Nghiên cứu chế tạo vật liệu nano tio2 phủ trên bông thạch anh để phân hủy một số chất độc hại trong môi trường không khí

ĐINH THỊ THÚY HẰNG BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - Đinh Thị Thúy Hằng CÔNG NGHỆ MÔI TRƯỜNG NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU NANO TiO2 PHỦ TRÊN BÔNG THẠCH ANH ĐỂ PHÂN HỦY MỘT SỐ CHẤT ĐỘC HẠI TRONG MÔI TRƯỜNG KHÔNG KHÍ LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ MÔI TRƯỜNG KHOÁ 2009 Hà Nội – Năm 2011 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đề tài luận văn thạc sỹ khoa học: “Nghiên cứu chế tạo vật liệu nano TiO2 phủ thạch anh để phân hủy số chất độc hại môi trường không khí” thực với hướng dẫn TS Nguyễn Thị Huệ Đây chép cá nhân, tổ chức Các số liệu, nguồn thông tin Luận văn điều tra, trích dẫn, triển khai thực nghiệm, tính toán đánh giá Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm nội dung mà trình bày Luận văn Hà Nội, ngày 15 tháng năm 2011 HỌC VIÊN Đinh Thị Thúy Hằng ĐINH THỊ THÚY HẰNG - CAO HỌC CÔNG NGHỆ MÔI TRƯỜNG - KHÓA 2009 Đề tài “Nghiên cứu chế tạo vật liệu Nano TiO2 phủ thạch anh để phân hủy chất độc hại môi trường không khí” LỜI CẢM ƠN Tôi xin bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc tới Tiến Sĩ Nguyễn Thị Huệ - Viện phó Viện Công nghệ môi trường, Trưởng phòng phân tích Chất lượng Môi trường Viện Công nghệ môi trường - Viện Khoa học Công nghệ Việt Nam hướng dẫn tận tình, chu đáo tạo điều kiện tốt cho hoàn thành khóa luận tốt nghiệp Tôi chân thành cảm ơn tập thể cán phòng phân tích Chất lượng Môi trường Viện Công nghệ môi trường - Viện Khoa học Công nghệ Việt Nam tạo điều kiện thuận lợi giúp đỡ trình làm thực nghiệm Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới toàn thể thầy cô giáo Viện Khoa học Công nghệ Môi trường, trường Đại học Bách khoa Hà Nội trang bị cho kiến thức bổ ích, thiết thực nhiệt tình, ân cần dạy bảo năm vừa qua Tôi xin chân thành cảm ơn Viện đào tạo Sau đại học tạo điều kiện thuận lợi cho trình học tập, nghiên cứu hoàn thành Luận văn Cuối cùng, xin cảm ơn đến gia đình bạn bè động viên, giúp đỡ trình học tập làm Luận văn Hà Nội, ngày 15 tháng năm 2011 HỌC VIÊN Đinh Thị Thuý Hằng -2- ĐINH THỊ THÚY HẰNG - CAO HỌC CÔNG NGHỆ MÔI TRƯỜNG - KHÓA 2009 Đề tài “Nghiên cứu chế tạo vật liệu Nano TiO2 phủ thạch anh để phân hủy chất độc hại môi trường không khí” MỤC LỤC MỤC LỤC 3  DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT .5  DANH MỤC BẢNG 6  DANH MỤC HÌNH 7  MỞ ĐẦU 9  Chương – TỔNG QUAN .11  1.1 Tình hình ô nhiễm benzen, toluen, xylen môi trường không khí 11  1.1.1 Benzen, toluen, xylen (BTX) số tính chất 11  1.1.2 Nồng độ hợp chất BTX môi trường không khí 14  1.1.3 Tình hình phát thải hợp chất BTX vào môi trường không khí 16  1.2 Các giải pháp giảm thiểu ô nhiễm môi trường không khí 18  1.3 Vật liệu TiO2 số ứng dụng 20  1.3.1 Cấu trúc vật liệu TiO2 .20  1.3.2 Cơ chế xúc tác quang hóa TiO2 .23  1.3.3 Ứng dụng TiO2 xử lý môi trường 27  1.3.4 Nguyên lý hoạt động màng lọc quang xúc tác TiO2 30  1.4 Các phương pháp tạo vật liệu TiO2 32  1.4.1 Phương pháp phủ quay 32  1.4.2 Phương pháp phủ phun áp lực cao 32  1.4.3 Phương pháp sol - gel 33  1.5 Phương pháp phân tích benzen, toluen xylen (BTX) 42  1.5.1 Xác định hợp chất BTX phương pháp sắc ký khí 42  1.5.2 Xác định hợp chất BTX sắc ký khí ghép nối khối phổ (GC/MS) 43  1.6 Phương