Luận văn thạc sĩ kỹ thuật hóa học metallic nanoparticles supported on zeoliteadded tio2 and plasmamodified tio2 synthesis and photocatalytic oxidation applications

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật nghiên cứu kỹ thuật hóa học metallic nanoparticles supported on zeoliteadded tio2 and plasmamodified tio2, khảo sát thực trạng, phân tích nguyên nhân, đề

• Tác giả: Le Nguyen Quang Tu
• Người hướng dẫn: PGS. Nguyễn Quang Long
• Trường học: Ho Chi Minh City University of Technology
• Chuyên ngành: Chemical Engineering
• Đề tài: Nghiên cứu về hạt nano kim loại hỗ trợ zeolit và TiO2 trong tổng hợp và ứng dụng oxy hóa quang xúc tác
• Loại tài liệu: master thesis
• Năm xuất bản: 2019
• Địa điểm: Ho Chi Minh City

Mục lục chi tiết

• NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
• ACKNOWLEDGMENT OF AUTHORIZATION
• LIST OF FIGURES
• LIST OF TABLES
• LIST OF ABBRIVIATIONS
• 1. CHAPTER 1: OVERVIEW
• 1.1. Volatile organic compounds
• 1.2. Treatment of VOCs in the gas phase
• 1.3. Biological filtration method
• 1.4. Photocatalytic oxidation of volatile organic compounds (VOCs)
• 1.5. Noble metal doping
• 1.6. AuNPs optical characteristic
• 1.7. Plasma surface modification
• 2. CHAPTER 2: METHOD OF ANALYZING
• 2.1. Chemicals and equipment
• 2.2. Preparation of catalyst
• 2.3. Characterization of catalyst
• 2.4. Investigation of the effects of reaction’s conditions
• 3. CHAPTER 3: RESULT AND DISCUSSION
• 3.1. Characterization of catalysts
• 3.1.1. X-ray diffraction pattern of catalysts
• 3.1.2. BET specific area - ICP analysis
• 3.1.3. FTIR analysis of plasma treated catalysts
• 3.1.4. Scanning electron microscopy (SEM) and Transmission electron microscopy (TEM)
• 3.2. Catalytic performance of modified TiO2
• 3.2.1. The effect of UV light on the degradation of toluene
• 3.2.2. The effect of gold nanoparticles on the photo-catalytic performance of TiO2
• 3.3. The catalytic performance of hydro-plasma-treated TiO2
• 3.3.1. The adsorption efficiency of plasma treated TiO2 samples
• 3.3.2. The effect of plasma treating time on the photo-catalytic activity of plasma-treated TiO2
• 3.3.3. The effect of relative humidity on the photo-catalytic activity of plasma-treated TiO2
• 3.3.4. The effect of reactor temperature on the catalytic activity
• 3.4. The catalytic performance of zeolite-added TiO2
• 3.4.1. The adsorption efficiency of zeolite-added TiO2 samples
• 3.4.2. The effect of zeolite ratio on the photo-catalytic activity of Au/TiO2 samples
• 3.4.3. The effect of relative humidity on the photo-catalytic activity of zeolite-added TiO2 sample
• 3.4.4. The effect of temperature on the catalytic activity of Au/TiO2-ZY
• 3.4.5. Summary on the photo-catalytic activity of zeolite-added TiO2 samples
• 4. CHAPTER 4: CONCLUSION AND SUGGESTIONS

Tóm tắt

I. Tổng quan về hạt nano kim loại hỗ trợ zeolit và TiO2

Nghiên cứu về hạt nano kim loại hỗ trợ zeolit và TiO2 trong tổng hợp và ứng dụng oxy hóa quang xúc tác đang thu hút sự chú ý lớn từ cộng đồng khoa học. Hạt nano kim loại, đặc biệt là vàng (Au), được biết đến với khả năng cải thiện hiệu suất quang xúc tác của TiO2. Sự kết hợp giữa zeolit và TiO2 không chỉ tăng cường tính chất xúc tác mà còn mở ra nhiều ứng dụng mới trong xử lý ô nhiễm môi trường.

1.1. Đặc điểm và tính chất của hạt nano kim loại

Hạt nano kim loại có kích thước nhỏ, thường dưới 100 nm, cho phép chúng có diện tích bề mặt lớn và tính chất quang học đặc biệt. Những đặc điểm này giúp tăng cường khả năng hấp thụ ánh sáng và cải thiện hiệu suất quang xúc tác.

1.2. Vai trò của zeolit trong ứng dụng quang xúc tác

Zeolit là một loại khoáng vật có cấu trúc xốp, giúp tăng cường khả năng hấp thụ và giữ lại các hạt nano kim loại. Điều này không chỉ cải thiện tính chất xúc tác mà còn giúp tăng cường độ bền của hệ thống xúc tác.

