Chương 2 : THỰC NGHIỆM VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
2.4. Phương pháp đánh giá hoạt tính quang xúc tác
2.4.1. Lựa chọn nguồn chiếu sáng và điều kiện thử hoạt tính
Đối với phản ứng quang xúc tác, việc lựa chọn nguồn chiếu sáng để hoạt hóa chất quang xúc tác là quan trọng. Như đã đề cập trong các phần trước, chất bán dẫn cần được chiếu sáng với ánh sáng có năng lượng cao hơn hoặc bằng năng lượng vùng cấm để tạo ra các cặp e--h+ hoạt hóa các q trình hóa học. Vì vậy, với mục đích là tổng hợp được chất quang xúc tác TiO2-CeO2 có hoạt tính cao dưới áng sáng mặt trời nhờ vào khả năng kìm hãm tốc độ tái hợp giữa e- và h+ (làm tăng thời gian sống của các hạt tải điện e-, h+) cũng như có thể hoạt động trong vùng nhìn thấy của
ánh sáng mặt trời. Chúng tôi sử dụng trực tiếp ánh sáng mặt trời để kích thích phản ứng quang xúc tác trong q trình thử hoạt tính.
Việc sử dụng trực tiếp ánh sáng mặt trời mang lại khả năng ứng dụng thực tiễn cao. Tuy nhiên, bên cạnh đó lại có khó khăn nhất định, đó là ở các thời điểm khác nhau cường độ ánh sáng mặt trời có thể khác nhau. Hiệu suất quang xúc tác của sản phẩm tỉ lệ với cường độ chiếu sáng (theo Mục 1.2.2.4). Do đó, việc thử hoạt tính quang xúc tác của các mẫu sản phẩm thuộc cùng một thông số nghiên cứu được tiến hành đồng thời (đảm bảo sự đồng nhất về điều kiện chiếu sáng). Lựa chọn thời điểm thử hoạt tính từ 11 ÷ 12 giờ trưa, trời quang mây và có cường độ chiếu sáng trung bình ~ 13 mW/cm2. Lặp lại thực nghiệm 3 lần và lấy giá trị trung bình. Mẫu có hoạt tính quang xúc tác tốt nhất được lưu lại và tiếp tục được so sánh với các mẫu khác trong cùng điều kiện thử tiếp theo.
2.4.2. Lựa chọn chất màu hữu cơ để phân hủy
Xanh metylen (C16H18N3SCl) là một chất phẩm màu phổ biến trong quang hóa học, nó ít bị tẩy trắng dưới sự chiếu sáng của các tia UV/Vis khi khơng có mặt của TiO2 (do có sự hấp thụ ánh sáng yếu trong vùng bước sóng 300 ÷ 520 nm) và thường được dùng như là một chất đại diện cho các loại chất gây ơ nhiễm có khả năng bị phân hủy trong quá trình quang xúc tác [51, 100].
Hình 2.2. Phổ hấp thụ UV-Vis của xanh metylen [87]
Xanh metylen (MB) là một chất nhuộm thiazin cation xanh với cực đại hấp thụ tại các bước sóng 661, 614 và 292 nm (Hình 2.2). Độ giảm sự hấp thụ ánh sáng
Yan cùng các đồng nghiệp [151] đã cố gắng làm rõ khả năng áp dụng và cơ chế tẩy trắng MB ở các vùng ánh sáng bức xạ khác nhau. Đối với vùng tử ngoại gần (320 ÷ 400 nm), sự tẩy trắng MB xảy ra do quá trình xúc tác quang sinh. Cơ chế này cũng đóng vai trị chủ yếu trong vùng bước sóng chiếu xạ 400 ÷ 540 nm, ở đó sự nhạy quang có thể xảy ra nhưng không đáng kể. Trong trường hợp bước sóng ánh sáng chiếu xạ λ > 550 nm, nhạy quang trở thành con đường chủ yếu đối với quá trình làm mất màu MB (tốc độ xảy ra rất chậm).
