Sử Dụng Sơn Titan Dioxit Thế Hệ I Xử Lí Các Chất Hữu Cơ Khó Phân Hủy Trong Nước

HỌC VIỆN NÔNG NGHIỆP VIỆT NAM KHOA MÔI TRƢỜNG -  - KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP TÊN ĐỀ TÀI: SỬ DỤNG SƠN TITAN DIOXIT THẾ HỆ I XỬ LÍ CÁC CHẤT HỮU CƠ KHĨ PHÂN HỦY TRONG NƢỚC Ngƣời thực Lớp Khóa Chuyên ngành Giáo viên hƣớng dẫn Địa điểm thực tập : KIỀU CẨM NHUNG : K57MTD : 57 : Khoa học Môi trƣờng : PGS TS Nguyễn Trƣờng Sơn : Bộ mơn Hóa, Khoa Mơi trƣờng, Học viện Nơng nghiệp Việt Nam Hà Nội - 2016 LỜI CAM ĐOAN Em xin cam đoan đề tài nghiên cứu em thực Các số liệu đƣợc thu thập sơ cấp tự tiến hành phân tích Nghiên cứu kết luận nghiên cứu trình bày khóa luận chƣa đƣợc công bố nghiên cứu tài liệu khác Các đoạn trích dẫn số liệu thứ cấp sử dụng khóa luận đƣợc dẫn nguồn có độ xác cao phạm vi hiểu biết em Em xin chịu hoàn toàn trách nhiệm nghiên cứu Hà Nội, tháng năm 2016 Sinh viên Kiều Cẩm Nhung i LỜI CẢM ƠN Trong q trình thực tập hồn thành khóa luận tốt nghiệp, em nhận đƣợc nhiều quan tâm, giúp đỡ tận tình tập thể, cá nhân Trƣớc tiên, em xin chân thành cảm ơn Ban giám đốc Học viện, tồn thể thầy giáo Khoa Môi trƣờng truyền đạt cho em kiến thức chuyên sâu Đó kiến thức vơ quan trọng giúp em có sở vững vàng suốt q trình nghiên cứu nhƣ hồn thành khóa luận tốt nghiệp Với lòng biết ơn sâu sắc, em xin chân thành cảm ơn thầy PGS TS Nguyễn Trƣờng Sơn – Giảng viên Bộ mơn Hóa học – Khoa Môi trƣờng – Học viện Nông nghiệp Việt Nam tận tình hƣớng dẫn, giúp đỡ em hồn thành tốt khóa luận Em xin chân thành cảm ơn thầy cô giáo giảng dạy làm việc Bộ mơn Hóa học – Khoa Mơi trƣờng – Học viện Nông nghiệp Việt Nam tạo điều kiện giúp đỡ em trang thiết bị, hóa chất phòng thí nghiệm suốt q trình tiến hành nghiên cứu Cuối cùng, em xin bày tỏ lòng cảm ơn tới gia đình, bạn bè ngƣời bên cạnh động viên, giúp đỡ em suốt trình học tập nghiên cứu Trong trình hồn thành khóa luận này, nhiều lý chủ quan khách quan tránh khỏi thiếu sót hạn chế Em mong nhận đƣợc cảm thơng, đóng góp ý kiến nhận xét thầy cô bạn sinh viên Em xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, tháng năm 2016 Sinh viên Kiều Cẩm Nhung ii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ii MỤC LỤC iii DANH MỤC KÝ TỰ VIẾT TẮT v DANH MỤC BẢNG vi DANH MỤC HÌNH vii MỞ ĐẦU Chƣơng 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1.1 Ơ nhiễm mơi trƣờng nƣớc chất hữu 1.1.1 Ơ nhiễm mơi trƣờng nƣớc chất hữu 1.1.2 Các biện pháp xử lý ô nhiễm nƣớc chất hữu 1.2 Chất xúc tác quang TiO2 1.3 Các yếu tố ảnh hƣởng đến hiệu xúc tác quang TiO2 1.4.1 Ảnh hƣởng pH dung dịch 1.4.2 Ảnh hƣởng hàm lƣợng xúc tác 1.4.3 Ảnh hƣởng nhiệt độ 10 1.4.4 Ảnh hƣởng bƣớc sóng cƣờng độ xạ 10 1.4.5 Ảnh hƣởng nồng độ oxy hòa tan 11 1.5 Ứng dụng TiO2 thực tiễn 11 Chƣơng 2: ĐỐI TƢỢNG, PHẠM VI, NỘI DUNG VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 14 2.1 Đối tƣợng nghiên cứu 14 2.2 Phạm vi nghiên cứu 15 2.3 Nội dung nghiên cứu 15 2.4 Phƣơng pháp nghiên cứu 15 2.4.1 Phƣơng pháp thu thập số liệu thứ cấp 15 2.4.2 Phƣơng pháp thực nghiệm 15 2.4.3 Phƣơng pháp xử lý số liệu 19 iii Chƣơng 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 21 3.1 Xác định