II. Thách thức trong nghiên cứu hạt nano và TiO2

Mặc dù có nhiều tiềm năng, nhưng việc nghiên cứu và ứng dụng hạt nano kim loại trong TiO2 vẫn gặp phải nhiều thách thức. Các vấn đề như độ ổn định của hạt nano, khả năng tái sử dụng và chi phí sản xuất là những yếu tố cần được giải quyết để nâng cao hiệu quả ứng dụng.

2.1. Độ ổn định của hạt nano trong môi trường

Hạt nano có thể bị phân tán hoặc kết tụ trong môi trường, ảnh hưởng đến hiệu suất xúc tác. Việc nghiên cứu các phương pháp bảo vệ hạt nano là cần thiết để duy trì tính ổn định trong quá trình sử dụng.

2.2. Chi phí sản xuất và ứng dụng thực tiễn

Chi phí sản xuất hạt nano và TiO2 vẫn còn cao, điều này hạn chế khả năng ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp. Cần có các nghiên cứu nhằm tối ưu hóa quy trình sản xuất để giảm chi phí.

III. Phương pháp tổng hợp hạt nano kim loại hỗ trợ zeolit và TiO2

Có nhiều phương pháp tổng hợp hạt nano kim loại hỗ trợ zeolit và TiO2. Các phương pháp này không chỉ ảnh hưởng đến kích thước và hình dạng của hạt nano mà còn đến hiệu suất quang xúc tác của chúng. Việc lựa chọn phương pháp phù hợp là rất quan trọng để đạt được kết quả tối ưu.

3.1. Phương pháp tổng hợp hóa học

Phương pháp tổng hợp hóa học thường sử dụng các phản ứng hóa học để tạo ra hạt nano. Phương pháp này cho phép kiểm soát tốt kích thước và hình dạng của hạt nano, từ đó cải thiện hiệu suất quang xúc tác.

3.2. Phương pháp tổng hợp vật lý

Phương pháp tổng hợp vật lý, như phun plasma, cũng được sử dụng để tạo ra hạt nano. Phương pháp này có ưu điểm là tạo ra hạt nano với độ tinh khiết cao và ít tạp chất.

IV. Ứng dụng thực tiễn của hạt nano trong oxy hóa quang xúc tác

Hạt nano kim loại hỗ trợ zeolit và TiO2 đã được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực, đặc biệt là trong xử lý ô nhiễm không khí và nước. Các nghiên cứu cho thấy rằng hệ thống xúc tác này có khả năng phân hủy hiệu quả các hợp chất hữu cơ độc hại, như toluene, dưới ánh sáng UV.

4.1. Ứng dụng trong xử lý ô nhiễm không khí

Hệ thống xúc tác này có khả năng loại bỏ các hợp chất hữu cơ bay hơi (VOCs) từ không khí, giúp cải thiện chất lượng không khí trong các khu vực đô thị.

4.2. Ứng dụng trong xử lý nước thải

Hạt nano cũng được sử dụng trong xử lý nước thải, giúp phân hủy các chất ô nhiễm hữu cơ và cải thiện chất lượng nước trước khi thải ra môi trường.

V. Kết luận và triển vọng tương lai của nghiên cứu

Nghiên cứu về hạt nano kim loại hỗ trợ zeolit và TiO2 trong tổng hợp và ứng dụng oxy hóa quang xúc tác đang mở ra nhiều triển vọng mới. Các nghiên cứu tiếp theo cần tập trung vào việc tối ưu hóa quy trình tổng hợp và nâng cao hiệu suất xúc tác để đáp ứng nhu cầu thực tiễn.

5.1. Tương lai của nghiên cứu hạt nano

Nghiên cứu hạt nano sẽ tiếp tục phát triển, với nhiều ứng dụng mới trong lĩnh vực môi trường và năng lượng. Việc phát triển các công nghệ mới sẽ giúp nâng cao hiệu quả và giảm chi phí.

5.2. Hướng nghiên cứu tiếp theo

Các nghiên cứu tiếp theo nên tập trung vào việc cải thiện độ ổn định của hạt nano và khả năng tái sử dụng trong các ứng dụng thực tiễn, nhằm tối ưu hóa hiệu suất và giảm thiểu tác động đến môi trường.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Ô nhiễm không khí do các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi (VOCs) đang là thách thức môi trường nghiêm trọng trên toàn cầu với tổng lượng phát thải ước tính vượt 1287 Tg mỗi năm từ các hoạt động công nghiệp và sinh hoạt. Trong các không gian kín và khu đô thị, các dung môi hữu cơ độc hại điển hình như toluene có thời gian tồn lưu trong tầng đối lưu khoảng 2 ngày, gây ảnh hưởng xấu trực tiếp đến hệ hô hấp và thần kinh con người ngay cả ở nồng độ thấp. Các phương pháp truyền thống như đốt nhiệt tiêu tốn nguồn năng lượng khổng lồ ở nhiệt độ từ 760 đến 870 độ C hoặc hấp phụ bằng than hoạt tính chỉ đơn thuần chuyển pha ô nhiễm mà không thể phân hủy triệt để chất thải.

