Nghiên cứu Chế tạo Hệ Quang Xúc Tác TiO2-SiO2/Monolith Xử Lý Phenol Trong Nước

LỜI CAM ĐOAN

TÓM TẮT LUẬN ÁN

ABSTRACT

LỜI CÁM ƠN

MỤC LỤC

1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

1.1. Khái quát về TiO2

1.2. Phương pháp tổng hợp TiO2

1.3. Quá trình oxy hóa khử

1.4. Ứng dụng của TiO2

1.5. Nghiên cứu tổng hợp composite TiO2-SiO2

1.5.1. Tổng quát về SiO2

1.5.2. Ảnh hưởng của SiO2 trong hệ xúc tác TiO2-SiO2

1.5.3. Tổng hợp vật liệu TiO2-SiO2 composite

1.5.4. Biến tính vật liệu TiO2-SiO2 composite

1.5.5. Ứng dụng của TiO2-SiO2 trong xúc tác quang

1.5.6. Hạn chế của xúc tác quang dạng bột

1.6. Khái quát về monolith

1.7. Phương pháp tẩm xúc tác lên monolith

1.8. Lớp phủ trung gian SiO2

1.9. Ứng dụng của hệ xúc tác monolith

1.10. Phương pháp phân hủy phenol

1.11. Các chất hỗ trợ có hoạt tính oxy hóa cao

2. CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM

2.1. Chế tạo vật liệu

2.1.1. Tổng hợp xúc tác dạng bột

2.1.2. Điều chế xúc tác Ag(0,1,3,5%)-TS05/SiO2/Monolith

2.2. Các phương pháp xác định tính chất đặc trưng của vật liệu

2.2.1. Nhiễu xạ tia X

2.2.2. Kính hiển vi điện tử quét

2.2.3. Kính hiển vi điện tử truyền qua

2.2.4. Thuyết Brunauer-Emmett-Teller

2.2.5. Phổ phản xạ khuếch tán UV-Vis

2.2.6. Phương pháp khối phổ ICP-MS

2.2.7. Quang phổ phát quang

2.2.8. Phương pháp xác định điểm đẳng điện

2.3. Đánh giá hoạt tính quang xúc tác của vật liệu

2.4. Đánh giá số liệu thực nghiệm

2.4.1. Động học phản ứng

2.4.2. Phương pháp so màu UV-Vis

2.4.3. Phương pháp HPLC

2.5. Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến hoạt tính quang xúc tác của vật liệu TiO2-SiO2

2.5.1. Tỉ lệ mol tiền chất Ti:Si

2.5.3. Tỉ lệ mol TNB:AcAc

2.5.4. Tỉ lệ khối lượng TNB:PEG

2.7. Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến hoạt tính quang xúc tác của vật liệu Ag-TiO2-SiO2

2.7.1. Hàm lượng Ag

2.7.3. Nồng độ ban đầu của phenol

2.7.4. pH của dung dịch phenol ban đầu

2.7.5. Phân tích sự đóng góp của các gốc tự do đến hiệu quả phân hủy phenol

2.7.6. Chất oxy hóa PDS và PMS

2.8. Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến hoạt tính quang xúc tác của xúc tác hệ monolith

2.8.2. Số lần nhúng xúc tác

2.8.3. Hàm lượng Ag trong xúc tác

2.8.4. Ảnh hưởng của PMS và PDS đến hiệu suất phân hủy phenol của xúc tác TS05/S/M

