Nghiên cứu khả năng xử lý hơi HCHO bằng hệ xúc tác quang hóa tio2

Trong nghiên cứu này, chúng tôi đã thiết kế mô hình thí nghiệm bằng phương pháp quang xúc tác TiO2/UV, từ đó đánh giá khả năng xử lý hơi formaldehyde của vật liệu xúc tác TiO 2 dưới tác

TÓM TẮT Tình hình phát thải các khí hữu cơ độc hại ở các khu công nghiệp nước ta hiện nay đang ngày càng phức tạp, một trong những khí độc hại cần quan tâm là formaldehyde Trong nghiên cứu này, chúng tôi đã thiết kế mô hình thí nghiệm bằng phương pháp quang xúc tác TiO2/UV, từ đó đánh giá khả năng xử lý hơi formaldehyde của vật liệu xúc tác TiO 2 dưới tác dụng của tia UV Khả năng chuyển hóa HCHO trên hệ liên tục với xúc tác cố định (continuous fixed bed reactor) cho hiệu suất thấp do yếu tố hạn chế về thời gian lưu của formaldehyde trên bề mặt xúc tác Khả năng chuyển hóa formaldehyde trên hệ gián đoạn với xúc tác cố định (continuous fixed bed reactor) cho hiệu suất rất cao và đạt đến hơn 90% sau 3 giờ

xử lý, cho thấy tiềm năng ứng dụng của loại vật liệu này trong tương lai Các khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng xúc tác, nồng độ chất ô nhiễm, độ ẩm, lưu lượng dòng khí, lên hiệu suất của quá trình cũng đã được nghiên cứu trong đề tài này

Từ khóa: TiO2, formaldehyde, xúc tác quang hóa

ABSTRACT Emissions of toxic organic vapor pollutants from industrial parks in our country is increasingly becoming a complicated issue, one of them is formaldehyde

By photocatalytic oxidation system based on lab-scale model, this study aimed to estimate ability of formaldehyde vapor treatment of titanium dioxide in the presence

of ultraviolet light The formaldehyde conversion of the continuous fixed bed reactor gave a low efficiency due to the limitation of the contact time of formaldehyde on the surface of catalyst The formaldehyde conversion of the discontinuous fixed bed reactor gave a very high efficiency, which could reach 90% after 3 hours of treatment that show the very promissing application The study of the influence of catalyst weight, concentration of pollution, humidity, air flow, to the performance of the process have also been studied

Keyword: TiO2, formaldehyde, Photo-catalyst

MỤC LỤC TÓM TẮT I ABSTRACT II MỤC LỤC III DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT V DANH MỤC BẢNG VI DANH MỤC HÌNH VII

