Quá trình quang xúc tác trên TiO2 là quá trình xúc tác dị thể, nên cũng gồm 5 giai đoạn theo thứ tự như sau: chuyển các chất phản ứng trong pha lỏng đến bề mặt xúc tác, hấp phụ chất phản ứng trên bề mặt xúc tác, phản ứng trong pha hấp phụ, giải hấp phụ các sản phẩm phản ứng và chuyển các sản phẩm phản ứng khỏi bề mặt phân giới giữa hai pha[5,13]. Quá trình quang xúc tác TiO2 có thể bị ảnh hưởng bởi các yếu tố nhiệt độ, pH, nồng độ oxy, hàm lượng xúc tác, bước sóng và cường độ bức xạ.
Ảnh hưởng của nhiệt độ
Quá trình quang xúc tác là một quá trình quang xảy ra ở nhiệt độ thường với tác nhân oxy hóa chính là •OH nên đa số các phản ứng quang hóa xúc tác không nhạy với nhiệt độ hoặc thay đổi rất ít theo nhiệt độ. Về mặt nguyên tắc, năng lượng hoạt hóa của quá trình quang hóa xúc tác bằng zero, tuy nhiên việc tăng nhiệt độ có thể làm giảm tốc độ tái hợp của các cặp e-/h+ nên trong một số ít trường hợp cho thấy sự phụ thuộc Arrhenius của quá trình phân hủy quang hóa với năng lượng hoạt hóa biểu kiến cỡ vài KJ/mol trong khoảng nhiệt độ 20 – 800C [33,36]. Đây được xem là ưu thế của quang hóa xúc tác đối với các ứng dụng trong môi trường nước vì không đòi hỏi cung cấp nhiệt và nhiệt độ tối ưu nằm trong khoảng 20 – 800C.
Ảnh hưởng của pH
Như các quá trình xúc tác xảy ra trên các oxyt kim loại, quá trình quang xúc tác trên TiO2 cũng bị ảnh hưởng bởi pH. pH của dung dịch phản ứng ảnh hưởng đáng kể đến kích thước tổ hợp, điện tích bề mặt và thế oxy hóa khử của các biên vùng năng lượng xúc tác. Điểm đẳng điện tích (pzc, là giá trị pH của môi trường mà ở đó điện tích của bề mặt TiO2 bằng zero) của TiO2 trong môi trường nước có giá trị nằm trong khoảng 6 - 7[3,8]. Khi dung dịch có pH < pzc, bề mặt TiO2 tích điện
20
dương và ngược lại khi pH > pzc bề mặt TiO2 tích điện âm, và điều đó sẽ ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ của TiO2 đối với các chất phản ứng tích điện theo định luật Culong.
Vì vậy, quá trình quang hóa xúc tác trên TiO2 cũng chịu ảnh hưởng bởi pH của dung dịch phản ứng, tuy nhiên sự thay đổi của quá trình quang hóa xúc tác ở các pH khác nhau thường không quá một bậc độ lớn[25]. Đây được xem là thuận lợi của hệ xúc tác quang hóa TiO2 so với các AOPs khác.
Ảnh hưởng của nồng độ oxy
Tốc độ và hiệu quả của các quá trình quang xúc tác phân hủy các chất hữu cơ được tăng cường nhờ sự tham gia của oxy[20]. Với vai trò là tâm bẫy điện tử vùng dẫn, phân tử oxy đã ngăn chặn một phần sự tái kết hợp của cặp e-/h+ cùng với việc tạo thành một tác nhân oxy hóa hiệu quả là anion peroxyt theo phương trình (1.12).
Ảnh hưởng của hàm lượng xúc tác
Như các quá trình xúc tác dị thể, trong các hệ phản ứng quang xúc tác, tốc độ ban đầu của phản ứng tỷ lệ thuận với hàm lượng của xúc tác
2
TiO
C . Nhưng khi
2
TiO
C vượt quá một giá trị giới hạn nào đó thì sự tăng tốc độ phản ứng sẽ chậm và không còn phụ thuốc vào hàm lượng xúc tác.
Giá trị giới hạn của hàm lượng xúc tác TiO2 phụ thuộc vào bản chất phản ứng, cấu hình và các điều kiện làm việc của hệ phản ứng. Giá trị giới hạn này tương ứng với hàm lượng cực đại của TiO2 sao cho toàn bộ bề mặt xúc tác đều được chiếu sáng[16]. Khi hàm lượng xúc tác lớn hơn giá trị giới hạn, các hạt xúc tác sẽ che một phần tổng bề mặt nhạy quang của xúc tác. Hàm lượng xúc tác tối ưu đối với TiO2 – P25 Degussa để cho hiệu quả hấp phụ ánh sáng cao nhất trong khoảng 0,1 – 5g TiO2/l[28,30].
Đối với các hệ quang hóa tĩnh trong phòng thí nghiệm, hàm lượng tối ưu 2,5gTiO2/l, trong khi đối với các thí nghiệm pilot sử dụng năng lượng mặt trời trong hệ quang hóa tuần hoàn, hàm lượng xúc tác tối ưu chỉ 0,2gTiO2/l[9,27]. Vì vậy đối với từng hệ quang hóa cụ thể cần xác định hàm lượng xúc tác tối ưu nhằm đảm bảo hấp thụ tối đa lượng photon ánh sáng và tránh lãng phí.
21
Sự phụ thuộc của tốc độ quá trình quang hóa xúc tác vào bước sóng có cùng dạng phổ hấp phụ của xúc tác và có ngưỡng giá trị tương ứng với năng lượng vùng cấm của xúc tác[20]. Như đã trình bày ở phần trên, xúc tác TiO2 chỉ có khả năng hấp thụ bức xạ có bước sóng λ ≤ 387,5nm và với các bước sóng lớn hơn 387,5nm quá trình quang hóa sẽ không xảy ra [17].
Do bản chất của quá trình quang xúc tác là các hạt mang điện quang sinh e- /h+ tham gia vào cơ chế phản ứng, nên tốc độ phản ứng của quá trình quang hóa xúc tác tỷ lệ tương ứng với bức xạ nằm trong vùng bước sóng UV-A (λ ≤ 387,5nm). Tốc độ quá trình quang hóa tăng một cách tuyến tính cùng với cường độ bức xạ trong khoảng 0 - 20mW/cm2 [29]. Khi cường độ bức xạ vượt qua một giá trị nhất định (khoảng 25mW/cm2), thì tốc độ quá trình quang hóa xúc tác tỷ lệ với căn bậc hai của cường độ bức xạ [8,17]. Vì vậy, công suất nguồn UV tối ưu cần chọn tương ứng với vùng có cường độ bức xạ tỷ lệ tuyến tính với tốc độ quá trình quang hóa. Ngoài các yếu tố kể trên động học quá trình quang xúc tác còn phụ thuộc nhiều yếu tố như cấu hình thiết bị phản ứng, các thành phần ion trong dung dịch, sự khuấy trộn…