + 2SO3 + (m-1)H2O (1.9) 1.1.3.4. Phương pháp ngưng tụ hoá học [9] Đây là phương pháp điều chế bột TiO2 có kích thước nanomet nhiệt độ thấp 6000C. TiCl4 được làm bay các nhiệt độ khác để thu được các áp suất khác nhau, sau đó được chuyển vào lò phản ứng. Hơi nước được đưa vào lò. Hơi TiCl4 và nước được trộn với cách nhanh chóng quanh miệng lò và tạo thành sol khí TiO áp suất không khí. Ở lỗ thoát miệng lò, sản phẩm được tổng hợp lại màng lọc sợi thuỷ tinh thành bột khô. 73 Đèn halogen có khả xử lý thấp nhất sau 30, 60, 90 và 120 phút độ chuyển hóa lần lượt là 11,53%; 13,81%; 19,42%; 20,94%. Còn đèn huỳnh quang sau thời gian là 16,24%; 24,06%; 25,04%; 27,16%. Đối với ánh sáng mặt trời độ chuyển hóa đạt được 15,78% sau 10 phút và tăng dần lên 25,19%; 54,78%; 72,84% sau 20, 30, 60 phút; từ 90 phút trở độ chuyển hóa đạt được là 100%. Số liệu bảng cho thấy hiệu xử lý ánh sáng mặt trời cao gấp từ 3,16-3,37 lần so với ánh sáng đèn huỳnh quang và gấp từ 4,75-5,27 lần so với đèn halogen. Nguyên nhân theo là cường độ mạnh ánh sáng mặt trời thời điểm khảo sát sự có mặt tia tử ngoại ánh sáng mặt trời (5%10%) làm tăng hiệu quang xúc tác. Sở dĩ đèn huỳnh quang có khả xử lý tốt halogen vì đèn huỳnh quang gồm tia đỏ, xanh lục, xanh dương nên vùng bước sóng trải dài từ 400-800 nm, đèn halogen là ánh sáng đơn sắc vàng. Do đó đèn huỳnh quang, bước sóng ánh sáng kích thích bao trùm khoảng vùng có bước sóng kích thích TN1-3 (khoảng 550 nm). 3.3. Thử nghiệm số ứng dụng TN1-3 Vật liệu nano TiO2 có rất nhiều ứng dụng xử lý nước thải, khử mùi và làm không khí, chống rêu mốc, tiêu diệt tế bào ung thư, chế tạo pin mặt trời,… Chúng thử nghiệm ứng dụng hoạt tính quang xúc tác vật liệu lĩnh vực: xử lý nước thải, diệt vi khuẩn và chống rêu mốc. Những thí nghiệm được tiến hành xử lý là khay xi măng được phân tán TN1-3 bề mặt với mật độ 0,5261 mg/cm2. 3.3.1. Xử lý nước thải Để đánh giá chất lượng nước thải người ta dựa nhiều thông số quan trọng COD, BOD, tiêu E.Coli,… Trong đó thông số quan trọng và thường dùng là COD. Chúng tiến hành xử lý sơ số loại nước thải: ♦ Nước thải nhà máy bia Sài Gòn-Miền Trung, phường Trần Quang Diệu, thành phố Quy Nhơn. ♦ Lò giết mổ gia súc ông Đặng Văn Chú tổ 2, khu vực 4, phường Đống Đa, thành phố Quy Nhơn. 74 Xác định COD trước và sau xử lý để đánh giá hiệu xử lý. * Xây dựng đường chuẩn: Chuẩn bị dãy dung dịch chuẩn có nồng độ 20-1000 mg O2 /l (Bảng 3.13). Bảng 3.13. Dãy dung dịch chuẩn xác định COD STT Lượng dung dịch Lượng nước cất Nồng độ O2 chuẩn (ml) 10 15 30 40 (ml) 95 90 85 70 60 (mg/l) 50 100 150 300 400 95 950 Tiến hành xác định COD dãy dung dịch chuẩn bảng 3.13. Đem đo mật độ quang để xây dựng đường chuẩn. Bảng 3.14. Kết xây dựng đường chuẩn COD Nồng độ O2 (mg/l) 50 