nghiên cứu chế tạo lớp phim tio2 và ứng dụng trong xử lý nước nhiễm phenol và vi sinh vật

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP TRƯỜNG NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO LỚP PHIM TIO2 VÀ ỨNG DỤNG TRONG XỬ LÝ NƯỚC NHIỄM PHENOL VÀ VI SINH VẬT S K C 0 9 Mà SỐ: T75 - 2008 S KC 0 Tp Hồ Chí Minh, 2009 NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO LỚP PHIM TIO2 & ỨNG DỤNG TRONG XỬ LÝ PHENOL & VSV BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TPHCM BÁO CÁO KHOA HỌC NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO LỚP PHIM TIO2 VÀ ỨNG DỤNG TRONG XỬ LÝ NƯỚC NHIỄM PHENOL VÀ VI SINH VẬT Mà SỐ: T75 – 2008 Chủ nhiệm đề tài: NGUYỄN QUỲNH MAI Đơn vị: Khoa CNHH & TP TPHCM, 05/2009 MS: T75-2008 TH: Nguyễn Quỳnh Mai NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO LỚP PHIM TIO2 & ỨNG DỤNG TRONG XỬ LÝ PHENOL & VSV MỤC LỤC MỤC LỤC CHƯƠNG 1.MỞ ĐẦU 1.1 SỰ CẦN THIẾT THỰC HIỆN NGHIÊN CỨU 1.2 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU 1.3 MỤC ĐÍCH VÀ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 1.4 TÍNH MỚI, Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA NGHIÊN CỨU 1.4.1 Tính đề tài 1.4.2 Ý nghĩa khoa học đề tài 1.4.3 Ý nghĩa thực tiễn đề tài CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ CHẤT XÚC TÁC QUANG TiO2 2.1 GIỚI THIỆU MỘT SỐ TÍNH CHẤT CỦA TiO2 2.2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ QUÁ TRÌNH QUANG XÚC TÁC TRÊN TiO2 2.2.1Giới thiệu gốc tự Hydroxyl *OH 2.2.2 Nguyên lý trình quang xúc tác TiO2 11 2.3 GIỚI THIỆU VỀ PHƯƠNG PHÁP SOL-GEL 11 2.3.1 Quá trình sol-gel 11 2.3.2 Ưu nhược điểm 17 CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ PHENOL VÀ TÌNH TRẠNG Ô NHIỄM PHENOL TRONG NƯỚC 18 3.1 GIỚI THIỆU VỀ PHENOL 18 3.1.1 Cấu tạo tính chất phenol 18 3.1.2 Độc tính phenol 18 3.1.3 Nguồn gốc ô nhiễm phenol nước 19 3.2 CÁC PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ PHENOL TRONG NƯỚC 19 3.2.1 Hấp phụ than hoạt tính 19 3.2.2 Xử lý tác nhân oxy hóa mạnh 19 CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ VI SINH VẬT VÀ TÌNH TRẠNG Ô NHIỄM VI SINH VẬT TRONG NƯỚC 20 4.1 KHÁI QUÁT VỀ CÁC VI SINH VẬT CÓ TRONG NGUỒN NƯỚC 20 MS: T75-2008 TH: Nguyễn Quỳnh Mai NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO LỚP PHIM TIO2 & ỨNG DỤNG TRONG XỬ LÝ PHENOL & VSV 4.1.1 Vi khuẩn 20 4.1.2 Virus 21 4.1.3 Protozoa 21 4.1.4 Các loại vi sinh vật gây bùng phát bệnh qua đường nước 21 4.2 KHÁI QUÁT CÁC PHƯƠNG PHÁP KHỬ TRÙNG NƯỚC ĐANG ĐƯỢC ỨNG DỤNG 4.2.1 Phương pháp lý học 23 4.2.2 Phương pháp hóa học 25 CHƯƠNG THỰC NGHIỆM 28 5.1 THÍ NGHIỆM ĐIỀU CHẾ SOL-GEL TIO2 28 5.1.1 Hoá chất thí nghiệm 28 5.1.2 Dụng cụ thí nghiệm 28 5.1.3 Quy trình thí nghiệm 29 5.2 THÍ NGHIỆM ĐÁNH GIÁ HOẠT TÍNH XÚC TÁC QUANG CỦA TiO2 LÊN PHENOL 5.2.1 Hoá chất thí nghiệm 32 5.2.2 Dụng cụ mô hình thí nghiệm 32 5.2.3 Quy trình thí nghiệm thu mẫu phân tích 33 5.3 THÍ NGHIỆM ĐÁNH GIÁ HOẠT TÍNH KHỬ TRÙNG CỦA TIO2 LÊN VI KHUẨN ECOLI 34 5.3.1 Mô hình dụng cụ thí nghiệm 34 5.3.2 Quy trình thí nghiệm thu mẫu phân tích 35 CHƯƠNG KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 36 6.1 KẾT QUẢ ĐIỀU CHẾ VẬT LIỆU XÚC TÁC QUANG 36 6.1.1 Vật liệu dạng bột 36 6.1.2 Vật liệu dạng màng mỏng 37 6.2 HIỆU QUẢ XỬ LÝ CỦA LỚP PHIM TIO2 ĐỐI VỚI PHENOL 40 6.2.1 Hiệu xử lý điều kiện chiếu tia UV-A 40 6.2.2 Hiệu xử lý điều kiện ánh sáng mặt trời tự nhiên 41 6.3 HIỆU QUẢ XỬ LÝ CỦA LỚP PHIM TIO2 ĐỐI VỚI VI KHUẨN E-COLI 42 6.3.1 Hiệu xử lý điều kiện chiếu tia UV-A 42 6.3.2 Hiệu xử lý điều kiện ánh sáng mặt trời tự nhiên 43 MS: T75-2008 TH: Nguyễn Quỳnh Mai NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO LỚP PHIM TIO2 & ỨNG DỤNG TRONG XỬ LÝ PHENOL & VSV 6.4 KHẢO SÁT ĐỘ BỀN ĐỐI VỚI LỚP MÀNG PHỦ 44 6.4.1 Đánh giá độ bền phương pháp khối lượng 44 6.4.2 Đánh giá độ bền thông qua hiệu xử lý 45 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 