MỞ ĐẦU X

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1

1.1.TỔNGQUANVỀFORMALDEHYDE 1

1.1.1 Tổng quan về formaldehyde 1

1.1.2 Độc tính của formaldehyde 2

1.2.TỔNGQUANVỀQUÁTRÌNHQUANGXÚCTÁCTIO2 4

1.2.1 Tổng quan về chất bán dẫn TiO2 4

1.2.1.1 Tính chất vật lý 4

1.2.1.2 Tính chất hóa học 5

1.2.2 Ứng dụng của TiO2 8

1.2.3 Nguồn ánh sáng UV 10

1.3.CÁCPHƯƠNGPHÁPXỬLÝFORMALDEHYDE 10

1.3.1 Các phương pháp xử lý formaldehyde hiện nay 10

1.3.2 Các phương pháp xác định formaldehyde 14

CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM 16

2.1.MỤCTIÊUTHỰCNGHIỆM 16

2.2.PHƯƠNGPHÁPTIẾNHÀNHTHỰCNGHIỆM 16

2.3.BỐTRÍTHÍNGHIỆM 16

2.3.1 Hệ liên tục với xúc tác cố định 17

2.3.1.1 Hóa chất thí nghiệm 17

2.3.1.2 Những dụng cụ thiết bị cần thiết 18

2.3.1.3 Xây dựng mô hình 18

2.3.1.4 Phương pháp xác định nồng độ HCHO 21

2.3.2 Hệ gián đoạn xác định nồng độ theo thời gian 23

2.4.CÁCKHẢOSÁTKHÁC 28

2.4.1 Khảo sát tính ổn định của hệ thống 28

2.4.2 Khảo sát các điều kiện ảnh hưởng 28

CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 30

3.1.KHẢNĂNGXỬLÝHCHOTRÊNHỆLIÊNTỤC 30

3.1.1 Ảnh hưởng của bức xạ đến khả năng chuyển hóa HCHO 30

3.1.2 Ảnh hưởng của khối lượng xúc tác 30

3.1.3 Ảnh hưởng của lưu lượng dòng khí 31

3.2.KHẢNĂNGXỬLÝHCHOTRÊNHỆGIÁNĐOẠN 32

3.2.1 Khả năng xử lý HCHO của hệ gián đoạn khi có xúc tác TiO2 33

3.2.2 Khảo sát ảnh hưởng của khối lượng chất xúc tác đến quá trình chuyển

hóa HCHO 34

3.2.3 Khảo sát sự ảnh hưởng của độ ẩm không khí đến quá trình chuyển hóa HCHO 35

CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 37

4.1.KẾT LUẬN 37

4.2.KIẾN NGHỊ 37

TÀI LIỆU THAM KHẢO 39

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT

EPA Environmental Protect Agency - Cục Bảo Vệ Môi Trường

Ppm parts per million - Một phần triệu

IARC Volatile Organic Compounds - Các hợp chất hữu cơ bay hơiVOCs World Health Organization -Tổ chức Y tế Thế giới

WHO International Agency for Research on Cancer - Cơ quan quốc tế

nghiên cứu về ung thư

DANH MỤC BẢNG

02 Bảng 1.2 Ảnh hưởng của formaldehyde đến sức khỏe theo nồng độ 3

03 Bảng 1.3 Ảnh hưởng của formaldehyde lên con người sau thời gian

04 Bảng 1.4 Khả năng oxy hóa của một số tác nhân oxy hóa 6

14 Bảng 2.10 Các bước tiến hành thí nghiệm 4 27, 28

15

Bảng 3.1 Bảng kết quả trong khảo sát ảnh hưởng của bức xạ đối với

sự chuyển hóa HCHO trên hệ liên tục không xúc tác, lưu lượng

0.4L/ph

30

16 Bảng 3.2 Phần trăm chuyển hóa HCHO trên mô hình liên tục với các

17 Bảng 3.3 Phần trăm chuyển hóa HCHO trên mô hình liên tục tại các

18 Bảng 3.4 Kết quả trong khảo sát ảnh hưởng của bức xạ đèn đối với

nồng độ HCHO trên hệ gián đoạn không xúc tác 33

DANH MỤC HÌNH

02 Hình 1.2 Cấu trúc tinh thể các dạng thù hình của TiO2 5

04 Hình 1.4 Sơ đồ ứng dụng tính chất quang xúc tác của TiO2 9

05 Hình 1.5 Sơ đồ tóm tắt các ứng dụng chính của vật liệu xúc tác TiO2 9

07 Hình 1.7 Mô hình xử lý bằng phương pháp ngưng tụ 12

09 Hình 1.9 Mô hình tháp hấp phụ và cấu trúc vật liệu hấp phụ 14

10 Hình 2.1 Đồ thị đường chuẩn xác định formaldehyde 23

11 Hình 2.2 Mô hình gián đoạn lấy mẫu theo thời gian 24

12 Hình 3.1 Đồ thị thể hiện khả năng chuyển hóa HCHO trong điều kiện

13 Hình 3.2 Đồ thị thể hiện ảnh hưởng của hàm lượng xúc tác đến khả

14 Hình 3.3 Đồ thị thể hiện ảnh hưởng của độ ẩm đến khả năng chuyển

MỞ ĐẦU Hiện nay ô nhiễm không khí đang là một vấn đề bức xúc đối với môi trường đô thị, công nghiệp và các làng nghề ở nước ta hiện nay Ô nhiễm không khí có tác động xấu đến sức khỏe con người đặc biệt là các bệnh về hô hấp Ngoài ra ô nhiễm không khí còn gây ảnh hưởng đến các hệ sinh thái và biến đổi khí hậu (mưa axit, hiệu ứng nhà kính, suy giảm tầng ozon…) Quá trình công nghiệp hóa và đô thị hóa phát triển càng mạnh thì nguồn gây ô nhiễm không khí càng nhiều, hiện nay tình hình phát thải các khí hữu cơ độc hại ở các khu công nghiệp ở nước ta diễn ra ngày càng phức tạp, một trong những khí độc hại cần quan tâm là formaldehyde

Formaldehyde là một hóa chất quan trọng cho nền kinh tế toàn cầu, được sử dụng rộng rãi trong xây dựng, chế biến gỗ, đồ gỗ, dệt may, thảm lót và công nghiệp hóa chất [11] Tổ chức Y tế thế giới đã khẳng định formaldehyde là một tác nhân gây ung thư, ngoài ra nó còn là tác nhân gây bệnh ở mũi, miệng và bệnh bạch cầu