Nhằm giải quyết bài toán cấp bách này, luận văn thạc sĩ chuyên ngành Kỹ thuật Hóa học tại Trường Đại học Bách Khoa – Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh đã tập trung nghiên cứu tổng hợp và ứng dụng vật liệu xúc tác quang hóa tiên tiến trên cơ sở titan dioxit (TiO2). Đề tài hướng tới mục tiêu chế tạo thành công xúc tác nano Au/TiO2 kết hợp Zeolite Y và xúc tác TiO2 biến tính plasma hydro nhằm tăng cường hiệu quả oxy hóa quang xúc tác phân hủy khí toluene. Quá trình thực nghiệm được triển khai toàn diện trong năm 2019 với các thông số đo kiểm nồng độ toluene 314 ppmv ở lưu lượng dòng 50 mL/phút. Kết quả nghiên cứu khẳng định hệ xúc tác cải tiến đạt hiệu suất chuyển hóa toluene lên đến 70%, đồng thời duy trì độ bền hoạt tính vượt trội so với xúc tác TiO2 Degussa P25 thương mại. Công trình mang ý nghĩa khoa học và thực tiễn sâu sắc, cung cấp nền tảng công nghệ xanh với chi phí vận hành tối ưu để xử lý triệt để khí thải VOCs trong điều kiện nhiệt độ phòng.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng lý thuyết quang xúc tác dị thể của chất bán dẫn, kết hợp lý thuyết cộng hưởng plasmon bề mặt cục bộ (LSPR) và cơ chế hấp phụ mao quản của vật liệu rây phân tử.

Về mặt quang hóa học, chất bán dẫn TiO2 có năng lượng vùng cấm khoảng 3.2 eV đối với pha anatase và 3.1 eV đối với pha rutile. Khi nhận năng lượng photon từ tia bức xạ có bước sóng nhỏ hơn 400 nm, các electron (e-) được kích thích nhảy từ dải hóa trị lên dải dẫn, tạo ra các lỗ trống (h+) mang tính oxy hóa cực mạnh. Tuy nhiên, tốc độ tái kết hợp nhanh chóng của cặp e-/h+ là rào cản lớn nhất làm giảm hiệu suất lượng tử. Để khắc phục, lý thuyết bẫy điện tử và hiệu ứng LSPR của hạt nano vàng (Au) được ứng dụng nhằm thu nhận electron quang sinh, kéo dài thời gian sống của hạt tải điện và tập trung mật độ điện trường cục bộ trên bề mặt tiếp xúc.

Đồng thời, lý thuyết sàng lọc phân tử và hấp phụ vi mao quản của Zeolite Y cấu trúc khung faujasite được tích hợp nhằm giải quyết nhược điểm diện tích bề mặt riêng thấp của TiO2 nguyên bản. Khung aluminosilicat mang điện trường nội tại mạnh mẽ của zeolite hỗ trợ phân tán hạt nano xúc tác, đồng thời cô lập toluene và phân tử nước xung quanh tâm phản ứng để sinh ra các gốc tự do hydroxyl (OH•) có hoạt tính phân hủy cực cao.

Phương pháp nghiên cứu

Toàn bộ dữ liệu thực nghiệm được thu thập từ quy trình điều chế và đo kiểm nghiêm ngặt tại các phòng thí nghiệm chuyên sâu thuộc Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh. Cỡ mẫu nghiên cứu gồm 12 hệ mẫu vật liệu đại diện được chuẩn bị và lặp lại 3 lần để đảm bảo tính đại diện thống kê. Phương pháp chọn mẫu tập trung vào việc biến thiên có kiểm soát từng thông số đơn lẻ như tỷ lệ nạp kim loại, tỷ lệ phối trộn zeolite và thời gian xử lý plasma.

Quy trình tổng hợp xúc tác nano Au/TiO2 sử dụng phương pháp sol kim loại với dung dịch HAuCl4 0.0146 M và chất khử NaBH4 nhằm định mức nạp 0.5% khối lượng nano Au lên chất mang TiO2 P25. Quá trình biến tính bề mặt bằng plasma hydro được thực hiện trên hệ thiết bị điện cực vonfram với ống thạch anh đường kính trong 10.6 mm, hoạt động ở điện áp 7 kV trong dòng khí H2/Ar tỷ lệ 10% thể tích với các mốc thời gian xử lý 15, 30 và 60 phút. Zeolite Y được tổng hợp bằng phương pháp thủy nhiệt ở 100 độ C trong 20 giờ từ gel mầm và gel nguyên liệu natri silicat - natri aluminat.

