Xử lý hợp chất VOCs bằng phương pháp xúc tác quang trên TiO2 biến tính bằng Palladium

Đại học Bách Khoa Tp HCM Đại Học Quốc Gia Tp.HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Luận vãn Thạc sĩ CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự Do - Hạnh Phúc NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: Nguyễn Trọng Huy Ngày, tháng, năm sinh: 06/06/1992 Chuyên ngành: Kỹ thuật hóa học MSHV: 1670193 Nơi sinh: Huyện Tây Sơn, Bình Định Mã số: 60520301 I TÊN ĐỀ TÀI: Xử lý họp chất VOCs phương pháp xúc tác quang TiO2 biến tính Palladium II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG • Tổng quan q trình xủ lý chất nhiễm VOCs cơng nghệ xúc tác quang hóa • Thục quy hình tổng hợp vật liệu xúc tác Pd/TiO2 phuơng pháp ngâm tẩm phân tích, đánh giá đặc trung xúc tác vật liệu Pd/TiO2 • Nghiên cứu khả xủ lý hợp chất VOCs (toluen Formaldehyde) điều kiện nhiệt độ, độ ẩm khác vật liệu đuợc tổng hợp III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 10/07/2017 IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 02/12/2018 V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: PGS TS Nguyễn Quang Long Tp Hồ Chí Minh, ngày 02 tháng 12 năm 2018 CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO CÁN BỘ HƯỚNG DẪN PGS.TS Nguyễn Quang Long PGS.TS Nguyễn Quang Long TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT HÓA HỌC GS.TS Phan Thanh Sơn Nam HVTH: NGUYỄN TRỌNG HUY I Đại học Bách Khoa Tp HCM Luận vãn Thạc sĩ LỜI CẢM ƠN Đầu tiên, em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến PGS TS Nguyễn Quang Long, nguờĩ dành nhiều công sức, tâm huyết để truyền đạt kiến thúc, kinh nghiệm quý báu cho em suốt trình học tập thục Luận văn Truờng Đại Học Bách Khoa Tp HCM Xin cảm ơn Q Thầy, Cơ mơn Kỹ thuật Hóa Lý - Khoa Kỹ thuật Hóa Học, Truờng Đại Học Bách Khoa Tp HCM truyền đạt kiến thức quý báu cho em trình học tập truờng Xin cảm ơn quý Thầy, Cô hội đồng phản biện dành thời gian đọc đua nhận xét q báu giúp em hồn thiện luận văn nhu kiến thức Cơng hình nghiên cứu với tiêu đề “Photocatalytíc removal of VOCs in humid condition using Pd/TiO2 coated annular photocatalytic reactor” đuợc công bo trcn Tạp chí Xúc tác Hap phụ Việt Nam có sụ đóng góp lớn sinh viên Lê Nguyễn Quang Tú lớp HC14KSTN, chân thành cảm ơn bạn Xin cảm ơn anh chị bạn làm Phòng thí nghiệm Hóa lý Xúc tác hỗ trợ em để em làm tốt báo cáo hoàn thành đề tài nghiên cứu Sau em muốn đuợc gửi lời cảm ơn chân thành đến gia đình bạn bè, nguời động viên giúp đỡ em suốt thời gian qua Trong q trình hồn thành đề tài nghiên cứu, luận tránh khỏi nhũng thiếu sót, em mong nhận đuợc sụ thơng cảm nhu nhũng đóng góp từ phía Thầy, Cơ, thành viên hội đồng bạn làm nghiên cứu Xin chân thành cảm ơn! Tp Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2018 Nguyễn Trọng Huy HVTH: NGUYỄN TRỌNG HUY Đại học Bách Khoa Tp HCM Luận vãn Thạc sĩ ABSTRACT This study reports preparation, characterization and photocatalytic activity of Pd/TiO2 catalyst