2.8.5. Hoạt tính quang xúc tác dưới sự hỗ trợ của PMS

2.8.6. Sự phân hủy phenol trong các điều kiện phản ứng khác nhau

2.8.7. Khảo sát độ bền và khả năng tái sử dụng xúc tác TS05/S/M và Ag3%-TS05/S/M dưới sự hỗ trợ của PMS

3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN

3.1. Vật liệu TiO2-SiO2

3.1.1. Ảnh hưởng tỉ lệ mol Ti:Si đến cấu trúc vật liệu

3.1.2. Ảnh hưởng nhiệt độ nung đến cấu trúc vật liệu

3.1.3. Ảnh hưởng tỉ lệ mol TNB:AcAc đến cấu trúc vật liệu

3.1.4. Ảnh hưởng tỉ lệ khối lượng TNB:PEG đến cấu trúc vật liệu

3.2. Vật liệu Ag-TiO2-SiO2

3.2.1. Đặc trưng tính chất của các mẫu biến tính bằng bạc

3.2.2. Hoạt tính quang xúc tác của các mẫu biến tính bằng bạc

3.2.3. Ảnh hưởng của liều lượng xúc tác đến sự phân hủy phenol

3.2.4. Ảnh hưởng nồng độ ban đầu của phenol đến hiệu quả phân hủy phenol

3.2.5. Ảnh hưởng pH ban đầu của dung dịch phenol đến sự phân hủy phenol

3.2.6. Phân tích sự đóng góp của các gốc tự do đến sự phân hủy phenol

3.2.7. Ảnh hưởng của chất oxy hóa PDS và PMS đến hiệu suất phân hủy phenol

3.3. Vật liệu Ag-TiO2-SiO2 phủ lên monolith

3.3.1. Hình thái, cấu trúc của vật liệu Ag-TiO2-SiO2 phủ lên monolith

3.3.2. Ảnh hưởng của sợi quang đến hiệu suất phân hủy phenol

3.3.3. Ảnh hưởng số lần phủ xúc tác lên monolith đến hiệu suất phân hủy phenol

3.3.4. Ảnh hưởng của hàm lượng Ag đến hiệu suất phân hủy phenol

3.3.5. So sánh hiệu quả quang xúc tác của TS05/S/M dưới sự có mặt của PMS và PDS

3.3.6. Ảnh hưởng hàm lượng PMS đến hiệu suất phân hủy phenol

3.3.7. Sự phân hủy phenol ở các điều kiện tiến hành phản ứng khác nhau

3.3.8. Khả năng tái sử dụng xúc tác dưới sự có mặt của PMS

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ

TÀI LIỆU THAM KHẢO

I. Tổng Quan Nghiên Cứu Quang Xúc Tác TiO2 SiO2 Xử Lý Phenol

Phenol là một chất ô nhiễm hữu cơ phổ biến trong nước thải công nghiệp, gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến môi trường và sức khỏe con người. Các phương pháp xử lý truyền thống thường tốn kém và không hiệu quả trong việc loại bỏ hoàn toàn phenol. Công nghệ quang xúc tác, đặc biệt sử dụng TiO2, đã được chứng minh là một giải pháp tiềm năng nhờ khả năng oxy hóa mạnh mẽ, chi phí thấp và tính thân thiện với môi trường. Tuy nhiên, TiO2 nguyên chất có một số hạn chế như diện tích bề mặt riêng thấp, năng lượng vùng cấm rộng, và khó thu hồi sau phản ứng. Do đó, nghiên cứu tập trung vào việc biến tính TiO2 bằng SiO2 và sử dụng monolith làm chất mang để khắc phục các nhược điểm này. Bài viết này tổng quan về nghiên cứu chế tạo hệ quang xúc tác TiO2-SiO2/Monolith để xử lý phenol trong nước, từ đó mở ra hướng tiếp cận mới cho việc bảo vệ nguồn nước và môi trường.

1.1. Ảnh Hưởng của Phenol và Các Phương Pháp Xử Lý Hiện Tại

Phenol gây ra nhiều tác động tiêu cực đến sức khỏe và môi trường, bao gồm ô nhiễm nguồn nước, ảnh hưởng đến hệ sinh thái, và gây độc cho con người. Các phương pháp xử lý phenol truyền thống như hấp phụ, chiết xuất, và oxy hóa hóa học có những hạn chế nhất định về chi phí, hiệu quả, và khả năng xử lý triệt để. Các phương pháp này thường tạo ra các sản phẩm phụ độc hại hoặc đòi hỏi quy trình phức tạp và tốn kém. Do đó, việc tìm kiếm các giải pháp thay thế hiệu quả hơn là vô cùng cần thiết. Dẫn chứng từ tài liệu gốc, TiO2 có ưu điểm vượt trội so với các vật liệu khác trong xử lý các chất ô nhiễm hữu cơ trong nước.