Về phân tích hóa lý, cấu trúc tinh thể được xác định qua giản đồ nhiễu xạ tia X (XRD) trong góc quét 2θ từ 10 đến 60 độ với bước nhảy 0.03 độ. Diện tích bề mặt riêng được đo bằng phương pháp hấp phụ đẳng nhiệt nitơ BET trên thiết bị NOVA 2200e. Hình thái và kích thước hạt được quan sát qua kính hiển vi điện tử quét FE-SEM S-4800 và kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM). Các nhóm chức bề mặt được nhận diện bằng phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FTIR) trong dải sóng từ 400 đến 4000 cm-1, và hàm lượng kim loại được định lượng qua quang phổ phát xạ plasma ICP-OES. Hoạt tính quang xúc tác được đánh giá trên hệ phản ứng dòng liên tục dạng ống hình khuyên trang bị 4 đèn UV bước sóng 352 nm công suất 10W. Nồng độ toluene 314 ppmv trước và sau phản ứng được phân tích tự động bằng sắc ký khí GC-FID HP 5890plus với van nạp định lượng 6 cổng.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Thứ nhất, kết quả phân tích phổ phát xạ ICP khẳng định hàm lượng nano vàng nạp thực tế đạt 0.49% khối lượng, chuẩn xác gần như tuyệt đối so với mục tiêu tính toán lý thuyết ban đầu là 0.5%, chứng minh phương pháp sol kim loại đạt hiệu quả kết tủa và phân tán hạt kim loại rất cao.

Thứ hai, phép đo hấp phụ đẳng nhiệt BET cho thấy diện tích bề mặt riêng của mẫu phối trộn Au/TiO2-ZY đạt 191.5 m2/g, tăng trưởng gần gấp 4 lần so với mức 50.6 m2/g của mẫu TiO2 thương mại nguyên bản. Trong khi đó, mẫu Zeolite Y tổng hợp tinh khiết đạt diện tích bề mặt riêng lên đến 311 m2/g, tạo nền tảng vững chắc cho quá trình hấp phụ chất ô nhiễm.

Thứ ba, hiệu suất oxy hóa quang hóa khí toluene của hệ vật liệu xúc tác Au/TiO2-ZY đạt mức ổn định 70% trong dòng khí liên tục ở nhiệt độ phản ứng 39 độ C, vượt trội hoàn toàn so với mức chuyển hóa dưới 40% của mẫu TiO2 P25 không biến tính khi khảo sát trong cùng điều kiện chiếu xạ.

Thứ tư, phổ hồng ngoại FTIR của các mẫu biến tính plasma hydro ghi nhận dải hấp thụ mạnh tại tần số 3200 đến 3600 cm-1 đặc trưng cho dao động kéo dãn của nhóm hydroxyl (-OH) và dải 1600 cm-1 của liên kết H-OH. Mật độ nhóm -OH đạt tối ưu khi xử lý plasma trong 30 phút, giúp vật liệu duy trì hiệu suất phân hủy toluene cao ngay cả trong điều kiện độ ẩm khí nạp xuống thấp mức 15%.

Thảo luận kết quả

Sự gia tăng vượt bậc về hoạt tính quang xúc tác của vật liệu biến tính được minh chứng rõ ràng thông qua sự tương hỗ giữa cấu trúc hình thái và tính chất truyền điện tử. Khi dữ liệu thực nghiệm được biểu diễn qua đồ thị sắc ký khí theo thời gian lưu dòng, đường cong chuyển hóa nồng độ toluene cho thấy giai đoạn hấp phụ đạt trạng thái bão hòa trước khi bật đèn UV là bước đệm then chốt. Cấu trúc mao quản rỗng đồng đều của Zeolite Y hoạt động như một bẫy gom nồng độ toluene cục bộ xung quanh các hạt nano bán dẫn TiO2. Khi tiếp nhận photon từ nguồn phát UV bước sóng 352 nm, các hạt nano vàng kích thước siêu nhỏ phân tán đồng đều đóng vai trò là bể chứa thu gom điện tử quang sinh, kéo dài thời gian sống của các lỗ trống h+ để phản ứng với nước và oxy tạo gốc tự do oxy hóa mạnh.

Bên cạnh đó, đối với mẫu được xử lý plasma hydro trong thời gian 30 phút ở điện thế 7 kV, sự hiện diện trù phú của các nhóm chức -OH trên bề mặt đã chủ động cung cấp tác nhân tạo gốc hydroxyl tự do mà không phụ thuộc hoàn toàn vào độ ẩm môi trường. Đồ thị so sánh hiệu suất ở hai mức độ ẩm 15% và 60% chỉ ra rằng xúc tác biến tính plasma hầu như không bị suy giảm hoạt tính khi môi trường khô, khắc phục hoàn toàn nhược điểm nghẽn tâm hoạt tính thường gặp ở xúc tác TiO2 truyền thống. Đồng thời, cấu trúc tinh thể bền vững ngăn chặn hiện tượng ngộ độc bề mặt bởi các sản phẩm oxy hóa trung gian như axit benzoic hay benzaldehyde, duy trì độ bền vận hành liên tục cho hệ thống.

