Nghiên cứu đánh giá hoạt tính xúc tác quang của lớp phim mỏng tio2 trong xử lý bậc cao nước thải sinh hoạt

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗ NGUYỄN PHẠM KHƯƠNG DUY NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ HOẠT TÍNH XÚC TÁC QUANG CỦA LỚP PHIM MỎNG TiO2 TRONG XỬ LÝ BẬC CAO NƯỚC THẢI SINH HOẠT Chun ngành: Cơng nghệ Mơi trường Mã số : 60 85 06 LUẬN VĂN THẠC SĨ TP HỒ CHÍ MINH, THÁNG 12-2008 CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH Cán hướng dẫn khoa học: TS Nguyễn Thế Vinh Cán chấm nhận xét 1: TS Nguyễn Thanh Lộc Cán chấm nhận xét 2: TS Mai Thanh Phong Luận văn thạc sĩ bảo vệ HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ, TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH, ngày 30 tháng 12 năm 2008 ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM CỘNG HOÀ Xà HỘI CHỦ NGHIà VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc oOo -Tp HCM, ngày 20 tháng 12 năm 2008 NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: NGUYỄN PHẠM KHƯƠNG DUY Giới tính: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 03/09/1983 Nơi sinh: Huế Chuyên ngành : Cơng nghệ Mơi trường Khố (Năm trúng tuyển): 2006 1- TÊN ĐỀ TÀI: Nghiên cứu đánh giá hoạt tính xúc tác quang lớp phim mỏng TiO2 xử lý bậc cao nước thải sinh hoạt 2- NHIỆM VỤ LUẬN VĂN: ƒ Đánh giá ảnh hưởng số yếu tố trình chế tạo đến đặc trưng cấu trúc vật liệu xúc tác quang chứa thành phần TiO2 ƒ Đánh giá khả xử lý xử lý bậc cao nước thải sinh hòa trình xúc tác quang sử dụng vật liệu xúc tác chứa thành phần TiO2 dạng bột dạng lớp phim mỏng phủ hạt vật liệu mang điều kiện chiếu tia UV ánh sáng mặt trời tự nhiên 3- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 05/02/2008 4- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 15/12/2008 5- HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS Nguyễn Thế Vinh Nội dung đề cương Luận văn thạc sĩ Hội Đồng Chuyên Ngành thông qua CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành Luận văn Thạc sĩ này, trước hết xin chân thành cảm ơn thầy Nguyễn Thế Vinh tận tâm hướng dẫn, truyền đạt kiến thức sâu sắc tạo điều kiện thuận lợi cho tơi hồn thành luận văn tốt nghiệp Xin gửi lòng biết ơn chân thành đến tất quý thầy cô cán Khoa Môi trường – Trường Đại học Bách Khoa – Đại Học Quốc Gia Thành Phố Hồ Chí Minh hết lịng giảng dạy giúp đỡ tơi suốt q trình học tập Xin cám ơn gia đình, bè bạn, đồng nghiệp, em sinh viên, người sát cánh, động viên giúp đỡ thực tốt Luận văn Thạc sĩ Đặc biệt, cảm ơn bạn học viên cao học bạn sinh viên nhóm nghiên cứu TiO2 - Trường Đại học Bách Khoa Thành phố Hồ Chí Minh tham gia phối hợp suốt trình nghiên cứu đề tài Cảm ơn, cảm ơn tất với lòng quý mến trân trọng TP HCM, tháng 12 năm 2008 Nguyễn Phạm Khương Duy Mục lục MỤC LỤC PHẦN MỞ ĐẦU I Sự cần thiết thực nghiên cứu: II Mục tiêu nghiên cứu III Đối tượng phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu đề tài bao gồm: Phạm vi nghiên cứu đề tài: IV Phương pháp nghiên cứu Phương pháp hồi cứu: Các phương pháp thí nghiệm phân tích: Phương pháp nghiên cứu mơ hình: Phương pháp xử lý số liệu: V Tính mới, tính khoa học thực tiễn đề tài Tính đề tài