2.4.3. Xây dựng đường chuẩn của dung dịch xanh metylen (MB).
Nồng độ của dung dịch MB được xác định qua độ hấp thụ ánh sáng (Abs) bằng việc sử dụng đường chuẩn.
Để xây dựng đường chuẩn của dung dịch MB, tiến hành pha chế các dung dịch MB với nồng độ xác định trong phạm vi từ 0,1 ÷ 6 mg/l. Đo độ hấp thụ ánh sáng của dung dịch MB bằng máy Spectro Photometer Hitachi U2001, ở bước sóng λ = 661 nm. Các giá trị độ hấp thụ quang (Abs) được đưa ra ở Bảng 2.1 và đồ thị đường chuẩn của dung dịch MB trong vùng này ở Hình 2.3.
Bảng 2.1. Nồng độ của dung dịch MB và độ hấp thụ quang
Nồng độ MB (mg/l) 0,1 0,5 1 2 3 4 5 6 Độ hấp thụ quang (Abs) 0,020 0,098 0,210 0,366 0,621 0,812 0,982 1,190 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 0 1 2 3 4 5 6 7 Nồng độ MB (mg/l) Đ ộ h ấ p t h ụ q u a n g ( A b s )
Hình 2.3. Đồ thị đường chuẩn của dung dịch MB
Y = 0,1990.X R2 = 0,9974
2.4.4. Đánh giá hoạt tính quang xúc tác cho q trình phân hủy xanh metylen
Cách tiến hành: Cân chính xác 0,05 g các mẫu bột TiO2-CeO2 (tổng hợp), đem phân tán vào trong 100 ml dung dịch xanh metylen (nồng độ 10 mg/l), khuấy trong tối 30 phút để đạt được sự cân bằng hấp phụ và sự phân tán đồng đều của các hạt xúc tác.
Các dung dịch huyền phù này được chiếu sáng trực tiếp bằng ánh sáng mặt trời (vào khoảng thời gian 11 ÷ 12 giờ trưa) trong điều kiện khuấy lên tục suốt quá trình phản ứng. Sau thời gian phân hủy quang, các dung dịch được li tâm tách loại bột xúc tác TiO2-CeO2 và đo mật độ quang (Abs) ở bước sóng 661 nm, từ đó xác định lượng MB đã bị phân hủy. Hiệu suất quá trình quang xúc tác được tính theo cơng thức [149]: o
o C - C
H% = .100%
C
Trong đó: H% là hiệu suất của quá trình quang xúc tác;
Co và C là nồng độ xanh metylen trong dung dịch khảo sát trước và sau khi tiến hành phân hủy quang.
2.4.5. Đánh giá hoạt tính quang xúc tác cho q trình xử lý nước thải làng nghề dệt nhuộm Vạn Phúc-Quận Hà Đông-Hà Nội. dệt nhuộm Vạn Phúc-Quận Hà Đông-Hà Nội.
Nước thải dệt nhuộm sau khi lấy về được xử lý sơ bộ (lắng, lọc…) trước khi phân hủy quang xúc tác. Sau khi xử lý sơ bộ, nước thải có: màu nâu đen đậm; mùi hôi; pH = 9,6; COD = 440 mg/l.
Chỉ số COD được dùng rộng rãi để biểu thị hóa hàm lượng chất hữu cơ trong nước thải và mức độ ơ nhiễm nước tự nhiên. Vì vậy, hiệu suất của quá trình xử lý nước thải dệt nhuộm được đánh giá qua hiệu suất khử COD. Chỉ số COD được xác định bằng phương pháp đicromat [6] và cơ chế của nó theo phản ứng:
Các chất hữu cơ + Cr2O72- + H+ 2 4 o
Ag SO t sôi
CO2 + H2O + 2Cr3+ (2.7) Lượng Cr2O72- dư được chuẩn độ bằng dung dịch FAS và sử dụng dung dịch ferroin làm chất chỉ thị. Điểm kết thúc chuẩn độ là điểm khi dung dịch chuyển từ màu xanh lam sang màu đỏ nhạt theo phương trình phản ứng: