Tổng hợp và ứng dụng nano TiO2 trong xử lý ô nhiễm không khí

MỤC LỤC

Āng dāng nano TiO 2 trong phân hÿy chãt đ⌀c h漃Āa h漃⌀c

Khụng khớ ồ cỏc thành phỏ th°óng bò ụ nhiởm nặng bồi cỏc mựi khúi th¿i cụng nghiòp, khúi thuỏc lỏ, khúi xe và bÿi. Cỏc nhà khoa hỏc đang nghiờn cứu ph°Âng pháp tập h£p các hct TiO2 trên các s£i giĀy mà không làm phá hủy các liên kết của sÊi giĀy để tổng hÊp ra mòt loci giĀy đặc biòt – giĀy thụng minh tā khử mựi. & cỏc phõn tử mựi, bÿi b¿n sẽ bò giÿ lci và phõn hủy chỉ nhó ỏnh sỏng th°óng hoặc ỏnh ỏng từ mòt đốn tử ngoci.

Bằng cỏch kết hÊp TiO2 vỏi tia UV, cỏc hÊp chĀt hÿu c dở dàng đ°Êc phõn hủy tco ra CO2 và n°ỏc. Tci Nhật B¿n, ng°ói ta đó thử nghiòm cỏc loci bn tắm cú thể tā làm scch n°ỏc trong 24h nhó mòt lỏp TiO2 trỏng trờn thành bn. Mụi tr°óng nh° phũng mổ bònh viòn là nhÿng nÂi yờu cu về đò vụ trựng rĀt cao, cụng tỏc khử trựng th°óng đ°Êc tiến hành k礃̀ l°ơꄃng và mĀt khá nhiều thì giã.

Mòt ứng dÿng rĀt đòc đỏo và đy triển vỏng của TiO2 là chế tco cỏc vật liòu tā làm scch ứng dÿng c¿ hai tớnh chĀt xwc tỏc quang húa và siờu thĀm °ỏt. Cỏc cửa kớnh vỏi mòt lỏp TiO2 siờu mòng (chỉ dày cơꄃ micro) vÁn cho phộp ỏnh sỏng th°óng đi qua nh°ng lci hĀp thÿ tia tử ngoci để phõn hủy cỏc vết du mơꄃ do cỏc ph°Âng tiòn giao thụng th¿i ra. Trong khuụn khổ luận văn này, ứng dÿng nano TiO2 trong phõn hủy chĀt đòc hóa hác đ°£c quan tâm nghiên cứu.

Các ph°¢ng pháp tiêu đ⌀c

Vỏi ph°Âng phỏp này, ng°ói ta sử dÿng dũng khụng khớ núng hoặc hÂi n°ỏc núng để thổi vào bề mặt nhiởm đòc, đng thói cỏc chĀt đòc sẽ bò bay hÂi và gi¿i phúng khòi bề mặt nhó tỏc dÿng của h¢i nóng và đi vào không khí. Cỏc chĀt hĀp thÿ đ°Êc dựng phổ biến để loci bò cỏc loci chĀt đòc ra khòi bề mặt nh° cacbon hoct tính, các loci polime có tính trao đổi ion và đĀt sét có hoct tính hĀp phÿ cao. Ph°Âng phỏp này chủ yếu dāa vào kh¿ năng hĀp phÿ của cỏc vật liòu hĀp phÿ, chĀt đòc từ bề mặt nhiởm sẽ bò hĀp phÿ vào bờn trong của vật liòu và giÿ chĀt đòc ồ bờn trong cĀu trwc của nú và đ°Êc xử lý ồ cụng đocn tiếp theo.

Mòt sỏ chĀt hĀp phÿ đ°Êc t¿m cỏc húa chĀt hoặc chĀt xwc tỏc cú kh¿ năng phõn hủy chĀt đòc ngay bờn trong nú, nờn quỏ trỡnh tiờu đòc x¿y ra ngay sau khi chĀt đòc đi vào bề mặt chĀt hĀp phÿ mà không ph¿i tiến hành công đocn xử lý tiếp theo. Ph°Âng phỏp này chủ yếu sử dÿng cỏc tỏc nhõn là cỏc chĀt húa hỏc tỏc t°Âng trāc tiếp vỏi chĀt đòc trờn c sồ cỏc ph¿n ứng húa hỏc nh° ph¿n ứng oxi húa, ph¿n ứng thế Nucleophin. Cỏc loci v¿i tā khử trựng đ°Êc chu¿n bò bằng cỏch sử dÿng cỏc lỏp lắng đỏng cỏc ỏng nanoWO3/titanate trờn bề mặt để loci bò cỏc chĀt mụ phòng sulfide, organophosphonate và các tác nhân chiến tranh hóa hác bằng cách sử dÿng ánh sáng mặt trãi.

