Với các chất có cấu trúc mạng tinh thể đều đặn thì mỗi mặt mạng như một lớp phản xạ các tia X khi chúng được chiếu vào các mặt này. Chùm tia X chiếu vào tinh thể tạo với mặt tinh thể góc θ. Đây là phương pháp dùng để xác định cấu trúc và thành phần pha của chất xúc tác. Nó rất cần thiết và quan trọng vì thành phần, cấu trúc bề mặt xúc tác TiO2 có ảnh hưởng mạnh đến tính chất lý hóa của chúng, đặc biệt là hoạt tính quang hóa. Ngoài ra, phương pháp XRD còn có thể xác định được vị trí của các nguyên tử trong những cấu trúc phân tử phức tạp. Sơđồ nhiễu xạ tia X được thể hiện trong hình 1.10:
Hình 1.10. Sơđồ nhiễu xạ tia X từ một số hữu hạn các mặt phẳng
Vật liệu nano TiO2/Al2O3, TiO2/SiO2được đưa vào thiết bị nhiễu xạ Rơn-ghen để xác định cấu trúc mạng tinh thể của các hạt TiO2 bám trên bề mặt sợi nhôm oxit và bông thạch anh. Phương pháp này dựa trên hiện tượng phản xạ và giao thoa của các tia X khi lan truyền trong mạng tinh thể. Phương pháp xác định này cũng được thực hiện tại phòng thí nghiệm của Viện khoa học vật liệu - Viện khoa học Việt Nam để xác định cấu trúc tinh thể của hạt trên thiết bị Siemens D5000.
Phân tích cấu trúc bằng XRD được tiến hành bằng cách chiếu lên mẫu nghiên cứu chùm tia X với bước sóng từ vài phần trăm đến vài chục angstron, sau đó ghi nhận và phân tích ảnh nhiễu xạ từ mẫu. Phổ nhiễu xạ tia X của TiO2 anatase sẽ cho các cực đại 2θ = 25,3o (mặt 101), 37,8o (mặt 004), và 48o (mặt 200). Phổ nhiễu xạ tia X của TiO2 rutile sẽ cho các cực đại 2θ = 27,4o (mặt 110), 36,1o (mặt 111), và 54,3o (mặt 211) [19]. + ε ε + 1 2 p ....
- 47 -
Chương 2 – THỰC NGHIỆM 2.1. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Trên cơ sở lựa chọn vật liệu sợi bông thạch anh có các tính chất phù hợp với mục đích tẩm phủ TiO2. Đề tài đã tiến hành:
- Nghiên cứu, khảo sát, xây dựng công nghệ thích hợp với từng loại vật liệu để khử các khí độc hại benzen, toluen, xylen phát sinh trong môi trường không khí.
- Đánh giá các sản phẩm đã chế tạo trong xử lí khí benzen, toluen, xylen trong hệ thí nghiệm đã chế tạo quy mô 1 m3 (1m x1m x1m). So sánh với vật liệu khác (do Pháp chế tạo).
- Thiết kế, chế tạo màng lọc khí và thiết bị làm sạch không khí trên cơ sở sử dụng vật liệu bông thạch anh tẩm phủ sol TiO2.
Đề tài nghiên cứu trong phạm vi phòng thí nghiệm. Trên cơ sởđó, ứng dụng để thiết kế chế tạo thiết bị lọc khí sử dụng cho vùng không khí trong nhà với diện tích 25m2.
2.2. Hóa chất, dụng cụ và thiết bị
2.2.1. Hóa chất
- Tetrabutylorthotitanate Ti(OC4H9)4 (ký hiệu TBOT), Merck – Đức; - Diethanolamin C4H11NO2 (98%) (ký hiệu DEA), Merck – Đức; - Nước cất hai lần.