thông số ảnh hƣởng đến hiệu xử lý xanh metylen xúc tác quang dƣới ánh sáng đèn UV 21 3.1.1 Ảnh hƣởng khuấy sục khí đến phân hủy MB xúc tác quang TiO2 dƣới điều kiện đèn UV 22 3.1.2 Ảnh hƣởng nhiệt độ đến khả phân hủy MB xúc tác quang 27 3.2 Xử lý chất hữu nƣớc xúc tác quang dƣới ánh sáng mặt trời 29 3.2.1 Ảnh hƣởng cƣờng độ xạ đến tốc độ phân hủy MB 29 3.2.2 Xử lý xanh metylen xúc tác quang TiO2 dƣới ánh sáng mặt trời 31 3.2.3 Xử lý metyl da cam xúc tác quang TiO2 dƣới ánh sáng mặt trời 33 3.2.4 Xử lý 2,4-D xúc tác quang dƣới ánh sáng mặt trời 34 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 37 Kết luận 37 Kiến nghị 37 TÀI LIỆU THAM KHẢO 38 PHỤ LỤC 42 iv DANH MỤC KÝ TỰ VIẾT TẮT Từ viết tắt Diễn giải DO Hàm lƣợng oxy hòa tan nƣớc FN2 Sơn nano Titanoxit Protectan FN2 MB Metyl Blue – Xanh metylen MO Metyl Orange – Metyl da cam 2,4-D 2,4-dichlorophenoxyacetic acid TiO2 Titan Dioxit pzc Điểm đẳng điện A Độ hấp thụ quang CT Công thức h+ Lỗ trống e- Electron h1 Chiều cao bình điều áp h2 Chiều cao cột nƣớc thí nghiệm v DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1 Một số yếu tố ảnh hƣởng đến hiệu xử lý MB 5.10 -6 M TiO2 (trong 6h) Bảng 3.1 Hiệu xuất xử lý MB 5.10-6 M xúc tác quang sử dụng khuấy sục khí 24 Bảng 3.2 Quá trình xử lý MB 5.10-6 M sử dụng khuấy sục khí 25 Bảng 3.3 DO dung dịch phản ứng sử dụng sục khuấy (Đo 20,4oC) 26 Bảng 3.4 Quá trình xử lý MB 5.10-6 M xúc tác quang điều kiện nhiệt độ khác 28 Bảng 3.5 Nồng độ oxy hòa tan trình phản ứng nhiệt độ khác 29 Bảng 3.6 Ảnh hƣởng cƣờng độ xạ mặt trời tới tốc độ phân hủy MB 5.10-6M 30 Bảng 3.7 Quá trình xử lý MB 5.10-6M xúc tác quang dƣới ánh sáng mặt trời 32 Bảng 3.8 Quá trình xử lý MO 8,8.10-6 M xúc tác quang dƣới ánh sáng mặt trời 34 Bảng 3.9 Quá trình xử lý 2,4-D 1,7 ppm xúc tác quang dƣới ánh sáng mặt trời 36 vi DANH MỤC HÌNH Hình 1.1 Cơ chế phân hủy chất hữu xúc tác quang TiO2 Hình 2.1 Thay đổi tốc độ sục khí bình điều áp 17 Hình 3.1 Quá trình xử lý MB 5.10-6 M xúc tác quang sử dụng khuấy sục khí 23 Hình 3.2 Quá trình xử lý MB 5.10-6 M xúc tác quang điều kiện nhiệt độ khác 28 Hình 3.3 Tốc độ phân hủy MB phụ thuộc vào cƣờng độ ánh sáng mặt trời 31 Hình 3.4 Quá trình xử lý MB 5.10-6M xúc tác quang dƣới ánh sáng mặt trời 32 Hình 3.5 Quá trình xử lý MO 8,8.10-6 M xúc tác quang dƣới ánh sáng mặt trời 33 Hình 3.6 Quá trình xử lý 2,4-D 1,7 ppm sơn xúc tác quang dƣới ánh sáng mặt trời 35 vii MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Nƣớc thành phần thiếu sống có vai trò quan trọng hoạt động kinh tế Tuy nhiên, nƣớc lại nguồn tài nguyên có hạn phần lớn ngày bị ô nhiễm hoạt động ngƣời, đặc biệt ô nhiễm chất hữu khó phân hủy Thực tế thúc nhà khoa học tìm giải pháp xử lí làm nƣớc để phục vụ nhu cầu to lớn xã hội Trong năm gần đây, việc sử dụng xúc tác quang để giải vấn đề môi trƣờng hƣớng giành đƣợc nhiều ủng hộ tận dụng đƣợc nguồn lƣợng tự nhiên sẵn có, thân thiện với môi trƣờng mang lại hiệu tƣơng đối cao Chất xúc tác quang chất có khả kích hoạt, đẩy nhanh tốc độ phản ứng hóa học đƣợc chiếu sáng bƣớc sóng thích hợp Về khía cạnh bảo vệ mơi trƣờng, ngƣời ta quan tâm đến khả tạo q trình oxy hóa bề