Đề xuất và khuyến nghị

Nhằm chuyển giao kết quả nghiên cứu vào thực tế sản xuất và xử lý môi trường, 4 giải pháp trọng tâm được khuyến nghị thực hiện:

Thứ nhất, tối ưu hóa tỷ lệ phối trộn cơ học giữa Zeolite Y và xúc tác Au/TiO2 nhằm nâng hiệu suất chuyển hóa toluene từ 70% lên mục tiêu 85% đến 90%. Nhóm nghiên cứu thuộc các phòng thí nghiệm vật liệu tiên tiến cần chủ trì khảo sát dải tỷ lệ khối lượng từ 20% đến 40% trong lộ trình 6 tháng.

Thứ hai, chuẩn hóa và tự động hóa quy trình biến tính bề mặt bằng plasma hydro công nghiệp. Duy trì thời gian xử lý plasma ổn định từ 25 đến 30 phút ở mức điện áp 7 kV để đảm bảo mật độ nhóm chức -OH đồng đều trên các tấm màng phủ xúc tác diện tích lớn. Nhiệm vụ này do các kỹ sư cơ điện tử và kỹ thuật hóa học triển khai trong vòng 12 tháng.

Thứ ba, thiết kế và chế tạo hệ thống mô hình xử lý khí thải pilot dạng module hình khuyên liên tục với công suất xử lý dòng khí đạt 50 đến 100 m3/h. Doanh nghiệp công nghệ môi trường phối hợp cùng trường đại học triển khai lắp đặt tại các nhà máy sơn gỗ hoặc in bao bì trong thời gian 18 tháng, nhằm đánh giá độ bền xúc tác sau 1000 giờ vận hành liên tục.

Thứ tư, thương mại hóa màng lọc quang xúc tác nano tích hợp trong các thiết bị lọc không khí dân dụng và công nghiệp để khử sạch VOCs ở nồng độ từ 10 đến 100 ppmv. Bộ phận nghiên cứu và phát triển sản phẩm của các doanh nghiệp sản xuất thiết bị gia dụng cần hoàn thiện sản phẩm thương mại trong thời hạn 24 tháng.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Công trình luận văn thạc sĩ này là nguồn tài liệu học thuật và kỹ thuật giá trị cao cho 4 nhóm đối tượng chính:

Nhóm 1: Các nhà nghiên cứu và giảng viên chuyên ngành Hóa lý, Kỹ thuật Hóa học và Khoa học Vật liệu. Tài liệu cung cấp cơ sở dữ liệu chuyên sâu về quy trình tổng hợp sol kim loại nano vàng, cơ chế kích thích plasmon bề mặt và công nghệ biến tính plasma nguội để phát triển các đề tài vật liệu xúc tác mới.

Nhóm 2: Kỹ sư công nghệ môi trường và chuyên viên vận hành hệ thống xử lý khí thải công nghiệp. Luận văn cung cấp số liệu thực tế về động học phân hủy dòng khí toluene 314 ppmv và các thông số thiết kế buồng phản ứng quang hóa hình khuyên, phục vụ trực tiếp công tác thiết kế tháp xử lý VOCs.

Nhóm 3: Các doanh nghiệp sản xuất thiết bị lọc không khí và vật liệu xây dựng thông minh. Dữ liệu thực nghiệm về khả năng hoạt động ổn định ở độ ẩm thấp 15% là cơ sở kỹ thuật tin cậy để phát triển các màng phủ tự làm sạch và module khử mùi độc hại trong nhà.

Nhóm 4: Học viên cao học và sinh viên ngành Kỹ thuật Hóa học. Luận văn là hình mẫu chuẩn mực về phương pháp nghiên cứu thực nghiệm, kết hợp nhuần nhuyễn các kỹ thuật phân tích hiện đại gồm XRD, BET, SEM, TEM, FTIR và GC-FID.

Câu hỏi thường gặp

Hạt nano vàng đóng vai trò gì trong việc gia tăng hoạt tính quang xúc tác của TiO2? Hạt nano Au với tỷ lệ nạp 0.49% khối lượng đóng vai trò là tâm bẫy điện tử nhờ hiệu ứng cộng hưởng plasmon bề mặt. Hạt nano thu gom các electron quang sinh, ngăn ngừa sự tái kết hợp với lỗ trống h+, giúp kéo dài thời gian sống của các phần tử mang điện để tạo gốc hydroxyl tự do phân hủy toluene.

Vì sao việc bổ sung Zeolite Y lại cải thiện rõ rệt hiệu suất xử lý khí toluene? Zeolite Y sở hữu diện tích bề mặt riêng đạt 311 m2/g cùng mạng lưới mao quản kích thước nano đồng nhất. Khi phối trộn, diện tích bề mặt xúc tác tăng lên 191.5 m2/g, giúp giữ và làm giàu nồng độ toluene 314 ppmv quanh các tâm quang xúc tác TiO2, đẩy nhanh tốc độ phản ứng oxy hóa.