pháp xác định cấu trúc lớp phủ 45  1.6.1 Phương pháp quét vi điện tử (SEM) 45  1.6.2 Phương pháp nhiễu xạ tia X (X-Ray diffraction – XRD) 46  Chương – THỰC NGHIỆM 47  2.1 Đối tượng phạm vi nghiên cứu 47  2.2 Hóa chất, dụng cụ thiết bị 47  2.2.1 Hóa chất 47  2.2.2 Dụng cụ 47  2.2.3 Thiết bị 49  -3- ĐINH THỊ THÚY HẰNG - CAO HỌC CÔNG NGHỆ MÔI TRƯỜNG - KHÓA 2009 Đề tài “Nghiên cứu chế tạo vật liệu Nano TiO2 phủ thạch anh để phân hủy chất độc hại môi trường không khí” 2.3 Phương pháp nghiên cứu 52  2.3.1 Phương pháp nghiên cứu tài liệu .52  2.3.2 Phương pháp nghiên cứu chế tạo vật liệu nano TiO2/SiO2 52  2.3.3 Phương pháp tạo khí xác định nồng độ benzen, toluen, xylen 54  2.3.4 Phương pháp xác định cấu trúc vật liệu 55  Chương – KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 56  3.1 Kết nghiên cứu trình chế tạo vật liệu TiO2/SiO2 56  3.1.1 Nghiên cứu trình pha chế dung dịch sol TiO2 56  3.1.2 Nghiên cứu trình chế tạo vật liệu nano TiO2 phủ thạch anh 56  3.2 Kết xác định cấu trúc lớp phủ TiO2 57  3.2.1 Khảo sát cấu trúc loại vật liệu 57  3.2.2 Khảo sát chiều dày lớp phủ TiO2 loại vật liệu 59  3.3 Kết đánh giá khả xử lý hợp chất BTX vật liệu .60  3.3.1 Kết đánh giá khả xử lý benzen .60  3.3.2 Kết đánh giá khả xử lý toluen 65  3.3.3 Kết đánh giá khả xử lý xylen 66  3.3.4 Kết đánh giá khả xử lý tổng hợp BTX không khí 67  3.4 Đánh giá độ bền vật liệu 68  3.5 Nghiên cứu, chế tạo thiết bị xử lý khí sử dụng vật liệu lọc nano TiO2/SiO2 69  3.5.1 Thiết kế, chế tạo lọc khí chủ động quang xúc tác .69  3.5.2 Thiết kế, chế tạo thiết bị lọc khí sử dụng màng lọc TiO2/SiO2 .71  3.5.3 Nghiên cứu, đánh giá thử nghiệm thiết bị lọc khí quang xúc tác 73  KẾT LUẬN .75  TÀI LIỆU THAM KHẢO .76  -4- ĐINH THỊ THÚY HẰNG - CAO HỌC CÔNG NGHỆ MÔI TRƯỜNG - KHÓA 2009 Đề tài “Nghiên cứu chế tạo vật liệu Nano TiO2 phủ thạch anh để phân hủy chất độc hại môi trường không khí” DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT BTX : Benzen, Toluen, Xylen US EPA : Cục Bảo vệ môi trường Mỹ VC : Vùng hóa trị CB : Vùng dẫn VOCs (Volatile Organic compounds): Các hợp chất hữu bay -5- ĐINH THỊ THÚY HẰNG - CAO HỌC CÔNG NGHỆ MÔI TRƯỜNG - KHÓA 2009 Đề tài “Nghiên cứu chế tạo vật liệu Nano TiO2 phủ thạch anh để phân hủy chất độc hại môi trường không khí” DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1 Lượng phát thải BTX Anh, 2003 .18  Bảng 1.2 Tốc độ phản ứng thủy phân phụ thuộc vào độ âm điện χ, N số phối trí cực đại nguyên tử kim loại 38  Bảng 1.3 Tốc độ phản ứng thủy phân phụ thuộc nhóm alkyl 39  Bảng 3.1 Đặc tính kỹ thuật thiết bị làm không khí 71  Bảng 3.2 Kết nghiên cứu thử nghiệm thiết bị lọc khí .73  -6- ĐINH THỊ THÚY HẰNG - CAO HỌC CÔNG NGHỆ MÔI TRƯỜNG - KHÓA 2009 Đề tài “Nghiên cứu chế tạo vật liệu Nano TiO2 phủ thạch anh để phân hủy chất độc hại môi trường không khí” DANH MỤC HÌNH Hình 1.1 Cấu trúc tinh thể số dạng hợp chất TiO2 .21  Hình 1.2 Cơ chế quang xúc tác TiO2 23  Hình 1.3 Quá trình phản ứng hạt nano TiO2 .23  Hình 1.4 Nguyên lý xử lý ô nhiễm màng lọc quang xúc tác .32  Hinh 1.5 Phương pháp phủ quay 32  Hình 1.6 Phương pháp phủ phun áp lực cao 33  Hình 1.7 Quy trình điều chế TiO2 dạng màng phương pháp sol - gel 41  Hình 1.8 Sơ đồ thiết bị GC/MS 44  Hình 1.9 Nguyên tắc hoạt động kính hiển vi điện tử quét S-4800 45  Hình 1.10 Sơ đồ nhiễu xạ tia X từ số hữu hạn mặt phẳng 46  Hình 