NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG XỬ LÝ HƠI HCHO BẰNG HỆ XÚC TÁC QUANG HÓA TiO2

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SÀI GÒN KHOA KHOA HỌC MÔI TRƯỜNG BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP CƠ SỞ NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG XỬ LÝ HƠI HCHO BẰNG HỆ XÚC TÁC QUANG HÓA TiO2 Mã số: CS2013-32 Xác nhận khoa/bộ môn quản lí chuyên môn Chủ nhiệm đề tài (ký, họ tên) (ký, họ tên) ThS Nguyễn Thị Hoa TP Hồ Chí Minh, tháng 10/2014 Tóm tắt TÓM TẮT Tình hình phát thải khí hữu độc hại khu công nghiệp nước ta ngày phức tạp, khí độc hại cần quan tâm formaldehyde Trong nghiên cứu này, thiết kế mô hình thí nghiệm phương pháp quang xúc tác TiO2/UV, từ đánh giá khả xử lý formaldehyde vật liệu xúc tác TiO tác dụng tia UV Khả chuyển hóa HCHO hệ liên tục với xúc tác cố định (continuous fixed bed reactor) cho hiệu suất thấp yếu tố hạn chế thời gian lưu formaldehyde bề mặt xúc tác Khả chuyển hóa formaldehyde hệ gián đoạn với xúc tác cố định (continuous fixed bed reactor) cho hiệu suất cao đạt đến 90% sau xử lý, cho thấy tiềm ứng dụng loại vật liệu tương lai Các khảo sát ảnh hưởng hàm lượng xúc tác, nồng độ chất ô nhiễm, độ ẩm, lưu lượng dòng khí, lên hiệu suất trình nghiên cứu đề tài Từ khóa: TiO2, formaldehyde, xúc tác quang hóa i Tóm tắt 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 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 ii Mục lục 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 TỔNG QUAN VỀ FORMALDEHYDE 1.1.1 Tổng quan formaldehyde 1.1.2 Độc tính formaldehyde 1.2 TỔNG QUAN VỀ QUÁ TRÌNH QUANG XÚC TÁC TIO2 1.2.1 Tổng quan chất bán dẫn TiO2 1.2.1.1 Tính chất vật lý 1.2.1.2 Tính chất hóa học 1.2.2 Ứng dụng TiO2 1.2.3 Nguồn ánh sáng UV 10 1.3 CÁC PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ FORMALDEHYDE 10 1.3.1 Các phương pháp xử lý formaldehyde 10 1.3.2 Các phương pháp xác định formaldehyde 14 CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM 16 2.1 MỤC TIÊU THỰC NGHIỆM 16 2.2 PHƯƠNG PHÁP TIẾN HÀNH THỰC NGHIỆM 16 2.3 BỐ TRÍ THÍ NGHIỆM 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 CÁC KHẢO SÁT KHÁC 28 2.4.1 Khảo sát tính ổn định hệ thống 28 2.4.2 Khảo sát điều kiện ảnh hưởng 28 CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 30 3.1 KHẢ NĂNG XỬ LÝ HCHO TRÊN HỆ LIÊN TỤC 30 3.1.1 Ảnh hưởng xạ đến khả chuyển hóa HCHO 30 3.1.2 Ảnh hưởng khối lượng xúc tác 30 3.1.3 Ảnh hưởng lưu lượng dòng khí 31 3.2 KHẢ NĂNG XỬ LÝ HCHO TRÊN HỆ GIÁN ĐOẠN 32 3.2.1 Khả xử lý HCHO hệ gián đoạn có xúc tác TiO2 33 iii Mục lục 3.2.2 Khảo sát ảnh hưởng khối lượng chất xúc tác đến trình chuyển hóa HCHO 34 3.2.3 Khảo sát ảnh hưởng độ ẩm không khí đến 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 iv Danh mục chữ viết tắt 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 bay VOCs World Health Organization -Tổ chức Y tế Thế giới WHO International Agency for Research on Cancer - Cơ quan quốc tế nghiên cứu ung thư v Danh mục bảng DANH MỤC BẢNG TT Tên bảng Trang 01 Bảng 1.1 Đặc trưng formaldehyde 02 Bảng 1.2 Ảnh hưởng formaldehyde