MỞ ĐẦU Ngày nay, ô nhiễm môi trường là một vấn đề thời sự mang tính toàn cầu. Chúng để lại hậu quả nghiêm trọng cho môi trường như làm mất mỹ quan, ô nhiễm không khí, có tác động xấu đến sức khỏe con người thậm chí còn là tác nhân gây nên ung thư hay các biến đổi gen. Do có ảnh hưởng trực tiếp và lâu dài của chúng đến sức khỏe con người nên việc xử lý ô nhiễm đang nhận được sự quan tâm ngày càng lớn. Để giảm thiểu ô nhiễm đã có nhiều biện pháp công nghệ được đưa ra.
Có thể sử dụng các biện pháp truyền thống như: hấp phụ nguyên tử, thẩm thấu ngược, lọc qua máy siêu lọc. Tuy nhiên, các phương pháp đó không làm cho các hợp chất hữu cơ bị phá hủy, mà chỉ chuyển chúng từ trạng thái này sang trạng thái khác, vì vậy chúng vẫn gây nên ô nhiễm môi trường. Sử dụng quá trình oxi hóa tăng cường (Advanced Oxidation Processes: AOPs) nhằm phân hủy hoàn toàn các chất hữu cơ ô nhiễm là một giải pháp được tập trung nghiên cứu trong thời gian gần đây. AOPs có thể oxi hóa một khoảng rộng các chất gây ô nhiễm một cách nhanh chóng.
Trong số các AOPs, xúc tác quang dị thể sử dụng TiO2 làm chất xúc tác quang xuất hiện như một công nghệ xử lý nổi bật nhất. Phương pháp này có những ưu điểm nổi bật: - Phân hủy triệt để các chất gây ô nhiễm thành các sản phẩm sạch thay vì chuyển hóa chúng sang một dạng khác ít gây ô nhiễm hơn. - Có thể tiến hành dưới điều kiện thường: oxi không khí được sử dụng như chất oxi hóa. - Có phạm vi xử lý rộng với nhiều chất gây ô nhiễm khác nhau, có tính ổn định hóa học cao.
Mặc dù vậy, khả năng triển khai rộng rãi trong thực tiễn của xúc tác này vẫn còn hạn chế do xúc tác chỉ hoạt hóa dưới tác dụng của tia cực tím (<420 nm). Nói cách khác, hệ xử lý cần một nguồn sáng UV và do đó sẽ đội giá thành của xử lý lên cao. ======================================================== 8 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Luận văn thạc sĩ Trần Đại An =================================================== Công nghệ này cũng có thể sử dụng ánh sáng mặt trời, vì trong ánh sáng mặt trời cũng có chứa các tia UV. Tuy nhiên, tia UV chỉ chiếm 5% cường độ ánh sáng mặt trời.
Để có thể tận dụng nguồn năng lượng tự nhiên vô tận này một cách hiệu quả hơn, gần đây, các nhà khoa học đã nghiên cứu biến tính TiO2 bởi các hợp chất phi kim như C, N [1- 4], hay xử dụng các hệ đa oxit như TiO2-Cu2O, TiO2-SnO2 [5,6] nhằm tạo ra các chất xúc tác quang hóa có khả năng hoạt động trong vùng ánh sáng khả kiến. Trong nhóm xúc tác thứ nhất, việc bổ xung lượng nhỏ các nguyên tố phi kim sẽ làm giảm năng lượng vùng cấm của oxit TiO2 xuống (từ 3,2 eV xuống dưới 2,9 eV), do đó cho phép xúc tác hoạt động trong vùng khả kiến. Nhóm thứ hai gồm hệ hỗn hợp hai oxit trở lên, trong đó có một chất là chất nhạy sáng (CdS, ZnO, …). Chất nhạy sáng là chất bán dẫn có năng lượng vùng cấm hẹp, có thể bị kích thích bởi ánh sáng trong vùng nhìn thấy để tạo ra cặp electron – lỗ trống tự do.