- Ethanol C2H6O (99,7%) (ký hiệu EtOH), Merck – Đức; - Bột nano TiO2 thương mại Degussa P25, Trung Quốc;
- Vật liệu mang tẩm TiO2 được sử dụng trong đề tài nghiên cứu là sợi bông thạch anh (SiO2). Bông thạch anh dạng sợi, xốp, màu trắng có diện tích bề mặt tiếp xúc rất lớn (đường kính 9um, trọng lượng riêng 200 g/m2, bề mặt riêng 40 m2/g), được sản xuất từ Pháp và Trung Quốc (hình 2.1 - 2.2).
2.2.2. Dụng cụ
- Cốc thủy tinh loại 100ml, 250ml, 500ml; - Pipet loại 5ml, 10ml;
- 48 -
- Ống đong dung tích 10 ml, 25ml, 50ml; - Đũa thủy tinh, giấy thấm;
- Giá kẹp mẫu vật liệu với kích thước 35×35 cm (hình 2.3 - 2.4);
- Nguồn sáng: sử dụng 2 loại đèn UV có bước sóng 365nm và 254nm, công suất 20 W/đèn.
Hình 2.1. Vật liệu bông thạch anh trước khi phun phủ
Hình 2.2. Vật liệu bông thạch anh đang được phun sol TiO2
- 49 -
2.2.3. Thiết bị
2.2.3.1. Thiết bị phục vụ chế tạo mẫu
- Cân phân tích của hãng ADAM, Mỹ độ chính xác cỡ 10-4 mg dùng để cân hóa chất và chuẩn bị dung dịch nghiên cứu;
- Bếp gia nhiệt có khuấy từ (Hotplate & Stirrer) của hãng Jenway 1000, dùng đểổn nhiệt trong quá trình pha chế dung dịch sol-gel;
- Lò nung Carbolite, Đức có chương trình điều khiển nhiệt độ. Nhiệt độ tối đa là 1000oC dùng đểủ nhiệt trong quá trình tạo lớp phủ TiO2;
- Tủ sấy Shellab, Đức có điều khiển nhiệt độ lên tới 250oC; - Máy đo pH 59003 – Cole Parmer;
- Máy rung siêu âm Elma – Ultra Sonic, Merck, Đức; - Thiết bị phun sol TiO2 lên bông thạch anh, Trung Quốc.
2.2.3.2. Thiết bị nghiên cứu cấu trúc mẫu vật liệu
Để xác định cấu trúc của các vật liệu TiO2, đề tài đã lấy mẫu sau quá trình tẩm phủ TiO2 trên bề mặt vật liệu phân tích bằng XRD (Siemens - D5000). Vật liệu nano TiO2/SiO2 được đưa vào thiết bị nhiễu xạ Rơn-ghen để xác định cấu trúc tinh thể của các hạt TiO2 bám trên bề mặt sợi bông thạch anh. Các phép đo được thực hiện tại phòng thí nghiệm của Viện Khoa học vật liệu - Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam.
Vật liệu TiO2/SiO2 được đưa vào thiết bị kính hiển vi điện tử quét (Scanning electronic microscope – SEM, Hitachi S - 4800, Nhật Bản), để xác định hình thái của vật liệu. Trong đề tài này một số mẫu vật liệu được gửi đến phòng thí nghiệm của Viện Khoa học vật liệu - Viện khoa học Việt Nam (hình 2.5).
2.2.3.3. Thiết kế, chế tạo buồng thử nghiệm (testbox) phục vụ nghiên cứu
Buồng thử nghiệm được chế tạo bằng vật liệu Inox đảm bảo độ bền hóa học, không bịăn mòn, có độ kín cao và không tham gia vào các quá trình biến đổi lý học và hóa học (hình 2.6 - 2.7).