for removal of VOCs Different Pd/TiCh samples were prepared with Pd content ranging from 0.3 to lwt% by synthesis method: wet impregnation The physicochemical properties of catalyst have been determined by various methods, including XRD, BET surface area, TEM, SEM, ICP and Stylus The catalysts were used in a coated annular photocatalytic reactor for removal of VOCs in highly humid condition by a photocatalytic process under uv light The toluene concentrations before and after the reaction were analyzed by gas chromatography (GC) The effects of toluene vapor concentration, moisture concentration, flow rate, reaction temperature were investigated In each reaction, only one parameter changes, while the other parameters were fixed By this photocatalytic process, the maximum toluene removal efficiency was 63% (wet impregnation) in the case of initial toluene concentration of 314 ppm, temperature of 80°C and relative humidity of 60% HYTH: NGUYỄN TRỌNG HUY HI Đại học Bách Khoa Tp HCM Luận vãn Thạc sĩ TÓM TẮT Luận vãn nghiên cứu tổng hợp xúc tác Pd/TiO2 với hàm luợng kim loại Pd (Palladium) thay đổi từ 0,3% đến 1% hên chất mang TiO2 (P25), ứng dụng việc xử lý hợp chất hữu dễ bay VOCs Vật liệu đuợc tổng hợp theo phuơng pháp ngâm tẩm thông thuờng Các đặc trung xúc tác đuợc xác định bao gồm: Nhiễu xạ tia X (XRD), diện tích bề mặt riêng (BET), phuơng pháp kính hiển vĩ điện tử (SEM, TEM), phân tích hàm luợng kim loại (ICP) đo bề dày lớp quét (Stylus) Trong phạm vi luận vãn, xúc tác đuợc đánh giá hoạt tính thơng qua hệ phản ứng hình trụ, điều kiện độ ẩm cao trình quang xúc tác duới tác dụng đèn uv Nồng độ toluene truớc sau phản ứng đuợc phân tích máy sắc kí khí liên tục (GC) Ảnh huởng nồng độ toluene, độ ẩm, luu luợng, nhiệt độ phản ứng đuợc khảo sát phương pháp cô lập Trong phản ứng, có thơng số thay đổi, thơng số lại cố định Ket trình quang xúc tác ghi nhận được, hiệu suất xử lý toluene cao đạt 63% điều kiện nồng độ toluene đầu vào 314 ppm, nhiệt độ 80°C độ ẩm 60% HVTH: NGUYỄN TRỌNG HUY IV Đại học Bách Khoa Tp HCM Luận vãn Thạc sĩ LỜI CAM ĐOAN CỦA TÁC GIẢ LUẬN VĂN Tơi xin cam đoan nhứng kết trình bày Luận vãn Thạc sĩ tơi thực từ kiến thức Tơi khơng nộp luận án cho Trường, Viện để cấp Tp Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2018 TÁC GIẢ LUẬN VĂN Nguyễn Trọng Huy HVTH: NGUYỄN TRỌNG HUY Đại học Bách Khoa Tp HCM Luận vãn Thạc sĩ MỤC LỤC NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ i LỜI CẢM ƠN ii ABSTRACT iii TÓM TẮT iv PHÀN MỞ ĐẦU PHÀN 1: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI 1.1 Họp chất hữu dễ bay (VOCs) 1.1.1 Giói thiệu 1.1.2 Tác hại VOCs 1.1.3 Công nghệ xử lý VOCs 1.2 Tổng quan chất bán dẫn TiO2 10 1.2.1 Giới thiệu chung 11 1.2.2 Tính chất quang vật liệu TiO2 14 1.2.3 Biến tính TiO2 17 1.2.4 ứng dụng vật liệu TiO2 19 1.3 Quá trình xúc tác quang nhiệt 22 PHẦN 2: THỰC NGHIỆM 24 2.1 Tổng họp xúc tác Pd/TiO2 24 2.1.1 Hóa chất dụng cụ 24 2.1.2 Quy trình tổng họp 25 2.2 Phân tích