Hiện nay, trên thị trường TiO2 được bán phổ biến và rộng rãi dưới dạng bột mịn hoặc huyền phù. Sơn xúc tác quang- một loại sơn tự làm sạch chính là dạng huyền phù của TiO2. Thực chất, loại sơn này là môt dạng dung dịch chứa vô số các tinh thể TiO2 cỡ chừng từ 8 đến 25nm. Do tinh thể TiO2 có thể lơ lửng trong dung dịch mà không lắng đọng nên còn được gọi là sơn huyền phù TiO2. Khi được phun lên tường, kính, gạch, sơn sẽ tự tạo ra một lớp màng mỏng bám chắc vào bề mặt.
Nguyên lý hoạt động của loại sơn trên như sau: khi các vật liệu được đưa vào sử dụng, dưới tác dụng của tia cực tím trong ánh sáng mặt trời, oxi và nước trong dung dịch, TiO2 sẽ phân hủy hầu hết các chất hữu cơ, chất độc hại bám trên bề mặt vật liệu thành H2O và CO2. TiO2 không bị tiêu hao trong thời
gian sử dụng do nó là chất xúc tác, không tham gia vào quá trình phân hủy. Cơ chế của hiện tượng này có liên quan đến sự quang hoá – oxi hóa các chất gây ô nhiễm trong nước bởi TiO2. Các chất hữu cơ bền, rêu, mốc,… bám chặt vào sơn có thể bị oxi hóa bằng cặp điện tử - lỗ trống được hình thành khi các hạt nano TiO2 hấp thụ ánh sáng và như vậy chúng được làm sạch khỏi màng sơn. Hơn nữa chính lớp sơn không bị tấn công bởi các cặp oxi hóa – khử mạnh mẽ này. Người ta phát hiện ra rằng, chúng có tuổi thọ không kém gì sơn không biến tính bằng các hạt nano TiO2.
Các loại sơn phổ biến trên thị trường hiện nay có thể kể đến như là sơn nano titanoxit protectan: FN1, FN2, FN3. Đây là loại sơn được sản xuất từ Cộng hòa Séc với công dụng kháng khuẩn, làm sạch không khí và phù hợp để sử dụng trên tất cả các loại tường nhà, thạch cao,...
Kết luận:
Từ những tổng quan trên, nhận thấy được TiO2 hoàn toàn có thể trở thành một sản phẩm công nghệ được ưa chuộng trong nhiều ngành nghề khác nhau với nhiều mục đích khác nhau. Với giá thành rẻ, hiệu quả cao, cũng như tính bền vững với thời gian, TiO2 là hướng nghiên cứu hữu hiệu trong việc xử lý môi trường bị ô nhiễm.
Mặt khác, nước ta đang là một nước công nghiệp hóa, hiện đại hóa với nhiều ngành nghề phát triển vượt bậc. Công nghiệp dệt may xuất khẩu nhiều năm gần đây có xu hướng tăng cao, hàng loạt các nhà máy lớn nhỏ về dệt nhuộm, may mặc được ra đời. Tuy nhiên, không phải tất cả các nhà máy, xí nghiệp đều có các hệ thống xử lý nước thải. Hầu hết chúng có quy mô vừa và nhỏ và hàng ngày xả thải trực tiếp ra môi trường. Việc sử dụng các loại thuốc nhuộm, phẩm màu trong các ngành công nghiệp này làm ảnh hưởng nghiệm trọng tới nguồn nước, do việc hấp thụ chất màu của vải chỉ đạt 60 đến 70%. Còn lại số thuốc nhuộm, phẩm màu theo nguồn nước thải ra môi trường gây ô nhiễm nguồn nước, ảnh hưởng đến sức khỏe cộng đồng. Cụ thể là các bệnh về đường hô hấp ở con người, gây ức chế sự sinh trưởng của các loại sinh vật
trong nước,... Việc nghiên cứu, xử lý loại nước thải này cũng được nhiều chuyên gia chú ý.
Việc sử dụng TiO2 để xử lý chất hữu cơ dạng màu trong nước là hướng nghiên cứu gần đây của nhiều nhà khoa học. Để dễ dàng được thu hồi và tái sử dụng xúc tác sau xử lý, cần phải có một vật liệu mang phù hợp để sơn TiO2 lên bề mặt. Vì vậy, tìm ra được loại vật liệu thích hợp để có thể làm chất mang xúc tác và tìm hiểu các yếu tố ảnh hưởng đến phản ứng phân hủy chất hữu cơ màu trong nước và đưa ra điều kiện phản ứng tối thích là rất cần thiết.
PHẦN 3: NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 3.1. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
3.1.1. Đối tượng nghiên cứu
- Chất xúc tác quang hóa TiO2 dưới dạng chế phẩm thương mại là FN2. Đây là loại sơn xuất xứ từ Cộng hòa Séc với tác dụng kháng khuẩn và làm sạch không khí.