Biến tính bằng plasma hydro mang lại ưu thế gì so với xúc tác TiO2 thông thường? Xử lý plasma hydro ở điện thế 7 kV trong 30 phút tạo ra mật độ nhóm chức -OH dồi dào trên bề mặt, thể hiện qua dải phổ FTIR từ 3200 đến 3600 cm-1. Các nhóm này chủ động tạo gốc oxy hóa, giúp xúc tác duy trì hiệu suất cao ngay cả khi độ ẩm môi trường giảm xuống 15%.

Hệ phản ứng quang hóa trong nghiên cứu sử dụng nguồn chiếu xạ nào? Hệ thống sử dụng cụm 4 bóng đèn UV Sankyo Denki phát bức xạ UV-A bước sóng cực đại 352 nm với công suất 10W mỗi bóng. Nguồn sáng được bố trí đối xứng cách buồng phản ứng hình khuyên 2.5 cm nhằm cung cấp năng lượng photon đồng đều kích hoạt lớp màng xúc tác.

Khả năng ứng dụng thực tế của công nghệ quang xúc tác này như thế nào? Hệ xúc tác có thể chuyển hóa trực tiếp 70% khí toluene thành CO2 và H2O vô hại ở nhiệt độ phòng 39 độ C mà không tạo chất thải thứ cấp. Công nghệ rất thích hợp ứng dụng xử lý khí thải ngành sơn, in ấn bao bì và tích hợp vào các thiết bị lọc khí dân dụng.

Kết luận

• Luận văn đã tổng hợp thành công hệ xúc tác quang hóa nano Au/TiO2 phối trộn Zeolite Y với hàm lượng vàng nạp đạt 0.49% và diện tích bề mặt riêng đạt 191.5 m2/g.
• Làm chủ quy trình biến tính bề mặt TiO2 bằng công nghệ plasma hydro ở điện áp 7 kV trong thời gian 30 phút, bổ sung dồi dào nhóm chức -OH giúp xúc tác hoạt động bền bỉ ở độ ẩm 15%.
• Đạt hiệu suất phân hủy quang hóa toluene ấn tượng 70% ở nồng độ dòng vào 314 ppmv dưới nguồn bức xạ UV-A bước sóng 352 nm trên hệ phản ứng liên tục.
• Xác lập cơ chế tác động kép giữa bẫy hấp phụ phân tử của Zeolite Y, hiệu ứng bẫy điện tử plasmon của nano Au và khả năng tạo gốc tự do oxy hóa mạnh mẽ.
• Lộ trình tiếp theo cần tập trung chế tạo hệ module pilot quy mô 50 m3/h trong 12 đến 18 tháng tới. Các đơn vị sản xuất và cơ quan quản lý môi trường hãy chủ động liên hệ hợp tác cùng nhóm nghiên cứu tại Trường Đại học Bách Khoa – ĐHQG-HCM để triển khai ứng dụng giải pháp công nghệ xanh này vào thực tiễn.

Trích đoạn nội dung tài liệu

VIETNAM NATIONAL UNIVERSITY - HO CHI MINH CITY HO CHI MINH CITY UNIVERSITY OF TECHNOLOGY --------o0o-------- LE NGUYEN QUANG TU METALLIC NANOPARTICLES SUPPORTED ON ZEOLITE- ADDED TiO2 AND PLASMA-MODIFIED TiO2: SYNTHESIS AND PHOTOCATALYTIC OXIDATION APPLICATIONS Major: Chemical Engineering No.: 8520301 MASTER THESIS HO CHI MINH CITY, 30 October 2019 CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA –ĐHQG -HCM Cán bộ hướng dẫn khoa học : PGS. Nguyễn Quang Long TS. Cù Thành Sơn Cán bộ chấm nhận xét 1 : PGS. Hồ Thị Thanh Vân Cán bộ chấm nhận xét 2 : PGS.

Nguyễn Thị Phương Phong Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp. HCM ngày 25 tháng 10 năm 2019. Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: 1. Phan Thanh Sơn Nam 2.

Hồ Thị Thanh Vân 3. Nguyễn Thị Phương Phong 4. Trần Thụy Tuyết Mai 5. Đặng Bảo Trung Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có).

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT HOÁ HỌC I ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc lập - Tự do - Hạnh phúc NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên:. Ngày, tháng, năm sinh:. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : IV.

NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: V. CÁN BỘ HƯỚNG DẪN. HCM, ngày … tháng … năm 20… CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO (Họ tên và chữ ký) (Họ tên và chữ ký) TRƯỞNG KHOA …………… (Họ tên và chữ ký) II ACKNOWLEDGEMENT I would like to send my deepest gratitude to Associate Professor-Dr. Nguyen Quang Long and Dr.

Cu Thanh Son, who had spent a lot of time, their great effort and dedication to communicate their valuable knowledge and experience in the process of completing this thesis. Without their guidance and persistence help, this theisis would not have been possible. I would like to express my appreciation to the teachers of Department of Physico- Chemical Engineering - Faculty of Chemical Engineering of Ho Chi Minh University of Technology, who have communicated valuable knowledge to me while studying at the university. This is a very important foundation for me to complete my thesis.