47 TÀI LIỆU THAM KHẢO 48 MS: T75-2008 TH: Nguyễn Quỳnh Mai NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO LỚP PHIM TIO2 & ỨNG DỤNG TRONG XỬ LÝ PHENOL & VSV CHƯƠNG MỞ ĐẦU 1.1 SỰ CẦN THIẾT THỰC HIỆN NGHIÊN CỨU Giống nước không khí, ánh sáng cần cho sống Ánh sáng dạng lượng sóng Chúng ta nhận nhiều lợi ích từ ánh sáng, nơi đâu, Ánh sáng giúp sinh vật phát triển, ánh sáng giúp người nhìn rõ vật xung quanh… Không có ánh sáng, sống không tồn Công nghệ xúc tác quang đời dựa tảng nhu cầu sử dụng lượng ánh sáng cách hiệu toàn diện Việc phát triển công nghệ xúc tác quang thay đổi quan niệm người việc “làm sạch” Điều dự đoán cho phát triển khái niệm tương lai gần, khái niệm “làm ánh sáng” – light cleaning – cleaning with light Hai yếu tố quan trọng light cleaning nguồn UV chất xúc tác quang, điển hình TiO2 Những nghiên cứu khoa học vật liệu nano TiO2 với vai trò chất xúc tác quang bắt đầu ba thập kỷ từ phát minh hai nhà khoa học người Nhật, Fujishima Honda vào năm 1972 việc phân hủy nước phương pháp điện hóa quang với chất xúc tác TiO2 Sau phát minh công bố tạp chí khoa học danh tiếng Nature, hàng loạt công trình khoa học việc sử dụng chất xúc tác quang việc phân hủy nước tạo khí hydro xử lý ô nhiễm môi trường công bố Hiện lĩnh vực nghiên cứu ứng dụng vật liệu TiO2 với vai trò chất xúc tác quang kể đến là: trình tự làm sạch, diệt khuẩn, virus nấm mốc, khử mùi độc hại để làm không khí, xử lý nước nhiễm bẩn, chống tạo sương mù lớp kính tiêu diệt tế bào ung thư Nhật Bản, Hàn Quốc, nước EU, Mỹ tiến hành thương mại hóa TiO2 sản phẩm ứng dụng TiO2 từ lâu Đây ngành đầy hấp dẫn tiềm điểm hạn chế làm cản trở làm phát triển công nghiệp TiO2 quốc gia phần lớn nằm vùng ôn đới, lượng chiếu sáng mặt trời hàng năm thấp phải sử dụng nguồn sáng nhân tạo thay nguồn sáng tự nhiên Khác với nước thương mại hóa vật liệu xúc tác quang TiO2, Việt Nam nằm vùng nhiệt đới cận xích đạo với thời lượng chiếu sáng hàng năm mặt trời cao (khoảng lần so với nước kể trên) nên tiềm ứng dụng vật liệu xúc tác quang TiO2 nước ta lớn Tuy nhiên, quan tâm đầu tư nghiên cứu nhà khoa học Việt Nam vào lĩnh vực MS: T75-2008 TH: Nguyễn Quỳnh Mai NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO LỚP PHIM TIO2 & ỨNG DỤNG TRONG XỬ LÝ PHENOL & VSV chưa đủ lớn để đưa công nghệ ứng dụng vật liệu nano TiO2 vào thực tiễn Phần lớn đề tài nghiên cứu số ứng dụng thực tế vật liệu TiO2 dừng lại việc sử dụng vật liệu TiO2 dạng bột sản xuất nước Đây nguyên nhân làm hạn chế việc thương mại hóa công nghệ ứng dụng vật liệu nano TiO2 Việt Nam trình tái sử dụng vật liệu thách thức lớn Chính từ thực tế đó, với mong muốn nghiên cứu điều chế sản phẩm TiO2 có hoạt tính xúc tác quang cao tái sử dụng, mạnh dạn lựa chọn đề tài nghiên cứu “Nghiên cứu chế tạo lớp phim TiO2 ứng dụng xử lý nước nhiễm phenol vi sinh vật” 1.2 1.3 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU ƒ Nghiên cứu điều chế sol-gel TiO2 ƒ Nghiên cứu điều chế lớp phim xúc tác quang TiO2 phủ vật mang ƒ Đánh giá khả xử lý phenol vi sinh vật nước nhờ trình xúc tác quang sử dụng vật liệu TiO2 dạng lớp phim mỏng điều kiện chiếu tia UV ánh sáng mặt trời tự nhiên MỤC ĐÍCH VÀ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU Đề tài nghiên cứu khoa học “Nghiên cứu chế tạo lớp phim TiO2 ứng dụng xử lý nước nhiễm phenol vi sinh vật” tập trung vào hai nội dung nghiên cứu điều chế vật liệu xúc tác quang TiO2 dạng phim mỏng nghiên cứu khảo sát hoạt tính oxy hóa loại vật liệu vi sinh vật lựa chọn vi khuẩn E coli phenol Đề tài tiến hành với nội dung cụ thể sau: - Điều chế vật liệu xúc tác dựa TiO2 - Khảo sát hoạt tính oxy hóa chất xúc tác quang phenol ánh sáng đèn UV ánh sáng mặ trời - Khảo sát hoạt tính khử trùng chất xúc tác quang vi khuẩn E coli ánh sáng đèn UV ánh sáng mặt trời MS: T75-2008 TH: Nguyễn Quỳnh Mai NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO LỚP