Trong những năm gần đây, vật liệu xúc tác titanium dioxide (TiO2) ngày càng được nghiên cứu và ứng dụng trong nhiều lĩnh vực, đặc biệt là trong lĩnh vực

xử lý các chất ô nhiễm TiO2 là vật liệu xúc tác đơn giản, rẻ tiền, độ bền cao và có khả năng cung cấp gốc OH có tính oxy hóa mạnh và không chọn lọc Hiện nay, các nghiên cứu tập trung nhiều vào tối ưu hóa khả năng xử lý của TiO2 và điều chế các dạng vật liệu xúc tác khác dựa trên TiO2 nhằm tăng hoạt tính cũng như mở rộng khả năng ứng dụng của TiO2, từ đó tìm ra những phương pháp sử dụng TiO2 với quy mô lớn

Với mong muốn đem lại một cái nhìn rõ hơn về vật liệu xúc tác TiO2 trong lĩnh vực xử lý khí thải, đồng thời góp phần giải quyết vấn đề cấp thiết hiện nay là hạn chế phát thải của các chất hữu cơ độc hại trong không khí nói chung và fomaldehyde nói riêng Chúng tôi tiến hành đề tài: “Nghiên cứu và đánh giá khả năng xử lý hơi fomaldehyde bằng hệ quang xúc tác TiO2/UV”

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 TỔNG QUAN VỀ FORMALDEHYDE

1.1.1 Tổng quan về formaldehyde

Formaldehyde là hợp chất hữu cơ có rất nhiều tên gọi khác nhau như formol, methyl aldehyde, methylene oxide, metanal; là aldehyde đơn giản nhất, có công thức hóa học là HCHO Formaldehyde là hợp chất hữu cơ không màu, dễ bay hơi và

có khả năng chuyển sang thể khí ở điều kiện bình thường, không màu, mùi cay xốc, khó ngửi, tan nhiều trong nước, là aldehyde có khả năng hoạt động mạnh nhất Các

đặc trưng của formaldehyde được nêu trong bảng 1.1

Hình 1.1 Cấu tạo phân tử của formaldehyde

Khối lượng phân tử 30.03 g.mol-1

Hệ số chuyển đổi 0.1 ppm = 124.8µg/m3

(293 K, 1013 mbar)

Bảng 1.1 Đặc trưng của formaldehyde

Trong tự nhiên, formaldehyde có sẵn trong gỗ, táo, cà chua, khói động cơ, khói thuốc lá, khói đốt gỗ, dầu và khí hóa lỏng (gaz) Formaldehyde còn hiện diện

trong các sản phẩm đã qua chế biến như sơn và dầu bóng, gỗ ép, keo, vải, chất chống cháy, và các chất bảo quản Ngoài ra còn các nguồn phát thải formaldehyde tiềm tàng khác như vật dụng điện tử, giấy, vải nhuộm, mực in, mỹ phẩm…[16] Formaldehyde là một trong những hóa chất công nghiệp cơ bản, rất độc nhưng lại rất thông dụng

Nhu cầu sử dụng formaldehyde ngày càng tăng cùng với sự tăng trưởng của nền kinh tế Formaldehyde được dùng rộng rãi trong các ngành công nghiệp dệt, nhựa, chất dẻo (chiếm tới một nửa tổng số formaldehyde tiêu thụ), trong giấy, sơn, xây dựng, mỹ phẩm, thuốc nhuộm tóc, keo dán, thuốc nổ, các sản phẩm làm sạch, trong thuốc và sản phẩm nha, giấy than, mực máy photocopy làm chất khử trùng trong nông nghiệp và thủy sản.[18]

Formaldehyde có tính sát trùng cao nên trong y học sử dụng để diệt vi khuẩn, sát trùng và là dung môi để bảo vệ các mẫu thí nghiệm, các cơ quan trong cơ thể con người, ướp xác Formaldehyde dễ dàng kết hợp với các protein (thường là thành phần các loại thực phẩm) tạo thành những hợp chất bền, không thối rữa, không ôi thiu, nhưng rất khó tiêu hóa Chính tính chất này đã bị lợi dụng để kéo dài thời gian bảo quản của các thực phẩm như bánh phở, hủ tiếu, bún, bánh ướt và cả trong bia để chống cặn vì giá thành thấp

Tiếp xúc nhiều với formaldehyde gây kích thích mắt, mũi, họng và da Formaldehyde có thể gây ra phản ứng dị ứng da (viêm da) và phổi (hen suyễn) formaldehyde còn có thể gây ung thư ở người [7]