1.2. Giới Thiệu về Quang Xúc Tác và Vật Liệu TiO2

Quang xúc tác là một quá trình sử dụng ánh sáng để kích hoạt một chất xúc tác, tạo ra các gốc tự do có khả năng oxy hóa mạnh mẽ, từ đó phân hủy các chất ô nhiễm. TiO2 là một chất xúc tác quang phổ biến nhờ tính ổn định, chi phí thấp và khả năng hoạt động dưới ánh sáng UV. Tuy nhiên, TiO2 nguyên chất có diện tích bề mặt riêng thấp và khả năng hấp thụ ánh sáng kém, làm giảm hiệu quả xúc tác quang. Việc biến tính TiO2 bằng các vật liệu khác, chẳng hạn như SiO2, có thể cải thiện đáng kể các tính chất này. Theo tác giả Hồ Thị Ngọc Sương, "TiO2 là một chất xúc tác quang thường được sử dụng để xử lý các chất ô nhiễm hữu cơ trong nước vì có những ưu điểm như hoạt tính quang xúc tác cao, chi phí thấp và thân thiện với môi trường."

II. Vấn Đề Cần Giải Quyết Hạn Chế của TiO2 và Monolith Hiện Tại

Mặc dù TiO2 có nhiều ưu điểm, nhưng hiệu quả của nó trong việc xử lý phenol vẫn bị hạn chế bởi diện tích bề mặt riêng thấp, năng lượng vùng cấm rộng, và khó thu hồi hạt nano sau phản ứng. Monolith, mặc dù có tỷ lệ bề mặt/thể tích lớn, nhưng cũng gặp phải vấn đề về diện tích bề mặt riêng thấp và khả năng chiếu sáng kém bên trong các kênh. Để khắc phục những hạn chế này, cần có các giải pháp để tăng diện tích bề mặt của TiO2, cải thiện khả năng hấp thụ ánh sáng, và tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình phản ứng quang xúc tác diễn ra hiệu quả hơn trên monolith. Nghiên cứu này tập trung vào việc giải quyết những thách thức này thông qua việc chế tạo hệ quang xúc tác TiO2-SiO2/Monolith.

2.1. Nhược Điểm của TiO2 và Yêu Cầu Biến Tính

TiO2 nguyên chất có diện tích bề mặt riêng tương đối thấp, dẫn đến số lượng vị trí hoạt động hạn chế. Năng lượng vùng cấm rộng của nó cũng giới hạn khả năng hấp thụ ánh sáng, đặc biệt là ánh sáng nhìn thấy. Do đó, việc biến tính TiO2 là cần thiết để cải thiện các tính chất này. Việc pha tạp SiO2 có thể làm tăng diện tích bề mặt riêng của TiO2, trong khi việc pha tạp kim loại có thể thu hẹp năng lượng vùng cấm. Theo luận án, TiO2 có nhược điểm như diện tích bề mặt riêng tương đối thấp (50 m2/g), năng lượng vùng cấm rộng (3,2 eV) và kích thước hạt nano khó thu hồi. Do đó trong luận án TiO2 được biến tính, thay đổi cấu trúc vi mô với SiO2 nhằm mục đích cải thiện bề mặt riêng, sau đó pha tạp Ag nhằm thu hẹp năng lượng vùng cấm.

2.2. Thách Thức trong Ứng Dụng Monolith Quang Xúc Tác

Monolith có nhiều ưu điểm như khả năng truyền khối tốt và dễ dàng mở rộng quy mô, nhưng diện tích bề mặt riêng thấp và khả năng chiếu sáng kém là những thách thức lớn. Các kênh bên trong monolith có thể không được chiếu sáng đầy đủ, làm giảm hiệu quả quang xúc tác. Để giải quyết vấn đề này, cần có các giải pháp để tăng diện tích bề mặt của monolith và cải thiện khả năng truyền ánh sáng vào bên trong các kênh. Để cải thiện vấn đề trên, monolith được phủ lót một lớp SiO2 để tăng diện tích bề mặt riêng trước khi thực hiện phủ xúc tác. Khi thực nghiệm xử lý phenol, các kênh monolith được tích hợp thêm các sợi quang để cải thiện sự truyền sáng.

III. Phương Pháp Chế Tạo Hệ TiO2 SiO2 Monolith Xử Lý Phenol

Nghiên cứu này trình bày một phương pháp chế tạo hệ quang xúc tác TiO2-SiO2/Monolith để xử lý phenol trong nước. Phương pháp này bao gồm việc tổng hợp vật liệu TiO2-SiO2 composite bằng phương pháp sol-gel, sau đó phủ lớp TiO2-SiO2 lên bề mặt monolith. Quá trình này có thể bao gồm việc biến tính TiO2 bằng các kim loại hoặc phi kim để cải thiện khả năng hấp thụ ánh sáng và hiệu quả quang xúc tác. Cuối cùng, các thông số quy trình như tỷ lệ TiO2/SiO2, nhiệt độ nung, và phương pháp phủ được tối ưu hóa để đạt được hiệu quả xử lý phenol cao nhất.

