3/
5.2.1 Hố chất và vật liệu thí nghiệm
- Dung dịch chứa các hợp chất TiO2-SiO2, là sản phẩm của quá trình thủy phân nhiệt với kích thƣớc hạt phân bố theo hình 5.3. Các hạt cĩ kích thƣớc phổ biến trong khoảng từ 0,2 đến 3 và nhiều nhất ở kích thƣớc hạt là 0,4-0,5 m.
0 1 2 3 4 5 6 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
PHAN BO KICH THUOC HAT TRONG DUNG DICH
Ty
le
%
Kich thuoc hat (micromet)
52 - Dung mơi ethanol và n-propanol.
- Đối tƣợng đƣợc chọn là Hạt bead ceramic (của Trung tâm nghiên cứu vật liệu silicate, Đại học Bách khoa), hạt alummino silicate (xƣởng nghiên cứu vật liệu – mơi trƣờng, Viện cơng nghệ hĩa học) và sợi thủy tinh của Trung Quốc.
5.2.2Dụng cụ thí nghiệm
- Buồng phun bằng mica (tự chế tạo)
- Súng phun dung dịch (Hãng Đại Nam - Việt Nam) - Máy nén khí 8kg Puma (Italia)
- Máy siêu âm (Đức)
- Các dụng cụ thủy tinh: beaker 200mL, ống đong 100mL, pipet 5mL, 10mL. - Cân phân tích điện tử, lị sấy, lị nung.
5.2.3Quy trình thí nghiệm
Hình 5.4 – Quy trình phủ TiO2-SiO2 lên sợi thủy tinh bằng phƣơng pháp phun và nhúng.
Thuyết minh quy trình chuẩn bị hạt bead cearamic và hạt alummino silicate Đối với hạt ceramic:
Hạt ceramic đƣợc sản xuất tại trung tâm silicate, ĐHBK THPHCM. Hạt bead ceramic cĩ đƣờng kính trung bình từ 1 – 4mm, cĩ khối riêng riêng khoảng 0,15g/mL. Bề mặt hạt cĩ nhiều lỗ xốp. Hạt cĩ độ bền cơ học kém nên việc điều khiển hạt trong quá trình phun là việc khĩ khăn. Do khối lƣợng riêng thấp và kích thƣớc nhỏ nên hạt bead ceramic nổi trong mơi trƣờng nƣớc và cĩ độ dính ƣớt cao.
Dung dịch TiO2-SiO2 Chuẩn bị hạt/sợi
Địnhlƣợng
Phun/Nhúng
Sấy 105oC, 1giờ
53
Hình 5.5 – Hạt bead ceramic
Đối với hạt alummino silicate:
Hạt alummino silicate đƣợc sản xuất tại xƣởng vật liệu của Viện Cơng nghệ hĩa học. Hạt alummino silicate cĩ đƣờng kính từ 5 – 20 mm, cĩ khối lƣợng riêng 1g/L. Bề mặt hạt cĩ nhiều khe nứt và lỗ xốp. Hạt cĩ độ bền cơ học cao. Theo đánh giá cảm quan thì hạt alummino silicate cĩ diện tích bề mặt riêng kém hơn nhiều so với hạt bead ceramic do kích thƣớc hạt lớn hơn. Do quá trình sản xuất, nên trong nhiều hạt alummino silicate cĩ chứa các bọng khí nên cĩ hạt nổi, hạt khơng nổi trong mơi trƣờng nƣớc.
Hình 5.6 – Hạt almmino silicate
Hạt đƣợc rửa thơ nhiều lần bằng nƣớc sạch. Sau đĩ hạt đƣợc cho vào beaker, khuấy bằng máy khuất đũa, tốc độ chậm đến khi nƣớc trong. Để khơ hạt ở nhiệt độ phịng rồi sấy ở 110oC đến khi hạt khơ hồn tồn. Cân định lƣợng hạt và tiến hành thí nghiệm.
54
Hình 5.7 – Hệ thống phun dung dịch TiO2-SiO2 lên chất mang.
Mơ hình phun đƣợc thiết kế nhƣ hình minh họa trên.