- Dung dịch màu hữu cơ MB nồng độ 5.10-6M. Dung dịch được pha từ MB dạng bột nhập khẩu từ Trung Quốc.
3.1.2. Phạm vi nghiên cứu
Phạm vi thời gian: Từ tháng 1 đến tháng 5, năm 2015
3.2. Nội dung nghiên cứu
Tìm các nguyên vật liệu làm chất mang xúc tác. Xác định điều kiện để xúc tác đạt hiệu quả cao nhất.
3.3. Phương pháp nghiên cứu
3.3.1. Thu thập số liệu thứ cấp
Thu thập số liệu thứ cấp từ mạng internet, thư viện của khoa, trường, các tạp chí khoa học, sách báo, từ thông tin thu thập được từ thầy cô và bạn bè về các vấn đề liên quan đến nội dung của đề tài:
Các thông tin về cơ chế của phản ứng phân hủy chất hữu cơ trong nước có sử dụng chất xúc tác quang hóa.
Các báo cáo, nghiên cứu khoa học về vật liệu TiO2
3.3.2. Phương pháp thực nghiệm
Bố trí các thí nghiệm để xác định thông số - Dụng cụ cần thiết:
Bình phản ứng là các bình thủy tinh hình trụ có dung tích 4,4lít , đường kính 15cm.
Tấm mang xúc tác là bê tông nhẹ, tấm xi măng sợi, gạch lát nền. Tất cả được cắt thành hình vuông kích thước 10cm2.
Mô hình trong 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
HCl 2M NaOH 2M
- Chỉ tiêu theo dõi: Sự phân hủy MB thông qua sự giảm độ hấp thụ quang A của dung dịch chất màu.
- Quá trình xử lý:
Dung dịch ban đầu: MB 5.10-6M
Dung dịch sau xử lý: Tiến hành thí nghiệm xử lý MB liên tục trong nhiều giờ. Đo độ hấp phụ quang A của dung dịch MB ở bước sóng λ= 650nm tại nhiều thời điểm. Xây dựng phương trình toán học biểu diễn sự phân hủy MB theo thời gian.
Dự báo thời gian dung dịch xử lý đạt giá trị tới hạn đo của máy so màu là A= 0,01
Thí nghiệm 1: Xác định chất mang
Lựa chọn một số loại vật liệu làm chất mang là tấm xi măng dạng sợi, tấm bê tông nhẹ, gạch lát nền.
- Tiến hành phủ sơn xúc tác lên bề mặt các chất mang. Đánh giá cảm quan vật liệu làm chất mang tốt nhất.
- Tiến hành phủ xúc tác bằng hai cách khác nhau là quét thủ công bằng tay và sơn bằng máy. Đánh giá cảm quan cách phủ xúc tác tối ưu.
Chỉ tiêu đánh giá: Độ bám dính của sơn xúc tác FN2 trên vật liệu.
Thí nghiệm 2: Xác định độ dày lớp xúc tác
Phủ xúc tác: Sử dụng chất mang là 4 tấm bê tông nhẹ kích thước 10cm2, dày 1cm. Các tấm được phủ xúc tác FN2 với số lớp xúc tác khác nhau là 1 lớp, 2 lớp, 3 lớp, và 4 lớp.
Bố trí thí nghiệm: Sử dụng 4 bình phản ứng, tiến hành xử lý 2 lít dung dịch MB nồng độ 5.10-6M. Treo lần lượt các tấm phản ứng vào các bình. Sử dụng hệ thống sục khí 45W cho tất cả các bình phản ứng. Thí nghiệm tiến hành trong phòng kín, chiếu sáng 2 bóng đèn tia UV 40W.
Tiến hành lấy mẫu, đo độ hấp phụ quang A ở bước sóng λ= 650nm 45phút/lần.Thí nghiệm xử lý trong ngày, khoảng 6 -10 tiếng.
Lặp lại thí nghiệm trong 3 ngày liên tiếp.
Thí nghiệm 3: Xác định độ bền của chất xúc tác
Thí nghiệm nhằm kiểm tra tính ổn định của vật liệu khi đưa vào sử dụng. Bố trí thí nghiệm như thí nghiệm 2: Xử lý MB sử dụng tấm xúc tác là bê tông nhẹ phủ 2 lớp FN2, trong điều kiện sục khí, chiếu sáng 2 bóng UV.
Để xác định sự ổn định của vật liệu phản ứng, ta lặp lại thí nghiệm trên 14 ngày liên tiếp, mỗi ngày xử lý trong 6 tiếng.