100 150 300 400 950 Mật độ quang (ABS) 0,035 0,046 0,064 0,213 0,229 0,508 Từ giá trị xác định trên, xây dựng đồ thị và phương trình biểu diễn sự phụ thuộc nồng độ COD và mật độ quang. Hình 3.28 biểu diễn phương trình đường chuẩn COD. Hình 3.28. Đường chuẩn COD 75 Nhận xét: Trong khoảng nồng độ COD từ 50-1000 mg/l phép đo mật độ quang tuân theo định luật Lambert-Beer. Vì vậy các mẫu đo thực tế sau này, phải điều chỉnh giá trị COD nằm khoảng nồng độ trên. * Nước thải lò giết mổ gia súc: sau lấy để lắng cặn, pha loãng 100 lần, xác định COD ban đầu (bảng 3.15). Bảng 3.15. COD nước thải lò giết mổ gia súc Mẫu ban đầu Mật độ quang (ABS) COD (mg/l) Lò giết mổ gia súc 0,256 497 Kết xác định COD ban đầu cho thấy mẫu nước thải lò giết mổ thuộc loại rất ô nhiễm, thải trực tiếp môi trường được. Sau xử lý, kết thực nghiệm thu được bảng 3.16 và hình 3.29. Bảng 3.16. Kết COD nước thải lò giết mổ gia súc qua thời gian xử lý Thời gian (phút) Mật độ quang (ABS) COD (mg/l) 60 0,183 351 120 0,147 279 180 0,141 267 Hình 3.29. Đồ thị phụ thuộc giá trị COD nước thải lò giết mổ gia súc theo thời gian xử lý 76 Các kết thu được từ đồ thị và bảng số liệu cho thấy giá trị COD mẫu nước thải giảm dần theo thời gian. Lúc đầu giá trị COD giảm nhanh sau đó chậm dần. Nguyên nhân theo dự đoán là giai đoạn đầu các hợp chất hữu dễ phân huỷ nước thải bị xử lý trước, càng sau nước thải lại các hợp chất hữu khó phân huỷ đó làm hiệu xử lý chậm dần. Có thể thấy sau qua xử lý ánh sáng mặt trời giá trị COD giảm từ 497 mg/l xuống 351 mg/l tức là xử lý nước thải rất ô nhiễm từ lò giết mổ nước thải loại C (theo tiêu chuẩn nước thải công nghiệp-TCVN 5945:2005). * Nước thải nhà máy bia: Lấy trực tiếp nước thải chưa qua xử lý, để lắng cặn giờ, lọc để loại bỏ tạp chất lơ lửng, pha loãng lần. Xác định COD mẫu ban đầu (bảng 3.17). Bảng 3.17. COD nước thải nhà máy bia Mẫu ban đầu Nước thải nhà máy bia Mật độ quang (ABS) COD (mg/l) 0,116 217 Kết xác định COD ban đầu cho thấy mẫu nước thải này thuộc loại nước thải loại C. Do đó xử lý mẫu nước thải các tiêu chuẩn cao hơn. Mẫu ban đầu sau đưa vào xử lý, đặt ánh sáng mặt trời khoảng từ 10 trở đi. Sau 60 phút lấy 2,5 ml mẫu vào xác định COD. Kết thực nghiệm thu được bảng 3.18 và hình 3.30. Bảng 3.18. Kết COD nước thải nhà máy bia qua thời gian xử lý Thời gian (phút) 60 120 180 240 Mật độ quang (ABS) 0,107 0,090 0,076 0,055 COD (mg/l) 199 165 137 85 77 Hình 3.30. Đồ thị phụ thuộc giá trị COD nước thải nhà máy bia theo thời gian xử lý Kết cho thấy, sau xử lý ánh sáng mặt trời giảm lượng COD từ 217 mg/l xuống 85 mg/l, tức là xử lý nước thải nhà máy bia từ tiêu chuẩn nước thải loại C sang loại B (theo tiêu chuẩn nước thải công nghiệpTCVN 5945:2005). 