PHIM TIO2 & ỨNG DỤNG TRONG XỬ LÝ PHENOL & VSV 1.4 TÍNH MỚI, Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA NGHIÊN CỨU 1.4.1 Tính đề tài Hiện nay, Việt Nam, công trình nghiên cứu TiO2 giai đoạn bước đầu, hạn chế số lượng khả áp dụng vào thực tế Chính vậy, việc lựa chọn hướng nghiên cứu đề tài cần thiết Trong công trình nghiên cứu, lần ứng dụng trình quang xúc tác sở vật liệu TiO2 để xử lý nước bị ô nhiễm phenol vi sinh vật nhằm giải vấn đề ô nhiễm môi trường 1.4.2 Ý nghĩa khoa học đề tài Đánh giá hiệu trình quang xúc tác xử lý phenol mẫu vật liệu điều kiện chiếu tia UV-A sử dụng ánh sáng mặt trời tự nhiên 1.4.3 Ý nghĩa thực tiễn đề tài Hiện nay, xu sử dụng vật liệu có kích thước nano nói chung vật liệu TiO2 nói riêng ngày trở nên phổ biến, đem lại nhiều hiệu to lớn ngành khoa học vật liệu, môi trường y tế… Chính vậy, việc nghiên cứu trình điều chế vật liệu TiO2 cần thiết Đặc biệt Việt Nam nước có trữ lượng titan sa khoáng lớn chủ yếu khai thác xuất dạng thô, gây lãng phí nguồn tài nguyên thiên nhiên Vì vậy, kết nghiên cứu đề tài đóng góp phần nhỏ vào trình triển khai ứng dụng vào thực tiễn sản xuất sản phẩm quy mô công nghiệp Nội dung đề tài bao gồm việc khảo sát ứng dụng chất xúc tác quang TiO2 dạng lớp màng mỏng phủ lên giá thể để xử lý phenol vi sinh vật nước Với kết nghiên cứu đề tài làm sở cho việc triển khai mô hình xử lý vào thực tế cho số nguồn nước bị ô nhiễm cụ thể MS: T75-2008 TH: Nguyễn Quỳnh Mai NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO LỚP PHIM TIO2 & ỨNG DỤNG TRONG XỬ LÝ PHENOL & VSV CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ CHẤT XÚC TÁC QUANG TiO2 2.1 GIỚI THIỆU MỘT SỐ TÍNH CHẤT CỦA TiO2 Hợp chất TiO2 ngày đóng vai trò quan trọng đời sống sản xuất Nó sử dụng nhiều lĩnh vực khác nhau, từ việc tạo màu sơn, mỹ phẩm ngành thực phẩm Đặc biệt vài thập kỷ gần người ta nghiên cứu mạnh mẽ khả xúc tác quang TiO2 ứng dụng lĩnh vực xử lý môi trường TiO2 chất bán dẫn tồn dạng sau: Rutile, Anatase Brookite Rutile: trạng thái tinh thể bền TiO2, pha rutile có mức lượng miền cấm 3,02 eV Rutile pha có độ xếp chặt cao so với pha lại, khối lượng riêng 4,2 g/cm3 Rutile có kiểu mạng Bravais tứ phương với hình bát diện xếp tiếp xúc đỉnh Anatase: pha có hoạt tính quang hóa mạnh pha Anatase có mức lượng miền cấm 3,23 eV khối lượng riêng 3,9 g/cm3 Anatase có kiểu mạng Bravais tứ phương rutile hình bát diện xếp tiếp xúc cạnh với trục c tinh thể bị kéo dài TiO2 dạng anatase chuyển hoá thành TiO2 dạng rutile điều kiện nhiệt độ phản ứng thích hợp Tuy nhiên, theo nghiên cứu Levin McMurdie, chuyển hoá TiO2 dạng anatase sang dạng rutile khoảng nhiệt độ từ 400-1000oC; tuỳ thuộc vào điều kiện thiết bị phản ứng Brookite: có hoạt tính quang hoá yếu Brookite có mức lượng miền cấm 3,4 eV, khối lượng riêng 4,1 g/cm3 (Hình 1.3) Trong thực tế, pha tinh thể brookite TiO2 gặp thường đề cập nghiên cứu ứng dụng MS: T75-2008 TH: Nguyễn Quỳnh Mai NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO LỚP PHIM TIO2 & ỨNG DỤNG TRONG XỬ LÝ PHENOL & VSV Bảng 2.1 Một số tính chất vật lý TiO2 dạng anatase rutile TT Tính chất vật lý Anatase Rutile Tứ phương Tứ phương Cấu trúc tinh thể Nhiệt độ nóng chảy (0C) 1800 1850 Khối lượng riêng (g/cm3) 3.84 4.20 Độ cứng Mohs 5.5-6.0 6.0-7.0 Chỉ số khúc xạ 2.54 2.75 Hằng số điện môi 31 114 Nhiệt dung riêng (cal/mol.0C) 12.96 13.2 Mức lượng vùng cấm (eV) 3.25 3.05 TiO2 dạng có kích thước micromet bền hoá học, không tan acid Tuy nhiên, đưa TiO2 dạng kích thước nanomet, TiO2 tham gia số phản ứng với axit kiềm mạnh Các dạng oxit, hydroxit hợp chất Ti(IV) có tính lưỡng tính TiO2 có số tính chất ưu việt thích hợp dùng làm chất xúc tác quang: • Hấp thụ ánh sáng vùng tử ngoại, cho ánh sáng vùng hồng ngoại khả kiến truyền qua • Là vật liệu có độ xốp cao tăng cường khả xúc tác bề mặt (theo số tài liệu tăng khoảng 1000 lần) • Ái lực bề mặt TiO2 phân tử cao dễ dàng phủ lớp TiO2 lên loại đế với độ bám dính tốt • Giá thành thấp, dễ sản xuất với số lượng lớn, trơ hoá học, không độc, thân thiện với môi trường có khả tương hợp sinh học cao MS: T75-2008 TH: Nguyễn Quỳnh Mai NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO LỚP PHIM TIO2 & ỨNG DỤNG TRONG XỬ LÝ PHENOL & VSV 5.3.2 Quy trình thí nghiệm thu mẫu phân tích * Chuẩn bị mẫu Giống E Coli lấy từ Phòng thí nghiệm Công nghệ Sinh học – Khoa Hóa, trường Đại học Bách Khoa TP.HCM Giống lưu trữ tủ đông sâu – 70ºC, hoạt hóa hai lần trước đưa vào sử dụng Giống hoạt hóa lần cách hút 0,1 ml giống ống rã đông, phối trộn với ml môi trường lỏng TSB hấp tiệt trùng, sau đem ủ 37ºC vòng 24 Giống tiếp tục hoạt hóa lần hai cách hút 0,1 ml giống ống nghiệm hoạt hóa lần nuôi cấy đĩa petri chứa môi trường TSA, sau đem ủ 37ºC vòng 24 Sau hai lần hoạt hóa, giống E Coli lưu trữ cách cấy truyền ống thạch nghiêng sau 10 ngày tính từ ngày cấy Sau ủ, ống thạch nghiêng chứa giống trữ tủ lạnh nhiệt độ 4ºC E Coli nuôi môi trường lỏng TSB, sau ủ vòng 24 thường có mật độ từ 3.108 – 5.108 cfu/ml Trong trình thí nghiệm, mật độ E Coli khống chế khoảng từ 104 – 105 cfu/ml ; đó, môi trường lỏng chứa E Coli phải pha loãng 10-4 Tiến hành trình pha loãng cách pha loãng 10-2 với hai ống nghiệm chứa ml nước vô trùng Sau lấy ml từ ống nghiệm thứ hai cho vào bình phản ứng chứa sẵn 297 ml nước vô trùng Quá trình pha loãng 10-4 hoàn thành Hạt phủ chất xúc tác quang dựa TiO2 cân xác lượng 10 g cân kỹ thuật Sartorius cho vào bình phản ứng chứa 250 ml hỗn hợp nước E Coli tiến hành thí nghiệm khảo sát hoạt tính khử trùng chất xúc tác quang TiO2 * Tiến hành thí nghiệm Tương tự thí nghiệm xử lý phenol, bình phản ứng khuấy trộn máy khuấy từ với tốc độ 300 vòng/phút Quá trình xử lý bao gồm 30 phút khuấy trộn bóng tối để vi sinh vật bám dính lên hạt xúc tác Sau đó, 02 đèn UV-A bật sáng thời gian chiếu đèn thí nghiệm * Thu mẫu phân tích Lượng mẫu sử dụng cho lần phân tích ml Mẫu pha loãng thành bốn tỉ lệ: 10-1, 10-2, 10-3 10-4 Mỗi tỉ lệ tiến hành đếm lượng vi sinh E Coli phương pháp đổ đĩa với đĩa petri Số lượng vi sinh tính trung bình đĩa MS: T75-2008 TH: Nguyễn Quỳnh Mai 36 NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO LỚP PHIM TIO2 & ỨNG DỤNG TRONG XỬ LÝ PHENOL & VSV CHƯƠNG KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 6.1 KẾT QUẢ ĐIỀU CHẾ VẬT LIỆU XÚC TÁC QUANG 6.1.1 Vật liệu dạng bột Với mục tiêu xác định đặc tính cấu trúc vật liệu xúc tác quang TiO2 nhằm lựa chọn điều kiện chế tạo thích hợp loại hình vật liệu thích hợp nhất, nghiên cứu tiến hành điều chế số mẫu vật liệu dạng bột a Diện tích bề mặt riêng Bảng 6.1 SBET mẫu vật liệu TiO2 TT Mẫu Tỷ lệ khối lượng TiO2 SBET (m2/g) P25 (TiO2) 100 53,1 TiO2 100 82,7 Kết phân tích từ bảng 5.1 cho thấy, với phương pháp điều chế nghiên cứu tạo sản phẩm TiO2 có SBET lên đến 82,7 m2/g, kết cao nhiều so với sản phẩm TiO2 thương mại thường sử dụng làm vật liệu so sánh nghiên cứu khác giới P25 hãng Degussa - Đức (53,1 m2/g) b Độ tinh thể hoá MS: T75-2008 TH: Nguyễn Quỳnh Mai 37 NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO LỚP PHIM TIO2 & ỨNG DỤNG TRONG XỬ LÝ PHENOL & VSV Hình 6.1 Giản đồ XRD mẫu vật liệu TiO2 c Kích thước hạt Bảng 6.2 Kích thước hạt mẫu vật liệu TiO2 TT Mẫu Kích thước hạt dXRD (nm) P25 21,00 TiO2 15,37 Hình 6.2 Ảnh chụp FE-SEM mẫu vật liệu TiO2 d Năng lượng vùng cấm Bảng 6.3 lượng vùng cấm mẫu vật liệu TiO2 TT Mẫu Năng lượng vùng cấm (eV) P25 (TiO2) 3,05 TiO2 3,13 Các mẫu vật liệu có lượng vùng cấm thay đổi từ 3,13 eV tương ứng với bước sóng chuyển vùng hấp thu 388 nm 6.1.2 Vật liệu dạng màng mỏng a Khảo sát khối lượng xúc tác bám bề mặt hạt MS: T75-2008 TH: Nguyễn Quỳnh Mai 38 NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO LỚP PHIM TIO2 & ỨNG DỤNG TRONG XỬ LÝ PHENOL & VSV Sau phủ dung dịch TiO2 phương pháp phủ trình bày chương 5, hạt alummino