3.1. Tổng Hợp Vật Liệu TiO2 SiO2 Composite Bằng Phương Pháp Sol Gel

Phương pháp sol-gel là một kỹ thuật phổ biến để tổng hợp vật liệu TiO2-SiO2 composite với kích thước hạt nano và độ đồng nhất cao. Phương pháp này bao gồm việc thủy phân và ngưng tụ các tiền chất kim loại, tạo thành một sol, sau đó chuyển thành gel và cuối cùng là vật liệu oxit sau khi nung. Các yếu tố như tỷ lệ tiền chất, pH, và nhiệt độ có thể ảnh hưởng đến cấu trúc và tính chất của vật liệu. Quy trình tổng hợp vật liệu TiO2-SiO2 được mô tả rõ ràng trong tài liệu gốc.

3.2. Phủ Lớp TiO2 SiO2 Lên Bề Mặt Monolith Quy Trình Chi Tiết

Việc phủ lớp TiO2-SiO2 lên bề mặt monolith có thể được thực hiện bằng nhiều phương pháp, chẳng hạn như nhúng, phun, hoặc lắng đọng hóa học pha hơi. Phương pháp nhúng là một kỹ thuật đơn giản và hiệu quả, bao gồm việc nhúng monolith vào dung dịch TiO2-SiO2, sau đó sấy khô và nung. Quá trình này có thể được lặp lại nhiều lần để tăng độ dày của lớp phủ. Quy trình điều chế xúc tác Ag(0,1,3,5%)-TS05/SiO2/Monolith được mô tả chi tiết trong phần thực nghiệm của luận án.

IV. Tối Ưu Hóa Quy Trình Ảnh Hưởng của Các Yếu Tố Đến Hiệu Quả

Hiệu quả của hệ quang xúc tác TiO2-SiO2/Monolith trong việc xử lý phenol phụ thuộc vào nhiều yếu tố, bao gồm tỷ lệ TiO2/SiO2, nhiệt độ nung, phương pháp phủ, và điều kiện phản ứng. Tối ưu hóa các yếu tố này là rất quan trọng để đạt được hiệu quả xử lý phenol cao nhất. Nghiên cứu này tập trung vào việc khảo sát ảnh hưởng của các yếu tố này đến hoạt tính quang xúc tác của vật liệu.

4.1. Ảnh Hưởng của Tỷ Lệ TiO2 SiO2 Đến Cấu Trúc và Hoạt Tính

Tỷ lệ TiO2/SiO2 có ảnh hưởng lớn đến cấu trúc và hoạt tính quang xúc tác của vật liệu. SiO2 có thể làm tăng diện tích bề mặt riêng của TiO2, nhưng tỷ lệ SiO2 quá cao có thể làm giảm số lượng vị trí hoạt động của TiO2. Do đó, cần có một tỷ lệ tối ưu để đạt được hiệu quả xử lý phenol cao nhất. Theo kết quả nghiên cứu, vật liệu TiO2-SiO2 composite với tỉ lệ mol Ti:Si là 95:5 có diện tích bề mặt riêng 170,9 m2/g và có một pha TiO2 duy nhất – anatase.

4.2. Tối Ưu Nhiệt Độ Nung để Cải Thiện Tính Chất Quang Xúc Tác

Nhiệt độ nung ảnh hưởng đến kích thước hạt, độ kết tinh, và diện tích bề mặt của vật liệu. Nhiệt độ nung quá thấp có thể dẫn đến độ kết tinh kém, trong khi nhiệt độ nung quá cao có thể làm giảm diện tích bề mặt. Do đó, cần có một nhiệt độ nung tối ưu để đạt được hiệu quả quang xúc tác cao nhất. Nghiên cứu chỉ ra rằng nhiệt độ nung trong khoảng 400-600 °C có thể tối ưu hóa tính chất quang xúc tác của vật liệu TS05.