mặt để loại bỏ chất độc hại nhƣ hợp chất hữu hay vi khuẩn đƣợc tiếp xúc với ánh sáng chất quang xúc tác Một số chất bán dẫn thƣờng đƣợc sử dụng làm chất quang xúc tác, ZnO, TiO2, Zn2TiO2, SiO4, Fe2O3, CdS chất cho hiệu cao Đặc biệt, phản ứng quang hóa bề mặt TiO2 gây đƣợc nhiều ý TiO2 có lợi lớn nhƣ ổn định hóa học cao, bền, khơng gây độc, giá thành tƣơng đối thấp, v v Vì nay, TiO2 đƣợc quan tâm ứng dụng lĩnh vực xử lí mơi trƣờng nhƣ: diệt khuẩn, sát trùng mơi trƣờng khơng khí; xử lý chất hữu khó phân hủy môi trƣờng nƣớc… TiO2 đƣợc sử dụng dƣới dạng TiO2 100% ( hệ 1) hay kết hợp với kim loại, phi kim oxit kim loại (thế hệ 2, 3, 4) Các nghiên cứu trƣớc thƣờng đƣa TiO2 trực tiếp vào nƣớc gây tốn xúc tác phải tiến hành tách xúc tác sau q trình xử lý hồn tất Việc dùng sơn xúc tác phủ lên vật liệu rắn tạo thuận lợi cho việc tái sử dụng xúc tác mà tách lấy xúc tác sau lần phản ứng Vì vậy, đề tài “Sử dụng sơn titan dioxit hệ I xử lý chất hữu khó phân hủy nước” đƣợc triển khai Mục đích nghiên cứu: + Xác định thông số ảnh hƣởng đến hiệu suất xử lý chất hữu xúc tác quang TiO2 dƣới ánh sáng đèn UV + Xác định khả xử lý chất hữu nƣớc xúc tác quang TiO2 dƣới ánh sáng mặt trời Yêu cầu nghiên cứu: + Đƣa điều kiện phản ứng để hiệu xúc tác đạt cao + Xác định đƣợc khả xử lý chất hữu nƣớc xúc tác quang điều kiện ánh sáng mặt trời thải đƣợc thải vào sơng, hồ, biển hay vào đất Vì nƣớc có thành phần loại chất thải làm cho nƣớc khơng Các chất nhiễm nƣớc đến từ nhiều nguồn khác tính chất gây hại khác Những chất dinh dƣỡng thực vật nhƣ muối nitrat, phốt phát thƣờng bắt nguồn từ nƣớc thải sinh hoạt, phân bón dùng nơng nghiệp, chất thải từ chuồng trại chăn nuôi gia súc, nƣớc thải nhà máy đồ hộp… Các hóa chất độc hại gây ô nhiễm nƣớc đến từ q trình sản xuất cơng nghiệp, tiêu nƣớc có tính chất axit từ vùng mỏ, q trình xói mòn từ vùng mỏ khai thác lộ thiên, tai nạn tràn dầu hay rò rỉ bể chứa hóa chất … Nói chung có hàng trăm ngàn tác nhân gây nên ô nhiễm nƣớc Tuy nhiên, để thuận lợi cho việc giám sát khống chế ô nhiễm, ngƣời ta phân loại thành loại nhƣ: Các chất hữu dễ phân hủy sinh học, chất hữu khó bị phân hủy sinh học, chất vô cơ, kim loại nặng, ô nhiễm nƣớc tác nhân sinh học, nhiễm chất phóng xạ Trong đó, chất hữu khó bị phân hủy sinh học thƣờng chất hữu có độc tính cao Một số có tác dụng tích lũy tồn lƣu lâu dài môi trƣờng thể sinh vật, từ dẫn đến nhiễm lâu dài đồng thời tác hại nghiêm trọng đến hệ sinh thái Do có khả tích luỹ sinh học, nên chất thâm nhập vào chuỗi thức ăn từ vào thể ngƣời Các chất hữu khó phân hủy điển hình kể đến loại hóa chất bảo vệ thực vật nhƣ 2,4-D; 2,4,5-T, DDT; loại phẩm nhuộm axit, phẩm nhuộm bazơ; loại thuốc kháng sinh… Những chất làm mỹ quan mơi trƣờng mà ảnh hƣởng đến sức khỏe ngƣời nhiều loài sinh vật khác 1.1.2 Các biện pháp xử lý ô nhiễm nước chất hữu Ô nhiễm nƣớc vấn đề lớn cần đƣợc nhanh chóng giải mà nguồn tài nguyên nƣớc ngày cạn kiệt Vấn đề thu hút đƣợc tham gia nhiều nhà khoa học Rất nhiều phƣơng pháp đƣợc đƣa ra, số phƣơng pháp tiêu biểu để xử lý chất hữu nƣớc nhƣ sau: Phƣơng pháp phân hủy sinh học sử dụng khả sống hoạt động vi sinh vật thực vật để phân