Với các ứng dụng đa dạng của bột TiO2 trong các lĩnh vực khác nhau,
15
sản lƣợng titan đioxit trên thế giới không ngừng tăng lên. Trong Bảng 1.2 đƣa ra số liệu về sản lƣợng TiO2 trên thế giới trong nửa cuối thế kỉ 20. Có thể thấy rằng sản lƣợng titan đioxit trên thế giới không ngừng tăng lên.
Bảng 1.2. Sản lượng titan đioxit trên thế giới qua một số năm [2].
Năm 1958 1967 2003 2011
Sản lƣợng (tấn) 800.000 1.200.000 4.200.000 6.700.000
Gần 58% titan đioxit sản xuất đƣợc đƣợc dùng làm chất màu trắng trong công nghiệp sản xuất sơn. Chất màu trắng titan đioxit cũng đã đƣợc sử dụng một lƣợng lớn trong sản xuất giấy, cao su, vải sơn, chất dẻo, sợi tổng hợp và một lượng nhỏ trong công nghiệp hương liệu. Các yêu cầu đòi hỏi đối với sản phẩm là rất đa dạng phụ thuộc vào công dụng của chúng.
Titan đioxit là một vật liệu cơ bản trong cuộc sống hằng ngày của chúng ta. Các nhà quan sát công nghiệp cho rằng lƣợng titan đioxit tiêu thụ tại một quốc gia có mối quan hệ rất gần với tiêu chuẩn cuộc sống. Ví dụ tại Nhật Bản, số liệu thống kê hằng năm cho thấy lƣợng titan đioxit sản xuất ra có quan hệ mật thiết với Tổng sản lượng Quốc gia (GNP) của nước này.
Ta có sơ đồ các ứng dụng của xúc tác quang TiO2 đƣợc đƣa ra nhƣ trong sơ đồ hình 1.6 [2].
16
Phân hủy chất ô nhiễm hữu cơ
Giải độc vô cơ và loại bỏ ion TiO2
Ánh sáng
Quang xúc tác Ứng dụng
cảm biến khí
Cảm quang siêu thấm ướt
Tổng hợp hữu cơ
Phân hủy các chất ô nhiễm Các phản ứng
đặc biệt Quang phân
nước tạo H2
Cố định quang N2
Quang khử CO2→ hữu cơ
Phân hủy các vật liệu sinh học Ứng dụng
quang điện
Phân hủy chất ô nhiễm hữu cơ
Giải độc vô cơ và loại bỏ ion TiO2
Ánh sáng
Quang xúc tác Ứng dụng
cảm biến khí
Cảm quang siêu thấm ướt
Tổng hợp hữu cơ
Phân hủy các chất ô nhiễm Các phản ứng
đặc biệt Quang phân
nước tạo H2
Cố định quang N2
Quang khử CO2→ hữu cơ
Phân hủy các vật liệu sinh học Ứng dụng
quang điện
Hình 1.6. Sơ đồ mô tả một số ứng dụng quan trọng của TiO2 [2]
Sản lƣợng TiO2 sử dụng hàng năm trong lĩnh vực quang xúc tác (Hình 1.7).
Nhìn vào hình 6 ta có thể thấy lƣợng TiO2 sử dụng cho lĩnh vực quang xúc tác chiếm gần 50% trong những ứng dụng của TiO2 và tăng dần theo thời gian.
1.4.1. Ứng dụng trong xúc tác quang hóa xử lý môi trường
Khi titan thay đổi hóa trị tạo ra cặp điện tử - lỗ trống ở vùng dẫn và vùng hóa trị dưới tác dụng của ánh sáng cực tím chiếu vào. Những cặp này sẽ di chuyển ra bề mặt để thực hiện phản ứng oxi hóa khử, các lỗ trống có thể tham gia trực tiếp vào phản ứng oxi hóa các chất độc hại, hoặc có thể tham gia vào giai đoạn trung gian tạo thành các gốc tự do hoạt động để tiếp tục oxi hóa các hợp chất hữu cơ bị hấp phụ trên bề mặt chất xúc tác tạo thành sản phẩm cuối cùng là CO2 và nước ít độc hại nhất.