2.1 Vật liệu thạch anh trước phun phủ 48  Hình 2.2 Vật liệu thạch anh phun sol TiO2 48  Hình 2.3 Giá để kẹp mẫu 48  Hình 2.4 Giá sau kẹp mẫu vật liệu 48  Hình 2.5 Kính hiển vi điện tử quét (SEM) .50  Hình 2.6 Buồng thử nghiệm (testbox) 50  Hình 2.7 Cấu tạo buồng thử nghiệm 50  Hình 2.8 Dung dịch TiO2 nano điều chế để tẩm phủ lên thạch anh 53  Hình 2.9 Quy trình tẩm phủ nano TiO2 lên thạch anh 54  Hình 3.1 Giản đồ XRD thạch anh (SiO2) 57  Hình 3.2 Giản đồ XRD vật liệu tự chế tạo - HP1 58  Hình 3.3 Giản đồ XRD vật liệu so sánh - HP2 58  Hình 3.4 Ảnh SEM mẫu vật liệu TiO2/SiO2 - P25 (mẫu HP1)(trái) mẫu vật liệu TiO2/SiO2 (mẫu HP2, phải) .59  Hình 3.5 Mẫu TiO2/SiO2 sau lần tẩm phủ đề tài (A); mẫu đối chứng (B) chiều dày lớp phủ mẫu đề tài (C) .59  Hình 3.6 Nồng độ benzen theo thời gian ổn định 61  Hình 3.7 Ảnh hưởng thời gian chiếu sáng thời gian ổn định môi trường đến trình phân hủy benzen 62  Hình 3.8 Nồng độ benzen biến thiên theo tỷ lệ vật liệu cường độ ánh sáng khác 63  Hình 3.9 Hiệu suất xử lý benzen khoảng nồng độ thấp (40 ug/m3) 64  -7- ĐINH THỊ THÚY HẰNG - CAO HỌC CÔNG NGHỆ MÔI TRƯỜNG - KHÓA 2009 Đề tài “Nghiên cứu chế tạo vật liệu Nano TiO2 phủ thạch anh để phân hủy chất độc hại môi trường không khí” Hình 3.10 Nồng độ Benzen biến thiên theo thời gian chiếu sáng nguồn UV365nm 65  Hình 3.11 Nồng độ Toluen biến thiên theo thời gian xử lý .66  Hình 3.12 Nồng độ xylen biến thiên theo thời gian xử lý 67  Hình 3.13 Hiệu xử lý hỗn hợp BTX testbox 68  Hình 3.14 Màng lọc quang xúc tác TiO2/SiO2 (a) lớp lọc thô (b) .69  Hình 3.15 Mô hình thiết bị làm không khí sử dụng màng lọc TiO2/SiO2 .70  Hình 3.16 Ảnh vỏ đèn UV lọc chủ động .70  Hình 3.17 Ảnh quạt đối lưu lọc chủ động 70  Hình 3.18 Lưu đồ khối hệ thống điều khiển thông minh .72  Hình 3.19 Sơ đồ mạch nguyên lý điều hòa trung tâm cho lọc khí .72  Hình 3.20 Mô thiết kế thiết bị ảnh thiết bị chế tạo .73  Hình 3.21 Khả xử lí BTX thiết bị với màng lọc TiO2/SiO2 74  -8- ĐINH THỊ THÚY HẰNG - CAO HỌC CÔNG NGHỆ MÔI TRƯỜNG - KHÓA 2009 Đề tài “Nghiên cứu chế tạo vật liệu Nano TiO2 phủ thạch anh để phân hủy chất độc hại môi trường không khí” MỞ ĐẦU Môi trường không khí có ảnh hưởng trực tiếp đến sức khỏe người, việc bảo vệ môi trường không khí không bị ô nhiễm, tránh khỏi tác động xấu bảo vệ người Hiện nay, môi trường không khí tồn nhiều hoá chất độc hại khó xử lý phương pháp cổ điển thông thường Vì vậy, kỹ thuật sử dụng công nghệ cao nhanh chóng nghiên cứu áp dụng Việt Nam trình oxy hóa tiên tiến AOP (Advanced oxydation process) Trong đó, trình oxy hoá quang hoá Titan dioxyt (TiO2) có khả phân huỷ khoáng hoá hoàn toàn chất độc hại thành sản phẩm vô CO2, H2O, … tập trung nghiên cứu công nghệ có triển vọng để làm giảm thiểu chất thải độc hại môi trường Vật liệu nano TiO2 sản xuất đại trà giới với giá thành không đắt (vài chục đô la cho 1kg sản phẩm), trang thiết bị sử dụng cho nghiên cứu chế tạo sản phẩm để xử lý ô nhiễm môi trường không đòi hỏi đắt tiền nên thực thi điều kiện thực tế Việt Nam TiO2 nano cho vật liệu quan trọng công nghệ làm không khí nhờ vào lượng ánh sáng mặt trời Việc sử dụng chất mang để tăng khả xúc tác cho TiO2 vấn đề cần thiết Các vật liệu thạch anh SiO2 có diện tích bề mặt tiếp xúc lớn, độ bền học cao dùng làm vật liệu phủ TiO2 có triển vọng cao xử lý khí thải phát tán từ hoạt động giao thông vận tải Những