chất quang xúc tác TiO2
Người ta thấy rằng lượng chất xúc tác, đặc điểm và nồng độ ban đầu của hợp chất cần phân hủy, cường độ ánh sáng (UV) bức xạ, nồng độ oxi hòa tan, sự có mặt của các chất oxi hóa phụ thêm vào, nhiệt độ, tốc độ dòng tuần hoàn, pH xử lý dung dịch,... là những yếu tố cơ bản ảnh hưởng đến quá trình phân hủy quang xúc tác các chất hữu cơ gây ô nhiễm.
1). Lượng chất xúc tác
Nhìn chung, hiệu suất phân hủy tăng nếu tăng hàm lượng chất xúc tác đưa vào, vì khi đó có diện tích bề mặt chất xúc tác lớn hơn sẵn sàng cho quá trình hấp phụ và phân hủy. Tuy nhiên, tồn tại một giá trị tối ưu của nồng độ chất xúc tác, vượt quá giá trị nồng độ này độ đục của dung dịch tăng lên (do tăng sự tán xạ ánh sáng của các hạt xúc tác) làm giảm sự truyền qua của ánh sáng vào dung dịch và kết quả là làm giảm tốc độ phân hủy [15, 136]. Hơn thế, tại nồng độ TiO2 quá cao, các phản ứng:
•OH + •OH H2O2 (1.15) H2O2 + •OH H2O + HO2• (1.16) cũng có thể góp phần làm giảm tốc độ phân hủy quang (do gốc HO2• được tạo thành không hoạt động bằng gốc •OH).
Trong thiết bị phản ứng quang xúc tác dạng huyền phù, hàm lượng chất xúc tác tối ưu được thông báo nằm trong phạm vi rộng (từ 0,15 đến 8 g/l), tùy thuộc vào hệ thống quang xúc tác và các phản ứng quang xúc tác khác nhau. Sự tăng lượng chất xúc tác này tỉ lệ với sự tăng của cường độ ánh sáng [29, 103].
2). Bước sóng ánh sáng (λ) - Cường độ chiếu sáng
Bước sóng của ánh sáng sử dụng có liên hệ với tính chất quang của chất xúc tác. Đối với TiO2-anata có Eg= 3,2 eV, bước sóng dài nhất được dùng để có thể gây ra phản ứng quang xúc tác là 388 nm. Bước sóng ánh sáng cần thiết cho quá trình phân hủy quang xúc tác có thể được tính từ phương trình: λ = 1240/Eg (nm); nếu Eg được tính theo eV [31].
Để có được sự kích thích quang TiO2-anata, cần sử dụng bức xạ UV (λ < 400 nm). Các nghiên cứu về ảnh hưởng của cường độ dòng UV đến quá trình quang xúc tác cho thấy, tốc độ phản ứng tỉ lệ với cường độ chiếu sáng.Điều này xác nhận bản chất cảm quang của quá trình hoạt hóa xúc tác với việc tham gia của các hạt mang điện quang sinh (e-, h+) vào cơ chế của phản ứng quang xúc tác [24].
3). Nồng độ ban đầu của chất hữu cơ gây ô nhiễm
Tốc độ phản ứng phân hủy quang xúc tác thường phụ thuộc vào nồng độ ban đầu của hợp chất hữu cơ và thể hiện có sự bão hòa, khi đó nếu tăng nồng độ ban đầu của chất hữu cơ sẽ dẫn đến sự giảm tốc độ của phản ứng [24, 89]. Có 2 yếu tố cơ bản có thể ảnh hưởng đến tốc độ này:
- Các giai đoạn cơ bản trong quá trình quang xúc tác đều xảy ra trên bề mặt của chất quang xúc tác pha rắn, vì vậy dung lượng hấp phụ của chất xúc tác càng cao thì càng thuận lợi cho phản ứng. Tuy nhiên, ở các giá trị nồng độ ban đầu của hợp chất hữu cơ cao, tất cả các tâm hấp phụ trên bề mặt xúc tác đều đã bị chiếm giữ và vì vậy sự tăng nồng độ ban đầu của hợp chất hữu cơ trong trường hợp này sẽ không làm tăng tốc độ phản ứng.
- Sự sinh ra và di chuyển của các cặp electron - lỗ trống quang sinh và phản ứng của chúng với các phân tử hợp chất hữu cơ xảy ra kế tiếp nhau. Vì vậy, mỗi giai đoạn này đều có thể trở thành bước quyết định tốc độ cho toàn bộ quá trình. Tại các nồng độ thấp của chất hữu cơ, phản ứng giữa các hạt tải điện (e-, h+) với các phân tử hợp chất hữu cơ trên bề mặt xúc tác là giai đoạn quyết định tốc độ của phản ứng, và do đó tốc độ phân hủy tăng tuyến tính với nồng độ của chất hữu cơ. Tuy nhiên tại các nồng độ cao, giai đoạn quyết định tốc độ phản ứng là quá trình sinh ra và di chuyển các hạt tải điện lên bề mặt của chất xúc tác, nó không phụ thuộc vào nồng độ ban đầu của hợp chất hữu cơ.
4). Nhiệt độ
Phản ứng phân hủy quang xúc tác TiO2được nhận thấy không có sự cảm ứng với nhiệt độ một cách rõ rệt, do năng lượng hoạt hóa của phản ứng rất nhỏ (vài kJ/mol). Vì vậy, hệ thống quang xúc tác không yêu cầu gia nhiệt và được tiến hành ở nhiệt độ phòng [31].
5). Oxi hòa tan
Ảnh hưởng của nồng độ oxi hòa tan đến quá trình phân hủy quang xúc tác của TiO2 là rất khó nghiên cứu, vì phản ứng là đa pha. Nhìn chung, sự có mặt của O2 hòa tan được nhận thấy là rất cần thiết cho quá trình quang xúc tác phân hủy hợp chất hữu cơ, O2 đóng vai trò là phần tử bắt electron trong cơ chế quang xúc tác (Mục 1.2.2.2). Vì vậy, với sự tăng nồng độ O2 hòa tan, có thể làm giảm sự tái hợp giữa e- và h+quang sinh, do đó làm tăng tốc độ phản ứng quang xúc tác [96, 104]. Nhưng với nồng độ O2 hòa tan cao hơn lại dẫn đến sự giảm tốc độ phản ứng, do lúc này bề mặt của TiO2 được hyđroxyl hóa quá cao đến mức kìm hãm quá trình hấp phụ các phân tử chất hữu cơ lên các tâm hoạt động của TiO2 [20, 140].