Cỏc mÁu vật liòu đ°Êc kh¿o sỏt diòn tớch bề mặt riờng (ph°Âng phỏp Brunauer - Emmett - Teller), đò xỏp (ph°Âng phỏp Barrett - Joyner - Halenda), nhiởu xc tia X (XRD) và hỡnh thỏi hỏc bề mặt (SEM).Các mÁu anatase TiO2 và Ferrihydrit đ°£c đánh giá về kh¿ năng phân hủy các tác nhân chiến tranh hóa hác (khí mù tct, l°u huỳnh (HD), soman và tác nhân VX) thành cỏc s¿n ph¿m khụng đòc hci. Thay vỡ tiờu đòc trờn cỏc chĀt đòc chiến tranh, luận văn sử dÿng chṍt DMNP (Dimethyl 4-nitrophenyl phosphate) – C8H10NO6P là chĀt mụ phòng tỏc nhõn chiến tranh húa hỏc (DMNP đ°Êc sử dÿng ròng rói trong viòc hữ trÊ mụ phòng tiờu đòc tỏc nhõn chiến tranh). Titanium(IV) isopropoxide (TTIP) 97% của Merck, cetyltrimethylammonium bromide (CTABr) 98% của Merck, iso propanol (CH3)2CHOH 98% của Trung Quác, dimethyl methyl phosphonate (DMNP) 98% của Sigma-Aldrich, natri hydroxit (NaOH) 99% của Trung Quác, n°ác cĀt.

Hình 1.5. CĀu trwc phân tử của DMNP
Hình 1.5. CĀu trwc phân tử của DMNP

Ch¿ t¿o vÁt liòu nano TiO 2

Quỏ trỡnh thớ nghiòm sử dÿng mỏy rung siờu õm, mỏy khuĀy từ nhằm hữ trÊ. Nng đò TTIP trong dung mụi isopropyl alcohol ban đu ¿nh h°ồng đến quỏ trỡnh tổng hÊp nano TiO2 cũng đ°Êc kh¿o sỏt.

Đánh giá ho¿t tính xúc tác quang cÿa nano TiO 2

Giÿa bề mặt của dung dòch ph¿n ứng và ngun sỏng đ°Êc cỏ đònh vái kho¿ng cách 15 cm.

Các ph°¢ng pháp nghiên cāu

Do vậy, từ giản đ nhiởu xc tia X cũng cú thể xỏc đònh đ°Êc cỏc tớnh chĀt của mcng tinh thể nh°: kớch th°ỏc, hỡnh dcng của ụ đÂn vò, sā sắp xếp của nguyờn tử trong ụ đÂn vò và loci hò tinh thể. Ph°Âng phỏp Bet (Brunauer-Emmett-Teller) hay ph°Âng phỏp đo diòn tớch bề mặt riờng (diòn tớch bề mặt trờn 1 đÂn vò khỏi l°Êng), đò phõn bỏ, kớch th°ỏc trung bỡnh mao qu¿n của vật liòu,. Khi nghiờn cứu, cỏc dcng vật liòu cú hò thỏng mao qu¿n phõn bỏ trong mòt kho¿ng ròng thỡ thể tớch mao qu¿n nhò và diòn tớch mao qu¿n đ°Êc xỏc đònh nhó ph°Âng phỏp đ thò t-plot-do Boer.

Trong tr°óng hÊp vật liòu vi mao qu¿n, đocn thẳng <V-t= khụng đi qua gỏc tỏa đò, xỏc đònh gúc nghiờng của phn tuyến tớnh sẽ cho diòn tớch bề mặt ngoài và tung đò ồ điểm gỏc (xỏc đònh bằng ph°Âng phỏp ngoci suy) là thể tớch vi mao qu¿n. Diòn tớch bề mặt riờng và phõn bỏ mao qu¿n của vật liòu đ°Êc xỏc đònh theo ph°Âng phỏp BET trờn thiết bò Tristar II 3020, USA tci Viòn K礃̀ thuật nhiòt đỏi, Viòn Hàn lõm KHCN Viòt Nam. Ph°¢ng pháp UV – Vis (Ultra Violet - Visible) hay ph°¢ng pháp quang phổ hĀp thÿ nguyờn tử là ph°Âng phỏp hiòn đci, dựng để phõn tớch và xỏc đònh năng l°Êng vựng cĀm E của vật liòu.