hủy hợp chất hữu có nƣớc thải Chúng sử dụng chất hữu số chất khoáng làm nguồn dinh dƣỡng tạo lƣợng Phƣơng pháp có nhiều ƣu điểm chi phí thấp, dễ thực lại thân thiện với mơi trƣờng, thực quy mơ lớn nhỏ khác nhau, tiến hành riêng kết hợp với phƣơng pháp khác để tăng cƣờng phân hủy Tuy nhiên nhƣợc điểm phƣơng pháp thời gian xử lý dài Hiện nay, phƣơng pháp sinh học đƣợc ứng dụng rộng rãi đạt đƣợc nhiều thành tựu Phƣơng pháp Fenton đƣợc đặt theo tên nhà khoa học J.H Fenton – ngƣời phát khả oxy hóa mạnh tổ hợp H2O2 muối sắt Fe2+ công bố công trình nghiên cứu ơng vào năm 1894 Tổ hợp H2O2 muối sắt Fe2+ đƣợc sử dụng làm tác nhân oxy hóa cho nhiều đối tƣợng chất hữu Nhờ ƣu bật việc loại bỏ chất ô nhiễm hữu cơ, đặc biệt chất hữu khó phân hủy mà phƣơng pháp đƣợc nhiều nhà khoa học ý phát triển Phƣơng pháp xử dụng xúc tác quang để giải vấn đề môi trƣờng hƣớng giành đƣợc nhiều ủng hộ tận dụng đƣợc nguồn lƣợng tự nhiên sẵn có, thân thiện với môi trƣờng mang lại hiệu tƣơng đối cao Các chất đƣợc sử dụng làm xúc tác quang vơ đa dạng, loại lại có nhiều ƣu nhƣợc điểm khác nhau, nhiên TiO2 tên đƣợc nghiên cứu sử dụng rộng rãi với nhiều ƣu điểm: tính chất quang xúc tác mạnh, tính bền hóa học cao, khơng gây độc, giá thành tƣơng đối thấp, v v Các nhà khoa học cho nhiều hợp chất bị phân hủy xúc tác quang hóa, bao gồm nhóm thuốc nhuộm, thuốc trừ sâu, thuốc diệt cỏ, dƣợc phẩm, mỹ phẩm, hợp chất phenolic,… Tại Việt Nam phƣơng pháp gây đƣợc ý quan tâm nhiều nhà khoa học Hoàng Hiệp cộng (2015) nghiên cứu hoạt tính số vật liệu TiO2 pha tạp oxit kim loại tỉ lệ khác khả phân hủy hợp chất thuốc bảo vệ thực vật nƣớc Lê Thị Thanh Thúy cộng (2012) tổng hợp nêu rõ đặc trƣng cấu trúc vật liệu nano titandioxit biến tính sắt cacbon đem lại ứng dụng khả quan trình phân hủy phẩm màu Rhodamine B Ngoài ra, Nguyễn Quốc Trung cộng (2010) nghiên cứu loại bỏ thành công dung môi hữu VOCs q trình xúc tác quang hóa bơng thạch anh phủ TiO2 Những nghiên cứu cho thấy khả xử lý xúc tác quang TiO2 nhiều nhóm chất hữu khác nhƣ thuốc bảo vệ thực vật, phẩm màu, dung môi hữu khơng khí, đồng thời khả tăng cƣờng hoạt tính TiO2 kết hợp với thành phần khác Gần đây, Nguyễn Lệ Thủy (2015) sử dụng sản phẩm thƣơng mại chứa TiO2 sơn nano titanoxit protectan để thử nghiệm phân hủy chất màu đồng thời xác định thông số ảnh hƣởng đến trình quang xúc tác sản phẩm Một nghiên cứu khác Hoàng Hiệp cộng (2015) cho thấy hiệu khả quan việc xử lý chất hữu khó phân hủy 2,4-D sơn xúc tác quang TiO2 Nhƣ vậy, với khả xử lý nhiều nhóm chất hữu khác ƣu điểm trội nhƣ ổn định hóa học cao, bền, khơng gây độc, giá thành tƣơng đối thấp; TiO2 hƣớng đắn xử lý ô nhiễm môi trƣờng nƣớc chất hữu 1.2 Chất xúc tác quang TiO2 TiO2 chất rắn màu trắng, đun nóng có màu vàng, làm lạnh trở lại màu trắng TiO2 có độ cứng cao, khó nóng chảy (1870 oC), khối lƣợng 79,88 g/mol có trọng lƣợng riêng 4,13–4,25g/m3 Trong tự nhiên, Titan đioxit tồn dạng tinh thể anatase, rutile brookite TiO2 chất bán dẫn, bao gồm vùng dẫn vùng hóa trị Năng lƣợng khác biệt hai mức đƣợc gọi lƣợng vùng cấm Nếu khơng có kích thích, điện tử lấp đầy vùng hóa trị, vùng dẫn trống Khi chất bán dẫn đƣợc kích