silicate sấy khô nung 550oC Sau đó, chúng làm nguội cách đặt bình hút ẩm cân để xác định khối lượng Các thí nghiệm lặp lại lần kết trình bày bảng 6.1 Bảng 6.4 Xác định khối lượng vật liệu xúc tác phủ hạt alummino silicate Khối lượng hạt (g) Thí nghiệm (hạt nổi) (hạt nổi) (hạt chìm) (hạt chìm) Mẫu Trước phủ Sau phủ Lần 150,0000 150,3675 Lần 150,0000 150,4118 Lần 150,0000 150,3775 Lần 150,0000 150,3930 Lần 150,0000 150,3629 Lần 150,0000 150,3796 Lần 150,0000 150,3626 Lần 150,0000 150,3885 Lần 150,0000 150,3633 Lần 150,0000 150,3882 Lần 150,0000 150,3693 Lần 150,0000 150,3780 Chênh lệch khối lượng trung bình (g) 0,3856 0,3785 0,3715 0,3785 Từ kết thí nghiệm bảng 6.4 cho thấy, trình phủ lớp vật liệu TiO2 lên hạt alummino silicate thực theo phương pháp nhúng ổn định Lượng vật liệu bám dính lên 100g hạt dao động khoảng 0,25g MS: T75-2008 TH: Nguyễn Quỳnh Mai 39 NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO LỚP PHIM TIO2 & ỨNG DỤNG TRONG XỬ LÝ PHENOL & VSV A B Hình 6.3 Bề mặt hạt alummino silicate (A) trước phủ - (B) sau phun dung dịch TiO2 Theo hình 6.3, ta thấy bề mặt ban đầu hạt gồ ghề, có nhiều vết nứt, thực trình phun, hạt xúc tác chen vào lấp đầy khe nứt Tuy nhiên, độ che phủ lấp đầy khe nứt phụ thuộc vào độ phân tán kích thước hạt dung dịch nhũ tương/huyền phù Ngoài ảnh hưởng độ phân tán hạt dung dịch, số nguyên nhân khác ảnh hưởng đến lớp phủ bề mặt va chạm, ma sát hạt, trình nung để loại trừ dung môi dư, thêu kết tạo lớp màng bền vững làm lớp phủ không đồng MS: T75-2008 TH: Nguyễn Quỳnh Mai 40 NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO LỚP PHIM TIO2 & ỨNG DỤNG TRONG XỬ LÝ PHENOL & VSV 6.2 HIỆU QUẢ XỬ LÝ CỦA LỚP PHIM TIO2 ĐỐI VỚI PHENOL 6.2.1 Hiệu xử lý điều kiện chiếu tia UV-A (phut) Hình 6.4 Hiệu xử lý phenol lớp phim TiO2 điều kiện chiếu tia UV-A Từ hình 6.4 cho thấy, không sử dụng kết hợp với ánh sáng, chất xúc tác TiO2 dạng màng mỏng có khả xử lý phần phenol dung dịch nguyên nhân trình khuấy trộn, có phần phenol có dung dịch hấp phụ lên bề mặt vật liệu xúc tác Ngoài ra, từ thực nghiệm cho thấy, sau thời gian khoảng 40 phút khuấy trộn bóng tối, mẫu vật liệu đạt đến khả hấp phụ bão hoà lượng phenol nước; sau thời gian này, lượng hấp phụ không thay đổi Hình 6.4 cho thấy, không xử dụng vật liệu xúc tác quang, thân tia UV-A có khả xử lý phần nhỏ phenol nước (2,4% 2h) Đồng thời, tia UV-A từ đèn với tổng công suất 30W kết hợp với chất xúc tác TiO2 có khả xử lý 15,63% nồng độ phenol thời gian MS: T75-2008 TH: Nguyễn Quỳnh Mai 41 NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO LỚP PHIM TIO2 & ỨNG DỤNG TRONG XỬ LÝ PHENOL & VSV 6.2.1 Hiệu xử lý điều kiện ánh sáng mặt trời tự nhiên : (phut) Hình 6.5 Hiệu xử lý phenol lớp phim TiO2 ánh sáng mặt trời tự nhiên Hình 6.5 cho thấy thân ánh sáng mặt trời tự nhiên có khả xử lý phần phenol nước khí kết hợp với chất xúc tác TiO2 cho kết xử lý cao (42,19% so với 3,9%) Ngoài hình 6.4 hình 6.5 cho thấy với lượng xúc tác sử dụng thời lượng chiếu sáng mẫu cho tiếp xúc với ánh sáng mặt trời tự nhiên cho hiệu xử lý cao nhanh so với mẫu chiếu sáng đèn UV-A Nguyên nhân dẫn đến gia tăng hiệu xử lý cường độ xạ UV-A ánh sáng mặt trời thời điểm thí nghiệm cao so với xạ 30W 02 đèn UV-A sử dụng MS: T75-2008 TH: Nguyễn Quỳnh Mai 42 NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO LỚP PHIM TIO2 & ỨNG DỤNG TRONG XỬ LÝ PHENOL & VSV 6.3 HIỆU QUẢ XỬ LÝ CỦA LỚP PHIM TIO2 ĐỐI VỚI VI KHUẨN E-Coli 6.3.1 Hiệu xử lý điều kiện chiếu tia UV-A Hình 6.6 Hiệu xử lý E-coli lớp phim TiO2 điều kiện chiếu tia UV-A Hình 6.6 thể hiệu xử lý E coli mẫu vật liệu TiO2 phủ hạt alummino silicate hai mẫu trắng: mẫu chạy điều kiện chất xúc tác quang mà có đèn UV, mẫu chạy bóng tối với chất xúc tác quang Kết từ hình 6.6 cho thấy: mẫu chạy với chất xúc tác quang TiO2 bóng tối, khả tiêu diệt vi khuẩn E coli, đường hiệu xử lý gần không thay đổi, chứng tỏ hấp phụ E coli bột TiO2 hay thành vách bình phản ứng Đối với mẫu chạy chất xúc tác quang mà có chiếu sáng đèn UV – A, kết có khả quan hơn, thể đặc tính khử trùng tia UV, nhiên hiệu xử lý thấp nhiều so với mẫu có chất xúc tác quang chiếu sáng tia UV – A có 9,3% lượng vi khuẩn bị tiêu diệt sau khoảng thời gian 120 phút MS: T75-2008 TH: Nguyễn Quỳnh Mai 43 NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO LỚP PHIM TIO2 & ỨNG DỤNG TRONG XỬ LÝ PHENOL & VSV Đối với mẫu chạy với chất xúc tác quang, sau 120 phút phản ứng, hiệu xử lý đạt mức gần tuyệt đối 92,35%, thể hoạt tính khử trùng cao trình xúc tác quang 6.3.2 Hiệu xử lý điều kiện ánh sáng mặt trời tự nhiên Hình 6.7 Hiệu xử lý E-coli lớp phim TiO2 ánh sáng mặt trời tự nhiên Hình 6.7 thể hiệu xử lý E coli mẫu vật liệu TiO2 phủ hạ alummino silicate mẫu trắng chạy điều kiện chất xúc tác quang mà có chiếu sáng ánh sáng mặt trời Kết từ hình 6.7 thể mẫu chất xúc tác quang chạy điều kiện ánh sáng mặt trời, ngày quang mây, khoảng từ 11 – 13 hàng ngày có hiệu xúc tác cao hẳn, gấp 9,51 lần so với mẫu chất xúc tác quang chạy chiếu đèn UV – A (88,47% so với 9,3%) Đối với mẫu chạy với chất xúc tác quang, sau 120 phút phản ứng, điều kiện chạy ánh sáng mặt trời tự nhiên, hiệu xử lý cao hẳn so với chạy đèn UV – A MS: T75-2008 TH: Nguyễn Quỳnh Mai 44 NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO LỚP PHIM TIO2 & ỨNG DỤNG TRONG XỬ LÝ PHENOL & VSV Nguyên nhân lý giải cho kết cường độ xạ UV-A ánh sáng mặt trời tự nhiên thời điểm thí nghiệm cao so với cường độ xạ 30W 02 đèn UV-A sử dụng 6.4 KHẢO SÁT ĐỘ BỀN CỦA LỚP MÀNG PHỦ 6.4.1 Đánh giả độ bền phương pháp khối lượng Để đánh giá độ bền độ bám dính lớp phủ TiO2 hạt silicate điều kiện thí nghiệm, phương pháp thực xác định lại khối lượng vật liệu sau lần thí nghiệm Từng khối lượng xác định trước hạt phủ lớp vật liệu TiO2 sử dụng cho thí nghiệm xử lý phenol E-coli điều kiện chiếu tia UV-A ánh sáng mặt trời mô hình xử lý mô tả chương 5, sau lần kết thúc thí nghiệm, rửa nhiều lần nước cất sấy khô 105oC giờ, nung 550oC sau cân khối lượng để đánh giá tổn thất khối lượng Các thí nghiệm thực lần kết thí nghiệm trình bày bảng 6.5 Bảng 6.5 Tỷ lệ thất thoát khối lượng vật liệu xúc tác hạt sau lần thí nghiệm Thí nghiệm Mẫu Khối lượng hạt (g) Tỷ lệ thất Tỷ lệ thất thoát trung bình (%) Ban đầu Sau thí nghiệm thoát (%) Lần 30,0000 29,9452 0,18 Lần 30,0000 29,9345 0,22 Lần 30,0000 29,9517 0,16 Lần 30,0000 29,9462 0,18 Lần 30,0000 29,9613 0,13 Lần 30,0000 29,9445 0.19 Lần 30,0000 29,9472 0,18 Lần 30,0000 29,9530 0,16 Lần 30,0000 29,9400 0,20 0,19 0,17 0,18 Từ kết bảng 4.3 cho thấy, sau lần thí nghiệm có tượng thất thoát bớt khối lượng vật liệu bám hạt silica Nguyên nhân va chạm, ma sát trình xử MS: T75-2008 TH: Nguyễn Quỳnh Mai 45 NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO LỚP PHIM TIO2 & ỨNG DỤNG TRONG XỬ LÝ PHENOL & VSV lý Tuy nhiên, tỷ lệ hao hụt trung bình sau lần thí nghiệm dao động khoảng từ 0,17% đến 0,19% Như vậy, lượng thất thoát không đáng kể dự báo không ảnh hưởng lớn đến hiệu xử lý hạt phủ vật liệu xúc tác TiO2 6.4.2 Đánh giả độ bền thông qua hiệu xử lý Hình 6.8 Hiệu xử lý lớp màng TiO2 phủ hạt silicate tác nhân oxy hóa ánh sáng mặt trời tự nhiên Một hướng khác đánh giá khả tái sử dụng vật liệu xúc tác thông qua hiệu xử lý Một ví dụ điển hình đánh giá hiệu xử lý thực hình 6.9 Theo hình 6.9, hiệu xử lý giảm khoảng 5% cho lần tái sử dụng Thông qua giá trị Ta xác định ngưỡng cần thiết cho việc sử dụng thay xúc tác Giá trị 5% kiểm tra có giá trị tương tự với mẫu vật liệu chất mang khác Kết đánh giá cuối việc xử lý hiệu xử lý Việc đánh giá qua độ tổn thất khối lượng chưa thể hoàn toàn việc sử dụng xúc tác Khi nồng độ chất ô nhiễm đủ cao việc xúc tác bị tác dụng hay bị đầu độc thời gian ngắn thời gian dự tính điều hoàn toàn xảy Nhờ việc hiệu xử lý trình bày ta đề nghị MS: T75-2008 TH: Nguyễn