1.1.2 Độc tính của formaldehyde

Những hiệu ứng tích lũy của môi trường xung quanh, khu dân cư, nghề nghiệp, và thực phẩm tiếp xúc với formaldehyde đã dấn đến những tác động xấu đến sức khỏe con người Tiếp xúc với formaldehyde ở nồng độ cao có thể gây ra ngộ độc cấp tính, ngoài ra tiếp xúc lâu dài với formaldehyde có thể dẫn đến nhiễm độc mãn tính gây hại đến hệ thần kinh, tổn thương chức năng gan, và khả năng gây ung thư cao

Bảng 1.2 Ảnh hưởng của formaldehyde đến sức khỏe theo nồng độ

Nồng độ của formaldehyde Các ảnh hưởng đến sức khỏe Thấp – dưới 50µg/m3 (40ppb) Không có ảnh hưởng đáng kể Trung bình – trên 50µg/m3 (40 ppb) Tiếp xúc trong thời gian dài có thể gây

viêm đường hô hấp như ho và thở khò khè, dị ứng mạnh, đặc biệt là đối với trẻ

em

Cao – trên 123 µg/m3 (100 ppb) Gây cảm giác nóng rát mạnh trong mắt,

mũi, cổ họng trong thời gian tiếp xúc ngắn Tiếp xúc lâu dài có thể dẫn đến gia tăng các triệu chứng hô hấp, có khả năng gây tử vong

(Environmental and Workplace Health – Health Canada)

Kích thích màng nhầy cấp tính là tác dụng phụ phổ biến nhất của ngộ độc formaldehyde, thường dẫn đến khô da, viêm da, rách mắt, hắt hơi vò ho Nghiêm trọng hơn còn dẫn đến viêm kết mạc mắt, bệnh mũi và yết hầu, thậm chí có thể gây

co thắt thanh quản và phù phổi

Tiếp xúc với formaldehyde trong thời gian dài gây kích thích hô hấp, kích thích mắt và thoái hóa, gây viêm và thay đổi niêm mạc mũi ở người Ngoài ra còn

có thể gây ra các triệu chứng suy nhược thần kinh như nhức đầu, chóng mặt, rối loạn giấc ngủ và mất trí nhớ

Bảng 1.3 Ảnh hưởng của formaldehyde lên con người sau thời gian tiếp

xúc ngắn [9]

Ảnh hưởng Nồng độ đặc trưng

(mg/m3)

Khoảng nồng độ (mg/m3)

Dựa trên nghiên cứu toàn diện trên con người với quy mô lớn, Cơ quan Quốc

tế Nghiên cứu Ung thư (IARC) phân loại formaldehyde như một chất gây ung thư như ung thư mũi họng…(IARC, 2006)

1.2.1 Tổng quan về chất bán dẫn TiO2

Chất bán dẫn là vật liệu trung gian giữa chất dẫn điện và chất cách điện Chất bán dẫn hoạt động như một chất cách điện ở nhiệt độ thấp và có tính dẫn điện ở nhiệt độ phòng Gọi là “bán dẫn” có nghĩa là có thể dẫn điện ở một điều kiện nào

đó, hoặc ở một điều kiện khác sẽ không dẫn điện Hiện nay, chất bán dẫn điển hình

và sử dụng phổ biến nhất cho quá trình quang xúc tác là TiO2

1.2.1.1 Tính chất vật lý

TiO2 là chất bột màu trắng tuyết, có trọng lượng riêng từ 4,13 – 4,25 g/cm3; nóng chảy ở nhiệt độ cao gần 1.8000C TiO2 không tan trong nước, không tan trong các acid như acid sulfuric và acid chlorhidric, ngay cả khi đun nóng TiO2 là hợp chất phổ biến nhất của Titan, với số oxy hóa +4 Mặc dù Titan là kim loại khá hiếm, nhưng TiO2 lại rẻ, không độc, có sẵn nhiều, được dùng rộng rãi trong công nghiệp (thuốc nhuộm trắng trong sơn, men, sơn mài, nhựa và xi măng xây dựng…) Bột TiO2 là chất trơ về mặt hóa học, chống mờ trước ánh sáng mặt trời, chắn sáng tốt TiO2 có độ khúc xạ cao và độ tán sắc lớn hơn kim cương TiO2 có ba dạng tinh thể: Rutile, Anatase và Brookite Trong đó anatase và rutile là dạng phổ biến hơn cả Khả năng quang xúc tác tồn tại nhiều ở dạng anatase và rutile.[6] [2]