đến sức khỏe theo nồng độ 04 Bảng 1.3 Ảnh hưởng formaldehyde lên người sau thời gian tiếp xúc ngắn Bảng 1.4 Khả oxy hóa số tác nhân oxy hóa 05 Bảng 2.1 Các bước tiến hành thí nghiệm 19 06 Bảng 2.2 Các bước tiến hành thí nghiệm 19 07 Bảng 2.3 Các bước tiến hành thí nghiệm 20 08 Bảng 2.4 Các bước tiến hành thí nghiệm 21 09 Bảng 2.5 Kết chuẩn độ 22 10 Bảng 2.6 Các bước dựng dãy chuẩn 22 11 Bảng 2.7 Các bước tiến hành thí nghiệm 24 12 Bảng 2.8 Các bước tiến hành thí nghiệm 26 13 Bảng 2.9 Các bước tiến hành thí nghiệm 27 14 Bảng 2.10 Các bước tiến hành thí nghiệm 27, 28 03 15 16 17 18 Bảng 3.1 Bảng kết khảo sát ảnh hưởng xạ chuyển hóa HCHO hệ liên tục không xúc tác, lưu lượng 0.4L/ph Bảng 3.2 Phần trăm chuyển hóa HCHO mô hình liên tục với hàm lượng TiO2 khác Bảng 3.3 Phần trăm chuyển hóa HCHO mô hình liên tục lưu lượng khác Bảng 3.4 Kết khảo sát ảnh hưởng xạ đèn nồng độ HCHO hệ gián đoạn không xúc tác 3, 30 31 32 33 vi Danh mục hình DANH MỤC HÌNH TT Tên hình Trang 01 Hình 1.1 Cấu tạo phân tử formaldehyde 02 Hình 1.2 Cấu trúc tinh thể dạng thù hình TiO2 03 Hình 1.3 Cơ chế xúc tác quang TiO2 04 Hình 1.4 Sơ đồ ứng dụng tính chất quang xúc tác TiO2 05 Hình 1.5 Sơ đồ tóm tắt ứng dụng vật liệu xúc tác TiO2 06 Hình 1.6 Mô hình lò oxy hóa nhiệt 11 07 08 Hình 1.7 Mô hình xử lý phương pháp ngưng tụ Hình 1.8 Mô hình tháp hấp thụ 12 13 09 Hình 1.9 Mô hình tháp hấp phụ 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 13 14 Hình 3.1 Đồ thị thể khả chuyển hóa HCHO điều kiện có xúc tác xạ Hình 3.2 Đồ thị thể ảnh hưởng hàm lượng xúc tác đến khả chuyển hóa HCHO Hình 3.3 Đồ thị thể ảnh hưởng độ ẩm đến khả chuyển hóa HCHO 33 34 35 vii Phần mở đầu MỞ ĐẦU Hiện ô nhiễm không khí vấn đề xúc môi trường đô thị, công nghiệp làng nghề nước ta Ô nhiễm không khí có tác động xấu đến sức khỏe người đặc biệt bệnh hô hấp Ngoài ô nhiễm không khí gây ảnh hưởng đến hệ sinh thái biến đổi khí hậu (mưa axit, hiệu ứng nhà kính, suy giảm tầng ozon…) Quá trình công nghiệp hóa đô thị hóa phát triển mạnh nguồn gây ô nhiễm không khí nhiều, tình hình phát thải khí hữu độc hại khu công nghiệp nước ta diễn ngày phức tạp, khí độc hại cần quan tâm formaldehyde Formaldehyde hóa chất quan trọng cho kinh tế toàn cầu, sử dụng rộng rãi xây dựng, chế biến gỗ, đồ gỗ, dệt may, thảm lót công nghiệp hóa chất [11] Tổ chức Y tế giới khẳng định formaldehyde tác nhân gây ung thư, tác nhân gây bệnh mũi, miệng bệnh bạch cầu Trong năm gần đây, vật liệu xúc tác titanium dioxide (TiO2) ngày nghiên cứu ứng dụng nhiều lĩnh vực, đặc biệt lĩnh vực xử lý chất ô nhiễm TiO2 vật liệu xúc tác đơn giản, rẻ tiền, độ bền cao có khả cung cấp gốc OH có tính oxy hóa mạnh không chọn lọc Hiện nay, nghiên cứu tập trung nhiều vào tối ưu hóa khả xử lý TiO2 điều chế dạng vật liệu xúc tác khác dựa TiO2 nhằm tăng hoạt tính mở rộng khả ứng dụng TiO2, từ tìm phương pháp sử dụng TiO2 với quy mô lớn Với mong muốn đem lại nhìn rõ vật liệu xúc tác TiO2 lĩnh vực xử lý khí thải, đồng thời góp phần giải vấn đề cấp thiết hạn chế phát thải chất hữu độc hại không khí nói chung fomaldehyde nói riêng Chúng tiến hành đề tài: “Nghiên cứu đánh giá khả xử lý fomaldehyde hệ quang xúc tác TiO2/UV” x Chương 1: Tổng quan CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 TỔNG QUAN VỀ FORMALDEHYDE 1.1.1 Tổng quan formaldehyde Formaldehyde hợp chất hữu có nhiều tên gọi khác formol, methyl aldehyde, methylene oxide, metanal; aldehyde đơn giản nhất, có công thức hóa học HCHO Formaldehyde hợp chất hữu không màu, dễ bay có khả chuyển sang thể khí điều kiện bình thường, không màu, mùi cay xốc, khó ngửi, tan nhiều nước, aldehyde có khả hoạt động mạnh Các đặc trưng formaldehyde nêu bảng 1.1 Hình 1.1 Cấu tạo phân tử formaldehyde Công thức phân tử HCHO Khối lượng phân tử 30.03 g.mol-1 Độ tan nước 400g/dm3 Nhiệt độ nóng chảy -920C Ngưỡng phát mùi 0.1 mg/m3 Hệ số chuyển đổi 0.1 ppm = 124.8µg/m3 (293 K, 1013 mbar) Bảng 1.1 Đặc trưng formaldehyde Trong tự nhiên, formaldehyde có sẵn gỗ, táo, cà chua, khói động cơ, khói thuốc lá, khói đốt gỗ, dầu khí hóa lỏng (gaz) Formaldehyde diện Chương 2: Thực nghiệm Thí nghiệm tiến hành nhiệt độ phòng với khối lượng xúc tác TiO2 g Các bước tiến hành thí nghiệm trình bày bảng sau Bảng 2.8 Các bước tiến hành thí nghiệm STT Tên công việc Chuẩn bị hóa chất, kiểm tra valve chỉnh lưu lượng, kiểm tra bơm Dán kín mô hình xúc tác Thổi không khí vào vòng 15 phút, mở đầu ống xả Lắp erlen chứa HCHO vào mô hình, mở bơm, thổi HCHO vào vòng Đầu ống xả đóng Ghi nhận thời gian Bắt đầu T1 Kết thúc Công việc phụ T1+60 Sau từ T1, ngừng bơm thổi Lấy erlen Đóng ống vào Mở đầu xả, lắp impinger hút ẩm vào sau đầu xả Khi rút xong, đóng đầu xả lại Mở đèn Tiến hành Tiến hành rút mẫu lần chuẩn bị mẫu rút lần 15 phút bơm T2 T2+15 mẫu trắng Rửa impinger, hút Ghi nhận thời gian tráng nước cất, chuẩn bị tiếp (b) cho rút mẫu lần Các bước 5, 6, 7, 8, tương tự thí nghiệm Lưu ý tắt đèn sau rút 5,6,7,8,9 mẫu lần (e) Thí nghiệm 3: Độ hấp phụ mô hình có xúc tác (Thí nghiệm có xúc tác, không đèn) Thí nghiệm tiến hành nhiệt độ phòng với khối lượng xúc tác TiO2 g Các bước tiến hành thí nghiệm trình bày bảng sau 26 Chương 2: Thực nghiệm Bảng 2.9 Các bước tiến hành thí nghiệm STT Tên công việc Chuẩn bị hóa chất, kiểm tra valve chỉnh lưu lượng, kiểm tra bơm Tráng phủ bề mặt phẳng mô hình xúc tác Dán kín mô hình xúc tác Thổi không khí vào vòng 15 phút, mở đầu ống xả Lắp erlen chứa HCHO vào mô hình, mở bơm, thổi HCHO vào vòng Đầu ống xả đóng Ghi nhận thời gian Tiến hành rút mẫu lần 15 phút bơm hút Ghi nhận thời gian Bắt đầu T1 T2 Kết thúc Công việc phụ T1+60 Sau từ T1, ngừng bơm thổi Lấy erlen Đóng ống vào Mở đầu xả, lắp impinger hút ẩm vào sau đầu xả T2+15 Khi rút xong, đóng đầu xả lại Tiến hành chuẩn bị mẫu rút lần mẫu trắng Rửa impinger, tráng nước cất, chuẩn bị tiếp (b) cho rút mẫu lần 5,6,7,8,9 Các bước 5, 6, 7, 8, tương tự thí nghiệm (f) Thí nghiệm 4: Hoạt tính TiO2 phản ứng quang hóa xử lý HCHO (Thí nghiệm có đèn, có xúc tác) Thí nghiệm tiến hành nhiệt độ phòng với khối lượng xúc tác TiO2 g Các bước tiến hành thí nghiệm trình bày bảng sau Bảng 2.10 Các bước tiến hành thí nghiệm STT Tên công việc Chuẩn bị hóa chất, kiểm tra valve chỉnh lưu lượng, kiểm