Tính khoa học đề tài Tính thực tiễn đề tài Chương 1: TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu nước thải sinh hoạt 1.1.1 Thành phần tính chất nước thải sinh hoạt 1.1.2 Sự cần thiết trình xử lý bậc cao nước thải sinh hoạt 1.2 Giới thiệu trình xúc tác quang 11 1.2.1 Giới thiệu trình xúc tác quang 11 1.1.2 Cơ chế trình xúc tác quang 13 1.3 Giới thiệu vật liệu xúc tác quang TiO2 17 1.3.1.Giới thiệu chung TiO2 17 1.3.2 Cơ chế tạo gốc tự ·OH trình quang xúc tác TiO2 20 1.3.3 Động học trình quang xúc tác TiO2 23 i Mục lục 1.3.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến trình quang xúc tác TiO2 26 1.3.5 Nâng cao hiệu trình quang xúc tác TiO2 28 1.3.6 Khả xử lý nước nước thải trình xúc tác quang 33 1.3.7 Các phương pháp điều chế TiO2 37 Một số nghiên cứu ứng dụng trình xúc tác quang xử lý nước thải 39 1.2.1 Các nghiên cứu nước 39 1.2.2 Các nghiên cứu nước 42 Chương 2: CÁC PHƯƠNG PHÁP TẠO LỚP PHIM MỎNG TIO2 44 2.1 Các đặc điểm sử dụng chất xúc tác quang dạng phim mỏng 44 2.2 Các phương pháp phủ bề mặt 45 2.2.1 Phương pháp phủ nhúng – Dip coating 46 2.2.2 Phương pháp phun phủ - Spray coating 48 2.2.3 Phương pháp chảy – Flow coating 49 2.2.4 Phương pháp phủ quay – Spin coating 49 2.2.5 Kỹ thuật phủ Capillary (Capillary Coating) 51 2.2.6 Kỹ thuật in phủ (print coating) 52 2.2.7 Kỹ thuật phủ hóa học (chemical coating) 53 2.2.8 Kỹ thuật phủ Sputtering 53 Chương 3: CÁC PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM 55 3.1 Thí nghiệm điều chế hợp chất chứa thành phần TiO2 phương pháp sol-gel 55 3.1.1 Hóa chất thí nghiệm 55 3.1.2 Dụng cụ thí nghiệm 55 3.1.3 Quy trình thí nghiệm 57 3.2 Thí nghiệm phủ lớp phim mỏng chứa thành phần TiO2 lên chất mang 59 3.2.1 Hóa chất vật liệu thí nghiệm 59 3.2.2 Dụng cụ thí nghiệm 59 3.2.3 Quy trình thí nghiệm 60 ii Mục lục 3.3 Nước thải đầu vào 62 3.4 Thí nghiệm đánh giá hoạt tính xúc tác quang bột TiO2-SiO2 63 3.4.1 Mơ hình dụng cụ thí nghiệm 64 3.4.2 Quy trình thí nghiệm thu mẫu phân tích 65 3.5 Thí nghiệm đánh giá hoạt tính xúc tác quang lớp phim mỏng TiO2-SiO2 67 3.5.1 Mơ hình dụng cụ thí nghiệm 67 3.5.2 Quy trình thí nghiệm lấy mẫu phân tích 69 Mơ hình thí nghiệm quy mô pilot 70 Phương pháp phân tích 70 Chương 4: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 71 4.1 Hệ sol-gel để điều chế lớp phim mỏng TiO2 71 4.2 Cấu trúc lớp phim mỏng TiO2-SiO2 hạt mang 74 4.2.1 Khảo sát khối lượng lớp vật liệu xúc tác phủ hạt mang 74 4.2.2 Cấu trúc hóa lý lớp phim TiO2 – SiO2 hạt mang 75 4.3 Đánh giá hoạt tính xúc tác quang bột TiO2-SiO2 77 4.3.1 Thí nghiệm hấp phụ bão hịa bóng tối 77 4.3.2 Sử dụng nguồn sáng UV-A 79 4.3.3 Sử dụng nguồn sáng mặt trời 81 4.4 Đánh giá hoạt tính xúc tác quang lớp phim TiO2-SiO2 82 4.4.1 Sử dụng nguồn sáng UV-A 82 4.4.2 Sử dụng nguồn sáng mặt trời 85 4.4.3 Thí nghiệm đánh giá hoạt tính lớp phim TiO2 nước thải xử lý 87 4.5 Thí nghiệm chạy bền hạt silicate 89 4.5.1 Khảo sát độ bền lớp lớp phim TiO2 vật mang theo khối lượng 90 4.5.2 Khảo sát độ bền lớp phim TiO2 vật mang theo hiệu xử lý 91 4.4 Thí nghiệm xử lý tổng Coliform mơ hình pilot điều kiện ánh sáng mặt trời tự nhiên 92 4.6 Động học trình quang