Cặp electron-lỗ trống tự do hình thành sẽ chuyển dịch sang chất bán dẫn còn lại. Quá trình chuyển dịch này sẽ làm giảm mạnh khả năng tái hợp cặp electron – lỗ trống so với khi chỉ có chất nhạy sáng và do đó tăng hiệu quả xúc tác. So với nhóm xúc tác bổ xung phi kim vào oxit TiO2, nhóm hệ oxit pha tạp có qui trình tổng hợp đơn giản hơn và độ lặp lại cao hơn. Oxit Bi2O3 là chất bán dẫn có năng lượng vùng cấm là 2.8 eV, có thể bị kích hoạt trong vùng ánh sáng nhìn thấy ( > 420 nm, tương đương Eg < 2,9 eV).
Như vậy việc “ghép nối” oxit này với oxit TiO2 có thể tạo ra hệ xúc tác hoạt dộng trong vùng khả kiến. Từ ý tưởng đó, trong khuôn khổ của luận văn này, tôi tập trung nghiên cứu đề tài: “TỔNG HỢP VÀ ĐÁNH GIÁ HOẠT TÍNH QUANG XÚC TÁC CỦA HỆ OXIT Ti-Bi-O CHO PHẢN ỨNG PHÂN HỦY MỘT SỐ DUNG MÔI HỮU CƠ Ô NHIỄM” CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN ======================================================== 9 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Luận văn thạc sĩ Trần Đại An =================================================== 1. Ô nhiễm môi trƣờng bởi các hợp chất hữu cơ.
Ô nhiễm môi trƣờng pha khí Các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi (VOCs) là các thành phần phổ biến về ô nhiễm không khí trong nhà, ảnh hưởng trực tiếp đến sức khỏe con người. Một số hợp chất này liên quan đến việc gây bệnh bao gồm cả kích thích tế bào niêm mạc, đau đầu và mệt mỏi. Những chất gây ung thư được biết đến như fomandehyt, acetone….Hàng triệu người đang chịu khổ từ hậu quả việc không khí trong nhà kém chất lượng và hàng tỷ đôla sẽ bị mất đi trên thế giới mỗi năm. Nhiều công nghệ tiên tiến để loại bỏ VOCs nhanh chóng và kinh tế từ khí trong nhà gần đây được phát triển.
Trong đó quá trình quang xúc tác oxi hóa (AOPs) là một phương pháp sáng tạo và đầy triển vọng. Những người tiên phong trong lĩnh vực này là Fujishima and Honda (1972) đã phát hiện ra hiện tượng ánh sáng gây ra sự phân tách của nước với các điện cực TiO2. Trong ba thập kỷ sau đó có hàng loạt các ứng dụng tiềm năng của AOPs để làm sạch không khí đã được báo cáo. Kỹ thuật làm sạch không khí của AOPs thường sử dụng các xúc tác nano, bán dẫn và ánh sáng tia tử ngoại (UV) để chuyển đổi các hợp chất hữu cơ trong khí trong nhà thành vô hại và các thành phần không mùi, hơi nước và khí CO 2.
Khi các hợp chất hữu cơ được chuyển hóa về mặt hóa học bằng thiết bị PCO, nó là gốc hydroxyl (OH•), xuất phát từ quá trình oxi hóa của nước hấp phụ hoặc OH hấp phụ, đó là chất oxi hóa mạnh chiểm ưu thế. Chuỗi phản ứng với VOC có thể được diễn tả như sau: OH + VOC + O2 nCO2 + mH2O Quá trình PCO có một số ưu điểm : (1) nhìn chung được công nhận là an toàn: xúc tác quang phổ biến là antase TiO2, một loại oxit bán dẫn cũng là thành phần của kem đánh răng và trong dược phẩm. (2) tính oxi hóa yếu: động học nghiên cứu chứng minh rằng nguộc gốc cơ bản của oxy trong quá trình oxi hóa là phân tử oxy, một chất oxy hóa yếu hơn so với hdro peroxit hoặc ozon…; ======================================================== 10 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Luận văn thạc sĩ Trần Đại An =================================================== (3) nhiệt độ xung quanh: xúc tác quang xem ra hoạt động tại nhiệt độ phòng (4) đầy đủ: trong khi một số cơ chế cho quá trình oxi hóa được đề xuất, một quan điểm có ưu thế là gốc hydroxyl (hoặc một số chất oxi hóa khác mạnh tương đương) là photogenerated (hiệu ứng quang điện) trên bề mặt titan, tác dụng của chất oxi hóa này là nguyên nhân làm cho hoạt tính rộng lớn của titan với các chất gây ô nhiễm khác nhau (như những chất thơm, ankan, olefin, hydrocacbon chứa halogen, mùi các hợp chất…). Ô nhiễm môi trƣờng pha lỏng Ô nhiễm môi trường lỏng có thể có nguồn gốc hữu cơ hay như các hợp chất phenol, phẩm nhuộm, … được thải ra môi trường trong quá trình sử dụng của nhiều ngành công nghiệp.