Thí nghiệm 4: Xác định cường độ chiếu sáng tối ưu
Bố trí thí nghiệm trong điều kiện như thí nghiệm 3. Thay đổi số bóng chiếu sáng lần lượt từ 1 đến 4 bóng tia UV.
Với mỗi chế độ chiếu sáng, tiến hành lặp lại 3 lần, mỗi lần xử lý trong 6 tiếng.
Thí nghiệm 5: Xác định hiệu quả sục khí và tốc độ sục khí tối ưu
- Xác định hiệu quả sục khí.
Bố trí thí nghiệm như thí nghiệm 3. Xử lý MB trong điều kiện có sục khí và không sục khí. So sánh hiệu quả xử lý sau nhiều giờ.
Thí nghiệm lặp lại 3 lần, mỗi lần xử lý trong 6 tiếng. - Xác định tốc độ sục khí tối ưu.
Bố trí thí nghiệm như thí nghiệm 3. Tuy nhiên có thay đổi tốc độ sục của dung dịch bằng cách sử dụng cột áp nước điều chỉnh tốc độ sục. Cột áp nước càng cao thì tốc độ sục khí càng tăng. Thay đổi chiều cao cột áp nước so với chiều cao của các bình phản ứng để theo dõi hiệu quả xúc tác. Tỉ lệ chiều cao cột áp nước sử dụng với chiều cao dung dịch phản ứng lần lượt là 1:2; 2:2; 3:2.
Với mỗi giá trị chiều cao cột áp nước khác nhau, thí nghiệm được lặp lại 3 lần, mỗi lần xử lý trong 6 tiếng.
Thí nghiệm 6: Xác định giá trị pH dung dịch tối ưu
Sử dụng HCl 2M và NaOH 2M để điều chỉnh pH dung dịch trong các bình phản ứng đạt các giá trị pH lần lượt 6, 7, 8, 9, 10.
Bố trí thí nghiệm như trong thí nghiệm 3 với 5 bình phản ứng tương ứng với 5 giá trị pH như trên.
3.3.3. Sử dụng toán học thống kê để xử lý số liệu
- Số liệu sau khi được phân tích được xử lý thống kê toán học X = ± dx
dx = Kn.R (n<7) R = Xmax - Xmin
Kn là hằng số phụ thuộc n và α [Phụ lục 1].
3.3.4. Xử lý số liệu bằng phần mềm exel
Xây dựng, vẽ đồ thị minh họa và tìm hàm toán học từ bộ số liệu đo đạc từ phần mềm exel
PHẦN 4: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU
4.1. Lựa chọn vật liệu phù hợp làm chất mang và xác định phương pháp phủ xúc tác. phủ xúc tác.
4.1.1. Lựa chọn vật liệu phù hợp làm chất mang
Các vật liệu mang được lựa chọn từ các loại vật liệu xây dựng có bán sẵn trên thị trường có bản chất là silicat vì silicat cũng là chất xúc tác trong phản ứng. Sử dụng chất mang để phủ xúc tác giúp phản ứng quang hóa xảy ra dễ dàng hơn và thuận lợi cho việc thu hồi xúc tác sau phản ứng. Tiến hành khảo sát với 3 loại vật liệu tiêu biểu là tấm xi măng dạng sợi, tấm bê tông nhẹ và gạch lát nền như trong hình 4.1
Hình 4.1: Một số vật liệu được lựa chọn làm chất mang xúc tác
Tìm hiểu một số thông số kỹ thuật của các loại vật liệu trên. Kết quả như sau
Tấm xi măng dạng sợi Tấm bê tông nhẹ
Bảng 4.1: Một số thông số kỹ thuật về vật liệu mang
Tấm xi măng sợi Gạch bê tông nhẹ Gạch lát nền Dạng tấm phẳng, bề mặt mịn Dạng tấm phẳng, chất liệu xốp, bề mặt sần sùi, không mịn Dạng tấm phẩm, bề mặt mịn, trơn bóng Khối lượng riêng:
1100- 1450 kg/m3
Khối lượng riêng: 650- 750 kg/m3
Khối lượng riêng: 1250- 1800kg/m3 Khả năng chịu nén: 5 – 8 Mpa Khả năng chịu nén: 5 – 10 Mpa Khả năng chịu nén: 7- 10Mpa Khả năng hấp phụ H2O: 2 – 6% Khả năng hấp phụ H2O : 10 – 15% Khả năng hấp phụ H2O: 3- 8%
Khảo sát vật liệu bằng việc phủ xúc tác FN2, quét nhiều lớp sơn xúc tác lên bề mặt vật liệu. Sau đó, đánh giá cảm quan và độ bền vững của vật liệu.
Cơ sở đánh giá: Đánh giá cảm quan độ bền vững của vật liệu, khả năng bám dính của sơn xúc tác trên các loại vật liệu.