Quá trình phun phủ (spray coating) tạo ra đƣợc lớp phủ đồng đều và mỏng trên bề mặt chất mang nhƣng phụ thuộc nhiều vào cách thực hiện, kỹ thuật ngƣời thực hiện, mơ hình, các đặc tính dung dịch phủ (độ nhớt, nồng độ). Một nhƣợc điểm lớn của phƣơng pháp phun phủ là độ hao phí của dung dịch phủ rất lớn, điều này phụ thuộc phần lớn vào kỹ thuật, kinh nghiệm của ngƣời thực hiện.
Mục đích thiết kê mơ hình này nhằm tạo trạng thái giả lỏng (tầng sơi) của chất mang đƣợc phủ kết hợp với trạng thái sol khí của dung dịch đƣợc phun vào nhằm tạo điểu kiện tiếp xúc tốt hơn, thời gian tiếp xúc lâu hơn của 2 loại vật liệu (theo nguyên lý ngƣợc dịng). Bên cạnh đĩ, một mục đích mong muốn của mơ hình này là hạn chế sự thất thốt của dung dịch phủ thơng qua việc điểu khiển lƣu lƣợng dịng khí và lƣu lƣợng dịng lỏng vào đầu phun.
Tuy nhiên, việc thiết kế mơ hình này khơng nhằm vào việc tối ƣu hĩa quá trình phun phủ mà chỉ nhằm tạo một tiền đề cho các nghiên cứu khác (nếu cĩ khả năng ứng dụng cao) và tạo mơi trƣờng phun phủ cho vật liệu, phục vụ cho các thí nghiệm tiếp theo.
Thuyết minh quy trình phủ TiO2-SiO2 lên hạt bằng phƣơng pháp phun
Dung dịch TiO2-SiO2 đƣợc sử dụng là 100mL (đối với hạt bead ceramic) và 250mL (hạt alummino silicate). Hỗn hợp 120mL bao gồm 60 mL dung dịch TiO2-SiO2 từ quá trình thủy phân nhiệt, đƣợc pha lỗng với 60mL dung mơi (30mL ethanol và 30mL n-propanol). Hỗn hợp 250mL bao gồm 125 mL dung dịch TiO2-SiO2 từ quá trình thủy phân nhiệt, đƣợc pha lỗng với 125mL dung mơi (62,5mL ethanol và 62,5mL n-propanol).
55
Cân 132g đối với hạt bead ceramic và 1500g đối với hạt alummino silicate. Tiến hành phun để phủ dung dịch TiO2 – SiO2 lên bề mặt hạt.
Chia lƣợng hạt đã đƣợc cân định lƣợng thành nhiều phần bằng nhau. Từ phía dƣới đáy của mơ hình, một dịng hơi tạo ra bằng máy nén khí đi lên tạo trạng thái lơ lửng cho hạt. Dịng khí này đƣợc điều khiển bằng một valve khí. “Dịng lỏng”, là dung dịch TiO2-SiO2 đƣợc phun vào ở dạng sol khí từ phía đỉnh của mơ hình, tạo trạng thái phân tán đồng đều trong khơng gian buồng phun. Lƣu lƣợng dịng lỏng đƣợc điểu chính bằng 1 pipet, mỗi lần phun 10mL dung dịch.
Hạt sau khi phun đƣợc trong mơi trƣờng nhiệt độ phịng và sấy ở 105oC trong 1 giờ nhằm làm bay hơi bớt dung mơi. Sau đĩ, hạt đem nung ở 550oC trong 3 giờ để loại bỏ hồn tồn dung mơi dung, thiêu kết tạo lớp màng TiO2 bám đều trên bề mặt hạt.
Sản phẩm sau khi nung sẽ đƣợc cân để xác định lƣợng xúc tác bám trên hạt. Sau đĩ, đƣợc đƣa vào các thí nghiệm xác định hoạt tính xúc tác quang.
Thuyết minh quy trình phủ TiO2-SiO2 lên sợi thủy tinh bằng phƣơng pháp phun
Dung dịch TiO2-SiO2 đƣợc sử dụng là 100mL, bao gồm 50 mL dung dịch TiO2- SiO2 từ quá trình thủy phân nhiệt, đƣợc pha lỗng với 50mL dung mơi (25mL ethanol và 25mL n-propanol).