17
Hình 1.7. Lượng TiO2 sử dụng hằng năm trong lĩnh vực quang xúc tác.[9]
1.4.2. Ứng dụng làm chất độn trong các lĩnh vực sơn tự làm sạch, chất dẻo
TiO2 còn đƣợc sử dụng trong sản xuất sơn tự làm sạch, tên chính xác của loại này là sơn quang xúc tác TiO2. Thực chất sơn là một dạng dung dịch chứa vô số các tinh thể TiO2 cỡ chừng 8 ÷ 25 nm. Do tinh thể TiO2 có thể lơ lửng trong dung dịch mà không lắng đọng nên còn đƣợc gọi là sơn huyền phù TiO2. Khi được phun lên tường, kính, gạch, sơn sẽ tự tạo ra một lớp màng mỏng bám chắc vào bề mặt.
Nguyên lý hoạt động của loại sơn trên nhƣ sau: Sau khi các vật liệu đƣợc đưa vào sử dụng, dưới tác dụng của tia cực tím trong ánh sáng mặt trời, oxi và nước trong không khí, TiO2 sẽ hoạt động như một chất xúc tác để phân huỷ bụi, rêu, mốc, khí độc hại, hầu hết các chất hữu cơ bám trên bề mặt vật liệu thành H2O và CO2. TiO2 không bị tiêu hao trong thời gian sử dụng do nó là chất xúc tác không tham gia vào quá trình phân huỷ [28].
Cơ chế của hiện tƣợng này có liên quan đến sự quang - oxi hoá các chất gây ô nhiễm trong nước bởi TiO2. Các chất hữu cơ béo, rêu, mốc,... bám chặt
Tấn
Năm
18
vào sơn có thể bị oxi hoá bằng cặp điện tử - lỗ trống đƣợc hình thành khi các hạt nano TiO2 hấp thụ ánh sáng và nhƣ vậy chúng đƣợc làm sạch khỏi màng sơn. Điều gây ngạc nhiên là chính lớp sơn không bị tấn công bởi các cặp oxi hoá - khử mạnh mẽ này. Người ta phát hiện ra rằng, chúng có tuổi thọ không kém gì sơn không đƣợc biến tính bằng các hạt nano TiO2.
1.4.3. Xử lý các ion kim loại nặng trong nước [9]
Khi TiO2 bị kích thích bởi ánh sáng thích hợp giải phóng các điện tử hoạt động. Các ion kim loại nặng sẽ bị khử bởi điện tử và kết tủa trên bề mặt vật liệu. Vật liệu xúc tác quang bán dẫn công nghệ mới hứa hẹn nhiều áp dụng trong xử lý môi trường. Chất bán dẫn kết hợp với ánh sáng UV đã được dùng để loại các ion kim loại nặng và các hợp chất chứa ion vô cơ. Ion bị khử đến trạng thái ít độc hơn hoặc kim loại từ đó dễ dàng tách đƣợc. Ví dụ:
2hν + TiO2 → TiO2 + 2e- + 2h+ (1.19) Hg2+(aq) ↔ Hg(ads) ( Bị hấp phụ lên bề mặt vật liệu) (1.20) Hg2+(ads)+ 2e → Hg(ads) (1.21) H2O ↔ H+ + OH-
(1.22) 2OH- + 2h+ → H2O + 1/2 O2 v.v... (1.23) Rất nhiều ion kim loại nhạy với sự chuyển quang hóa trên bề mặt chất bán dẫn nhƣ là Au, Pt, Pd, Ag, Ir, Rh... Đa số chúng đều kết tủa trên bề mặt vật liệu. Ngoài sự khử bằng điện tử, các ion còn bị oxi hóa bởi lỗ trống trên bề mặt tạo oxit. Những chất kết tủa hoặc hấp phụ trên bề mặt đƣợc tách ra bằng phương pháp cơ học hoặc hóa học.
1.4.4. Các ứng dụng khác của bột titan đioxit kích thước nano mét
TiO2 còn đƣợc sử dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhƣ: Vật liệu gốm, chất tạo màu, chất độn, làm vật liệu chế tạo pin mặt trời, làm sensor để nhận biết các khí trong môi trường ô nhiễm nặng, trong sản xuất bồn rửa tự làm sạch bề mặt trong nước (tự xử lý mà không cần hoá chất), làm vật liệu sơn
19
trắng do khả năng tán xạ ánh sáng cao, bảo vệ bề mặt khỏi tác động của ánh sáng [20, 28]. Sử dụng TiO2 tạo màng lọc quang xúc tác trong máy làm sạch không khí, máy điều hoà, v.v...