tra bơm Dán kín mô hình có xúc tác có sẵn từ thí nghiệm Bắt đầu Kết thúc Công việc phụ 27 Chương 2: Thực nghiệm Thổi không khí vào vòng 15 phút, mở đầu ống xả Lắp erlen chứa HCHO vào mô hình, mở bơm, thổi HCHO vào vòng Đầu ống xả đóng Ghi nhận thời gian T1 T1+60 Sau từ T1, ngừng bơm thổi Lấy erlen Đóng ống vào Mở đầu xả, lắp impinger hút ẩm vào sau đầu xả Khi rút xong, đóng đầu xả lại Mở đèn Tiến Tiến hành rút mẫu lần hành chuẩn bị mẫu rút 15 phút bơm T2 T2+15 lần mẫu trắng Rửa hút Ghi nhận thời gian impinger, tráng nước cất, chuẩn bị tiếp (b) cho rút mẫu lần Các bước 5, 6, 7, 8, tương tự thí nghiệm Lưu ý tắt đèn sau rút 5,6,7,8,9 mẫu lần 2.4 CÁC KHẢO SÁT KHÁC 2.4.1 Khảo sát tính ổn định hệ thống Quá trình thực nghiệm xây dựng tính ổn định hệ thống phương pháp thử lặp lại nhiều lần thí nghiệm khảo sát riêng cho yếu tố: (i) Nồng độ HCHO đầu vào, lượng HCHO bị hấp phụ hệ thống, trở lực hệ thống… ảnh hưởng đến việc phân tích nồng độ HCHO thực tế; (ii) hiệu suất xử lý HCHO hệ thống để thấy độ tin cậy hệ thống nghiên cứu Để khảo sát tính ổn định này, với mô hình trên, thí nghiệm lặp lại lần tính độ chênh lệch kết Nếu độ chênh không lớn, chấp nhận được, kết coi đủ tin cậy Với quy mô đề tài không đủ điều kiện để khảo sát xác nội dung 2.4.2 Khảo sát điều kiện ảnh hưởng Hoạt tính xúc tác TiO2 bị ảnh hưởng yếu tố sau đây: hàm lượng xúc tác, độ dài bước sóng, nồng độ HCHO, nhiệt độ, cường độ khuếch tán… Với điều kiện sẵn có đáp ứng, đề tài thí nghiệm trên, tiến hành khảo sát thêm số yếu tố sau đây: 28 Chương 2: Thực nghiệm Hàm lượng xúc tác:tiến hành mô hình thứ 1, với lượng xúc tác từ – g; mô hình thứ 2, với lượng xúc tác – 6g TiO2 Lưu lượng dòng khí: tiến hành mô hình thứ 1, thay đổi lưu lượng dòng khí từ 0,1 - 0,4L/phút Nồng độ HCHO: tiến hành mô hình thứ Độ ẩm không khí: cung cấp thêm nước cho phản ứng mô hình thứ cách để chén nước nhỏ quạt 29 Chương 3: Kết thảo luận CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1 KHẢ NĂNG XỬ LÝ HCHO TRÊN HỆ LIÊN TỤC 3.1.1 Ảnh hưởng xạ đến khả chuyển hóa HCHO Đầu tiên, để có đánh giá xác hoạt tính quang xúc tác hệ xúc tác, tiến hành khảo sát riêng ảnh hưởng xạ lên độ chuyển hóa HCHO Các kết thu hệ không xúc tác điều kiện: (i) tối (ii) xạ đèn UV trình bày bảng 3.1 Bảng kết khảo sát ảnh hưởng xạ nồng độ HCHO hệ liên tục không xúc tác, lưu lượng 0.4 L/ph Bảng 3.1 Bảng kết khảo sát ảnh hưởng xạ chuyển hóa HCHO hệ liên tục không xúc tác, lưu lượng 0.4L/ph Độ giảm nồng độ HCHO Tối 2% Đèn UV 3% Kết bảng 3.1 cho thấy ảnh hưởng xạ đến nồng độ HCHO thấp Trong điều kiện tối, nồng độ HCHO giảm lượng nhỏ, điều giải thích HCHO dễ bị oxy hóa thành HCOOH tiếp xúc với không khí Tuy nhiên lượng giảm bị oxy hóa ảnh hưởng xạ thấp, ta coi điểm để tính hiệu suất hệ sau Như khảo sát hệ có xúc tác xạ UV hiệu suất chuyển hóa HCHO hoạt tính quang xúc tác 3.1.2 Ảnh hưởng khối lượng xúc tác Thí nghiệm nhằm đánh giá ảnh hưởng hàm lượng chất xúc tác TiO2 đến khả chuyển hóa HCHO hệ Khối lượng chất xúc tác tăng dần từ đến (khối lượng xúc tác không tăng cao khó khăn trở lực) Kết trình bày bảng 3.2 30 Chương 