1. Tính cấp thiết của đề tài
1.5. Phương pháp quang xúc tác
Quang xúc tác là phương pháp sử dụng ánh sáng làm xúc tác quang học thúc đẩy quá trình phản ứng hóa học phân hủy các chất hữu cơ hoặc vô cơ. Hiện nay, quang xúc tác cho thấy có có tiềm năng rất tốt để thay thế cho công nghệ xử lý nước thải thông thường do sử dụng ánh sáng khả kiến để làm giảm ô nhiễm chất hữu cơ và vô cơ. Bằng cách kết hợp chất xúc tác quang và chất hấp phụ sẽ làm suy giảm các hợp chất hữu cơ độc hại khi có sự chiếu xạ của tia UV.
Các chất bán dẫn phổ biến hiện nay được dùng làm xúc tác quang học là: TiO2, ZnO, WO3. Độ rộng vùng cấm của TiO2, ZnO khoảng 3,3eV và 3,27eV, những vật liệu này có phản ửng quang xúc tác trong vùng ánh sáng tử ngoại (Lê Hà Giang và cs., 2013). Khi ánh sáng chiếu vào chất bán dẫn, các electron ở trong vùng hoá trị có thể nhảy lên vùng dẫn, tạo ra một cặp electron - lỗ trống dương (gọi là cặp electron - lỗ trống quang sinh). Khi vật liệu có hoạt tính quang xúc tác càng cao thì sự tái kết hợp cặp electron và lỗ trống quang sinh này xảy ra càng chậm. Mục đích của phản ứng quang xúc tác là có phản ứng giữa electron quang sinh này với chất oxy hoá để tạo ra sản phẩm khử và cũng có phản ứng giữa lỗ trống quang sinh với tác nhân khử để tạo ra sản phẩm oxy hoá. Vì sự tạo ra lỗ trống dương và electron nên phản ứng oxy hoá khử xảy ra tại bề mặt của chất bán dẫn. Trong phản ứng oxy hoá, lỗ trống phản ứng với nước ẩm trên bề mặt tạo ra gốc hydroxyl tự do.
Phản ứng oxy hoá do hiệu ứng quang xúc tác là:
UV (Ultra violet) + MO → MO (h+ / e−) (1.8) Ở đây, MO là oxide và h+ là lỗ trống dương
h+ + H2O → H+ + • OH (1.9)
h+ + 2H2O → 2H+ + H2O2 (1.10) H2O2→ HO• + •OH (1.11) Phản ứng khử do hiệu ứng xúc tác là:
e− + O2 → •O2 (1.12) •O2− + HO•2 + H+ → H2O2 + O2 (1.13) HOOH → HO• + •OH (1.14)
Cuối cùng, gốc tự do hydroxyl được tạo ra trong cả hai phản ứng. Gốc tự do hydroxyl có khả năng oxy hoá rất cao và không chọn lọc với thế oxy hoá khử E0= +3,2 (AR Khataee và cs,., 2004).
Xúc tác quang hoá dùng chất bán dẫn đã được dùng để xử lý môi trường nước và nước thải. Trong số các chất bán dẫn phổ biến thì TiO2 đã được sử dụng thương mại như là chất xúc tác quang hoá để xử lý môi trường. Tuy nhiên, ZnO là loại vật liệu có thể thay thế cho TiO2 bởi ZnO có năng lượng vùng cấm tương tự (3,2eV), với hiệu ứng lượng tử tương đối cao (Behnajady.MA và cs., 2006). Nhiều công bố chỉ ra rằng ZnO có hiệu ứng quang xúc tác cao hơn TiO2 trong một số điều kiện (Ajayan Vinu và cs., 2007). Chất xúc tác chế tạo trên cơ sở ZnO được nhiều nhà khoa học quan tâm bởi vì các tính chất đặc biệt của nó như ổn định hoá học cao, không độc, rẻ tiền và có nhiều trong tự nhiên. Trong quá trình khử quang xúc tác của Cr(VI ) trong ZnO xảy ra sự hấp phụ bức xạ ánh sáng với năng lượng năng lượng (hν) bằng hoặc lớn hơn năng lượng vùng cấm của ZnO (hν ≥ Eg). ZnO bị kích thích bởi sự hấp thụ các photon dưới sự chiếu xạ UV. Sự hấp thu photon dẫn đến việc kích thích và di chuyển của các electron từ vùng hóa trị lên vùng dẫn (e- - các electron quang sinh), đồng thời tạo ra các lỗ trống (h+) ở vùng hóa trị:
ZnO + hν → ZnO (e- + h+) (1.15)
Cr(VI) bị khử thành Cr(III) bởi các electron quang sinh trong quá trình ZnO bị kích thích, trong khi phản ứng lỗ trống dương h+ là quá trình oxy hóa nước thành oxy như sau:
CrO4 2− + 8H + + 3e - → Cr3+ + 4H2O (1.16) 2H2O + 4h+ → O2 + 4H+ (1.17)