nghiên cứu nhằm hoàn thiện công nghệ tạo vật liệu đa chức với hoạt tính mạnh để xử lí khí thải lý đề tài cần nghiên cứu Chính vậy, luận văn đề xuất hướng nghiên cứu “Nghiên cứu chế tạo vật liệu Nano TiO2 phủ thạch anh để phân hủy chất độc hại môi trường không khí” Đề tài mang ý nghĩa thực tế nhằm nâng cao hiệu làm môi trường không khí, đặc biệt chất ô nhiễm benzen, toluen, xylen (BTX) Nội dung nghiên cứu đề tài gồm phần sau: - Tổng quan tình hình ô nhiễm BTX không khí biện pháp giảm thiểu ô nhiễm BTX thường sử dụng -9- ĐINH THỊ THÚY HẰNG - CAO HỌC CÔNG NGHỆ MÔI TRƯỜNG - KHÓA 2009 Đề tài “Nghiên cứu chế tạo vật liệu Nano TiO2 phủ thạch anh để phân hủy chất độc hại môi trường không khí” 450 vật liệu HP1 + đèn UV254nm vật liệu HP1 +2 đèn UV254nm vật liệu HP1 + đèn UV254nm 400 Nồng độ (ug/m3) 350 300 250 200 150 100 50 0 Thời gian (giờ) Hình 3.8 Nồng độ benzen biến thiên theo tỷ lệ vật liệu cường độ ánh sáng khác Biểu đồ cho thấy, nồng độ benzen testbox giảm rõ rệt tăng số lượng vật liệu xúc tác đèn Sau chiếu sáng, nồng độ benzen giảm 77,1% sử dụng đèn vật liệu; giảm 85,7% sử dụng đèn vật liệu; 94,5% sử dụng đèn vật liệu Ở khoảng nồng độ benzen từ 40 ug/m3, kết đề tài thử nghiệm cho thấy, sau liên tục chiếu sáng nguồn sáng 40W, sử dụng vật liệu, nồng độ benzen giảm từ 34,1 µg/m3 xuống 4,2 µg/m3 (đạt 87,7%) (hình 3.9) Như vậy, với điều kiện thực tế Việt Nam, vật liệu tự chế tạo xử lý ô nhiễm xuống mức cho phép theo Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia số chất độc hại môi trường không khí xung quanh QCVN 06:2009/BTNMT (trung bình 22 µg/m3 trung bình năm 10 µg/m3) - 63 - ĐINH THỊ THÚY HẰNG - CAO HỌC CÔNG NGHỆ MÔI TRƯỜNG - KHÓA 2009 Đề tài “Nghiên cứu chế tạo vật liệu Nano TiO2 phủ thạch anh để phân hủy chất độc hại môi trường không khí” 40 35 Nồng độ (ug/m3) 30 25 20 15 10 0 Thời gian (giờ) Hình 3.9 Hiệu suất xử lý benzen khoảng nồng độ thấp (40 ug/m3) 3.3.1.3 Đánh giá khả phân hủy vật liệu với nguồn sáng UV-365nm Đèn UV với bước sóng 254nm dải sóng ngắn thường sử dụng y tế diệt khuẩn khử trùng hiệu quả, việc thực trình quang hóa xảy nhanh, nhiên trình sử dụng dễ gây hại cho người tiếp xúc Ngày người hướng đến môi trường thân thiện sử dụng nguồn lượng gần với lượng mặt trời tránh tối đa ảnh hưởng tia tử ngoại đến sức khỏe người Việc lựa chọn đèn UV - 365nm tối ưu hóa sát với thực tế tác động độc hại với người Các xạ có bước sóng 365nm có sẵn ánh sáng mặt trời với tỷ lệ ÷ 6% Tiến hành trình xử lý với đèn UV - 365nm vật liệu HP1 đồng thời tiến hành thí nghiệm tương tự với vật liệu chuẩn HP2 Pháp Kết thí nghiệm thể biểu đồ sau: - 64 - ĐINH THỊ THÚY HẰNG - CAO HỌC CÔNG NGHỆ MÔI TRƯỜNG - KHÓA 2009 Đề tài “Nghiên cứu chế tạo vật liệu Nano TiO2 phủ thạch anh để phân hủy chất độc hại môi trường không khí” 450 Vật liệu HP2 400 Vật liệu HP1 Nồng độ (ug/m3) 350 300 250 200 150 100 50 0 Thời gian (giờ) Hình 3.10 Nồng độ Benzen biến thiên theo thời gian chiếu sáng nguồn UV-365nm Kết thí nghiệm với vật liệu HP1 cho thấy nồng độ benzen giảm 85,8% sau chiếu đèn UV-365nm, thấp sử dụng vật liệu HP2 chuẩn Pháp (đạt 98%) 3.3.2 Kết đánh giá khả xử lý toluen Tương tự với trình khảo sát, đánh giá khả xử lý benzen, đề tài tiến hành đánh giá khả xử lý toluen vật liệu HP1 sở so sánh với vật liệu HP2 với điều kiện thí nghiệm khảo sát benzen sau: - Bơm 0,5 µL toluen vào hệ thử nghiệm - Thời gian cho dòng khí khuếch tán: 30 phút - Sử dụng vật liệu chiếu đèn UV-365nm Kết thu thể đồ thị 3.11: - 65 - ĐINH THỊ THÚY HẰNG - CAO HỌC CÔNG NGHỆ MÔI TRƯỜNG - KHÓA 2009 Đề tài “Nghiên cứu chế tạo vật liệu Nano TiO2 phủ thạch anh để phân hủy chất độc hại môi trường không khí” 450 Vật liệu HP1 400 Vật liệu HP2 Nồng độ (ug/m3) 350 300 250 200 150 100 50 Thời gian (giờ) Hình 3.11 Nồng độ Toluen biến thiên theo thời gian xử lý Kết thí nghiệm cho thấy với vật liệu HP1, nồng độ Toluen giảm 88,1% sau chiếu đèn UV-365nm, thấp vật liệu HP2 (98,8%) 3.3.3 Kết đánh giá khả xử lý xylen Tiến hành đánh giá khả xử lý xylen vật liệu HP1 HP2 với điều kiện thí nghiệm khảo sát benzen Kết thu thể hình 3.12 - 66 - ĐINH THỊ THÚY HẰNG - CAO HỌC CÔNG NGHỆ MÔI TRƯỜNG - KHÓA 2009 Đề tài “Nghiên cứu chế tạo vật liệu Nano TiO2 phủ thạch anh để phân hủy chất độc hại môi trường không khí” 450 Vật liệu HP1 400 Vật liệu HP2 Nồng độ (ug/m3) 350 300 250 200 150 100 50 Thời gian (giờ) Hình 3.12 Nồng độ xylen biến thiên theo thời gian xử lý Kết thí nghiệm cho thấy với vật liệu HP1, nồng độ Xylen giảm 89,1% sau chiếu đèn UV-365nm, thấp khả xử lý vật liệu HP2 (98,7%) 3.3.4 Kết đánh giá khả xử lý tổng hợp BTX không khí Tiến hành đánh giá khả xử lý tổng hợp hợp chất BTX vật liệu HP1 chiếu đèn UV-365nm: - Bơm đồng thời 0,2 µL benzen, 0,2 µL toluen 0,2 µL xylen vào buồng thử nghiệm, thời gian điều kiện khác tương tự thí nghiệm Kết thu thể hình 3.13 - 67 - ĐINH THỊ THÚY HẰNG - CAO HỌC CÔNG NGHỆ MÔI TRƯỜNG - KHÓA 2009 Đề tài “Nghiên cứu chế tạo vật liệu Nano TiO2 phủ thạch anh để phân hủy chất độc hại môi trường không khí” 180 Benzene - Vật liệu HP1 Toluene - Vật liệu HP1 160 Xylene - Vật liệu HP1 Benzene - Vật liệu HP2 140 Toluene - Vật liệu HP2 Xylene - Vật liệu HP2 Nồng độ (ug/m3) 120 100 80 60 40 20 0 Thời gian (giờ) Hình 3.13 Hiệu xử lý hỗn hợp BTX testbox Kết thí nghiệm cho thấy, vật liệu HP1 có khả xử lý đồng thời hỗn hợp chất hữu (benzen, toluen, xylen) hệ thử nghiệm Sau giờ, khả xử lý đạt cao xylen (89,9%), toluen (87,5%) thấp benzen (86,5%) Hiệu xử lý benzen, toluen xylen sử dụng vật liệu HP2 tương ứng 95,2%, 96,8% 98,8% chiếu liên tục đèn UV bước sóng 365nm Như vậy, vật liệu HP1 HP2 có khả xử lý đồng thời hợp chất BTX nói chung hiệu xử lý tăng dần theo thứ tự benzen, toluen, xylen 3.4 Đánh giá độ bền vật liệu Vật liệu thạch anh tẩm phủ sol TiO2 có tính chất giòn, dễ gãy, làm tuổi thọ sử dụng vật liệu giảm Do vậy, cần thiết phải đánh giá tính bền thời gian sử dụng vật liệu Vật liệu sau sử dụng giữ giá kẹp đặt khu vực có ánh nắng mặt trời trực tiếp tiếp xúc với không khí Sau thời gian tháng lấy vật liệu đưa vào hệ thử nghiệm để xử lý tiếp Các bước thí nghiệm tiến - 68 - ĐINH THỊ THÚY HẰNG - CAO HỌC CÔNG NGHỆ MÔI TRƯỜNG - KHÓA 2009 Đề tài “Nghiên cứu chế tạo vật liệu Nano TiO2 phủ thạch anh để phân hủy chất độc hại môi trường không khí” hành tượng tự Kết thu cho thấy, vật liệu giữ khả phân huỷ hợp chất BTX sử dụng nguồn đèn 20W, bước sóng 365nm 3.5 Nghiên cứu, chế tạo thiết bị xử lý khí sử dụng vật liệu lọc nano TiO2/SiO2 Xuất phát từ nguyên lý hoạt động màng lọc quang xúc tác TiO2, màng lọc TiO2 đề tài chế tạo từ vật liệu thạch anh tẩm phủ sol TiO2 Kích thước màng lọc khác thiết bị lọc khí khác Đề tài lựa chọn thiết kế thiết bị lọc khí loại nhỏ với màng lọc làm vật liệu thạch anh phủ sol TiO2 kẹp