Quỳnh Mai 46 NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO LỚP PHIM TIO2 & ỨNG DỤNG TRONG XỬ LÝ PHENOL & VSV thời gian sử dụng xúc tác hợp lý tái sinh xúc tác cần thiết để tái sử dụng xúc tác Để việc sử dụng vật liệu hiệu quả, ta cần kết hợp yếu tố MS: T75-2008 TH: Nguyễn Quỳnh Mai 47 NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO LỚP PHIM TIO2 & ỨNG DỤNG TRONG XỬ LÝ PHENOL & VSV KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ KẾT LUẬN Trên sở kết nghiên cứu đề tài, đưa số kết luận sau: Nghiên cứu thực tương đối tốt trình điều chế vật liệu xúc tác quang TiO2 phương pháp sol-gel Việc ứng dụng vật liệu TiO2 dạng màng mỏng phủ lên vật mang hạt silicate xử lý phenol vi khuẩn E-coli điều kiện chiếu sáng tự nhiên nhân tạo đạt hiệu xử lý cao KIẾN NGHỊ Để tiếp tục phát triển kết nghiên cứu đạt đề tài này, tác giả đề xuất hướng nghiên cứu sau: Nghiên cứu bổ sung số chất khác vào hợp chất TiO2 như: SiO2, kim loại (Pt, Au, Ag, Fe, Cu ) hay phi kim (F, S, C, Cl…) nhằm thay đổi số đặc trưng cấu trúc tinh thể nâng cao hoạt tính xúc tác quang vật liệu Nghiên cứu phủ lớp TiO2 lên vật mang khác (sợi thuỷ tinh, kính, gạch men, …) để dễ dàng thu hồi vật liệu xúc tác nâng cao hiệu xử lý phạm vi ứng dụng vật liệu Nghiên cứu triển khai thử nghiệm trình xúc tác quang vật liệu TiO2 đề tài nghiên cứu số nguồn nước ô nhiễm thực MS: T75-2008 TH: Nguyễn Quỳnh Mai 48 NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO LỚP PHIM TIO2 & ỨNG DỤNG TRONG XỬ LÝ PHENOL & VSV TÀI LIỆU THAM KHẢO Carey J.H (1992), “An introdution to AOP for destruction of organics in wastewater”, Water Pollut.Res.J.Can., 27, pp.1-21 Parsons S (2004), Advanced Oxidation Processes for Water and Wastewater Treatment, IWA Publishing, London, UK, pp.1-4 Techcommentary: Advanced Oxidation Processes for Treatment of Industrial Wastewater, An EPRI Community Environmental Center Publ No 1, 1996 [Renin M (2001) “Advanced Oxidation Processes - Current Status And Prospects”, Proc Estonian Acad Sci.Chem., 50 (2), pp.59-80 Trần Mạnh Trí, Trần Mạnh Trung, Các trình oxi hoá nâng cao xử lý nước nước thải , NXB Khoa học Kỹ thuật, 2006 Lưu Cẩm Lộc (2001), Giáo trình Hóa lý xúc tác, Viện Công nghệ Hóa học, Thành Phố Hồ Chí Minh The-Vinh Nguyen, O-Bong Yang, Photoresponse and AC impedance characterization of TiO2-SiO2 mixed oxide for photocatalic water decomposition, Catalysis Today 87, 69-75, (2003) The-Vinh Nguyen, Hyun-Cheol Lee, O-Bong Yang, The effect of prethermal treatment of TiO2nano-particles on the performances of dye-sensitized solar cells, Solar Energy Materials & Solar Cells 90, 967–981, (2006) The-Vinh Nguyen, SungSik Kim, O-Bong Yang, Water decomposition on TiO2–SiO2 and RuS2/TiO2–SiO2 photocatalysts: the effect of electronic characteristics, Catalysis Communications 5, 59–62, (2004) 10 Nguyễn Văn Dũng, Nguyễn Nhu Liễu, Nguyễn Hữu Trí, Trần Trí Luân: Nghiên cứu điều chế vật liệu xúc tác quang hoá TiO2 từ sa khoáng illmenite Việt Nam Báo cáo Hội nghị Hoá học toàn quốc lần thứ IV, Hà Nội, 2003 11 Nguyễn Văn Dũng, Hoàng Hải Phong, Phạm Thuý Loan, Cao Thế Hà, Đào Văn Lượng: Nghiên cứu điều chế vật liệu xúc tác quang hoá TiO2 từ sa khoáng illmenite , Science and Technology Development, Vol.8, No 9-2005 MS: T75-2008 TH: Nguyễn Quỳnh Mai 49 S K L 0 [...]