Để khẳng định sự có mặt của N, C trong mẫu vật liệu N-C-TiO2/AC tổng hợp đƣợc, chúng tôi tiến hành kiểm tra thành phần nguyên tố trong vật liệu bằng cách chụp phổ EDX
43
Hình 3.13. Phổ EDX của vật liệu N-C-TiO2/AC
Phổ EDX của vật liệu cho thấy thành phần chủ yếu của mẫu là O và Ti với 42.86% O và 49.83% Ti. Tỉ lệ phần trăm về khối lƣợng O, Ti có giảm so với phần trăm khối lƣợng O, Ti trong mẫu TiO2 tinh khiết. Ngoài ra, còn có một lƣợng nhỏ C, N. Điều này cho thấy quá trình tổng hợp vật liệu đã đƣa đƣợc C, N vào mạng lƣới tinh thể TiO2 giúp làm giảm năng lƣợng vùng cấm và tăng khả năng hấp phụ bƣớc sóng dài vùng khả kiến.
0.00 1.00 2.00 3.00 4.00 5.00 6.00 7.00 8.00 9.00 10.00 keV 003 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 Coun ts CKa NKa OKa SiKa ClLl ClKesc ClKa ClKb ClKsum TiLl TiLa TiLsum TiKesc TiKa TiKb
ZAF Method Standardless Quantitative Analysis Fitting Coefficient : 0.3550
Element (keV) Mass% Error% Atom% Compound Mass% Cation K C K 0.277 3.28 0.15 6.46 1.6626 N K 0.392 2.62 0.40 4.43 9.4978 O K 0.525 42.86 1.34 63.48 16.9670 Si K 1.739 0.11 0.22 0.09 0.1164 Cl K 2.621 1.32 0.17 0.88 2.0960 Ti K 4.508 49.83 0.34 24.65 69.6602 Total 100.00 100.00
44
3.3. Khảo sát hoạt tính xúc tác của vật liệu
Từ các kết quả trên, ta thấy vật liệu đƣợc tổng hợp đem thủy nhiệt tại 180oC trong 12h và lƣợng AC0.5% PSS đƣa vào là 6% về khối lƣợng so với TiO2 sẽ cho vật liệu có hoạt tính cao nhất. Ta tiến hành khảo sát hoạt tính xúc tác của vật liệu với Rhodamin B.
3.3.1. Khảo sát lƣợng xúc tác dùng để xử lý Rhodamin B
Khảo sát khả năng xử lý RhB với khối lƣợng vật liệu khác nhau trong 100 mL RhB. Kết quả thu đƣợc nhƣ sau:
Bảng 3.7. Ảnh hưởng của lượng xúc tác tới hiệu suấtxử lý RhB của vật liệu N-C-TiO2/AC
Thời gian chiếu sáng (phút) Hiệu suất xử lý RhB (%) 150 mg 200 mg 250 mg 300 mg 30 39.8 41.5 87.7 43.8 60 54.7 56.2 92.6 54.7 90 61.2 63.7 96.1 65.8 120 72.4 71.8 96.6 77.7 150 80.3 82.8 98.6 83.4 180 88.8 89.9 99.4 90.1
45
Hình 3.14. Ảnh hưởng của lượng xúc tác tới hiệu suất xử lý RhB của vật liệu N-C-TiO2/AC
Từ kết quả trên, ta thấy lƣợng xúc tác để xử lý RhB tốt nhất là 250 mg/100 mL.
3.3.2. Khảo sát hiệu suất xử lý RhB của vật liệu N-C-TiO2/AC dƣới ánh sáng tự nhiên
Ta tiến hành khảo sát hoạt tính của vật liệu dƣới ánh sáng của đèn compact 36W và ngoài trờidƣới ánh sáng mặt trời tại thời điểm chiếu sáng mạnh của mùa hè (thời gian từ 11h đến 13h30, nhiệt độ trung bình 37oC), kết quả thu đƣợc nhƣ sau:
Bảng 3.8. Hiệu suất xử lý RhB của vật liệu N-C-TiO2/AC dưới ánh sáng đèn và ánh sáng mặt trời
Thời gian chiếu sáng (phút)
Hiệu suất xử lý Rhodamin B (%)
Đèn Compact 36W Ánh sáng mặt trời 30 87.7 46.2 60 92.6 54.7 90 96.1 65.7 120 96.6 72.8 150 98.6 81.2
46
Hình 3.15. Biểu đồ so sánh hiệu suất xử lý RhB của vật liệu N-C-TiO2/AC khi sử dụng ánh sáng dèn compact và khi sử dụng ánh sáng tự nhiên sau 150 phút
Từ kết quả trên, ta thấy khi chiếu sáng bằng đèn compact 36W cho hiệu suất xử lý tốt hơn. Có thể giải thích kết quả trên bởi ánh sáng mặt trời trong khi khảo sát có cƣờng độ không đều, không đủ lớn nên vật liệu chƣa thể hiện hoạt tính xúc tác tốt nhất.
3.3.3. Khả năng tái sử dụng của vật liệu
Bảng 3.9. Khả năng tái sử dụng vật liệu N-C-TiO2/AC
Các lần sử dụng vật liệu Hiệu suất xử lý RhB (%) sau 150 phút chiếu sáng
Lần đầu 98.2
Tái sử dụng lần 1 91.7
Tái sử dụng lần 2 86.4
47
Hình 3.16. Biểu đồ thể hiện khả năng tái sử dụng của vật liệu N-C-TiO2/AC
Từ kết quả trên, ta thấy hoạt tính xúc tác của vật liệu đã giảm sau từng lần tái sử dụng. Có thể giải thích nhƣ sau: Sau mỗi lần sử dụng vật liệu các chất ô nhiễm đã chiếm giữ các tâm hoạt động của quang xúc tác. Quá trình lọc, rửa vật liệu để thu hồi, tái sử dụng lại khiến cho các hạt TiO2 kích thƣớc nano đi ra khỏi chất mang là than hoạt tính, do đó làm giảm hiệu suất xử lý RhB.
48
KẾT LUẬN
Trong khuôn khổ luận văn này, chúng tôi đã đạt đƣợc các kết quả sau:
1. Tổng hợp và nghiên cứu các ảnh hƣởng đến quá trình tổng hợp TiO2 dạng nano pha tạp bởi N, C và đƣa lên than hoạt tính thu đƣợc kết quả:
- Than hoạt tính đƣợc hoạt hóa bằng PSS cho kết quả tốt hơn hoạt hóa bằng HNO3. Nồng độ PSS dùng để biến tính than tốt nhất là 0.5%.
- Lƣợng than hoạt tính tối ƣu đƣa vào là 6% về khối lƣợng so với TiO2.
- Vật liệu tổng hợp thủy nhiệt tại 180oC trong 12h cho hiệu suất xử lý Rhodamin B tốt nhất.
- Thời gian tạo gel sau khi cho AC tốt nhất ở 18h.
- Lƣợng xúc tác dùng để xử lý Rhodamine B tốiƣu là 250 mg/mL. 2. Vật liệu N-C-TiO2/AC tổng hợp đƣợc có các tính chất đặc trƣng sau:
- Vật liệu tổng hợp có cấu trúc anatase, các hạt tƣơng đối đồng nhất, có kích thƣớc khoảng 5 nm.
- Vật liệu TiO2 pha tạp bởi N, C đƣa lên than hoạt tính có phổ hấp thụ ánh sáng chuyển dịch mạnh sang vùng ánh sáng khả kiến
3. Vật liệu có thể tái sử dụng 3 lần mà hoạt tính xúc tác vẫn đạt trên 80%. Thêm vào đó vật liệu có thể xử lý Rhodamine B ngay dƣới điều kiện ánh sáng mặt trời.
Kết quả hứa hẹn khả năng ứng dụng vật liệu tổng hợp đƣợc trong thực tế xử lý môi trƣờng nƣớc.