đặc trưng xúc tác 27 2.2.1 Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD) 27 2.2.2 Phương pháp xác định diện tích bề mặt riêng hấp phụ N2 (BET) 29 2.2.3 Phương pháp kính hiển vỉ điện tử quét (SEM) 30 2.2.4 Phương pháp kính hiển vỉ điện tử truyền qua (TEM) 30 2.2.5 Phương pháp quang phổ phát xạ cao tần Plasma (ICP) 31 2.2.6 Phương pháp Stylus 31 2.2.7 Phân tích sắc ký khí GC đầu dò FID 31 2.2.8 Phương pháp đo band gap vật liệu xúc tác 33 2.3 2.3.1 Nghiên cứu hoạt tính xúc tác quang hóa 34 Hệ thống phản ứng quang hóa 34 HVTH: NGUYỄN TRỌNG HUY Đại học Bách Khoa Tp HCM Luận vãn Thạc sĩ 2.3.2 Các yếu tố khảo sát 38 2.3.3 Động học phản ứng 38 PHÀN 3: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 43 3.1 Các đặc trưng vật liệu 43 3.1.1 Nhiễu xạ tia X 43 3.1.2 Diện tích bề mặt riềng BET 43 3.1.3 Ảnh SEM, TEM 44 3.1.4 Kết đo band gap 46 3.1.5 Kết ICP phân tích thành phần Pd 47 3.1.6 Kết stylus - bề dày lóp quét 47 3.2 Khảo sát hoạt tính xúc tác 47 3.2.1 So sánh hoạt tính xúc tác P25 Pd/TiCh 47 3.2.2 Ảnh hưig hàm lưựng kim loại Pd đối vói hoạt tính xúc tác 49 3.2.3 Sự ảnh hưởng nhiệt độ phản ứng 50 3.2.4 Sự ảnh hưửng nồng độ toluene 51 3.2.5 Sự ảnh hưởng độ ẩm 52 3.3 So sánh hoạt tính xúc tác với tác nhân voc - HCHO 52 3.4 So sánh hoạt tính xúc tác tổng họp theo phương pháp khác 53 PHẦN 4: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 55 4.1 Kết luận 55 4.2 Kiến nghị 55 TÀI LIỆU THAM KHẢO 57 HVTH: NGUYỄN TRỌNG HUY Đại học Bách Khoa Tp HCM Luận vãn Thạc sĩ DANH MỤC HÌNH Hình 1.1: Các nguồn phát thải VOCs theo EPA Hình 1.2: Các phương pháp xử lý VOCs Hình 1.3: Một số thiết bị dùng hệ thống ngưng tụ VOCs Hình 1.4: cấu trúc cacbon hoạt tính .9 Hình 1.5: Hoạt động xúc tác TiO2 ánh sáng mặt ười 10 Hình 1.6: Các dạng thù hình khác TiO2: (A) rutile, (B) anatase, (C) brookite 12 Hình 1.7: cấu trúc mạng Anatase TiO2 12 Hình 1.8: cấu trúc mạng Anatase TiO2 13 Hình 1.9: Sơ đồ minh họa giản đồ vùng lượng TiO2 16 Hình 1.10: Cơ chế ưình chuyển đổi quang điện 22 Hình 1.11: Cơ che Langmuir-Hinshelwood 23 Hình 2.1: Sơ đồ ưình tổng hợp vật liệu Pd/TiO2 theo phương pháp ngâm tẩm 26 Hình 2.2: Sơ đồ ưình tổng hợp vật liệu Pd/TiO2 theo phương pháp sol kim loại 27 Hình 2.3: Sự phản xạ chọn lọc ưên hệ mặt phẳng (hkl) 28 Hình 2.4: Hệ thống sắc ký khí 33 Hình 2.5: Sơ đồ hệ thống phản ứng quang hóa xúc tác 35 Hình 2.6: Mơ hình khuếch tác ổn định 38 Hình 2.7: Ảnh hưởng lưu lượng dòng đến tốc độ phản ứng 40 Hình 2.8: Sự phụ thuộc logarĩt số động học phản ứng vào 1/T 42 Hình 3.1: Kết XRD mẫu Pd/TiO2 43 Hình 3.2: Hình chụp SEM mẫu 0,5 wt% Pd/TiO2 44 HVTH: NGUYỄN TRỌNG HUY VIII Đại học Bách Khoa Tp HCM Luận vãn Thạc sĩ Hình 3.3: Ảnh chụp TEM mẫu vật liệu 0,5 wt% Pd/TiO2 biểu đồ phân bố kích thuớc hạt mẫu vật liệu (Phuơng pháp ngâm tẩm uớt) .45 Hình 3.4: Ảnh chụp TEM mẫu vật liệu 0,5 wt% Pd/TiO2 biểu đồ phân bố kích thuớc hạt mẫu vật liệu (Phuơng pháp sol kim loại) 45 Hình 3.5: Phân bố bề dày lớp xúc tác 47 Hình 3.6: Thời