Luận văn thạc sĩ: Hiệu ứng quang xúc tác của vật liệu TiO2 chế tạo bằng phương pháp điện hóa ứng dụng xử lý xanh methylene trong môi trường nước

• Tác giả: Nguyễn Thị Hà
• Người hướng dẫn: TS. Đặng Văn Thành
• Trường học: Đại học Thái Nguyên - Trường Đại học Khoa học
• Chuyên ngành: Quang học
• Đề tài: Nghiên cứu hiệu ứng quang xúc tác của vật liệu TiO2 chế tạo bằng phương pháp điện hóa ứng dụng xử lý xanh methylene trong môi trường nước
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2018
• Địa điểm: Thái Nguyên

• LỜI CẢM ƠN
• LỜI CAM ĐOAN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ THUỐC NHUỘM VÀ VẬT LIỆU NANO TiO2
• 1.1. Sơ lược về thuốc nhuộm
• 1.2. Phân loại thuốc nhuộm
• 1.3. Thuốc nhuộm xanh methylene
• 1.4. Ứng dụng của xanh methylene
• 1.4.1. Sử dụng trong công nghiệp
• 1.4.2. Sử dụng trong y học
• 1.4.3. Sử dụng trong điều trị bệnh thủy đậu ở trẻ nhỏ
• 1.5. Tác hại của xanh methylene
• 1.6. Thuốc nhuộm và thuốc nhuộm xanh methylene trong nước thải công nghiệp
• 1.7. Các phương pháp xử lý xanh methylene
• 1.7.1. Phương pháp oxi hóa dùng Ozone
• 1.7.2. Phương pháp hấp phụ
• 1.7.3. Phương pháp keo tụ
• 1.7.4. Phương pháp sinh học
• 1.7.5. Phương pháp quang xúc tác
• 1.8. Vật liệu TiO2
• 1.8.1. Cấu trúc mạng tinh thể của TiO2
• 1.8.2. Các tính chất của vật liệu TiO2
• 1.8.2.1. Tính chất vật lý của vật liệu TiO2
• 1.8.2.2. Tính chất hóa học của vật liệu TiO2
• 1.8.2.3. Tính chất quang của vật liệu TiO2
• 1.8.2.4. Tính chất quang xúc tác của vật liệu TiO2
• 1.8.3. Các phương pháp chế tạo vật liệu nano TiO2
• 1.8.3.1. Phương pháp sol-gel
• 1.8.3.2. Phương pháp thuỷ nhiệt
• 1.8.3.3. Phương pháp điện hóa
• 1.9. Tình hình nghiên cứu thuộc lĩnh vực của đề tài
• 2. CHƯƠNG 2: CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ THỰC NGHIỆM
• 2.1. Quy trình chế tạo mẫu
• 2.2. Các dụng cụ và hóa chất sử dụng
• 2.2.1. Dụng cụ thí nghiệm
• 2.3. Chế tạo vật liệu TiO2 bằng phương pháp điện hóa
• 2.4. Các phương pháp khảo sát cấu trúc và tính chất vật liệu
• 2.4.1. Phương pháp nhiễu xạ tia X
• 2.4.2. Phương pháp phổ tán xạ Raman
• 2.4.3. Phương pháp chụp hiển vi điện tử quét (SEM)
• 2.4.4. Phương pháp hiển vi điện tử truyền qua (TEM)
• 2.4.5. Phương pháp phổ hấp thụ UV-Vis
• 2.5. Lập đường chuẩn xác định nồng độ
• 2.6. Xác định điểm đẳng điện của vật liệu TiO2
• 2.7. Quy trình xử lý xanh methylene
• 2.7.1. Cấu tạo mô hình thí nghiệm
• 2.7.2. Quy trình xử lý xanh methylen bằng vật liệu xúc tác TiO2
• 2.8. Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng tới hiệu quả xử lý xanh methylene
• 2.8.1. Khảo sát ảnh hưởng của pH
• 2.8.2. Khảo sát ảnh hưởng của khối lượng vật liệu xúc tác
• 2.8.3. Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ ban đầu
• 2.9. So sánh khả năng quang xúc tác của vật liệu TiO2 với P25
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 3.1. Ảnh hưởng của điện thế phân cực tới quá trình anot hóa Ti
• 3.2. Ảnh hưởng của nhiệt độ ủ tới cấu trúc tinh thể
• 3.3. Phổ Raman của vật liệu TiO2
• 3.4. Ảnh hưởng của nhiệt độ lên hình thái học bề mặt của TiO2
• 3.5. Đánh giá khả năng quang xúc tác của vật liệu T45
• 3.5.1. Phổ hấp thụ của vật liệu TiO2
• 3.5.2. Đường chuẩn xác định nồng độ
• 3.5.3. Điểm đẳng điện của T45
• 3.5.4. Kết quả khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng quang xúc tác MB của vật liệu T45
• 3.5.4.1. Khảo sát ảnh hưởng của pH
• 3.5.4.2. Khảo sát ảnh hưởng của khối lượng vật liệu xúc tác
• 3.5.4.3. Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ đầu
• 3.6. Đánh giá khả năng quang xúc tác của vật liệu TiO2
• 3.6.1. So sánh với vật liệu P25
• KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ
• CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

I. Nghiên cứu hiệu ứng quang xúc tác của TiO2

Nghiên cứu hiệu ứng quang xúc tác của TiO2 được thực hiện nhằm khám phá khả năng phân hủy các chất hữu cơ trong nước, đặc biệt là xanh methylene. TiO2 là một chất bán dẫn có tính chất quang xúc tác mạnh, được ứng dụng rộng rãi trong xử lý môi trường. Phương pháp chế tạo điện hóa được sử dụng để tạo ra TiO2 với cấu trúc nano, giúp tăng hiệu quả quang xúc tác. Xử lý nước bằng quang xúc tác là một phương pháp tiên tiến, thân thiện với môi trường, đặc biệt khi xử lý các chất khó phân hủy như xanh methylene.