thích photon với lƣợng cao mức lƣợng vùng cấm, electron hóa trị tách khỏi liên kết, chuyển lên vùng dẫn, tạo lỗ trống mang điện tích dƣơng vùng hóa trị Các lỗ trống mang tính oxy hóa mạnh có khả oxy hóa nƣớc thành OH*, nhƣ số gốc hữu khác Các electron chuyển lên vùng dẫn có khả khử O2 thành O2- Các gốc OH* O2- có khả phân hủy hợp chất hữu thành H2O CO2 Hình 1.1 Cơ chế phân hủy chất hữu xúc tác quang TiO2 1.3 Các yếu tố ảnh hƣởng đến hiệu xúc tác quang TiO2 Quá trình quang xúc tác xử lý chất hữu chịu ảnh hƣởng số yếu tố khác Nguyễn Lệ Thủy (2015) số yếu tố ảnh hƣởng đến hiệu xử lý MB xúc tác quang FN2 đƣợc quét lên bê tông nhẹ Bảng 1.1 Một số yếu tố ảnh hƣởng đến hiệu xử lý MB 5.10-6 M TiO2 (trong 6h) Hiệu xuất Các điều kiện ảnh hƣởng xử lý MB (%) lớp 50.6 lớp 55.3 lớp 56.2 lớp 55.1 56.1 61.3 70.1 67.3 10 51.7 bóng 40W 47.3 bóng 40W 55.8 bóng 40W 57.1 bóng 40W 58.2 Số lớp sơn xúc tác pH thích hợp Số bóng UV chiếu sáng (Theo Nguyễn Lệ Thủy, 2015) Bảng 1.1 cho thấy điều kiện khác số lớp xúc tác vật liệu mang, pH, cƣờng độ chiếu sáng hiệu xử lý MB xúc tác quang khác Sơn 2, 3, lớp xúc tác lên vật liệu mang cho hiệu xử lý tƣơng đƣơng vậy, phản ứng đạt hiệu tối ƣu sơn lớp xúc tác lên bề mặt chất mang Nếu sơn lớp xúc tác làm đầy lỗ khí bề mặt bê tơng, từ giảm diện tích bề mặt xúc tác Mặt khác, sơn nhiều lớp làm lớp sơn ngồi dễ bị bong tróc Ngồi ra, Bảng 1.1 cho thấy tăng số lƣợng bóng hiệu xử lý cao Tuy nhiên, thắp thêm bóng hay bóng hiệu tăng khơng đáng kể, diện tích thực thí nghiệm tƣơng đối nhỏ nên thắp bóng UV tối ƣu cho phản ứng phân hủy MB Tóm lại, phản ứng quang xúc tác chịu ảnh hƣởng nhiều yếu tố khác 1.4.1 Ảnh hưởng pH dung dịch Nhƣ trình xúc tác xảy oxit kim loại, trình quang xúc tác TiO2 bị ảnh hƣởng pH pH dung dịch phản ứng ảnh hƣởng đáng kể đến kích thƣớc tổ hợp, điện tích bề mặt oxy hóa khử biên vùng lƣợng xúc tác Hoàng Hiệp (2015) điểm đẳng điện (pzc) TiO2 mơi trƣờng nƣớc có giá trị nằm khoảng 6,9 Khi dung dịch có pH > pzc, bề mặt TiO2 tích điện âm Ngƣợc lại dung dịch có pH < pzc, bề mặt TiO2 tích điện dƣơng Vì trình quang xúc tác TiO2 chịu ảnh hƣởng pH dung dịch phản ứng Tuy nhiên thay đổi tốc độ phản ứng quang hóa xúc tác pH khác thƣờng không bậc độ lớn Đây thuận lợi q trình quang hóa xúc tác TiO2 so với q trình oxy hóa nâng cao khác Tùy theo loại chất hữu cần xử lý, điều kiện pH thích hợp lại thay đổi khác Bảng 1.1 cho thấy phản ứng phân hủy xanh metylen TiO2 xảy tốt pH = 1.4.2 Ảnh hưởng hàm lượng xúc tác Tốc độ phản ứng tỉ lệ với hàm lƣợng xúc tác cho vào Tuy nhiên, nồng độ TiO2 vƣợt giá trị giới hạn tăng tốc độ phản ứng chậm lại trở nên không phụ thuộc vào nồng độ TiO2 Điều đƣợc giải thích hàm lƣợng xúc tác lớn giá trị tới hạn, hạt xúc tác thừa che chắn phần bề mặt nhạy sáng xúc tác Nguyễn Lệ Thủy (2015) chứng minh đƣợc quét lớp xúc tác vật liệu mang bê tông nhẹ cho hiệu xử lý MB tối ƣu (Bảng 1.1) Hoàng Hiệp cộng (2014) hệ quang hóa tĩnh phòng thí nghiệm, hàm lƣợng xúc tác tối ƣu khoảng 2,5g TiO2/lít Vì cần xác định hàm lƣợng xúc tác tối ƣu để tránh lãng phí xúc xác, đồng thời để hấp phụ tối đa lƣợng photon ánh sáng 1.4.3 Ảnh hưởng nhiệt độ Đa số phản