Hình 1.2 Cấu trúc tinh thể các dạng thù hình của TiO 2

1.2.1.2 Tính chất hóa học

TiO2 bền về mặt hóa học (nhất là dạng đã nung), không phản ứng với nước, dung dịch vô cơ loãng, kiềm, ammoniac, các acid hữu cơ [5]

TiO2 tan chậm trong cách dung dịch kiềm nóng chảy tạo ra các muối titanat

TiO2 + 2NaOH  Na2TiO3 + H2O (2.1) TiO2 tan rõ rệt trong borac và trong photphat nóng chảy TiO2 tác dụng được với acid HF hoặc kali bisunfat nóng chảy

TiO2 6HF H2[TiF6] 2H2O (2.2) TiO2 2K2S2O7 Ti(SO4)2 2K2SO4 (2.3)

Ở nhiệt độ cao TiO2 có thể phản ứng với cacbonat và oxit kim loại để tạo thành muối titanat

TiO2 MCO3 (MTi)O3 CO2 (2.4) (M là Ca, Mg, Ba, Sr)

TiO2 dễ bị hydro, carbon monoxit và titan kim loại khử về các oxit thấp hơn.[3]

* Đặc trưng của quá trình phân hủy oxy hóa bằng gốc tự do hydroxyl

Gốc hydroxyl (OH) và khả năng oxy hóa của gốc hydroxyl

Oxy hóa là quá trình trong đó electron được chuyển từ một chất này sang một chất khác Điều này tạo ra một hiệu thế được biểu thị bằng volt (V) dựa trên hiệu điện thế cực hydro bằng 0 Mỗi chất (tác nhân) oxy hóa đều có một thế oxy hóa

800÷11000

khác nhau và đại lượng này được dùng để so sánh khả năng oxy hóa mạnh hay yếu của chúng

Khả năng oxy hóa của các tác nhân oxy hóa được thể hiện quá thế oxy hóa và

được sắp xếp theo các thứ tự trình bày trong bảng 1.4 dưới đây:

Bảng 1.4 Khả năng oxy hóa của một số tác nhân oxy hóa

Tác nhân oxy hóa Thế oxy hóa, V

(Zhou, H and Smith, D.H., 2001)

Nhiều tác nhân oxy hóa mạnh đều là các “gốc tự do”, trong số đó gốc hydroxyl OH là tác nhân oxy hóa mạnh nhất Thế oxy hóa của gốc hydroxyl OH là 2,8 eV, cao nhất trong số các tác nhân oxy hóa thường gặp Nếu so với clo, thế oxy hóa của gốc hydroxyl OH cao gấp 2,05 lần và so với ozone thế oxy hóa của gốc hydroxyl cao gấp 1,52 lần

Đặc tính của gốc tự do là trung hòa về điện trong khi các ion đều mang điện tích dương hoặc âm Gốc tự do được tạo thành từ sự tách ra hai phần bằng nhau của liên kết hai electron, ví dụ như khi quang phân H2O2 sẽ thu được hai gốc OH như sau:

HO: OH + hν  HO + OH Mỗi gốc OH đều không mang điện, hai gốc HO có thể kết hợp trở lại thành HOOH, cũng không mang điện Kí hiệu  cho biết là gốc tự do và biểu thị một electron lẻ đôi Gốc tự do này không tồn tại có sẵn như những tác nhân oxy hóa thông thường, mà chỉ được sản sinh ngay trong quá trình phản ứng, có thời gian sống rất ngắn, khoảng vài phần nghìn giây nhưng liên tục được sinh ra trong suốt quá trình phản ứng

* Tính xúc tác quang của vật liệu TiO2

Titanium dioxide có thể được dùng làm chất mang xúc tác hoặc một chất xúc tác và quan trọng là một xúc tác quang Nó có khả năng tương tác với pha mang như một chất hoạt hóa bổ [10]

Dưới tác dụng của một photon có năng lượng ≈ 3,2eV tương ứng với ánh sáng có bước sóng khoảng 387,5 nm (chính là dải bước sóng của UV-A) sẽ xảy ra quá trình như sau:

e-CB + O2 O2- (ion superoxyde) (2.7) 2O2

+ 2H2O  H2O2 + 2OH- + O2 (2.8)

H2O2 + e-CB OH + OH- (2.9) Ion OH- lại có thể tác dụng với h+VB trên vùng hóa trị tạo ra thêm gốc OH theo phương trình (2.6)