gian hấp phụ bão hòa tối T1O2 (P25) mẫu xúc tác Pd/TiO2.48 Hình 3.7: Ảnh hưởng hàm lượng Palladium hiệu suất xử lý toluene 49 Hình 3.8: Ảnh hưởng nhiệt độ phản ứng với vật liệu 0,5 wt% Pd/TiO2 50 Hình 3.9: Ảnh hưởng nồng độ toluene đến trình phản ứng quang hóa hên vật liệu 0,5 wt% Pd/TiO2 80°C .51 Hình 3.10: Ảnh hưởng độ ẩm lên trình quang xúc tác vật liệu 52 Hình 3.11: Hoạt tính quang xúc tác vật liệu 0,5 wt% Pd/TỈO2 với voc khác .53 Hình 3.12: Hoạt tính xúc tác vật liệu 0,5 wt% Pd/TiO2 theo phương pháp tổng hợp khác (Ngâm tẩm sol kim loại) 54 HVTH: NGUYỄN TRỌNG HUY IX Đại học Bách Khoa Tp HCM Luận vãn Thạc sĩ of TiCh-xNx powders,” J Phys Chem., pp 5483-5486, 2003 [25] T s Y M.S Wong, H.p Chou, “Reactively sputtered N-doped titanium oxid films as visiblelight photocatalyst,” Thin Solid Films, vol 494, pp 244-249, 2006 [26] Pham, T.-D and B.-K Lee, Novel adsorption and photocatalytic oxidation for removal of gaseous toluene by V-doped TĨO2/PU under visible light Journal of Hazardous Materials, 2015 300 p 493-503 [27] Fukugaichi, s., T Henmi, and N Matsue, Photocatalytic Mechanism of Artificial Zeolite Containing Titanium Dioxide Japan tappi Journal, 2014 68: p 90-97 [28] Nam, H.M., Nghiên cứu công nghệ sản xuất bột TĨO2 để ứng dụng làm chất xúc tác quang hóa Luận án tiến sĩ, 2015 [29] Kosei Ueno and Hiroaki Misawa, Plasmon-enhanced photocurrent generation and water oxidation from visible to near-infrared wavelengths, NPG Asia Materials, vol 61, no 5, 2013 [30] Hasliza Bahruji a’ b ’ •’ et al., The adsorption and reaction of alcohols on TĨO2 and Pd/TiO= catalysts Applied Catalysis A: General, 2013 454: p 66-73 [31] Espino-Estevez, M.R., et al., Effect of TiO2-Pd and TiO2-Ag on the photocatalytic oxidation of diclofenac, isoproturon and phenol Chemical Engineering Journal, 2016 298: p 82-95 [32] Sedat Yurdakal a, Bilge Sina Tek a, C.a.D b, and G.p c, Selective photocatalytic oxidation of aromatic alcohols in solar-irradiated aqueous suspensions of Pt, Au, Pd and Ag loaded TĨO2 catalysts Catalysis Today, 2016(7) [33] "Hệ thống sắc ký khí (GC - Gas Chromatography)," Trung tâm dịch vụ phân tích thí nghiệm Tp.HCM, 2012 [34] Yao-Tung Lin, Chih-Huang Weng, Hui-Jan Hsu, Jenn-Wen Huang, Arun Lal Srivastav, Ching-Chang Shiesh, "Effect of oxygen, moisture, and temperature on the photo oxidation of ethylene on N-doped T1O2 catalyst," Separation and Purification Technology, vol 134, pp 117-225, 2014 [35] Luu Cẩm Lộc, Giáo trình động học phản ứng xúc tác, NXB Đại học Quốc gia thành phố Hồ HYTH: NGUYỄN TRỌNG HUY 58 Đại học Bách Khoa Tp HCM Luận vãn Thạc sĩ Chí Minh, 2018 [36] Trần Khắc Chuơng - Mai Hũu Khiêm, Động hóa học xúc tác., NXB Đại học Quốc gia TP Hồ Chí Minh, 2008 [37] Leon White, Youngmi Koo, Yeoheung Yun and Jagannathan Sankar, "TÌO2 Deposition on AZ31 Magnesium Alloy Using Plasma Electrolytic Oxidation," Journal ofNanomaterials, 2013 [38] H Lee, M Shin, M Lee, Y.J Hwang, Photo-oxidation Activities on Pd-Doped