ứng quang xúc tác không nhạy với nhiệt độ Về mặt nguyên tắc, lƣợng hoạt hóa q trình quang hóa xúc tác 0, nhiên việc tăng nhiệt độ làm giảm nồng độ oxy hòa tan, giảm tốc độ e- h+ nên số trƣờng hợp cho thấy phụ thuộc nhiệt độ tới trình phân hủy quang hóa, với lƣợng hoạt hóa biểu kiến cỡ vài kJ/mol khoảng nhiệt độ khoảng 20˚ - 80˚C Nhờ q trình quang xúc tác khơng đòi hỏi cấp nhiệt, nhiệt độ tối ƣu khoảng từ 20 - 80˚C Đây ƣu điểm trình quang xúc tác ứng dụng mơi trƣờng nƣớc 1.4.4 Ảnh hưởng bước sóng cường độ xạ Sự phụ thuộc tốc độ q trình quang xúc tác vào bƣớc sóng xạ dạng với phổ hấp thụ xúc tác có giá trị ngƣỡng tƣơng ứng với lƣợng vùng cấm xúc tác Xúc tác TiO2 (anatase) có lƣợng vùng cấm Eg = 3,2eV, tƣơng ứng với khả hấp phụ xạ có bƣớc sóng λ ≤ 387,5nm Với xạ có λ > 387,5nm, trình xúc tác quang hóa khơng xảy Tốc độ q trình quang hóa tăng cách tuyến tính (bậc nhất) với cƣờng độ xạ UV-A khoảng 0-20mW/cm2 Khi cƣờng độ xạ vƣợt qua giá trị định ( khoảng 25mW/cm2 ), tốc độ trình quang xúc tác tỷ lệ với bậc cƣờng độ xạ Vì vậy, cơng suất nguồn UV tối ƣu cần đƣợc chọn tƣơng ứng với vùng có cƣờng độ xạ tỉ lệ tuyến tính 10 với tốc độ q trình quang hóa Nguyễn Lệ Thủy (2015) chứng minh cần bóng UV 40W hiệu phản ứng đạt tối đa xử lý MB phạm vi 1m2 1.4.5 Ảnh hưởng nồng độ oxy hòa tan Tốc độ hiệu trình quang xúc tác phân hủy chất hữu đƣợc tăng cƣờng nhờ tham gia oxy Với vai trò làm tâm bẫy điện tử vùng dẫn, phân tử oxy ngăn chặn phần tử tái hợp cặp e-/h+ với việc tạo thành tác nhân oxy hóa hiệu anion peroxide Nguyễn Lệ Thủy (2015) chứng minh đƣợc ảnh hƣởng oxy đến phản ứng quang xúc tác xử lý MB thơng qua thí nghiệm sử dụng sục khí tốc độ khác để cung cấp oxy cho trình phản ứng Kết nghiên cứu cho thấy nồng độ oxy hòa tan tăng tốc độ phản ứng tăng 1.5 Ứng dụng TiO2 thực tiễn Hiện nay, thị trƣờng TiO2 đƣợc bán phổ biến rộng rãi dƣới dạng bột mịn huyền phù Sơn xúc tác quang- loại sơn tự làm dạng huyền phù TiO2 Thực chất, loại sơn dạng dung dịch chứa vô số tinh thể TiO2 cỡ chừng từ đến 25nm Do tinh thể TiO2 lơ lửng dung dịch mà khơng lắng đọng nên đƣợc gọi sơn huyền phù TiO2 Khi đƣợc phun lên tƣờng, kính, gạch, sơn tự tạo lớp màng mỏng bám vào bề mặt Khi vật liệu đƣợc đƣa vào sử dụng, dƣới tác dụng tia cực tím ánh sáng mặt trời, oxi nƣớc dung dịch, TiO phân hủy hầu hết chất hữu cơ, chất độc hại bám bề mặt vật liệu thành H 2O CO2 TiO2 không bị tiêu hao thời gian sử dụng chất xúc tác, khơng tham gia vào q trình phân hủy Ngƣời ta phát rằng, chúng có tuổi thọ khơng sơn khơng biến tính hạt nano TiO2 Các loại sơn phổ biến thị trƣờng kể đến nhƣ sơn nano titanoxit protectan: FN1, FN2, FN3 Đây loại sơn đƣợc sản xuất từ 11 Cộng hòa Séc với cơng dụng kháng khuẩn, làm khơng khí phù hợp để sử dụng tất loại tƣờng nhà, thạch cao, Vì vậy, sản phẩm thƣơng mại TiO2 dạng bột dạng huyền phù ngày đƣợc ứng dụng rộng rãi lĩnh vực môi trƣờng để xử lý, làm chất ô nhiễm Tuy nhiên, sử dụng xúc tác dạng bột, khó để thu hồi xúc tác sau phản ứng diễn nên gây mát lƣợng lớn xúc tác Mặt khác, xử lý môi trƣờng nƣớc, hạt xúc tác bị phân tán, số hạt vị trí gần bề mặt nƣớc đƣợc chiếu sáng, hạt phía dƣới khơng đƣợc chiếu sáng dẫn đến giảm khả xử lý TiO2 Việc sử dụng sản phẩm sơn dạng huyền phù mang lên vật liệu rắn để xử lý chất ô nhiễm khắc phục đƣợc nhƣợc điểm Hiện Việt Nam có nhiều cơng trình nghiên cứu ứng dụng TiO2 xử lý môi trƣờng nhƣ chế tạo vật liệu TiO2 pha tạp, TiO2 biến tính xử lý nhiễm chất hữu nƣớc, làm khơng khí… Trong đó, có nghiên cứu sử dụng trực tiếp sản phẩm thƣơng mại sơn nano titanoxit protectan để xử lý chất hữu Nguyễn Lệ Thủy (2015) sử dụng sản phẩm thƣơng mại chứa TiO2 sơn nano titanoxit protectan để thử nghiệm phân hủy chất màu xác định thơng số ảnh hƣởng đến q trình quang xúc tác sản phẩm Một nghiên cứu khác Hoàng Hiệp cộng (2015) cho thấy hiệu khả quan việc xử lý chất hữu khó phân hủy 2,4-D sơn xúc tác quang TiO2 Các nghiên cứu cho thấy hiệu khả quan việc sử dụng sản phẩm thƣơng mại FN2 để xử lý chất hữu nƣớc Các nghiên cứu số thông số ảnh hƣởng đến hiệu xử lý: vật liệu mang xúc tác, số lớp sơn phủ, pH phản ứng, điều kiện cƣờng độ chiếu sáng Tuy nhiên làm điều kiện ánh sáng đèn UV chƣa áp dụng nhiều chất hữu khác Kết luận: Từ tổng quan trên, nhận thấy đƣợc sản phẩm thƣơng mại sơn nano titanoxit protectan hƣớng nghiên cứu hữu hiệu việc xử lý môi 12 trƣờng bị ô nhiễm với giá thành rẻ, hiệu cao, nhƣ tính bền vững với thời gian Một số thông số kỹ thuật ảnh hƣởng đến hiệu xúc tác đƣợc làm rõ nghiên cứu gần nhiên thiếu tiến hành điều kiện ánh sáng nhân tạo chƣa áp dụng cho đầy đủ nhóm chất hữu Mặt khác, xu hƣớng giới nâng cao khả ứng dụng vật liệu chứa TiO2, dùng ánh sáng tự nhiên (ánh sáng mặt trời) thay cho tia UV nhân tạo, vừa thân thiện với môi trƣờng, lại tận dụng đƣợc nguồn tài ngun sẵn có tiết kiệm chi phí Vì vậy, nghiên cứu đƣợc thực nhằm hoàn thiện thông số ảnh hƣởng đến hiệu xúc tác quang áp dụng xử lý nhiều nhóm chất hữu dƣới điều kiện ánh sáng mặt trời 13 Chƣơng 2: ĐỐI TƢỢNG, PHẠM VI, NỘI DUNG VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 Đối tƣợng nghiên cứu + Chất xúc tác quang hóa TiO2 hệ I (cụ thể: sản phẩm thƣơng mại FN2, sản phẩm Công ty Advanced Material-JTJ Ltd, Cộng hòa Séc) + Dung dịch chất hữu cơ:  Xanh metylen Xanh metylen hợp chất thơm dị vòng, cơng thức hóa học C16H18N3SCl (M= 319.85 g/mol), tồn trạng thái rắn dạng bột, màu xanh Trong dung dịch, xanh metylen tích điện dƣơng:  Metyl da cam Metyl da cam có cơng thức phân tử C14H14N3NaO3S (M=327.33 g/mol) Là chất rắn, thƣờng đƣợc sản xuất dạng bột, màu da cam Trong dung dịch trung tính kiềm, metyl da cam tích điện âm:  2,4-dichlorophenoxy axetic axit ( 2,4-D) 2,4-D có cơng thức hóa học C8H6Cl2O3 (M=221,04g/mol) 2,4-D tinh khiết dạng bột, có mầu trắng đến mầu vàng, dung dịch 2,4-D suốt 2,4-D axit yếu, mơi trƣờng trung tính kiềm 2,4-D tồn dƣới dạng ion mang điện âm 14 2.2 Phạm vi nghiên cứu • Thời gian tiến hành nghiên cứu: 06 tháng (từ tháng 12/2015 đến 5/2016) 2.3 Nội dung nghiên cứu ● Xác định thông số ảnh hƣởng đến hiệu suất xử lý chất hữu xúc tác quang TiO2 dƣới ánh sáng đèn UV ● Xử lý chất hữu xúc tác quang TiO2 dƣới ánh sáng mặt trời 2.4 Phƣơng pháp nghiên cứu 2.4.1 Phương pháp thu thập số liệu thứ cấp Tiến hành thu thập báo, luận văn, luận án, cơng trình nghiên cứu đƣợc cơng