3: Kết thảo luận Bảng 3.2 Phần trăm chuyển hóa HCHO mô hình liên tục, lưu lượng khí 0.4 L/ph với hàm lượng TiO2 khác Khối lượng Tối Đèn UV 10.4% 17.0% 12.3% 18.5% 13.1% 19.2% 13.7% 19.0% TiO2 Từ bảng 3.2 ta nhận thấy hiệu suất xử lý hệ liên tục thấp, khối lượng 2g, hiệu suất hệ thống đạt 17% Khi tăng dần khối lượng TiO2 hiệu suất xử lý tăng lên không đáng kể Cụ thể, tăng khối lượng xúc tác lên 4g hiệu suất xử lý hệ đạt 18.5%, tiếp tục tăng khối lượng xúc tác đến g hiệu suất không tăng đáng kể, đạt 19% Như vậy, khối lượng xúc tác chưa phải nguyên nhân dẫn đến hiệu suất xử lý thấp hệ liên tục Khảo sát cuối hệ ảnh hưởng lưu lượng dòng khí lên khả chuyển hóa hệ 3.1.3 Ảnh hưởng lưu lượng dòng khí Trong phần khảo sát này, mức lưu lượng khí chọn để thay đổi 0.1; 0.2 0.4 L/ph Ứng với số lần giảm lưu lượng, thời gian tiến hành thí nghiệm tăng lên tương ứng để đảm bảo kết tương quan với cách tốt Nồng độ HCHO đầu vào dao động khoảng 32.7 – 32.9 mg/m3 (được tính từ thực nghiệm) Bảng sau liệt kê kết từ khảo sát ảnh hưởng lưu lượng dòng khí HCHO đến khả chuyển hóa hệ liên tục với g xúc tác TiO2-Merk 31 Chương 3: Kết thảo luận Bảng 3.3 Phần trăm chuyển hóa HCHO mô hình liên tục lưu lượng khác Lưu lượng (L/ph) Hệ không đèn Đèn UV 0.1 5% 11% 0.2 7% 11% 0.4 8% 15% Các kết bảng lần lại cho thấy rõ ràng hạn chế hiệu suất chuyển hóa hệ liên tục không cải thiện thay đổi lưu lượng dòng khí (đồng nghĩa với việc giảm nồng độ tăng thời gian lưu) Dựa vào khảo sát thực ta thấy hệ liên tục với xúc tác cố định có hiệu suất chuyển hóa HCHO không cao, nguyên nhân thời gian dòng khí tiếp xúc với hệ xúc tác chưa đủ để trình chuyển hóa HCHO diễn hoàn toàn Ở phần tiến hành thiết kế thực khảo sát hệ gián đoạn Trong hệ gián đoạn, formaldehyde đưa vào hệ thống xử lý giữ cố định hệ, nồng độ HCHO xác định sau Phần 3.2 trình bày rõ kết khảo sát hệ 3.2 KHẢ NĂNG XỬ LÝ HCHO TRÊN HỆ GIÁN ĐOẠN Phương pháp thực hệ gián đoạn phương pháp thụ động có tính ổn định cao có thời gian lưu HCHO xúc tác cao hệ liên tục Điều kiện để tiến hành hệ gián đoạn sau: - Hàm lượng HCHO đưa vào hệ gián đoạn: - Khối lượng xúc tác: - g - Loại xúc tác sử dụng: TiO2-Merk Tương tự hệ liên tục, hệ gián đoạn khảo sát hoạt tính xúc tác lấy điểm theo kết hệ không xúc tác (i) diện xạ (trong tối) (ii) diện xạ UV để đánh giá ảnh hưởng riêng xạ lên độ chuyển hóa HCHO Các kết trình bày bảng sau 32 Chương 3: Kết thảo luận Kết khảo sát ảnh hưởng xạ nồng độ HCHO hệ gián đoạn không xúc tác Bảng 3.4 Kết khảo sát ảnh hưởng xạ đèn nồng độ HCHO hệ gián đoạn không xúc tác Độ giảm nồng độ HCHO Tối 1% Đèn UV 2% Kết bảng 3.4 cho thấy thời gian chiếu xạ không ảnh hưởng đến nồng độ HCHO, coi điểm để tính hiệu suất hệ sau Và khảo sát hệ có xúc tác xạ UV, hiệu suất chuyển hóa HCHO hoạt tính quang xúc tác TiO2 3.2.1 Khả xử lý HCHO hệ gián đoạn có xúc tác TiO2 Để đánh giá khả chuyển hóa HCHO hệ gián đoạn tiến hành thí nghiệm với khoảng giá trị nồng độ đầu vào khác Nồng độ HCHO nằm khoảng 4.01 – 67.5 mg/m3 (nồng độ tính từ thực nghiệm) Mỗi thí nghiệm tiến hành vòng giờ, tiến hành rút mẫu lần, thời gian lần rút mẫu 