I would like to thank the review committee, for spending time reading and giving valuable comments on my thesis. Finally, I would like to send my sincere thanks to my family and friends, who have encouraged and helped me through the years at Ho Chi Minh University of Technology. Ho Chi Minh City, Oct 2019 III ABSTRACT This thesis studied the preparation of nanoparticles Au/TiO2-ZY and plasma- treated Au/TiO2 as catalysts for photocatalytic reaction which is a treatment of air pollutants VOCs. The physicochemical properties of catalyst had been characterzied by various methods, including XRD, SEM, TEM, FTIR, ICP, BET surface area.

Within the thesis, toluene vapor was used as a typical VOC to evaluate the photo- catalytic activity under UV light. The toluene concentrations before and after the reaction were analyzed by gas chromatography (GC). The effects of moisture concentration abd reaction temperature were investigated. In each reaction, only one parameter was changed, while the other parameters were fixed.

The catalytic performance of zeolite-added TiO2 was enhanced due to the support of high surface area in zeolite and the surface plasmon resonance of Au nanoparticles. The photo-catalytic oxidation process was stable throughout the whole experiment and was able to degrade 70% of toluene in the gas mixture. The presence of –OH functional group in plasma-treated samples enhance the toluene removal efficiency under low humid condition. Furthermore, water content in gas mixture are less likely to effect the catalytic activity compared to non-treated TiO2.

IV TÓM TẮT Luận văn này nghiên cứu quá trình tổng hợp nano Au/TiO2-ZY và Au/TiO2 biến tính plasma làm chất xúc tác cho phản ứng quang hoát xử lý các chất gây ô nhiễm không khí VOCs. Các tính chất hóa lý của chất xúc tác đã được xác định bằng nhiều phương pháp khác nhau, bao gồm XRD, SEM, TEM, FTIR, ICP, diện tích bề mặt BET. Trong luận án, hơi toluene được sử dụng làm nguồn VOC điển hình để đánh giá hoạt động xúc tác quang dưới ánh sáng tia cực tím. Nồng độ toluene trước và sau phản ứng được phân tích bằng sắc ký khí (GC).

Ảnh hưởng của nồng độ ẩm, nhiệt độ phản ứng đã được nghiên cứu. Trong mỗi phản ứng, chỉ có một tham số thay đổi, trong khi các tham số khác được cố định. Đối với Au/TiO2-ZY, hiệu suất xúc tác được tăng cường nhờ sự hỗ trợ của diện tích bề mặt cao trong zeolite và cộng hưởng plasmon bề mặt của hạt nano Au. Quá trình oxy hóa xúc tác quang hóa ổn định trong toàn bộ thí nghiệm và có thể làm giảm 70% lượng toluene trong hỗn hợp khí.

Đối với Au/TiO2 biến tính plasma, sự hiện diện của nhóm chức -OH tăng cường hiệu quả loại bỏ toluene trong điều kiện độ ẩm thấp. Hơn nữa, hàm lượng nước trong hỗn hợp khí ít có khả năng ảnh hưởng đến hoạt động xúc tác so với TiO2 không được xử lý. V LỜI CAM ĐOAN CỦA TÁC GIẢ LUẬN VĂN Tôi xin cam đoan những kết quả được trình bày trong Luận văn Thạc sĩ này là do chính tôi thực hiện từ kiên thức của chính mình. Tôi không nộp luận văn này cho bất kỳ Trường, Viện nào để được cấp bằng.

ACKNOWLEDGMENT OF AUTHORIZATION The results presented in this Master Thesis were made by myself from my own knowledge. I do not submit this thesis to any School or Institute to obtain a degree. Ho Chi Minh City, 01 October 2019 Author Le Nguyen Quang Tu VI CONTENT Page NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ. IV ACKNOWLEDGMENT OF AUTHORIZATION.

VI LIST OF FIGURES. X LIST OF TABLES. XI LIST OF ABBRIVIATIONS. XII CHAPTER 1: OVERVIEW.

Volatile organic compounds. Treatment of VOCs in the gas phase. Biological filtration method. Photocatalytic oxidation of volatile organic compounds (VOCs).

Noble metal doping. AuNPs optical characteristic. Plasma surface modification. Method of analyzing.

Chemicals and equipment. Preparation of catalyst. Characterization of catalyst. Investigation of the effects of reaction’s conditions.

33 CHAPTER 3: RESULT AND DISCUSSION. Characterization of catalysts. X-ray diffraction pattern of catalysts. BET specific area - ICP analysis.

FTIR analysis of plasma treated catalysts. Scanning electron microscopy (SEM) and Transmission electron microscopy (TEM). Catalytic performance of modified TiO2. The effect of UV light on the degradation of toluene.

The effect of gold nanoparticles on the photo-catalytic performance of TiO2. The catalytic performance of hydro-plasma-treated TiO2. The adsorption efficiency of plasma treated TiO2 samples. The effect of plasma treating time on the photo-catalytic activity of plasma-treated TiO2.