khung lưới nhôm có kích thước 490 mm x 240 mm x10 mm (hình 3.14) (a) (b) Hình 3.14 Màng lọc quang xúc tác TiO2/SiO2 (a) lớp lọc thô (b) 3.5.1 Thiết kế, chế tạo lọc khí chủ động quang xúc tác Thiết bị thiết kế gồm màng lọc quang xúc tác, đèn UV-365nm, công suất 20W, có phận điều khiển tốc độ dòng gió vào khỏi thiết bị Vùng quang xúc tác bao gồm màng lọc TiO2 kết hợp với đèn tử ngoại Không khí sau qua vùng quang xúc tác không khí thổi theo lối thiết bị Nguyên lí xử lí chất ô nhiễm sở màng lọc quang xúc tác trình bày hình 3.15 - 69 - ĐINH THỊ THÚY HẰNG - CAO HỌC CÔNG NGHỆ MÔI TRƯỜNG - KHÓA 2009 Đề tài “Nghiên cứu chế tạo vật liệu Nano TiO2 phủ thạch anh để phân hủy chất độc hại môi trường không khí” Hình 3.15 Mô hình thiết bị làm không khí sử dụng màng lọc TiO2/SiO2 Bộ lọc khí chủ động quang xúc tác đề tài chế tạo với vỏ vật liệu inox, đèn UV công suất W quạt đối lưu Hình 3.16 Ảnh vỏ đèn UV lọc chủ động Hình 3.17 Ảnh quạt đối lưu lọc chủ động - 70 - ĐINH THỊ THÚY HẰNG - CAO HỌC CÔNG NGHỆ MÔI TRƯỜNG - KHÓA 2009 Đề tài “Nghiên cứu chế tạo vật liệu Nano TiO2 phủ thạch anh để phân hủy chất độc hại môi trường không khí” 3.5.2 Thiết kế, chế tạo thiết bị lọc khí sử dụng màng lọc TiO2/SiO2 Dựa theo nguyên lý nêu trên, đề tài thiết kế chế tạo thiết bị xử lý ô nhiễm không khí loại vừa có thông số kỹ thuật đặc tính kỹ thuật sau: Bảng 3.1 Đặc tính kỹ thuật thiết bị làm không khí Stt Thông số Đặc tính kỹ thuật Nguồn điện (V/Hz) 220 / 50 Công suất (W) < 100 Buồng lọc 03 Số đèn UV-365nm, công suất đèn 02; 8W Độ ồn làm việc (dB) < 45 Diện tích (m2) 15 ÷ 40 Trọng lượng (kg) 15 Kích thước (mm) 820 x 380 x 450 Động quạt Dạng lồng: 75W; 1150v/phút; 03 tốc độ (thấp, trung bình, cao) Các tính thông số kỹ thuật: Đèn UV: Thiết bị lọc không khí sử dụng đèn ống UV-A có bước sóng 365 nm, công suất 8W/đèn có khả khử BTX khử khuẩn, tiết kiệm lượng Thời gian sống đèn ống UV đến 20,000 nhiều Màng lọc: Kích thước dài, cao, rộng màng lọc cho thiết bị 480 x 240 x10 mm Để thiết kế thiết bị lọc khí cần có hệ điều khiển điện tử Hình 3.18 lưu đồ khối hệ thống điều khiển thông minh Mạch điện thiết bị lọc khí hoạt động dựa vào việc điều khiển vi điều khiển trung tâm, nhờ có vi điều khiển mạch điện đo hiển thị nhiệt độ môi trường, nhận giải mã tín hiệu từ điều khiển vô tuyến từ xa, điều khiển thiết bị hoạt động theo chế độ điều khiển phím bấm vỏ máy điều khiển từ xa Sơ đồ mạch nguyên lí điều hòa trung tâm cho lọc khí mô tả hình 3.19 - 71 - ĐINH THỊ THÚY HẰNG - CAO HỌC CÔNG NGHỆ MÔI TRƯỜNG - KHÓA 2009 Đề tài “Nghiên cứu chế tạo vật liệu Nano TiO2 phủ thạch anh để phân hủy chất độc hại môi trường không khí” Hình 3.18 Lưu đồ khối hệ thống điều khiển thông minh Hình 3.19 Sơ đồ mạch nguyên lý điều hòa trung tâm cho lọc khí Trên sở thông số ghi trên, thiết bị số thiết kế chế tạo với công suất tính lựa chọn phù hợp với không gian phòng 25 m2 Hình 3.20 mô thiết kế thiết bị số chế tạo - 72 - ĐINH THỊ THÚY HẰNG - CAO HỌC CÔNG NGHỆ MÔI TRƯỜNG - KHÓA 2009 Đề tài “Nghiên cứu chế tạo vật liệu Nano TiO2 phủ thạch anh để phân hủy chất độc hại môi trường không khí” Hình 3.20 Mô thiết kế thiết bị ảnh thiết bị chế tạo 3.5.3 Nghiên cứu, đánh giá thử nghiệm thiết bị lọc khí quang xúc tác Với diện tích thử nghiệm 25 m2 Thiết bị lọc khí đưa vào thử nghiệm để xử lý khí phòng bổ sung hợp chất benzen, toluen xylen Hình 3.21 bảng 3.2 cho