3.3.2. Chống rêu mốc Để khảo sát khả chống mọc rêu TN1-3, chuẩn bị khay xi măng: - Một khay xi măng thường. - Một khay xi măng được phân tán TN1-3 bề mặt với mật độ 0,5261 mg/cm2. Đặt khay điều kiện ẩm ướt, có ánh sáng mặt trời và theo dõi sự mọc rêu. Qua thời gian kết thu được hình 3.31. Trong điều kiện thí nghiệm, khay xi măng thường có rong, rêu mọc xanh đó khay xi măng phủ TN1-3 thì không có hiện tượng gì. Kết chứng tỏ xi măng phủ bột TN1-3 có khả sát khuẩn, chống rêu mốc. Đây là kết rất thú vị, sở này hy vọng có thể mở rộng ứng dụng TN1-3 chế tạo xi măng chống đóng rêu sử dụng cho khu vực ẩm ướt thường xuyên tiếp xúc với nước. 78 Hình 3.31. Khay xi măng thường (có mọc rêu) xi măng phủ bột TN1-3 (không mọc rêu) 3.3.3. Diệt vi khuẩn Để khảo sát khả diệt vi khuẩn TN1-3, tiến hành xử lí nước thải sinh hoạt Hồ sen - Đường Nguyễn Thái Học - Thành phố Quy nhơn. Cho 20 ml dung dịch nước thải vào khay thủy tinh thể tích: - Một khay xi măng phủ TN1-3 bề mặt với mật độ 0,5261 mg/cm2. - Một khay xi măng thường. Đặt khay ngoài ánh sáng mặt trời 40 phút và tiến hành xác định tổng số vi sinh vật hiếu khí và tổng số coliforms. * Tổng số vi sinh vật hiếu khí: Sau cấy mẫu và nuôi ủ điều kiện hiếu khí 30 0C 72 giờ. Chúng thu được kết hình hình 3.32. * Tổng số coliforms: Sau cấy mẫu và nuôi dưỡng môi trường lactose 37 oC 30 giờ, thu được kết hình 3.33. 79 (a) (b) Hình 3.32. Tổng số vi sinh vật hiếu khí: (a) khay xi măng phủ bột TN1-3, (b) khay xi măng thường Hình 3.33. Tổng số coliforms khay xi măng phủ bột TN1-3, khay xi măng thường Tiến hành xác định số lượng vi khuẩn xuất hiện đĩa peptri, thu được kết bảng 3.19. 80 Bảng 3.19. Khả xử lí vi khuẩn hiếu khí tổng số coliforms Tổng vi khuẩn hiếu khí Mẫu không TN1-3 Mẫu xi măng phủ bột TN1-3 Tổng số Coliforms Số lượng % xử lí Số lượng % xử lí 284 83 70,77 100 Mẫu xi măng phủ bột TN1-3 có khả diệt khuẩn rất tốt, sau thời gian 40 phút mẫu này có thể xử lí được 70,77% tổng lượng vi khuẩn hiếu khí và 100% tổng lượng coliforms. Kết này có ý nghĩa lớn việc xử lí nước thải, nơi có nhiều vi khuẩn gây hại đến sức khoẻ người. 81 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ♣ KẾT LUẬN 1. Đã tổng hợp và pha tạp thành công nitơ vào vật liệu nano TiO 2. Sau pha tạp nitơ làm dịch chuyển phổ hấp thụ ánh sáng vật liệu sang vùng ánh sáng khả kiến, vật liệu TiO2-N thu được có hoạt tính quang xúc tác rất tốt ánh sáng mặt trời. Đã xác định được lượng pha tạp nitơ vào TiO tối ưu theo khối lượng mTiO2 : m urê là 1:3 (mẫu TN1-3). 