... được nghiên cứu để xử lý phenol; tuy nhiên các nghiên cứu chủ yếu thực hiện trong phòng thí nghiệm, trên một số dạng của hợp chất xúc tác quang và chưa được triển khai áp dụng trong thực tế MS: T75-2008 TH: Nguyễn Quỳnh Mai 20 NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO LỚP PHIM TIO2 & ỨNG DỤNG TRONG XỬ LÝ PHENOL & VSV CHƯƠNG 4 TỔNG QUAN VỀ VI SINH VẬT VÀ TÌNH TRẠNG Ô NHIỄM VI SINH VẬT TRONG NƯỚC 4.1 KHÁI QUÁT VỀ CÁC VI SINH VẬT... hydroxyl (-OH) và carbon còn tồn tại trong sản phẩm - Dung dịch hữu cơ sử dụng trong quá trình chế tạo có thể rất nguy hiểm - Thời gian chế tạo lâu MS: T75-2008 TH: Nguyễn Quỳnh Mai 18 NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO LỚP PHIM TIO2 & ỨNG DỤNG TRONG XỬ LÝ PHENOL & VSV CHƯƠNG 3 TỔNG QUAN VỀ PHENOL VÀ TÌNH TRẠNG Ô NHIỄM PHENOL TRONG NƯỚC 3.1 GIỚI THIỆU VỀ PHENOL 3.1.1 Cấu tạo và tính chất của phenol Phenol là một loại... loài động vật khi tiếp xúc với phenol Chính vì vậy, phenol có tác động rất lớn đến môi trường Tình trạng ô nhiễm phenol trong không khí, nước thải và trong đất có thể gây ảnh hưởng đến hệ sinh thái và ở hàm lượng cao có thể tiêu diệt toàn bộ hệ sinh thái MS: T75-2008 TH: Nguyễn Quỳnh Mai 19 NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO LỚP PHIM TIO2 & ỨNG DỤNG TRONG XỬ LÝ PHENOL & VSV 3.1.3 Nguồn gốc ô nhiễm phenol trong nước Nguồn... bệnh: vài giờ – 5 ngày Leptospira MS: T75-2008 TH: Nguyễn Quỳnh Mai Nhiễm Phân tán vi khuẩn trong máu người Từ súc vật tới 21 NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO LỚP PHIM TIO2 & ỨNG DỤNG TRONG XỬ LÝ PHENOL & VSV Leptospira bệnh, nhiễm trùng thận và hệ thần kinh người khi tiếp trung ương xúc với nước bị ô nhiễm Vi m dạ dày ruột E coli Tiêu chảy nước, nôn ói, đau quặn bụng, Từ nguồn nhiễm mất nước phân 4.1.2 Virus Virus... Nguyễn Quỳnh Mai 28 NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO LỚP PHIM TIO2 & ỨNG DỤNG TRONG XỬ LÝ PHENOL & VSV CHƯƠNG 5 THỰC NGHIỆM 5.1 THÍ NGHIỆM ĐIỀU CHẾ SOL-GEL TiO2 Trong quá trình thực hiện nghiên cứu, các sản phẩm TiO2 đều được điều chế bằng phương pháp sol-gel với tiền chất của Ti là alkoxide kim loại 5.1.1 Hoá chất thí nghiệm Các hoá chất phục vụ cho vi c điều chế vật liệu TiO2 trong nghiên cứu bao gồm: • Tetra-isopropyl... dài trong 2 giờ * Thu mẫu phân tích MS: T75-2008 TH: Nguyễn Quỳnh Mai 34 NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO LỚP PHIM TIO2 & ỨNG DỤNG TRONG XỬ LÝ PHENOL & VSV Định kỳ 20 phút, dùng pipet lấy 5ml mẫu nước trong bình phản ứng phục vụ phân tích hàm lượng phenol bằng phương pháp đo mật độ quang trên mày UV-Vis b) Thí nghiệm xử lý phenol sử dụng ánh sáng mặt trời Trong thí nghiệm này, toàn bộ quy trình và thiết bị dụng. .. nhiệt độ sinh trưởng từ 10 – 47,5ºC MS: T75-2008 TH: Nguyễn Quỳnh Mai 22 NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO LỚP PHIM TIO2 & ỨNG DỤNG TRONG XỬ LÝ PHENOL & VSV Trong số các E coli, có nhiều chủng không gây bệnh, được tìm thấy trong đường tiêu hóa người và động vật máu nóng Bên cạnh đó, có các chủng E coli sinh ra độc tố gây vi m dạ dày, ruột, gây tiêu chảy, đau quặn bụng E coli được xem là một trong những vi sinh vật chỉ... Virus là vi sinh vật được tạo thành từ một loại acid nucleic: hoặc AND, hoặc ARN và được bảo vệ bằng một lớp màng protein Tất cả các loại virus đều sống kí sinh trên cơ thể vật chủ Các virus kí sinh trên người hoặc trên các loài động vật, thực vật, vi sinh vật có ích đối với người là các virus có hại, ngược lại, các virus kí sinh trên các côn trùng và các động vật có hại, cỏ dại và các thực vật khác... Quỳnh Mai 33 NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO LỚP PHIM TIO2 & ỨNG DỤNG TRONG XỬ LÝ PHENOL & VSV Đèn UV-A Thùng chứa mica Ống dẫn nước làm mát Bình phản ứng Nước làm mát Máy khuấy từ Hình 5.5 Sơ đồ thiết bị phản ứng đánh giá hiệu quả xử lý phenol của vật liệu TiO2 5.2.3 Quy trình thí nghiệm và thu mẫu phân tích a) Thí nghiệm xử lý phenol sử dụng nguồn sáng UV-A * Chuẩn bị mẫu Mẫu nước thử nghiệm được chuẩn bị tại phòng... Quỳnh Mai 14 NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO LỚP PHIM TIO2 & ỨNG DỤNG TRONG XỬ LÝ PHENOL & VSV Lượng nước này thường được đánh giá dựa trên tỉ lệ R (2.5) Tỉ lệ R càng lớn nghĩa là lượng nước tham gia phản ứng thuỷ phân – ngưng tụ càng nhiều, phản ứng thuỷ phân – ngưng tụ xảy ra càng nhanh, dễ tạo kết tủa M(OH)n trong dung dịch Trong phạm vi của luận văn này tỉ lệ R được áp dụng là 4 để đảm bảo toàn bộ Ti và Si tham