49
TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt
1. Vũ Đăng Độ (2003), Các phương pháp vật lý trong hóa học, Đại học quốc gia Hà Nội. 2. Lê Kim Long, Hoàng Nhuận dịch (2001), Tính chất vật lý, hóa học các chất vô cơ,
R.A.Lidin, V.A. Molosco, L.L. Andreeva, NXBKH&KT Hà Nội.
3. Nguyễn Hữu Phú (1999), Vật liệu vô cơ mao quản trong hấp phụ và xúc tác, NXB
Khoa học kỹ thuật Hà Nội.
4. Trần Mạnh Trí, Trần Mạnh Trung (2005), “Các quá trình oxi hóa nâng cao trong xử lý nƣớc và nƣớc thải“, Cơ sở khoa học và ứng dụng, NXB Khoa học và Kỹ thuật.
5. Trần Mạnh Trí (2005), “Sử dụng năng lƣợng mặt trời thực hiện quá trình quang xúc tác trên TiO2 để xử lý nƣớc và nƣớc thải công nghiệp”, Tạp chí khoa học và công nghệ, tập
43, số 2.
6. Vũ Anh Tuấn, Nguyễn Văn Hòa, Đặng Tuyết Phƣơng (2007), “Tổng hợp và ứng dụng xúc tác quang hóa kích thƣớc nanomet trong xử lý môi trƣờng”, Báo cáo tổng kết đề tài độc
lập nghiên cứu phát triển khoa học và công nghệ.
7. Phan Văn Tƣờng (2007), Các phương pháp tổng hợp vật liệu gốm, NXB Đại học quốc gia Hà Nội.
8. Phan Văn Tƣờng, Vật liệu vô cơ, giáo trình giảng dạy.
9. Nghiêm Bá Xuân, Mai Tuyên (2006), “Nghiên cứu cơ chế và các điều kiện chế tạo vật liệu nano TiO2 dạng anatase dùng làm xúc tác quang hóa”, Tạp chí khoa học và ứng dụng, Số 6 (54).
Tiếng Anh
10.Roland Bendix, Frank Dehn, Tana Quaas, Marko Orgass (2000), “Application of titanium dioxide photocatalysis to create self-cleaning building material”, Lacer, No, pp. 157- 169.
11.Y.K.Duand, J. Rabani (2003), “The measure of TiO2 photocatalytic efficiency and comparison of different photocatalytic titania”, J. Phys. Chem. B, 107, pp 11970-11978.
50
12.Fujishima Akira et al. (1999) ), Study on the photocatalytic degradation of insecticide
methomyl in water, Desalination 262, pp. 283-234.
13.M.R.Hoffmann, S.T.Martin, W.Choi, D.W.Bahnemann (1995), “Environment application of semiconductor photocatalysis”, Chem. Rev, 95, pp. 69-96.
14.Khataee A.R., M.B.Kasiri (2010), “Review Photocatalytic degradation of organic dyes in the presence of nanostructured titanium dioxide: Influence of the chemical structure of dyes”, Journal of Molecular Catalysis A: Chemical, 328, pp. 8-26.
15.Saif M., M.S.A.Abdel-Mottaleb (2007), “Titanium dioxide nanomaterial doped with trivalent lanthanide ions of T, Eu and Sm: Preparation, characterization and potential applications”, Inorganica Acta, 360, pp. 2863-2874.
16.Xiangxin Yang, Chundi Cao, Larry Erickson, Keith Hohn, Ronaldo Maghirang, Kenneth Klabunde (2009), “Photo-catalytic degradation of Rhodamine B on C-,S-,N- and Fe- doped TiO2 under visible-light irradiation”, Applied Catalysis B: Environmental, 91, pp. 657- 662.
17.Yuning Huo, Zhu Jian, Jie Ren, ZhenNng Bian, and Hexing Li (2007), “Nanocrystalline N/TiO2 Visible Photocatalyst with a Mesoporous Structure Prepared via a nonhydrolytic sol-gel route”, J.Phys. Chem, 111, pp. 18965-18969.