2. Đã khảo sát hoạt tính quang xúc tác TN1-3 theo thời gian nguồn sáng kích thích: đèn halogen, đèn huỳnh quang và ánh sáng mặt trời phản ứng phân hủy metyl da cam. Kết cho thấy thời gian xử lý càng dài thì hiệu xử lý càng cao. Riêng ánh sáng mặt trời, sau 90 phút, 20 ml metyl da cam mg/l bị xử lý hoàn toàn với 10 mg xúc tác. 3. Khảo sát ảnh hưởng hàm lượng TN1-3 lên khả phân hủy metyl da cam loại nguồn sáng kích thích. Kết thu được: ♦ Đối với ánh sáng đèn halogen, đèn huỳnh quang: Khả xử lý cao nhất hàm lượng xúc tác TN1-3 là mg xử lý 20 ml dung dịch metyl da cam mg/l. ♦ Đối với ánh sáng mặt trời: Độ chuyển hóa tăng hàm lượng xúc tác tăng. 4. Khảo sát ảnh hưởng các loại nguồn sáng kích thích lên hoạt tính quang xúc tác vật liệu. Hoạt tính quang xúc tác mẫu TN1-3 tăng dần theo thứ tự nguồn sáng kích thích: đèn halogen < đèn huỳnh quang [...]... trình quang hóa xúc tác tỉ lệ với căn bậc hai của cường độ bức xạ [8], [17] Vì vậy, công suất nguồn UV tối ưu cần lựa chọn tương ứng với vùng có cường độ bức xạ tỉ lệ tuyến tính với tốc độ quá trình quang hóa 1.3 Một số nghiên cứu và ứng dụng của vật liệu xúc tác quang hóa TiO2 1.3.1 Xử lý không khí ô nhiễm Các hạt TiO2 có thể được tập hợp trên các sợi giấy để tạo ra một loại... linh kiện trong thông tin quang hoặc các cửa sổ quang học với các tổn hao nhỏ 1.4 Tình hình nghiên cứu ứng dụng xúc tác quang hóa TiO 2 có cấu trúc nano trong và ngoài nước Ngày nay, với sự phát triển mạnh mẽ và thiếu kiểm soát về mặt xử lý chất thải ô nhiễm của nhiều ngành kinh tế đã tạo ra sự ô nhiễm môi trường nghiêm trọng Nhiều ngành công nghiệp đã thải vào môi trường các chất... chuyển đổi hoá học của quá trình quang xúc tác Thêm vào đó, sự tán xạ phụ thuộc vào chỉ số phản xạ trung bình và vì vậy cũng phụ thuộc vào TiO 2 tiếp xúc với không khí hay nước 1.2.2 Ứng dụng tính chất quang xúc tác của TiO2 trong xử lý nước Khả năng quang xúc tác của nano TiO 2 được ứng dụng rộng rãi trong xử lý môi trường, làm sạch không khí, diệt vi khuẩn, tiêu diệt... thư,… Đặc biệt nhiều công trình nghiên cứu ứng dụng hệ xúc tác TiO 2/UV trong phân huỷ các chất hữu cơ gây ô nhiễm môi trường nước như thuốc nhuộm, thuốc trừ sâu, thuốc diệt cỏ, hợp chất phenol,… đã được thực hiện và có nhiều hệ thống xử lý đã được áp dụng trong thực tế 23 1.2.2.1 Cơ chế phân huỷ các hợp chất hữu cơ gây ô nhiễm [1], [12] Vật liệu nano TiO2 hấp thụ năng lượng... thích hợp TiO 2 sẽ có khả năng xử lý triệt để các chất ô 24 nhiễm hữu cơ hoàn toàn thành những chất vô cơ không độc hại như CO 2, H2O, N2, H2SO4,… Phương pháp xử lý nước bị ô nhiễm bằng xúc tác quang TiO 2 đang ngày càng được ứng dụng rộng rãi nhờ những tính chất ưu việt như: ♦ Không có hóa chất độc hại được sử dụng TiO 2 là một chất không độc thường được sử dụng để thêm... ♦ C là nồng độ chất hữu cơ ♦ i là trạng thái trung gian b Các yếu tổ ảnh hưởng đến động học quang xúc tác * Ảnh hưởng của hàm lượng chất xúc tác Trong hệ phản ứng quang hóa xúc tác, tốc độ ban đầu của chất phản ứng tỉ lệ thuận với hàm lượng