V. Kết Quả Nghiên Cứu Hiệu Quả Xử Lý Phenol của Hệ TiO2 SiO2

Nghiên cứu này đã chứng minh rằng hệ quang xúc tác TiO2-SiO2/Monolith có hiệu quả cao trong việc xử lý phenol trong nước. Vật liệu TiO2-SiO2 composite có diện tích bề mặt riêng cao và khả năng hấp thụ ánh sáng tốt, trong khi monolith cung cấp diện tích bề mặt lớn và khả năng truyền khối tốt. Kết quả cho thấy hiệu quả xử lý phenol đạt được cao hơn so với sử dụng TiO2 nguyên chất hoặc monolith riêng lẻ. Việc bổ sung thêm chất oxy hóa như Potassium monopersulfate (PMS) còn giúp nâng cao hiệu quả xử lý.

5.1. Đánh Giá Hiệu Quả Xử Lý Phenol Bằng Vật Liệu TiO2 SiO2 Dạng Bột

Vật liệu TiO2-SiO2 composite dạng bột đã được chứng minh là có hiệu quả cao trong việc xử lý phenol dưới ánh sáng tự nhiên. Hiệu quả phân hủy phenol đạt 91,5% với vật liệu TiO2-SiO2 và 97,4% với vật liệu Ag(3%)-TiO2-SiO2 trong điều kiện thí nghiệm. Kết quả này cho thấy việc biến tính TiO2 bằng SiO2 và Ag có thể cải thiện đáng kể hiệu quả quang xúc tác.

5.2. Hiệu Quả Xử Lý Phenol của Lớp Phủ TiO2 SiO2 trên Monolith

Lớp phủ TiO2-SiO2 trên bề mặt monolith cũng cho thấy hiệu quả trong việc xử lý phenol, đặc biệt khi kết hợp với sợi quang để cải thiện khả năng truyền ánh sáng. Hiệu suất phân huỷ phenol đạt 39,2% với lớp phủ TiO2-SiO2/SiO2/monolith và 49,5% với lớp phủ Ag(3%)-TiO2-SiO2/SiO2/monolith. Hiệu suất này được cải thiện nâng cao hơn hẳn với sự hỗ trợ của chất oxy hóa Potassium monopersulfate (1,0 mM), đạt 94,8% với lớp phủ TiO2-SiO2/SiO2/monolith và 99,5% với lớp phủ Ag(3%)-TiO2-SiO2/SiO2/monolith.

VI. Kết Luận và Hướng Phát Triển Ứng Dụng Thực Tiễn

Nghiên cứu này đã thành công trong việc chế tạo hệ quang xúc tác TiO2-SiO2/Monolith hiệu quả để xử lý phenol trong nước. Các kết quả nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học cho việc ứng dụng công nghệ này trong thực tế, đặc biệt trong việc xử lý nước thải công nghiệp chứa phenol. Trong tương lai, cần có các nghiên cứu sâu hơn về tính ổn định, khả năng tái sử dụng, và chi phí của hệ thống để có thể triển khai rộng rãi trong thực tế. Cần nghiên cứu các hướng phát triển khác của xúc tác để nâng cao khả năng ứng dụng.

6.1. Khả Năng Tái Sử Dụng và Độ Bền của Vật Liệu

Khả năng tái sử dụng và độ bền của vật liệu là những yếu tố quan trọng để đánh giá tính khả thi của công nghệ. Nghiên cứu này đã chứng minh rằng vật liệu dạng lớp phủ có khả năng tái sử dụng với hiệu suất xử lý phenol ổn định sau 4 chu kỳ. Điều này cho thấy tính bền vững của vật liệu và tiềm năng ứng dụng lâu dài. Ống monolith tổ ong với lớp phủ vật liệu được rửa, sấy và nung hoạt hóa ở 300 °C trong 2 giờ trước khi tái sử dụng.

6.2. Triển Vọng Ứng Dụng trong Xử Lý Nước Thải Công Nghiệp

Hệ quang xúc tác TiO2-SiO2/Monolith có tiềm năng lớn trong việc xử lý nước thải công nghiệp chứa phenol. Công nghệ này có thể được tích hợp vào các hệ thống xử lý nước thải hiện có để cải thiện hiệu quả loại bỏ phenol và các chất ô nhiễm hữu cơ khác. Nghiên cứu cũng cho thấy sự cần thiết phải nghiên cứu sâu hơn về các ứng dụng thực tế và tiềm năng của công nghệ quang xúc tác trong các ngành công nghiệp khác nhau.

CHẾ TẠO HỆ QUANG XÚC TÁC TiO2 – SiO2 TRÊN MONOLITH ĐỂ XỬ LÝ DƯ LƯỢNG PHENOL TRONG NƯỚC