Kết quả: Tấm xi măng sợi hay gạch lát nền có lớp bề mặt nhẵn mịn nên độ bám dính không được tốt, khi xoa tay lên bề mặt vật liệu, có hiện tượng lớp sơn bám lên tay. Hơn nữa, khi tiếp xúc với nước các phân tử sơn bám dính kém đi. Các lớp sơn dễ bị bong tróc lẫn vào dung dịch làm tăng thêm độ đục của dung dịch. Vì vậy, sau khi xử lý dung dịch có thể cần thêm bước lắng lọc để tách và thu hồi lượng sơn xúc tác bị bong tróc này. Xét về mặt khoa học, không nên sử dụng các loại vật liệu này để phục vụ thí nghiệm.
Đối với tấm bê tông nhẹ, do tính hút nước và bề mặt nhám nên lớp xúc tác trên vật liệu không bị bong tróc hay bám trở lại tay khi tiếp xúc. Ngâm vật liệu trong nước cũng không có hiện tượng gây đục cho nước, chứng tỏ sơn bám rất tốt trên loại vật liệu này. Ngoài ra, một ưu điểm của bê tông nhẹ so với 2 sản phẩm còn lại là có bề mặt nhám làm cho nó có diện tích bề mặt lớn hơn hẳn. Như vậy diện tích tiếp xúc của xúc tác với các phần tử màu MB cũng lớn hơn.
Bằng tất cả những đánh giá cảm quan trên, chất mang được lựa chọn thí nghiệm trong bài khóa luận này là bê tông nhẹ.
4.1.2. Xác định phương pháp phủ xúc tác
Khảo sát việc phủ xúc tác để đạt được độ bám dính tốt nhất. Thử nghiệm phun sơn bằng máy và dùng chổi quét thủ công bằng tay với cùng 1 lượng FN2 là 2,5ml FN2 phủ cho 1 tấm bê tông nhẹ 10cm2.
Cơ sở đánh giá: Đánh giá cảm quan về độ bám dính của xúc tác trên bề mặt vật liệu là bê tông nhẹ.
Kết quả cho thấy, quét thủ công lớp sơn bám tốt hơn. Phun sơn bằng máy, thời gian bám dính lâu, độ bám không tốt, hơn nữa xúc tác còn bị mất đi trong quá trình phun.
Như vậy, phương pháp phủ xúc tác được lựa chọn để tiến hành thí nghiệm là sơn thủ công dùng chổi quét.
4.2. Xác định các thông số kỹ thuật ảnh hưởng đến hiệu quả xúc tác trên bê tông nhẹ bê tông nhẹ
Sử dụng chất xúc tác quang sơn lên bề mặt chất mang để xử lý nước thải màu hữu cơ có thể là hướng xử lý tối ưu trong những năm tới. Việc tìm hiểu phản ứng quang hóa và xem xét các yếu tố ảnh hưởng tới thí nghiệm là rất cần thiết. Từ đó có thể đưa ra kết luận về điều kiện thích hợp cho phản ứng quang hóa xảy ra. Tìm được các điều kiện tối ưu có lợi ích làm tăng hiệu quả phản ứng, giúp tiết kiệm thời gian và tiết kiệm kinh phí.
Bởi chất xúc tác được quét lên bề mặt vật liệu mang nên tiến hành tìm hiểu một vài các yếu tố ảnh hưởng đến vật liệu như là: số lớp sơn cần thiết để sơn lên bề mặt vật liệu, độ bền vững của vật liệu theo thời gian.
Ngoài ra, nguyên lý hoạt động của loại sơn này là khi TiO2 được đưa vào môi trường nước bị ô nhiễm, dưới tác dụng của tia cực tím và O2, phản ứng phân hủy chất hữu cơ sẽ xảy ra. Các chất ô nhiễm hữu cơ sẽ bị chuyển hóa, phân hủy hoàn toàn thành sản phẩm cuối cùng là CO2 và H2O. Vì vậy, bằng các thí nghiệm cụ thể xác định các thông số kỹ thuật ảnh hưởng đến hiệu
quả phân hủy bao gồm: cường độ chiếu sáng tia UV, nồng độ DO trong nước cũng như giá trị pH trong môi trường.
Tiến hành thử nghiệm phản ứng quang xúc tác phân hủy hợp chất hữu cơ trong nước (cụ thể là chất hữu cơ màu MB). Bố trí thí nghiệm trong các điều kiện khác nhau để đưa ra được các yếu tố ảnh hưởng đến phản ứng quang xúc tác và điều kiện thích hợp nhất để xúc tác đạt hiệu quả cao nhất.
Chuẩn bị vật liệu:
Tấm bê tông nhẹ dạng khối mua ngoài thị trường cắt thành từng miếng