Mặt khác, các e-CB có xu hướng tái kết hợp với các h+VB kèm theo giải phóng nhiệt hoặc ánh sáng

e-CB+ h+VB nhiệt, ánh sáng

Cơ chế xúc tác quang của TiO2 được biểu diễn thông qua hình 2

Hình 1.3 Cơ chế xúc tác quang của TiO 2 [1]

1.2.2 Ứng dụng của TiO2

Những nghiên cứu khoa học về vật liệu nano TiO2 với vai trò là một chất xúc tác quang đã được bắt đầu hơn ba thập kỷ nay từ một phát minh của hai nhà khoa học người Nhật, Fujishima và Honda vào năm 1972 trong việc phân hủy nước bằng phương pháp điện hóa quang với chất xúc tác TiO2 Sau khi phát minh này được công bố trên tạp chí khoa học danh tiếng Nature, hàng loạt những công trình khoa học về việc sử dụng chất xúc tác quang trong việc phân hủy nước tạo khí hydro và

xử lý ô nhiễm môi trường đã được công bố Hiện nay những lĩnh vực nghiên cứu và ứng dụng chính của vật liệu TiO2 với vai trò là một chất xúc tác quang có thể kể đến là: quá trình tự làm sạch, diệt khuẩn, virus và nấm mốc, khử mùi độc hại để làm sạch không khí, xử lý nước nhiễm bẩn, chống tạo sương mù trên lớp kính và tiêu diệt những tế bào ung thư Nhật Bản, Hàn Quốc, các nước EU, Mỹ đã tiến hành thương mại hóa TiO2 và các sản phẩm ứng dụng của TiO2 từ lâu Những sản phẩm ứng dụng vật liệu nano TiO2 ở dạng lớp phim mỏng (thin film) được phủ trên các chất mang đã được thương mại hóa hiện nay là: tấm kính xây dựng tự làm sạch và chống sương mù, đèn chiếu sáng công cộng tự làm sạch, gạch ceramic lót nền tự làm sạch, phòng kín được phủ lớp phim mỏng TiO2 có khả năng diệt khuẩn cao, các tấm bạt bằng nhựa tự làm sạch…

Hình 1.4 Sơ đồ ứng dụng tính chất quang xúc tác của TiO 2

TiO2 với tính chất quang xúc tác được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau của đời sống như công nghiệp, y tế, môi trường và các nghiên cứu trong phòng thí nghiệm, các ứng dụng được tóm tắt như hình 1.5

Hình 1.5 Sơ đồ tóm tắt các ứng dụng chính của vật liệu xúc tác TiO 2

1.2.3 Nguồn ánh sáng UV

 Nguồn ánh sáng UV nhân tạo

Thường sử dụng nguồn UV của ánh sáng đèn huỳnh quang vì hiệu quả

chuyển điện năng thành photon cao và hiệu quả hơn so với sử dụng đèn hồ huỳnh quang vì có chứa hơi thủy ngân được kích hoạt bằng điện Và loại đèn này, khi bên trong thành ống không tráng lớp phospho thì đèn có tác dụng khử trùng vì có bước sóng 254nm (UV-C), ngược lại khi có tráng lớp phospho nguồn UV phát ra có bước sóng 365 ± 20nm – là nguồn UV sử dụng cho quá trình quang xúc tác Tùy theo chất xúc tác TiO2 ở dạng nào sẽ cần thiết bị tạo nguồn ánh sáng UV với cấu tạo

thích hợp

 Nguồn ánh sáng UV thiên nhiên

Mặt trời là nguồn cung cấp bức xạ UV-A bất tận, an toàn, rẻ tiền cho quá trình quang xúc tác TiO2 Tuy nhiên, năng lượng bức xạ từ nguồn UV tự nhiên thay đổi theo mùa, theo ngày giờ và cả thời tiết mây mưa nên cần chú ý để cung cấp đủ bức xạ UV cho quá trình quang xúc tác

Quá trình quang xúc tác trên TiO2 là một phản ứng dây chuyền, được khơi mào bằng sự tạo thành các cặp e-/h+ do sự kích hoạt TiO2 bằng nguồn UV – A, dẫn đến sự tạo thành gốc tự do •OH và khởi đầu cho các phản ứng oxy hóa khử các chất hữu cơ Động học quá trình quang xúc tác trên TiO2 đối với một đối tượng xử lý cụ thể phụ thuộc vào các thông số vận hành của quá trình như: pH, nồng độ chất ô nhiễm, hàm lượng xúc tác, cường độ bức xạ…