Sợi thủy tinh đƣợc rửa sạch bằng nƣớc cất trong máy siêu âm trong thời gian 30 phút; sau đĩ, đƣợc rửa lại bằng cồn để loại bỏ những thành phần bụi bám trên bề mặt. Cân chính xác 50 g sợi thủy tinh phục vụ thí nghiệm.
Chia 50g sợi thủy tinh thành 10 phần bằng nhau với khối lƣợng 5g cho mỗi lần phun. Cho lần lƣợt từng phần sợi thủy tinh vào buồng phun. Định lƣợng 5mL dung dịch TiO2-SiO2 bằng pipet và cho vào súng phun. Bật máy nén khí và mở van xả khí để phun dung dịch TiO2-SiO2 dƣới dạng sƣơng mù lên sợi thủy tinh. Điều chỉnh lƣu lƣợng khí để cụm bơng thủy tinh bay lơ lửng và xoay vịng trong buồng phun nhằm đảm bảo phân tán đều dung dịch lên tồn bộ diện tích các sợi thủy tinh. Sau đĩ, lấy phần sợi thủy tinh ra để khơ ngồi khơng khí và đƣa phần sợi mới vào tiếp tục phủ.
Sau khi phun lần lƣợt 10 phần sợi thủy tinh, tiến hành phun lại lần 2 với lƣợng dung dịch TiO2-SiO2 tƣơng tự là 5mL/lần.
Tồn bộ 50g sợi thủy tinh sau khi phun đƣợc đƣa vào tủ sấy ở 105oC trong 2 giờ để loại bỏ bớt dung mơi trƣớc khi nung ở 550oC trong 3 giờ.
Sản phẩm sợi thủy tinh cĩ phủ lớp TiO2-SiO2 sau khi nung sẽ đƣợc cân để xác định khối lƣợng TiO2-SiO2 bám dính trên bề mặt và đƣợc sử dụng trực tiếp cho các thí nghiệm đánh giá hoạt tính xúc tác quang.
56
Thuyết minh quy trình phủ TiO2-SiO2 lên hạt bằng phƣơng pháp nhúng (dip coating)
Đối tƣợng đƣợc sử dụng là hạt alummino silicate. Hạt bead ceramic khơng đƣợc sử dụng trong thí nghiệm này do độ dính ƣớt cao dẫn các hạt dính lại với nhau do lực căng bề mặt của chất lỏng.
Thiết bị nhúng tự chế tạo theo yêu cầu của thí nghiệm. Bao gồm 1 moteur 2 chiều, điều khiển đƣợc các cấp tốc độ nhanh, chậm. Một beaker 1L chứa dung dịch cần phủ và 1 khay bằng lƣới 1mm tự chế tạo đƣợc gắn vào trục moteur đựng mẫu hạt cần nhúng.
Cân định lƣợng 1500g hạt alummino silicate. Chia thành nhiều phần bằng nhau cho các lần nhúng.
Hình 5.8 – Quy trình nhúng
Cho hạt vảo khay nhúng, bật moteur để khay chạy xuống mang hạt nhúng vào dung dịch, sau 10 giây, bật moteur quay theo chiều ngƣợc lại để đƣa hạt lên. Để khơ ngồi khơng khí. Sau đĩ thực hiện nhúng hạt lần hai.
Tồn bộ 1500g hạt đƣợc để khơ và sấy để làm bay hơi bớt dung mơi dƣ. Sau đĩ, hạt đƣợc đem nung ở 550oC trong 3h để loại bỏ hồn tồn dung mơi dƣ, thiêu kết, tạo lớp màng xúc tác trên bề mặt hạt.
Sản phẩm sau khi nung đƣợc cân khối lƣợng để các định lƣợng xúc tác bám lên tạo màng và đƣợc sử dụng cho các thí nghiệm tiếp theo để đánh giá hoạt tính và hiệu quả phƣơng pháp.
57
5.3 THÍ NGHIỆM ĐÁNH GIÁ HOẠT TÍNH XÚC TÁC QUANG CỦA MÀNG PHIM TiO2-SiO2, XỬ LÝ PHENOL TRONG NƢỚC