TĨO2 NanoParticles: Critical PdO Formation Effect, Applied Catalysis B, Environmental (2014) [39] Yaobin Li, Changbin Zhang, Jinzhu Ma, Min Chen, Hua Deng, Hong He, High temperature reduction dramatically promotes Pd/TiO2 catalyst for ambient formaldehyde oxidation, Applied Catalysis B, Environmental [40] L.M Liu, B McAllister, H.Q Ye, p Hu, Identifying an O2 Supply Pathway in co Oxidation on Au/TiO2(l 10): A Density Functional Theory Study on the Intrinsic Role of Water, J Am Chem Soc 128 (2006) 4017-4022 [41] s.c Ammal, A Heyden, Water-Gas Shift Catalysis at Comer Atoms of Pt Clusters in Contact with a TĨO2 (110) Support Surface, ACS Catal (2014) 3654-3662 PHẦN LÝ LỊCH TRÍCH NGANG Họ tên: Nguyễn Trọng Huy Ngày, tháng, năm sinh: 06/06/1992 Nơi sinh: Tt Tây Sơn, tỉnh Bình Định Địa liên lạc: 60/10 p Đơng Lân, Bà Điểm, Hóc Mơn, Tp HCM QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO Thời gian Noi đào tạo Bằng cấp 07/2016-12/2018 Đại học Bách Khoa Thạc sĩ hóa học Chương trình: Nghiên cứu HYTH: NGUYỄN TRỌNG HUY 59 Đại học Bách Khoa Tp HCM 09/2010-04/2015 Đại học Bách Khoa Luận vãn Thạc sĩ Kỹ sư hóa học QUÁ TRÌNH NGHIÊN cứu Thời gian Noi nghiên cứu Đề tài 07/2016-12/2018 Đại học Bách Khoa Xử lý hợp chất VOCs phương pháp xúc tác quang T1O2 biến tính bang Palladium Paper: Nguyen Trong Huy, Le Nguyen Quang Tu, Nguyen Van Dung, Nguyen Quang Long, Photocatalytỉc removal of VOCs ỉn humid condition using Pd/TỈOỉ coated annular photocatalytic reactor, 2018 HYTH: NGUYỄN TRỌNG HUY 60 Đại học Bách Khoa Tp HCM HYTH: NGUYỄN TRỌNG HUY Luận vãn Thạc sĩ 61 Đại học Bách Khoa Tp HCM HYTH: NGUYỄN TRỌNG HUY Luận vãn Thạc sĩ 62 Đại học Bách Khoa Tp HCM HYTH: NGUYỄN TRỌNG HUY Luận vãn Thạc sĩ 63 Đại học Bách Khoa Tp HCM HYTH: NGUYỄN TRỌNG HUY Luận vãn Thạc sĩ 64 Đại học Bách Khoa Tp HCM HYTH: NGUYỄN TRỌNG HUY Luận vãn Thạc sĩ 65 Đại học Bách Khoa Tp HCM HYTH: NGUYỄN TRỌNG HUY Luận vãn Thạc sĩ 66 Đại học Bách Khoa Tp HCM HYTH: NGUYỄN TRỌNG HUY Luận vãn Thạc sĩ 67 Đại học Bách Khoa Tp HCM HYTH: NGUYỄN TRỌNG HUY Luận vãn Thạc sĩ 68 Đại học Bách Khoa Tp HCM HYTH: NGUYỄN TRỌNG HUY Luận vãn Thạc sĩ 69 Đại học Bách Khoa Tp HCM HYTH: NGUYỄN TRỌNG HUY Luận vãn Thạc sĩ 70 Đại học Bách Khoa Tp HCM HYTH: NGUYỄN TRỌNG HUY Luận vãn Thạc sĩ 71 Đại học Bách Khoa Tp HCM Luận vãn Thạc sĩ 123 HYTH: NGUYỄN TRỌNG HUY 72 ... TÀI: Xử lý họp chất VOCs phương pháp xúc tác quang TiO2 biến tính Palladium II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG • Tổng quan q trình xủ lý chất nhiễm VOCs cơng nghệ xúc tác quang hóa • Thục quy hình tổng hợp. .. nay, phương pháp xử lý khơng khí nhiễm lượng mặt ười giải pháp mang tính đột phá, ưong phương pháp xúc tác quang hóa cho hiệu xử lý cao Vì vậy, chúng tơi chọn đề tài Xử lý VOCs phương pháp xúc tác. .. tổng hợp xúc tác Pd /TiO2 với hàm luợng kim loại Pd (Palladium) thay đổi từ 0,3% đến 1% hên chất mang TiO2 (P25), ứng dụng việc xử lý hợp chất hữu dễ bay VOCs Vật liệu đuợc tổng hợp theo phuơng pháp