15 phút (lưu lượng 0.3L/ph) Kết thí nghiệm thể hình sau Hình 3.1 Đồ thị thể khả chuyển hóa HCHO điều kiện có xúc tác xạ nồng độ khác 33 Chương 3: Kết thảo luận Từ đồ thị ta thấy điều kiện có xúc tác chiếu xạ hiệu xử lý hệ gián đoạn cao, hiệu suất xử lý giảm dần ta tăng nồng độ HCHO đầu vào Cụ thể nồng độ 4.01 mg/m3, sau 5h xử lý hiệu suất đạt đến 100%, tăng dần nồng độ tới 67.5 mg/m3 hiệu suất giảm 84.7% Như ta thấy, hệ gián đoạn với thời gian lưu lớn, đủ để trình chuyển hóa HCHO diễn tốt Tiếp theo, tiến hành khảo sát sâu ảnh hưởng thông số điều kiện phản ứng đến khả xử lý HCHO 3.2.2 Khảo sát ảnh hưởng khối lượng chất xúc tác đến trình chuyển hóa HCHO Khảo sát thực với lượng TiO2 g, g g, hàm lượng tiến hành thí nghiệm chiếu đèn không chiếu đèn phần 3.3.2 nêu, thí nghiệm khảo sát khoảng nồng độ để đảm bảo tính tương quan tốt Nồng độ HCHO đầu vào dao động khoảng 32.7 – 32.9 mg/m3 (nồng độ tính từ thực nghiệm) Hiệu suất thí nghiệm hoạt tính tính theo điểm chọn Kết thí nghiệm biểu diễn đồ thị sau Hình 3.2 Đồ thị thể ảnh hưởng hàm lượng xúc tác đến khả chuyển hóa HCHO Dựa vào đồ thị ta thấy, tiến hành xử lý giá trị nồng độ HCHO với hàm lượng TiO2 khác hiệu suất xử lý tăng ta tăng lượng TiO2 từ g lên 4g, nhiên tăng hàm lượng TiO2 lên g lại biến đổi đáng kể hiệu suất chuyển hóa HCHO Điều chứng tỏ hiệu suất xử 34 Chương 3: Kết thảo luận lý phụ thuộc vào hàm lượng xúc tác giá trị giới hạn đó, vượt qua giới hạn này, hạt xúc tác dư thừa làm cản trở trình tiếp nhận ánh sáng hạt xúc tác khác, làm giảm hiệu xử lý hệ thống Tiếp sau tiến hành khảo sát cuối hệ gián đoạn xác định nồng độ theo thời gian Đó khảo sát ảnh hưởng độ ẩm không khí đến trình chuyển hóa HCHO 3.2.3 Khảo sát ảnh hưởng độ ẩm không khí đến trình chuyển hóa HCHO Tiến hành thí nghiệm thay đổi độ ẩm không khí cách đặt chén nước nhỏ vào buồng xử lý Ở khoảng nồng độ HCHO đầu vào ta khảo sát thay đổi hiệu suất chuyển hóa bổ sung độ ẩm Thí nghiệm thực vòng giờ, tiến hành rút mẫu lần, thời gian lần rút mẫu 15 phút với lưu lượng 0.3 L/ph Nồng độ HCHO đầu vào dao động khoảng 33.2 – 33.5 mg/m3 Kết thí nghiệm thể hình Hình 3.3 Đồ thị thể ảnh hưởng độ ẩm đến khả chuyển hóa HCHO Giữa hai đường hiệu suất khác biệt sau: với hệ phản ứng không cung cấp thêm nước, hiệu suất chuyển hóa HCHO theo thời gian không khác biệt nhiều so với hệ không thêm nước Nồng độ HCHO giảm đạt giá trị cao kết luận bước đầu bổ sung nước không cần thiết, với mô hình cung cấp khí HCHO qua phương pháp sục đuổi khí từ dung dịch formaldehyde, 35 Chương 3: Kết thảo luận lượng nước theo vào reactor đủ để cung cấp độ ẩm cho trình phản ứng Kết thí nghiệm cho thấy hệ gián đoạn có khả xử lý formaldehyde cao, hiệu suất cao đạt 100% (tại khoảng nồng độ 4.01 – 4.03 mg/m3, với thời gian xử lý 5h) Khi tăng dần nồng độ HCHO đầu vào hiệu suất xử lý hệ giảm dần Khảo sát yếu tố ảnh hưởng cho thấy, tăng hàm lượng chất xúc tác hiệu suất chuyển hóa HCHO tăng, nhiên tăng giới hạn định, tiếp tục tăng lượng xúc tác lên g hiệu suất chuyển hóa lại có xu hướng giảm Ảnh hưởng độ ẩm cung cấp thêm không đáng kể, độ ẩm hệ thống đủ để