+ Nếu các chất phân tích có hấp thụ quang: Hoà tan vào trong dung môi phù hÊp, tco ra dung dòch trong và đng thể nh° mòt sỏ chĀt hÿu cÂ: Benzen, phenol, nitrophenol, napthalen, anthracene; mòt sỏ chĀt vụ cÂ: I2, muỏi K2CrO4, K2Cr2O7, KMnO4 &. + Những chất không có phổ hấp thụ quang: Chủ yếu là các ion kim loci hay các anion, cho cỏc chĀt này tỏc dÿng vỏi thuỏc thử R nào đú trong dung mụi và ồ điều kiòn thớch hÊp để tco ra mòt hÊp chĀt phức bền cú kh¿ năng hĀp thÿ quang UV-VIS rĀt cao. Là k椃̀ thuật phõn tớch tớnh chĀt trờn bề mặt vật liòu, ph°Âng phỏp này th°óng đ°Êc dựng để xỏc đònh thành phn c b¿n, trcng thỏi húa hỏc, trang thỏi điòn tử của cỏc nguyờn tỏ trờn bề mặt của vật liòu.

Hình 2.2. S¢ đ tia ph¿n xc và tia tái trên tinh thể
Hình 2.2. S¢ đ tia ph¿n xc và tia tái trên tinh thể

Theta (đ⌀)

Diòn tớch bề mặt, thể tớch và đ°óng kớnh mao qu¿n của cỏc mÁu nano TiO2.

䄃Āp suãt t°¢ng đối (P/P o )

    Nh° vậy, vật liòu TiO2-100 cú diòn tớch bề mặt cao nhĀt, đ°óng kớnh mao qu¿n lỏn nhĀt sẽ tco điều kiòn thuận lÊi cho quỏ trỡnh khuếch tỏn chĀt mụ phòng tỏc nhõn thn kinh DMNP đến cỏc tõm hoct đòng. Đáng chw ý, sā có mặt của các nhóm –OH hĀp phÿ trên bề mặt vật liòu cú lÊi cho quỏ trỡnh hỡnh thành cỏc gỏc ph¿n ứng nh° •OH và •O2– khi đ°Êc kớch thớch bồi ngun ỏnh sỏng. Luận văn đó tổng hÊp đ°Êc vật liòu nano TiO2 bằng ph°Âng phỏp sol-gel vỏi nng đò Titanium(IV) isopropoxide (TTIP) và điều kiòn tỏi °u để tổng hÊp là nng đò Titanium(IV) isopropoxide trong isopropyl alcohol là 100 mL/L, pH =8 và thói gian già húa sol trong 4 gió ồ nhiòt đò phũng.

    Tuan Q.Nguyen, Hoang Yen, Khanh T.Trinh, study on photocatalytic properties of nano-TiO2 prepared by sol-gel and hydrothermal method, proceedings of IWNA 2007, (2007), pp. Trònh Thò Loan, Lờ Hng Hà, Nguyởn Ngỏc Long, Nguyởn Hcnh, Ngcc An Bang, Tổng hÊp cỏc dõy nanụ TiO2 anatase bằng ph°Âng phỏp thuỷ nhiòt hai giai đocn, Hòi nghò Vật lý toàn quỏc ln thứ VI, Hà Nòi, (2007). Tr°Âng Văn Ch°Âng, Lờ Quang, Tiến Dũng, Nguyởn Văn Ngh椃̀a, Nguyởn Ngỏc Khoa Tr°óng Phỏt triển cụng nghò siờu õm vi song thủy nhiòt tci tr°óng Đci hỏc Khoa hỏc Huế, Hòi nghò khoa hỏc tr°óng Đci hỏc khoa hỏc Huế ln thứ 15, (2008).

    Jaturong jitputti, Sarapong pavasupree, Yoshikazu suzuki, Susumu Yoshikawa, Suythesis and photocatalytic activity for water- splitting reaction of nanocrystalline mesoporous titania prepared by hydrothermal method, Journal of Solid State Chemistry, 180, (2007), pp. Le, Photocatalytic Degradation of Phenol and Methyl Orange with Titania-Based Photocatalysts Synthesized by Various Methods in Comparison with ZnO–Graphene Oxide Composite, Topics in Catalysis. Wang, The preparation and study of multilayer structured SiO2–TiO2 film: the effects of photonic crystals on enhanced photocatalytic properties, Journal of Materials Science.

    Vu, Bimetallic Ag-Zn-BTC / GO composite as highly efficient photocatalyst in the photocatalytic degradation of reactive yellow 145 dye in water, Journal of Hazardous Materials. Baghersad, Visible light photocatalytic degradation of methyl parathion as chemical warfare agents simulant via GO- Fe3O4/Bi2MoO6 nanocomposite, Journal of Molecular Structure.

    Hình 3.6. Gi¿n đ UV-Vis
    Hình 3.6. Gi¿n đ UV-Vis