Sự ô nhiếm của các chất này để lại hậu quả nghiêm trọng trong ngắn hạn và dài hạn đối cho môi trường sống của con người. Chẳng hạn như nhóm hợp chất phenol, con người khi tiếp xúc với phenol trong không khí có thể bị kích ứng đường hô hấp, đau đầu, cay mắt. Nếu tiếp xúc trực tiếp với phenol ở nồng độ cao có thể gây bỏng da, tim đập loạn nhịp và có thể dẫn đến tử vong. Phenol cũng gây tác động mạnh theo đường tiêu hóa.
Khi ăn, uống phải một lượng phenol có thể gây kích ứng, bỏng phía bên trong cơ thể và gây tử vong ở hàm lượng cao. Tình trạng bị kích ứng và ảnh hưởng cũng xảy ra tương tự đối với các loài động vật khi tiếp xúc với phenol. Chính vì vậy, phenol có tác động rất lớn đến môi trường sống. Tình trạng ô nhiễm phenol trong không khí, nước thải và trong đất có thể gây ảnh hưởng đến hệ sinh thái và ở hàm lượng cao có thể tiêu diệt toàn bộ hệ sinh thái.
Nguồn cơ bản phát sinh ô nhiễm phenol trong nước chính là chất thải từ các cơ sở sản xuất có sử dụng phenol như nguyên liệu hay dung môi của quá trình sản xuất. Các nhà máy sản xuất dược phẩm có các mặt hàng thuốc giảm đau aspirin, acid salicilic… trong nước thải vệ sinh thiết bị, dụng cụ sẽ thải ra phenol.Tại các cơ sở sản xuất hạt điều, trong nước thải ngâm ủ hạt và vệ sinh nhà xưởng có chứa nhiều dẫn xuất của phenol. Phenol được sử dụng trong thành phần của thuốc diệt cỏ, thuốc diệt nấm mốc. Do đó, trong quá trình tồn trữ, bảo quản và sử dụng sẽ có tình trạng thất thoát ra ngoài môi trường.
Đặc biệt là tình ======================================================== 11 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Luận văn thạc sĩ Trần Đại An =================================================== trạng ô nhiễm phenol trong canh tác nông nghiệp do người nông dân thiếu ý thức, vứt bừa bãi các chai lọ đựng thuốc diệt cỏ có chứa phenol ra đồng ruộng. Phẩm nhuộm cũng là một trong nhưng nhóm hữu cơ ô nhiễm chính. Vào khoảng 1 - 20 % trong tổng số phẩm nhuộm được sản xuất trên thế giới bị mất đi trong suốt quá trình nhuộm và được giải phóng ra nước thải dệt nhuộm. Nước thải dệt nhuộm làm ảnh hưởng đến mỹ quan và giá trị dinh dưỡng, và có thể tạo ra các sản phẩm phụ độc hại qua các quá trình oxi hóa, thủy phân hoặc những phản ứng hóa học khác xảy ra trong nước thải [15].
Quang xúc tác trong xử lý môi trƣờng. Các xúc tác phổ biến Các xúc tác phổ biến hiện nay chủ yếu là các oxit kim loại hoặc sunfua…, TiO2, ZnO, ZrO2, SnO2, WO3, CeO2, Fe2O3, Al2O3, ZnS và CdS. Các lựa chọn phổ biến nhất cho xúc tác quang là TiO2 và ZnO. Teach và đồng nghiệp đã khám phá ra hoạt tính quang của những oxit khác nhau cho sự oxi hóa không hoàn toàn trong pha khí, và tìm ra rằng hoạt tính các xúc tác gồm titan, kẽm và vôn-fram được xếp hoạt tính theo dãy: TiO2(anatase) > ZnO > WO3.