phân huỷ COD mẫu vật liệu TiO2-SiO2 điều kiện sử dụng nguồn sáng mặt trời 93 iii Mục lục KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 95 KẾT LUẬN 95 KIẾN NGHỊ 97 LÝ LỊCH KHOA HỌC 107 iv Danh mục bảng DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1 Thế oxy hóa số chất oxy hóa .9 Bảng 1.2 Hằng số tốc độ phản ứng OH O3 số hợp chất hữu môi trường nước [4] .10 Bảng 1.3 Một số tính chất vật lý TiO2 dạng anatase rutile 19 Bảng 1.4: Một số nhóm chất hữu xử lý trình quang xúc tác bán dẫn .33 Bảng 1.5: Các hợp chất vô độc hạ bị xử lý phương pháp quang xúc tác TiO2 .35 Bảng 1.6: Những loại vi khuẩn virus bị phá hủy trình quang xúc tác bán dẫn TiO2 36 Bảng 2.1 Đặc tính thiết bị phản ứng sử dụng TiO2 dạng khác [22] 45 Bảng 3.1 Thành phần tính, chất nước thải hồ lắng số (7) 62 Bảng 3.2 Bảng phương pháp phân tích tiêu 70 Bảng 4.1 Tính chất vật liệu TiO2-SiO2 90:10 sau điều chế 72 Bảng 4.2 Xác định khối lượng vật liệu xúc tác phủ hai loại hạt mang 75 Bảng 4.3 Khảo sát độ bền lớp phim TiO2 hạt silicate theo khối lượng 90 Bảng 4.4 Các thông số động học trình quang phân huỷ COD lớp phim TiO2-SiO2 loại hạt mang sử dụng nguồn sáng mặt trời 94 v Danh mục hình DANH MỤC HÌNH Hình 1.1 Cơ chế q trình xúc tác quang vật liệu bán dẫn 15  Hình 1.2 Cấu trúc tinh thể pha Rutile 18  Hình 1.3 Cấu trúc tinh thể pha Anatase 18  Hình 1.4 Cấu trúc tinh thể pha Brookite .19  Hình 1.5 Giản đồ lượng obitan liên kết TiO2 anatase 20  Hình 1.6 Mơ hình chế trình xúc tác quang TiO2 .22  Hình 2.1 Phương pháp phủ nhúng 47  Hình 2.2 Phương pháp phủ nhúng với góc nghiêng .47  Hình 2.3 Phủ nhúng chai, lọ kết hợp với vận tốc quay 48  Hình 2.4 Kỹ thuật phun phủ [124] .48  Hình 2.5 Phương pháp phủ chảy 49  Hình 2.6 Phương pháp phủ quay 50  Hình 2.7 Kỹ thuật Capillary Coating 51  Hình 2.8 Kỹ thuật in lụa .53  Hình 3.1 Mơ hình hệ thống thí nghiệm điều chế vật liệu TiO2-SiO2bằng phương pháp sol-gel 56  Hình 3.2 Quy trình thí nghiệm điều chế sol-gel bột TiO2-SiO2 58  Hình 3.3 Biểu đồ phân bố kích thước hạt dung dịch sau q trình thuỷ phân nhiệt 59  Hình 3.4 Hệ thống phun dung dịch TiO2-SiO2 lên hạt mang 60  Hình 3.5 Quy trình phủ TiO2-SiO2 lên hạt bẹt silicate phương pháp phun 60  Hình 3.6 Sơ đồ mặt bố trí Nhà Máy XLNTTT Bình Hưng Hịa 62  Hình 3.7 Phổ ánh sáng đèn UV-A (Philips) [84] 64  Hình 3.8 Sơ đồ thiết bị phản ứng đánh giá hoạt tính xúc tác quang củavật liệuTiO2-SiO2dạng bột 65  Hình 3.9 Phổ ánh sáng ánh sáng mặt trời tự nhiên .66  Hình 3.10 Mơ hình thí nghiệm đánh giá hoạt tính xúc tác quang lớp phim mỏng TiO2 .67  vi ... trình xúc tác quang hóa TiO2 Nghiên cứu hoạt tính xúc tác quang lớp phim mỏng TiO2 xử lý bậc cao nước thải sinh hoạt nhằm phục vụ tái sử dụng là cần thiết Theo kết đạt nghiên cứu trước TiO2, khả xử. .. nano TiO2 Việt Nam trình tái sử dụng vật liệu thách thức lớn Đề tài ? ?Nghiên cứu đánh giá hoạt tính xúc tác quang lớp phim mỏng TiO2 xử lý bậc cao nước thải sinh hoạt? ?? thực với mong muốn nghiên cứu. .. phản ứng xúc tác quang hóa khác phản ứng xúc tác truyền thống cách hoạt hóa xúc tác Trong phản ứng xúc tác truyền thống, xúc tác hoạt hóa nhiệt cịn phản ứng xúc tác quang hóa, xúc tác hoạt hóa