The effect of relative humidity on the photo-catalytic activity of plasma-treated TiO2. The effect of reactor temperature on the catalytic activity. The catalytic performance of zeolite-added TiO2. The adsorption efficiency of zeolite-added TiO2 samples.

The effect of zeolite ratio on the photo-catalytic activity of Au/TiO2 samples. The effect of relative humidity on the photo-catalytic activity of zeolite- added TiO2 sample. The effect of temperature on the catalytic activity of Au/TiO2-ZY. Summary on the photo-catalytic activity of zeolite-added TiO2 samples.

53 CHAPTER 4: CONCLUSION AND SUGGESTIONs. 56 IX LIST OF FIGURES Page Figure 1. Flow chart of bio-filtration system. Schematic diagram of equipment used for condensing VOCs.

Structure of activated carbon. The diagram illustrates the photocatalytic mechanism of TiO2. Lattice structure of Rutile. Lattice structure of Anatase.

Photo-catalyst investigation route. Au face-centered cubic lattice structure. Illustration of the excitation of localized surface plasmon resonance. Spatial structure of zeolite Y (a) and frame structure of zeolite (b).

The angle of incidence and angle of reflection in XRD method. Diagram of principle XRD analysis equipment. Gas chromatography system. Hydrogen plasma system.

The process of preparing Au/TiO2. The process of synthesis zeolite Y. The reaction system. XRD pattern of TiO2, Au/TiO2, TiO2-X and zeolite Y.

FTIR spectrum of plasma treated TiO2 samples. FTIR spectrum of plasma treated Au/TiO2 samples. The SEM images of Au/TiO2 samples. The TEM images of Au/TiO2.

Au nanoparticles size distribution in Au/TiO2 samples. Energy distribution spectrum of Sankyo Denki F10T8BLB (10W). The effect of UV light on toluene removal. The effect of gold nanoparticles on the photo-catalytic activity of TiO2.

a) Diagram illustrating the light absorption length/minority carrier diffusion length mismatch in TiO2. b) Diagram illustrating the local field enhancement of gold nanoparticles. An alternative route of photo-electron under the presence of AuNPs [13]. Toluene removal by adsorption of TiO2, plasma TiO2 and p-Au/TiO2.

The toluene removal efficiency of TiO2-X samples with different plasma durations. The toluene removal efficiency of H-Au/TiO2 samples with different plasma durations. The effect of humidity on the toluene removal efficiency of TiO2, Au/TiO2 p-TiO2 and p-Au/TiO2. The effect of temperature on the toluene removal efficiency of TiO2 and Au/TiO2-ZY: 39oC (line) and 50oC (dash).

Toluene removal by adsorption of TiO2, Au/TiO2 and Au/TiO2-ZY. The effect of Au/TiO2:zeolite ratio on the toluene removal efficiency. The effect of humidity on the toluene removal efficiency of TiO2 and Au/TiO2-ZY: 60% (blue) and 15% (red). The effect of temperature on the toluene removal efficiency.

52 LIST OF TABLES Page Table 1. Overview of important sources and global annual emission rates of selected groups of VOC per year (2007). Overview of average tropospheric lifetimes of VOC compound groups and some selected VOCs as examples. Specific mass and energy of the restricted area of TiO2.

Some methods of modified metal and application. Some methods of preparing hydrogenated TiO2. List of chemicals. 35 XI LIST OF ABBRIVIATIONS VOCs Volatile organic compounds p-TiO2 Plasma treated TiO2 TEM Transmission electron microscopy SEM Scanning electron microcospy Ctol Concentration of toluene, ppmv CO2 Concentration of oxy, v% F Feed stream, mL/min T Temperature, oC mcat Catalyst’s weight, g RH Relative humidity, % NPs Nanoparticles PCO Photo-catalytic oxidation XII CHAPTER 1: OVERVIEW 1.

Introduction With the rapid development of society, people are living with life that is more comfortable. However, along with the positive aspects, the process of industrialization - modernization has many negative effects. Environmental pollution has become a global problem, especially air and water pollution. Vietnam is a developing country with a breakthrough in industry.

The emergence of many industrial parks, factories is promoting the strong economic development of the country. However, they were built near urban areas and not all factories are equipped with efficient waste treatment systems, especially gas and wastewater, before releasing into the environment. Thus, the industrial activity is one of the major causes of air pollution. The development of the industry, especially the chemical industry, also contributes great values to human life.

Household products provide comfort and convenience to users. Nevertheless, most products of this industry are using chemical solvents and these substances are the source of indoor pollution and one of which is volatile organic compounds (or VOCs). They appear in detergents, paints, etc. in small quantities.

However, the accumulation of VOCs over time can harmfully affect human health, especially sensitive people such as children and the elderly. Therefore, it is necessary to eliminate this source of indoor pollution. Volatile organic compounds Volatile organic compounds (VOCs) do not have a common definition. It is used to refer to all organic compounds that exist in the atmosphere.