Tuy nhiên, yếu tố có tính chất quyết định nhất đến hiệu quả của quá trình quang hóa xúc tác là hoạt tính quang hóa của vật liệu xúc tác được sử dụng hay nói chính xác là phụ thuộc vào tính chất hóa lý của vật liệu xúc tác TiO2 Đặc biệt ta thấy quá trình quang xúc tác TiO2 mở ra một triển vọng là sử dụng ánh sáng mặt trời – nguồn vô tận, thân thiện với môi trường cho quá trình xử lý nước thải nhiễm bẩn

1.3 CÁC PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ FORMALDEHYDE

1.3.1 Các phương pháp xử lý formaldehyde hiện nay

 Phương pháp đốt

Phương pháp đốt thường được sử dụng để xử lý các hợp chất hữu cơ bay hơi (VOCs) nói riêng và nhiều chất khí khác từ các quá trình sản xuất như sơn, in ấn, công nghiệp dược phẩm…

Hình 1.6 Mô hình lò oxy hóa nhiệt

Phương pháp thiêu đốt nhiệt nói riêng và phương pháp thiêu đốt nói chung

có khả năng xử lý các dòng khí thải chứa VOCs với bất kì nồng độ và loại khí nào với hiệu suất khá cao Tuy nhiên phương pháp này có nhược điểm là chi phí lắp đặt khá cao, chỉ thích hợp để xử lý những dòng khí thải liên tục bởi vì các hệ thống lò đốt được vận hành ở nhiệt độ rất cao, nên việc xử lý gián đoạn sẽ làm tổn thất nhiệt lượng của lò, và hao tổn một lượng lớn nhiên liệu để duy nhiệt độ trong buồng đốt

 Phương pháp ngưng tụ

Nguyên tắc của phương pháp là dựa trên sự hạ thấp nhiệt độ môi trường xuống một giá trị nhất định, các chất thể hơi sẽ ngưng tụ lại và sau đó được thu hồi hoặc xử lý tiêu hủy

Hình 1.7 Mô hình xử lý bằng phương pháp ngưng tụ

Phương pháp ngưng tụ thường được dùng để xử lý các dòng khí thải chứa dung môi hữu cơ, hơi acid Song phương pháp này chỉ phù hợp với những trường hợp khí thải có nồng độ tương đối cao (10000 – 20000 ppmv) [13] Trong trường hợp khí thải có nồng độ nhỏ, người ta thường dung các phương pháp hấp phụ hay hấp thụ

Hình 1.8 Mô hình tháp hấp thụ

Phương pháp hấp thụ thường được dung để xử lý các dóng khí thải có tải lượng nhỏ (200 – 300 ppmv) [15] và có khả năng thu hồi Ưu điểm của phương pháp này là tùy vào tính chất của từng loại dòng khí mà ta có thể lựa chọn chất hấp thụ phù hợp Do đó phương pháp hấp thụ thường được sử dụng để xử lý những loại khí có tính acid, baz mạnh…

Tuy nhiên trong một số trường hợp, dung dịch sau khi hấp thụ không có khả năng hoàn nguyên khí thải ban đầu, dẫn đến việc xử lý chất ô nhiễm chỉ là chuyển chất ô nhiễm từ dạng này sang dạng khác

Hình 1.9 Mô hình tháp hấp phụ và cấu trúc vật liệu hấp phụ

Phương pháp hấp phụ có khả năng làm sạch cao, công nghệ dễ vận hành, sửa chữa Chất hấp phụ sau khi sử dụng đều có thể tái sinh; điều này làm hạ giá thành

xử lý và đây cũng là ưu điểm lớn nhất của phương pháp này

Bên cạnh đó phương pháp này cũng có nhiều hạn chế:

- Không áp dụng được đối với những dòng khí thải có tải lượng cao Quá trình

xử lý thường phải áp dụng theo phương pháp gián đoạn

- Hơi nước là một trong những nhân tố ảnh hưởng rất lớn đối với hiệu quả của phương pháp hấp phụ Do hơi nước rất dễ bị hấp phụ vào các vật liệu lọc khí

do đó sẽ hình thành một lớp màng nước trên bề mặt vật liệu lọc làm ảnh hưởng đến hiệu suất hấp phụ Do đó, đối với những dòng khí thải chứa nhiều hơi nước, trước khi vào hệ thống thường bố trí thiết bị tách hơi nước

- Nhiệt độ cũng là yếu tố ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu quả hấp phụ, cụ thể đối với những dòng khí có nhiệt độ cao hơn 1000F ( 380C) sẽ làm giảm hiệu suất xử lý