bố nƣớc quốc tế liên quan đến xúc tác quang hóa ứng dụng xúc tác quang lĩnh vực môi trƣờng 2.4.2 Phương pháp thực nghiệm Kế thừa kết từ Nguyễn Lệ Thủy (2015), lựa chọn vật liệu mang xúc tác bê tông nhẹ, số lớp xúc tác tối ƣu vật liệu mang lớp, điều kiện cho hiệu xử lý đạt tối ƣu + Bố trí thí nghiệm xác định thông số ảnh hƣởng đến hiệu xử lý xanh metylen xúc tác quang dƣới ánh sáng đèn UV: - Dụng cụ cần thiết: Bình phản ứng bình thủy tinh hình trụ có dung tích 4,4lít , đƣờng kính 15cm 15 Tấm mang xúc tác bê tơng nhẹ đƣợc cắt thành hình vng kích thƣớc 10cm2 Máy sục khí HAILEA – Trung Quốc cơng suất 25W, lƣu lƣợng 45 lít/phút Máy khuấy từ MEWANK MM5- Liên Xơ cơng suất 150VA Mơ hình buồng kín dùng bóng đèn chiếu sáng tia UV 40W Máy so màu, máy đo pH, máy đo DO - Hóa chất: Dung dịch MB 5.10-6M Sơn FN2 - Chỉ tiêu theo dõi: Sự phân hủy MB thông qua giảm độ hấp thụ quang A dung dịch chất màu - Quá trình xử lý: Dung dịch ban đầu: MB 1,6 mg/l Dung dịch sau xử lý: Tiến hành thí nghiệm xử lý MB liên tục nhiều Đo độ hấp phụ quang A dung dịch MB bƣớc sóng λ= 650nm nhiều thời điểm Xây dựng phƣơng trình tốn học biểu diễn phân hủy MB theo thời gian Dự báo thời gian dung dịch xử lý đạt giá trị tới hạn đo máy so màu A= 0,01 + Thí nghiệm 1:Ảnh hưởng khuấy sục khí đến phân hủy MB xúc tác quang TiO2 điều kiện đèn UV Xử lý xanh metylen điều kiện cung cấp oxi cho phản ứng máy sục khí máy khuấy từ Thay đổi tốc độ sục dung dịch cách sử dụng cột áp nƣớc điều chỉnh tốc độ sục Cột áp nƣớc cao tốc độ sục khí tăng Thay đổi chiều cao cột áp nƣớc so với chiều cao bình phản ứng để theo dõi hiệu xúc tác 16 Hình 2.1 Thay đổi tốc độ sục khí bình điều áp Tỉ lệ chiều cao cột áp nƣớc sử dụng với chiều cao dung dịch phản ứng h1:h2 lần lƣợt 1:2; 1:1; 2:1 - CT1: Đối chứng ( đặt xúc tác) - CT2: Khuấy với vận tốc 400 vòng/phút - CT3: Khuấy với vận tốc 800 vòng/phút - CT4: Khuấy với vận tốc 1200 vòng/phút - CT5: Sục khí với tỉ lệ chiều cao cột áp:dung dịch phản ứng 1:2 - CT6: Sục khí với tỉ lệ chiều cao cột áp:dung dịch phản ứng 1:1 - CT7: Sục khí với tỉ lệ chiều cao cột áp:dung dịch phản ứng 2:1 Thí nghiệm đƣợc lặp lại lần, lần xử lý tiếng + Thí nghiệm 2: Xác định ảnh hưởng nhiệt độ đến hiệu xử lý MB xúc tác quang Xử lý xanh metylen nhiệt độ môi trƣờng khác Thí nghiệm đƣợc bố trí với cơng thức - CT1: Xử lý MB nhiệt độ 17 ± oC - CT2: Xử lý MB nhiệt độ 23 ± oC - CT3: Xử lý MB nhiệt độ 30 ± oC 17 Tải tài liệu đầy đủ tại: https://goo.gl/0mpP2s Tải tài liệu đầy đủ tại: https://goo.gl/0mpP2s Tải tài liệu đầy đủ tại: https://goo.gl/0mpP2s ... vật liệu rắn tạo thuận l i cho việc t i sử dụng xúc tác mà tách lấy xúc tác sau lần phản ứng Vì vậy, đề t i Sử dụng sơn titan dioxit hệ I xử lý chất hữu khó phân hủy nước đƣợc triển khai Mục... sinh học, chất hữu khó bị phân hủy sinh học, chất vô cơ, kim lo i nặng, ô nhiễm nƣớc tác nhân sinh học, ô nhiễm chất phóng xạ Trong đó, chất hữu khó bị phân hủy sinh học thƣờng chất hữu có độc... ứng dụng lĩnh vực xử lí m i trƣờng nhƣ: diệt khuẩn, sát trùng m i trƣờng khơng khí; xử lý chất hữu khó phân hủy m i trƣờng nƣớc… TiO2 đƣợc sử dụng dƣ i dạng TiO2 100% ( hệ 1) hay kết hợp v i kim