1.1. Phương pháp chế tạo điện hóa TiO2

Phương pháp chế tạo điện hóa được lựa chọn để tổng hợp TiO2 do tính đơn giản và hiệu quả cao. Quá trình này sử dụng điện cực titan trong dung dịch điện ly, tạo ra các hạt TiO2 có kích thước nano. Chế tạo điện hóa cho phép kiểm soát chính xác cấu trúc và hình thái của vật liệu, đảm bảo tính chất quang xúc tác tối ưu. Phương pháp này cũng giúp giảm chi phí và thời gian sản xuất so với các phương pháp truyền thống như sol-gel hoặc thủy nhiệt.

1.2. Hiệu ứng quang xúc tác của TiO2

Hiệu ứng quang xúc tác của TiO2 được nghiên cứu thông qua khả năng phân hủy xanh methylene dưới ánh sáng UV. Khi TiO2 được chiếu sáng, các electron được kích thích từ vùng hóa trị lên vùng dẫn, tạo ra các gốc tự do có khả năng oxy hóa chất hữu cơ. Quang xúc tác là quá trình hiệu quả để xử lý xanh methylene, giúp giảm thiểu ô nhiễm nước. Kết quả nghiên cứu cho thấy TiO2 chế tạo bằng phương pháp điện hóa có hiệu suất phân hủy cao hơn so với các vật liệu thương mại.

II. Ứng dụng của TiO2 trong xử lý xanh methylene

TiO2 được ứng dụng rộng rãi trong xử lý xanh methylene nhờ tính chất quang xúc tác mạnh mẽ. Xanh methylene là một chất nhuộm phổ biến trong công nghiệp và y học, nhưng cũng là chất gây ô nhiễm nước nghiêm trọng. Xử lý nước bằng quang xúc tác sử dụng TiO2 giúp phân hủy xanh methylene thành các sản phẩm an toàn hơn. Phương pháp này không chỉ hiệu quả mà còn thân thiện với môi trường, không tạo ra chất thải độc hại.

2.1. Cơ chế phân hủy xanh methylene

Cơ chế phân hủy xanh methylene bằng quang xúc tác của TiO2 dựa trên sự tạo thành các gốc hydroxyl (OH•) và superoxide (O2•-) khi TiO2 được chiếu sáng. Các gốc này có khả năng oxy hóa mạnh, phá vỡ cấu trúc phân tử của xanh methylene thành các hợp chất đơn giản hơn như CO2 và H2O. Quá trình này được đánh giá thông qua sự giảm nồng độ xanh methylene trong dung dịch, đo bằng phổ UV-Vis. Kết quả cho thấy hiệu suất phân hủy đạt trên 90% trong điều kiện tối ưu.

2.2. So sánh hiệu quả với các phương pháp khác

So với các phương pháp xử lý nước truyền thống như hấp phụ, keo tụ, hoặc oxy hóa bằng ozone, quang xúc tác sử dụng TiO2 có nhiều ưu điểm vượt trội. Phương pháp này không yêu cầu hóa chất độc hại, không tạo ra bùn thải, và có thể tái sử dụng vật liệu xúc tác. Xử lý xanh methylene bằng quang xúc tác cũng đạt hiệu suất cao hơn và thời gian xử lý ngắn hơn. Điều này làm cho quang xúc tác trở thành một giải pháp bền vững và hiệu quả cho xử lý môi trường.

III. Kết quả và thảo luận

Kết quả nghiên cứu cho thấy TiO2 chế tạo bằng phương pháp chế tạo điện hóa có hiệu suất quang xúc tác cao trong xử lý xanh methylene. Các yếu tố như pH, khối lượng vật liệu, và nồng độ ban đầu của xanh methylene đều ảnh hưởng đến hiệu quả phân hủy. TiO2 chế tạo bằng phương pháp điện hóa có cấu trúc tinh thể anatase, giúp tăng cường tính chất quang xúc tác. So sánh với vật liệu thương mại P25, TiO2 điện hóa cho hiệu suất tương đương hoặc cao hơn trong một số điều kiện thí nghiệm.

3.1. Ảnh hưởng của pH đến hiệu quả xử lý

pH là yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến hiệu quả quang xúc tác của TiO2. Kết quả nghiên cứu cho thấy hiệu suất phân hủy xanh methylene đạt cao nhất ở pH trung tính (pH = 7). Ở môi trường axit hoặc kiềm, hiệu suất giảm do sự thay đổi điện tích bề mặt của TiO2, ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ và phân hủy xanh methylene. Điều này cho thấy cần kiểm soát pH trong quá trình xử lý nước để đạt hiệu quả tối ưu.

3.2. Ảnh hưởng của khối lượng vật liệu xúc tác

Khối lượng TiO2 sử dụng cũng ảnh hưởng đáng kể đến hiệu quả quang xúc tác. Khi tăng khối lượng TiO2, hiệu suất phân hủy xanh methylene tăng do số lượng tâm xúc tác tăng lên. Tuy nhiên, khi khối lượng vượt quá một ngưỡng nhất định, hiệu suất không tăng thêm do sự che khuất ánh sáng và giảm diện tích bề mặt tiếp xúc. Kết quả nghiên cứu chỉ ra rằng khối lượng tối ưu của TiO2 là 1 g/L cho hiệu suất phân hủy cao nhất.