Tóm lại mỗi phương pháp đều có ưu nhược điểm riêng, do vậy khi tiến hành xử

lý một dòng khí thải ta cần phải lưu ý đến các yếu tố như tải lượng và tính chất của dòng khí thải đó, cũng như mục đích của việc xử lý, từ đó chọn ra phương pháp xử

lý hiệu quả nhất mà vẫn đảm bảo về mặt chi phí và năng lượng

1.3.2 Các phương pháp xác định formaldehyde

Để xác định nồng độ formaldehyde ta có các phương pháp sau [8]

 Phương pháp sắc ký

Trong phương pháp sắc kí có phương pháp sử dụng đầu dò GC/HID để xác định nồng độ formaldehyde, nó có khoảng phân tích rộng ppb – ppm Ngoài ra còn

có phương pháp 2,4-dinitrophenylhydrazine tạo dẫn xuất vớiformaldehyde trong môi trường acid, xác định bằng phương pháp HPLC/UV (360 nm) hoặc đầu dò GC – ECD/MS/FID, có giới hạn phát hiện khoảng 0.2 ppm [12]

 Phương pháp trắc quang

 Phương pháp trắc quang acid chromotropic

Formaldehyde tạo dẫn xuất với acid chromotropic (4,5- disulphonic acid) trong môi trường acid sulphuric để tạo thành hợp chất có màu tím Đo độ hấp thu quang ở bước sóng 580 nm

 Phương pháp parasoaniline

Formaldehyde được hấp thu trong dung dịch Na2SO3, sau đó thêm sodiumtetrachloromercurate Na2[HgCl4] và pararosoniline để tạo dẫn xuất có màu tía, sau 15 phút đo độ hấp thu quang ở bước sóng 560 nm

 Phương pháp thuốc thử Purpald

Thuốc thử Purpald: 4-amino-3-hydrazino-5-mercapto-1,2,3-triazole Các chất này phản ứng với cả aldehyde và ketone nhưng chỉ có aldehyde là phản ứng để tạo hợp chất hai vòng, hấp thu ở bước sóng 532 nm và 549 nm

CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM

2.1 MỤC TIÊU THỰC NGHIỆM

Tiến hành xây dựng, lắp đặt 1 mô hình hệ thống phản ứng

Chọn lựa những điều kiện ưu đãi nhất cho quá trình quang xúc tác của TiO2

để chuyển hóa formaldehyde

2.2 PHƯƠNG PHÁP TIẾN HÀNH THỰC NGHIỆM

Để tiến hành quá trình quang xúc tác TiO2 để oxy hóa HCHO, có thể lựa chọn một trong các phương pháp xây dựng mô hình sau:

- Hệ liên tục: tác chất và xúc tác được đưa vào liên tục, cho ra liên tục hỗn hợp sản phẩm và xúc tác Hệ này có ưu điểm là hiệu quả xử lý cao, thể hiện được tính thực tế và ứng dụng cao của mô hình, tuy nhiên nhược điểm là sẽ rất khó kiểm soát và điều chỉnh các yếu tố gây ảnh hưởng, hỗn hợp đi ra sau hệ thống cần phải qua quá trình lọc để tái sử dụng hoặc loại bỏ xúc tác

- Hệ liên tục với xúc tác cố định: đây là dạng hệ phản ứng được sử dụng nhiều nhất trong các nghiên cứu và thí nghiệm về xúc tác dị thể

- Hệ gián đoạn: tác chất và xúc tác được đưa vào hệ thống, tác chất được giữ

cố định trong hệ, sau thời gian lưu thích hợp sản phẩm được lấy ra và xác định hiệu suất xử lý của hệ thống qua tỷ lệ tác chất còn lại trong hệ thống Dạng hệ này ổn định và đơn giản hơn hệ liên tục nhưng cũng có nhược điểm

về tính ứng dụng và hiệu suất

2.3 BỐ TRÍ THÍ NGHIỆM

Sau khi xác định được các phương pháp sẽ tiến hành, đối với mỗi phương pháp, các điều kiện sau đây cần được đảm bảo:

- Hệ thống phải kín vì formaldehyde là chất khí rất dễ khuếch tán và rò rỉ

- Xúc tác phải được bố trí sao cho sự tiếp xúc giữa pha rắn và pha khí được thuận lợi nhất, tận dụng tối đa diện tích bề mặt của xúc tác

- Xúc tác phải gặp được bức xạ UV đủ để quá trình quang hóa diễn ra tốt

- Xúc tác phải đạt được quá trình hấp phụ formaldehyde sau đó giải hấp tốt

- Formaldehyde phải được khuếch tán đều trong toàn bộ reactor, các quá trình khuếch tán đến xúc tác và đi được thuận lợi