Để tăng khả năng ứng dụng thực tế, việc nghiên cứu định hình xúc tác là rất cần thiết. Xúc tác đã được định hình thường được sử dụng một cách thuận tiện trong các thiết bị phản ứng dạng dòng liên tục, với lớp xúc tác cố định. Việc sử dụng xúc tác định hình sẽ giúp quá trình thu hồi sau ứng dụng trở nên dễ dàng hơn dẫn đến giảm chi phí sản xuất, giảm thiểu việc tổn thất xúc tác, đồng thời hạn chế sự ô nhiễm môi trường do sự thất thoát xúc tác, đặc biệt trong trường hợp các tiểu phân thất thoát có kích thước nano.
Đối với phần lớn các quá trình hoá học, xúc tác dị thể thường được định hình dưới dạng viên hình trụ, viên cầu, viên hình móng ngựa, dạng lưới, ...và được sử dụng trong các thiết bị phản ứng dạng dòng liên tục kiểu truyền thống. Với quá trình xúc tác quang hoá, do có đặc thù là sử dụng ánh sáng như một nguồn cung cấp năng lượng mà ở đó, sự truyền qua của ánh sáng đóng vai trò rất quan trọng nên cả xúc tác và thiết bị cần được thiết kế một cách khá đặc thù. Tuy nhiên, cho đến nay, phần lớn các công trình chỉ khảo sát hoạt tính xúc tác quang hoá trong hệ thiết bị phản ứng pha lỏng với xúc tác huyền phù. Một số ít công trình nghiên cứu quá trình phản ứng quang hoá trong hệ thiết bị liên
tục, với xúc tác đã được định hình. Các dạng xúc tác quang hoá dị thể đã được thiết kế, cho đến nay bao gồm:
- Màng mỏng phủ lên bề mặt thép không gỉ bằng phương pháp điện hoá; - Màng mỏng phủ lên bề mặt phía trong của ống phản ứng;
- Màng mỏng phủ lên trên bề mặt của viên chất nền bằng sỏi; - Màng mỏng phủ trên chất nền là giấy.
Thu-Hoai Bui và cộng sự [75] đã nghiên cứu quá trình quang phân hủy chất màu đen hoạt tính 5 (Remazol Black B) dưới ánh sáng UV và ánh sáng mặt trời trong hệ thiết bị gián đoạn và hệ thiết bị liên tục với xúc tác TiO2 huyền phù và hệ liên tục với xúc tác TiO2 phủ trên giấy. Kết quả cho thấy, đối với hệ thiết bị liên tục, xúc tác huyền phù (0,5 gTiO2/lít), khả năng khử màu đạt 99% sau 2h15’ trong khi đối với hệ liên tục, xúc tác phủ trên giấy (10 gTiO2/m2), khả năng khử màu chỉ đạt 57% sau 3 giờ dưới bức xạ mặt trời. Ngoài ra, kết quả nghiên cứu còn cho thấy khả năng chuyển hóa cacbon hữu cơ tổng cao của hệ thiết bị liên tục với xúc tác huyền phù. Các kết quả này, ngoài việc khẳng định hoạt tính quang hóa cao của TiO2 còn mở ra hướng ứng dụng khả quan của hệ thiết bị làm việc liên tục, sử dụng xúc tác dạng cố định (không phải huyền phù trong dung dịch). Tất nhiên, để đạt được hiệu quả chuyển hóa cao tương đương trường hợp sử dụng xúc tác huyền phù trong hệ liên tục còn cần phải đầu tư nghiên cứu thêm.
Với mục đích phát triển thử nghiệm một quá trình xúc tác quang hoá đơn giản, dễ áp dụng, sử dụng các nguyên vật liệu sẵn có, đề tài luận án dự kiến sẽ chế tạo xúc tác dạng viên (hình cầu, hình trụ hoặc dạng tấm) và thiết kế một hệ thiết bị phản ứng thích hợp để phát huy tối đa hoạt tính xúc tác. Vì vậy, chúng tôi chỉ tập trung vào việc tổng quan một số phương pháp tạo hạt có liên quan trực tiếp đến định hướng nghiên cứu của đề tài.
Phương pháp ép đùn
Ép đùn là phương pháp phổ biến nhất được sử dụng để tạo hình xúc tác. Nguyên lý của phương pháp này là sử dụng lực để đẩy bột nhão của xúc tác qua một chiếc khuôn để định hình xúc tác. Các loại máy ép đùn thông dụng bao gồm:
- Máy đùn ép trục vít: sử dụng trục vít để đẩy nguyên liệu tới khuôn tạo hình cho sản phẩm. Có thể dùng máy đùn ép một trục, hai trục hay nhiều trục vít để tăng lực ép và năng suất của máy. Ưu điểm của máy đùn ép trục vít là máy có thể làm việc liên tục, có thể điều chỉnh thành phần nguyên liệu trong khi làm việc và có thể sử dụng làm máy nghiền trộn nguyên liệu. Tuy nhiên, nhược điểm của phương pháp này là dễ sinh nhiệt do ma sát tạo ra giữa trục vít, nguyên liệu và vỏ máy dẫn đến gây nóng cục bộ, có thể làm kẹt máy. Ngoài ra, tỷ lệ tổn thất nguyên liệu trong phương pháp này khá cao do nguyên liệu bị dính vào trục vít.
- Máy ép đùn piston: Nguyên lý của phương pháp giống như hoạt động của chiếc xylanh và piston. Ưu điểm của máy đùn piston là lực ép mạnh, độ ẩm nguyên liệu có thể thấp, không tốn nguyên liệu bám vào trục như máy ép đùn trục vít, ít tạo ra ma sát. Tuy nhiên, phải trộn thật kĩ nguyên liệu bên ngoài bằng máy trộn trước khi ép.
Phương pháp gel hóa dị thể
Trong phương pháp này, nguyên liệu ở dạng huyền phù được phân tán trong một hệ keo. Sau đó, hệ keo này sẽ được nhỏ từ từ vào dung dịch CaCl2 để tạo hạt. Chất keo có tác dụng kết dính các thành phần nguyên liệu dạng bột với nhau trong giọt chất lỏng. Ưu điểm của phương pháp này là hạt tạo ra có kích thước đồng đều, thành phần của các hạt phụ thuộc vào việc phân tán nguyên liệu trong hệ keo. Nhược điểm của phương pháp là phải xử lý sau tạo hạt để loại bỏ chất kết dính và độ bền cơ học của hạt thường kém hơn so với phương pháp ép đùn.