Buồng thử nghiệm có kích thước 1m × 1m × 1m. - Bên ngoài:
- 50 -
Toàn bộ buồng thử nghiệm được làm bằng Inox bao gồm khung Inox và Inox tấm bao bọc bên ngoài, phía trước có cửa quan sát kích thước (600 × 400) mm, có thể mởđể thực hiện các thao tác bên trong buồng. Có đường dẫn điện vào, chân đế có bánh xe đẩy khi cần có thể di chuyển được.
Bên trái buồng thử nghiệm ở phía dưới có hệ thống van và đường ống dẫn khí vào. Bên phải buồng thử nghiệm ở phía trên có hệ thống van và đường ống dẫn khí ra.
Hình 2.5. Kính hiển vi điện tử quét (SEM) Hình 2.6. Buồng thử nghiệm (testbox)
- 51 -
- Bên trong:
+ Hệ thống điện: Bên trong buồng thử nghiệm được lắp đặt hệ thống đèn chiếu sáng và quạt đối lưu nên hệ thống điện được thiết kế tương ứng bao gồm: 1 bảng điện 4 ổ cắm được nối với nguồn bên ngoài, trong đó: 1 ổ cắm quạt đối lưu công suất 30W và 3 ổ cắm 2 giàn đèn, mỗi giàn đèn có 3 bóng và mỗi bóng có công tắc riêng.
+ Hệ thống giàn đèn: Mỗi mặt đáy và mặt đỉnh được lắp đặt 3 đèn tuýp 60cm có công suất 20W/đèn. Trong quá trình nghiên cứu thực hiện các thí nghiệm với 2 loại đèn là đèn UV bước sóng 254nm và đèn UV bước sóng 365nm. Tùy từng thí nghiệm có thể lắp từ 1 – 6 đèn và có thể thay các loại đèn khác nhau.
- Hệ thống khe và móc cài vật liệu: Vật liệu cần nghiên cứu được lắp vào các tấm lưới Inox có kích thước (370×370) mm. Mặt đáy có 4 đường ray cài tấm vật liệu, mặt đỉnh có 4 hàng đinh móc treo tấm vật liệu song song và xen kẽ với 3 máng đèn tuýp.
- Hệ thống van điều tiết khí vào và khí ra: Buồng thử nghiệm được sử dụng để khảo sát quá trình xử lý các loại khí bằng vật liệu quang xúc tác dưới tác dụng của các loại đèn có bước sóng khác nhau. Trong quá trình xử lý, phải lấy mẫu theo thời gian để đánh giá hiệu quả xử lý của cả hệ. Để đảm bảo được tính chính xác tương đối về thể tích khí bên trong buồng thử nghiệm, lắp đặt hệ thống van điều tiết khí vào thiết bị lấy mẫu và quay trở lại buồng thử nghiệm.
- Quạt đối lưu: Buồng thử nghiệm là hệ kín, muốn tạo sự đồng nhất về nồng độ khí trong thể tích 1m3 thì sau khi đưa vào buồng 1 lượng khí cần lắp đặt quạt đối lưu. Công suất quạt đối lưu là 30W.
- Hệ thống điện: Hệ thống điện bên trong buồng thử nghiệm được lắp đặt có công tắc tổng và công tắc riêng cho từng giàn đèn, cho từng đèn, cho quạt đối lưu. Tùy từng thí nghiệm có thể bật hoặc tắt riêng bất kỳ công tắc nào. Hệ thống điện bên trong được nối với mạng điện bên ngoài bằng đường dẫn như trên hình vẽ.
- 52 -
2.2.3.4. Thiết bị phân tích nồng độ khí
Kiểm tra nồng độ các khí BTX trước và sau quá trình xử lí trên thiết bị sắc kí khí khối phổ GS-MS 2010QP, Shimadzu, Nhật Bản tại Viện Công nghệ môi trường, Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam.
Các vật liệu đã chế tạo được thử nghiệm khả năng quang xúc tác qua xử lí hợp chất BTX. Ngoài ra, còn được so sánh với vật liệu của Pháp (đã được tẩm phủ sẵn TiO2).