thấy sau chạy thiết bị, nồng độ khí benzen giảm từ 28 µg/m3 xuống 9,2 µg/m3; nồng độ khí toluen giảm từ 30 µg/m3 xuống 9,0 µg/m3; nồng độ khí xylen giảm từ 25,7 µg/m3 xuống 7,3 µg/m3; Bảng 3.2 Kết nghiên cứu thử nghiệm thiết bị lọc khí TT Màng TiO2/SiO2 Thời gian xử lý (giờ) Benzen (µg/m3) Toluen (µg/m3) Xylen (µg/m3) 28,0 30 25,7 0.5 23,4 24,6 20,4 18,6 20,1 16,6 13,6 15,0 12,3 11,6 12,0 9,9 9,2 9,0 7,3 22 500 10000 QCVN 06:2009/ BTNMT - 73 - ĐINH THỊ THÚY HẰNG - CAO HỌC CÔNG NGHỆ MÔI TRƯỜNG - KHÓA 2009 Đề tài “Nghiên cứu chế tạo vật liệu Nano TiO2 phủ thạch anh để phân hủy chất độc hại môi trường không khí” 35 Benzene Toluene 30 Xylene Nồng độ (ug/m3) 25 20 15 10 0 0.5 1.5 2.5 3.5 4.5 Thời gian (giờ) Hình 3.21 Khả xử lí BTX thiết bị với màng lọc TiO2/SiO2 Như vậy, thiết bị lọc khí hoạt động có hiệu điều kiện thực tế với nồng độ chất ô nhiễm cao mức cho phép theo Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia số chất độc hại không khí xung quanh QCVN 06:2009/BTNMT Sau lọc khí thiết bị lọc khí quang xúc tác, nồng độ chất ô nhiễm giảm xuống ngưỡng cho phép theo Quy chuẩn - 74 - ĐINH THỊ THÚY HẰNG - CAO HỌC CÔNG NGHỆ MÔI TRƯỜNG - KHÓA 2009 Đề tài “Nghiên cứu chế tạo vật liệu Nano TiO2 phủ thạch anh để phân hủy chất độc hại môi trường không khí” KẾT LUẬN Qua nghiên cứu chế tạo vật liệu nano TiO2 phủ thạch anh xử lý khí BTX, đề tài thu số kết sau: Đã chế tạo thành công vật liệu TiO2 phủ sợi thạch anh (HP1) với dung dịch tẩm phủ có tỷ lệ mol TBOT: DEA: H2O: EtOH = 1:1:1: 38 Bằng phương pháp nhiễu xạ tia X, đề tài xác định cấu trúc vật liệu TiO2/SiO2 dạng tinh thể đơn Anatase có góc nhiễu xạ 25,18o tương ứng với vạch nhiễu xạ đặc trưng SiO2 trước tẩm phủ có cấu trúc vô định hình, sau tẩm phủ sol TiO2 ủ nóng có cấu trúc tinh thể Đã xác định kích thước hạt TiO2/SiO2 khoảng 25 ÷ 30nm chiều dày lớp phủ TiO2/SiO2 1um phương pháp quét vi điện tử SEM, tương đương với kích thước tinh thể anatase TiO2 vật liệu Pháp chế tạo Đánh giá khả quang xúc tác vật liệu chế tạo qua phân hủy benzen, toluen xylen khoảng nồng độ khác Tại nguồn sáng với bước sóng 254nm, sau giờ, hiệu suất xử lý benzen khoảng nồng độ 400 ug/m3 đạt 77,1% sử dụng nguồn sáng 20W, vật liệu; 85,7% sử dụng nguồn sáng 20W, vật liệu; 94,5% sử dụng nguồn sáng 40W, vật liệu Với benzen nồng độ thấp (40ug/m3), sau giờ, hiệu suất xử lý đạt 87,7% sử dụng nguồn sáng 40W vật liệu Tại nguồn sáng với bước sóng 365nm, sau giờ, sử dụng nguồn sáng 40W, vật liệu, hiệu suất xử lý benzen đạt 85,8%, toluen 88,1%, xylen 89,1% Khả xử lý tổng hợp ba khí benzen, toluen, xylen đạt tương ứng 86,5%, 87,5% 89,9% Qua thời gian thử nghiệm tháng, vật liệu không bị biến tính, cho hiệu suất phân hủy BTX không thay đổi Đã nghiên cứu, thiết kế chế tạo thiết bị lọc khí có kích thước 820 x 380 x 450mm sử dụng đèn với công suất 8W/đèn bước sóng 365nm Ở khoảng nồng độ BTX tương đương với môi trường không khí xung quanh (30ug/m3), hiệu suất phân hủy thiết bị sau đạt 67,1% benzen, 70% toluen 71,6% xylen - 75 - ĐINH THỊ THÚY HẰNG - CAO HỌC CÔNG NGHỆ MÔI TRƯỜNG - KHÓA 2009 Đề tài “Nghiên cứu chế tạo vật liệu Nano TiO2 phủ thạch anh để phân hủy chất độc hại môi trường không khí” TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Micheal Habeck (1994), Toxicological Profile for Benzene, United States Public Health Service [2] Micheal Habeck (1994), Toxicological