của chất xúc tác CTiO2 như ở quá trình xúc tác dị thể thông thường Tuy nhiên, khi lượng chất xúc tác vượt lên một giá trị giới hạn nào... •OH và O3 đối với một số hợp chất hữu cơ trong môi trường nước [26] Bảng 1.3 Hằng số tốc độ phản ứng của •OH và O3 đối với một số hợp chất hữu cơ trong môi trường nước Hợp chất hữu cơ Anken chứa clo Chất hữu cơ chứa S Phenol Hợp chất chứa N Hợp chất chứa nhân thơm Xeton Alcohol Aldehyt Các ankan Hằng số tốc độ phản ứng, M-1s-1 • O3 OH -3 -4 -9 10 -10 10 -10-11 10-1,6.103 10-9-10-10 103... ♦ Khi các hợp chất hữu cơ chứa lưu huỳnh dạng –SH, -SO 3, cơ chế phân huỷ xảy ra như sau: R-SO3 + HO• → R-OH + SO3•- SO3•- HO- → SO42- + H• R-OH + HO• → CO2 + + chất vô cơ (1.23) (1.24) (1.25) Như vậy, sản phẩm của quá trình phân hủy chất hữu cơ gây ô nhiễm môi trường nước trên hệ xúc tác quang TiO 2 là H2O, CO2 và các chất vô cơ Chẳng hạn các hợp chất hữu cơ chứa clo trước tiên... hệ thống xử lý nước ngầm bị ô nhiễm các sản phẩm dầu mỏ chứa benzen, toluen, etylbenzen, xylen (BTEX) tại Florida- Mỹ (1992)… Ở Việt Nam cũng đã có một số công trình nghiên cứu, đánh giá hoạt tính quang xúc tác của TiO2 trong việc xử lý các chất ô nhiễm trong môi trường nước Chẳng hạn như, nghiên cứu của Tiến sĩ Bùi Thanh Hương về phân hủy quang xúc tác phẩm nhuộm xanh hoạt... chế quang phân huỷ hợp chất hữu cơ Trong đó, gốc tự do •OH là một tác nhân oxy hoá rất mạnh, không chọn lọc và có khả năng oxy hoá nhanh chóng hầu hết các chất hữu cơ Thế oxy hoá của gốc tự do •OH được so sánh với thế oxy hoá của các chất oxy hoá truyền thống được sử dụng trong lĩnh vực môi trường tại Bảng 1.2 Bảng 1.2 Thế oxi hóa của một số chất oxi hóa [11], [12], [31] Chất . 4H51N9;/5FK.&49 K;I49'22K849+i41&5+@f/ [ 0D"UN/,01'=ZIeDED&,K KO$A2*$=%&/>++'&DE#.d? #.d'K+Dj/>+YX+&4Dj#.27'j.* 5#1&O4,=1"0+$1'=Z#/ CL M 8'2$&,5#7/<&1+C41'= ZI%/5H>:H, A+&,"$+D$0#2D4OEa/^Z %&?KOK5&4?'/KHEL M 8$&K57-: Z)*%&0+#7/<&L M 8$&,K5$D14+ -))*0+#7/<&L M ,#.d$>e," 9)*'/,"5D:1d&CeK5&k5/;Hd K-DP<aD(D:, lNghiên cứu xử lí một số hợp chất hữu cơ ô nhiễm bằng xúc tác quang hoá TiO 2 có cấu trúc nano 2. Mục đích nghiên cứu mgE0+L M &>^/%+,- )250+#7/<&L M  mna2U&YL M ,'=/2<&#7/%&7K /=)I%E5H f/a9'=/>&NO&4,E#7/4//'2 24-)D"(=) mb//'=Z#.2$=+4$=4 0K$O</KB.*0+&L M &$/ /?KO 3 S4M€ [… n=[S/^99D"=)%& • LX,L S D9$"9E 5HKKO$_M•` Bảng 1.3.Hằng số tốc độ phản ứng của • OH và O 3 đối với một số hợp chất hữu cơ trong môi trường nước Hợp chất hữu cơ Hằng số tốc độ phản ứng, M -1 s -1 O 3 • OH ‚'. f/9K& • LX4 • L M m 4X M L M 4L M 4D1&KQ<&K(K a<&ITE5H KD149C • LX,"/I#/K54'((, 1'=Z#/&1a/5Ha#/%&9C  • LXDE/$a#/%&/5#/K:9DE. *KCKOn=[M Bảng 1.2.Thế oxi hóa của một số chất oxi hóa _[[`4_[M`4_S[` Chất oxi hóa Thế oxi hóa (eV) „ €4{y nK [4€ f [4S• X&# [4y{ XK&#