cung cấp cho trình chuyển hóa HCHO 36 Chương 4: Kết luận CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 4.1 Kết luận Qua đề tài, dựa mô hình thiết lập với quy mô phòng thí nghiệm, rút kết luận sau: * Đối với hệ liên tục xúc tác cố định: với nồng độ đầu vào từ 4.03 – 33.9 mg/m3 hiệu suất xử lý hệ thấp, hiệu suất xử lý cao hệ đạt 19% Chúng tiến hành thay đổi điều kiện ảnh hưởng: tăng khối lượng xúc tác, giảm nồng độ HCHO đầu vào, giảm lưu lượng dòng khí hiệu suất hệ liên tục không cải thiện Điều giải thích thể tích reacter nhỏ, thời gian lưu dòng khí chưa đủ để trình chuyển hóa HCHO diễn tốt Đây hạn chế hệ liên tục với xúc tác cố định * Đối với hệ gián đoạn: khả xử lý hệ khảo sát khoảng nồng độ từ 4.01 – 67.5 mg/m3, đồng thời khảo sát ảnh hưởng số yếu tố đến hiệu suất hệ thống Kết thí nghiệm cho thấy hệ gián đoạn có khả xử lý formaldehyde cao, hiệu suất cao đạt 100% (tại khoảng nồng độ 4.01 – 4.03 mg/m3, với thời gian xử lý 5h) Nồng độ formaldehyde sau qua hệ gián đoạn thấp 20 mg/m3, đạt QCVN 20: 2009/BTNMT (Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia khí thải công nghiệp số chất hữu cơ) 4.2 Kiến nghị - Khảo sát chuyển hóa HCHO (dễ bay hơi) cần hệ thống hoàn chỉnh hơn, loại bỏ nhiều ảnh hưởng hấp phụ bay tốt Một hệ thống kính kín hạn chế điều - Đối với hệ liên tục cần có hệ thống có khả hồi lưu sản phẩm nhằm tăng thời gian lưu đủ để trình chuyển hóa HCHO xảy cách hoàn toàn - Khảo sát chuyển hóa HCHO cần có thêm hệ thống phương pháp kiểm soát nồng độ đầu vào nhiệt độ reacter để kết xác - Cần ý đến hòa trộn HCHO với không khí reactor để tiếp xúc HCHO với xúc tác hoàn toàn, thiết kế mô hình cho tiếp xúc tốt (dạng màng…) 37 Chương 4: Kết luận - Cần phát triển thêm nghiên cứu điều chế loại vật liệu xúc tác quang có độ hấp thụ ánh sáng mặt trời tự nhiên cao để khả ứng dụng cao - Ngoài ra, khả xử lý hệ thống quang xúc tác chịu ảnh hưởng nhiều yếu tố khác : nhiệt độ, nồng độ oxy, yếu tố bề mặt, cường độ xạ… Tuy nhiên giới hạn đề tài tiến hành khảo sát vài yếu tố là: hàm lượng xúc tác, độ ẩm, vận tốc dòng khí Do để áp dụng mô hình thực tế cần nghiên cứu sâu để tối ưu hóa mô xem xét đầy đủ yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất trình xử lý 38 Tài liệu tham khảo TÀI LIỆU THAM KHẢO A TÀI LIỆU THAM KHẢO TIẾNG VIỆT [1] PHAN VŨ AN (2008) Khóa luận Nghiên cứu xử lý nước nhiễm phenol màng mỏng TiO2, ĐH Bách khoa Tp HCM [2] HUỲNH CHÍ CƯỜNG 2009 Hợp chất TiO2 ứng dụng, Nhà xuất giáo dục [3] NGUYỄN THỊ HIỀN (2011) Khóa luận Nghiên cứu điều chế, khảo sát cấu trúc tính chất TiO2 kích thước nano mét biến tính lưu huỳnh Trường ĐHKHTN Hà Nội [4] TRỊNH THỊ THANH - TRẦN YÊM - ĐỒNG KIM LOAN (2004) Giáo trình Công nghệ Môi trường NXB ĐH Quốc gia Hà Nội [5] HOÀNG NHÂM (2005) Hóa học vô cơ, Tập Nhà xuất giáo dục [6] HOÀNG THANH THÚY (2011) Nghiên cứu biến tính TiO2 nano Cr(III) làm chất xúc tác quang hóa vùng ánh sáng trông thấy Trường ĐH Khoa học Tự Nhiên Hà Nội B TÀI LIỆU THAM KHẢO TIẾNG ANH [7] U.S ENVIRONMENTAL PROTECTION AGENCY (2010) Formaldehyde: health effects, potential cancer [8] JACK G CALVERT (1981) Formaldehyde and other aldehydes National Academy Press, [9] COMMUNITY-COST CONCERTATION COMMITTEE (1990) Indoor Air Pollution by Formaldehyde in European Countries COST Project 61 3, [10] W J THOMAS J M THOMAS (1997) Principles and practice of Heterogeneous catalysis Federal Republic of Germany [11] TOMOKO SAKAMI KAZUFUMI TAKAYANAGI, MANABU SHIRAISHI AND & YOKOYAMA, HISASHI (1999) Acute toxicity of formaldehyde to the pearl oyster pinctada fucata martensii Elsevier Science, [12] CHIEU-CHEN CHANG AND SHIN-SHOU CHOU PAI-WEN WU (2002) Determination of Formaldehyde in Cosmetics by HPLC Method and 39 Tài liệu tham khảo Acetylacetone Method Journal of Food and Drug Analysis, Vol 11, No 1, 2003, 8-15 [13] C.S PARMELE, W.L OICONNELL, AND H.S BASDEKIS (1989) VaporPhase Adsorption Cuts Pollution, Recovers Solvents Chemical Engineering [14] DEPARTMENT OF HEALTH AND AGEING NICNAS PRIORITY (2006) Formaldehyde Existing Chemical Assessment Report, No 28 [15] R.L ORGANIC CHEMICAL MANUFACTURING STANDIFER (1987) Adsorption, Condenstation, and Absorption Devices, Report 3, Gas Absorption U S Environmental Protection Agency Research Triangle Park, N.C Publication No EPA-45013-80-027., [16] SIBEL MENTESE TUNGA SALTHAMMER, AND RAINER MARUTZKY (2008) Formaldehyde in the Indoor Environment Chem Rev 2010, 110, 2536–2572 [17] YANG BAI XIAOJIANG TANG , ANH DUONG , MARTYN T SMITH , LAIYU LI , LUOPING ZHANG (2009) Formaldehyde in China: Production, consumption, exposure levels, and health effects Environment International [18] SHIYING ZHANGA YANG YOUA, LONG WANB, DIFA XUA (2011) Preparation of continuous TiO2 fibers by sol–gel method and its photocatalytic degradation on formaldehyde Applied Surface Science 40 [...]... 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. .. 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... 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 5 Chương 1: Tổng quan 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... 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 6 Chương 1: Tổng quan * 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... 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, ... 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. .. 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 7 Chương 1: Tổng quan Hình 1.3 Cơ chế xúc tác quang của TiO2 [1] 1.2.2 Ứng dụng của TiO2 Những nghiên cứu khoa học về vật liệu nano TiO2. .. hệ liên tục này là: - Nồng độ HCHO: dao động từ 4.1 – 54.8 mg/m3 (tính từ thực nghiệm) - Lưu lượng dòng khí: 0,1– 0,4L/phút - Khối lượng xúc tác: 2 – 8 g - Loại xúc tác sử dụng: TiO2- Merk 2.3.1.1 Hóa chất thí nghiệm Những hóa chất được liệt kê dưới đây phục vụ cho mô hình xử lý formaldehyde theo phương pháp liên tục, xúc tác cố định Những hóa chất thuộc dạng tinh khiết hóa học (TKHH) hoặc tinh khiết... Chương 1: Tổng quan Hình 1.4 Sơ đồ ứng dụng tính chất quang xúc tác của TiO2 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 TiO2 9 Chương 1: Tổng quan 1.2.3 Nguồn ánh sáng UV  Nguồn... 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