Profile for Toluene, United States Public Health Service [3] Micheal Habeck (1995), Toxicological Profile for Xylenes, United States Public Health Service [4] D.F Ollis, H.Al.Ekabi (1993), Photocatalytic purification and treatment of water and air, Proceeding of the 1st International Conference on TiO2 [5] Lisa C, Klein (1987), Sol-gel technology for thin films, fibers, preforms, electronic and specialty shapes, Noyes publicatin, USA [6] Marutake Sangyo Ltd (2007), J AIST today [7] Nguyen Thi Hue, T.Nonami, H Taoda, E Watanabe, K Iseda, M Tazawa, M Fukaya (1998), J Mater Res Bull 33, 125 [8] P Pérez Ballesta, Fernandez-Patier, R Field, D Galán, A Baeza, I Nikolova, R Connolly, R., N Cao, E De Saeger, M Gerboles1, D Buzica, S Garcia Dos Santos, J Santamaria Ballesteros (2003), People campaign in Madrid: Assessment of outdoor, indoor and personal exposure to benzen [9] Sadeghi M, Liu W, Zhang T.G, Stavropoulos P, Levy B (1996), Role of photoinduced charge carier separation distance in heterogeneous photocatalysis oxidative degradation of CH3OH vapor in contact with Pt/TiO2 and confumea TiO2-Fe2O3, J Phys Chem., 100, pp.19466-19474 [10] T Sakamaki, H Murata and S Kogoshi (2007), NOx removal using DBD with urea solution and plasma treated TiO2 photocatalyst, Tokyo University of science [11] Th Maggo, J.G Bartzis, M Liakou, C Gobin (2007), Photocatalytic degradation of NOx gases using TiO2-containing paint, Journal of Hazardous Materials, 146, 3, 668-673 - 76 - ĐINH THỊ THÚY HẰNG - CAO HỌC CÔNG NGHỆ MÔI TRƯỜNG - KHÓA 2009 Đề tài “Nghiên cứu chế tạo vật liệu Nano TiO2 phủ thạch anh để phân hủy chất độc hại môi trường không khí” [12] Ulrike Deibold (2003), The surface science of TiO2, Surface Science report,Vol 48, 52-229 [13] Yu KP, Lee GW, Huang WM, Wu CC, Lou CL, Yang S (2006), J Air Waste Manage Assoc 56(5): 666-74 [14] Y.Nosaka, S Komori, K Yawata, T Hirakawa and A Y Nosaka (2003), Phys Chem Chem Phys 4731 [15] Luật Bảo vệ môi trường Việt Nam, 2005 [16] Thống kê Chi cục Bảo vệ môi trường TP.Hồ Chí Minh, 2007 [17] Cao Thế Hà (2006), Nghiên chế tạo xúc tác quang hóa sở bán dẫn TiO2 để xử lý chất ô nhiễm hữu cơ, Báo cáo khoa học cấp quốc gia [18] Ngô Trọng Hiền - Trần Văn Huệ - Phạm Thị Ánh (2000), Phân tích định lượng hợp chất hữu thơm dễ bay nước phương pháp headspace - GC/FID [19] Nguyễn Đình Triệu (1999), Các phương pháp vật lý ứng dụng hóa học, NXB Đại học Quốc Gia, Hà Nội [20] Nguyễn Thị Huệ (2010), Đề tài KC.08.26/06-10 "Nghiên cứu xử lý ô nhiễm không khí vật liệu sơn nano TiO2/Apatite, TiO2/Al2O3 TiO2/Bông thạch anh" [21] Trần Mạnh Trí (2005), Sử dụng lượng mặt trời thực thực trình quang xúc tác để xử lí nước nước thải công nghiệp, Tạp chí khoa học công nghệ, Tập 43, số - 77 - ... tài Nghiên cứu chế tạo vật liệu Nano TiO2 phủ thạch anh để phân hủy chất độc hại môi trường không khí MỞ ĐẦU Môi trường không khí có ảnh hưởng trực tiếp đến sức khỏe người, việc bảo vệ môi trường. .. NGHỆ MÔI TRƯỜNG - KHÓA 2009 Đề tài Nghiên cứu chế tạo vật liệu Nano TiO2 phủ thạch anh để phân hủy chất độc hại môi trường không khí 2.3 Phương pháp nghiên cứu 52  2.3.1 Phương pháp nghiên. .. 2009 Đề tài Nghiên cứu chế tạo vật liệu Nano TiO2 phủ thạch anh để phân hủy chất độc hại môi trường không khí Chương – TỔNG QUAN Ô nhiễm môi trường biến đổi thành phần môi trường không phù hợp