Luận văn thạc sĩ về phản ứng quang oxy hóa axit cinnamic trên xúc tác TiO2

• Tác giả: Nguyễn Phụng Anh
• Người hướng dẫn: TS. Hà Cẩm Anh
• Trường học: Đại học Bách Khoa
• Chuyên ngành: Kỹ thuật Hóa dầu
• Đề tài: Nghiên cứu phản ứng quang oxy hóa axit cinnamic trên xúc tác TiO2 với các tác nhân oxy hóa
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2017
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

• LỜI CÁM ƠN
• LỜI CAM ĐOAN
• 1. CHƯƠNG 1: LỜI MỞ ĐẦU
• 2. CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN
• 2.1. Quá trình oxy hóa nâng cao
• 2.2. Các quá trình tạo ra gốc tự do OH*
• 2.3. Phân loại các quá trình oxy hóa nâng cao
• 2.4. Quá trình oxy hóa bằng gốc tự do OH*
• 2.5. Quá trình quang xúc tác bán dẫn
• 2.6. Cơ chế quá trình quang xúc tác
• 2.7. Cấu trúc TiO2
• 2.8. Cơ chế xúc tác quang của TiO2
• 2.9. Xúc tác quang TiO2 biến tính
• 2.10. Các phương pháp điều chế xúc tác
• 2.11. Các yếu tố ảnh hưởng đến phản ứng quang oxy hóa trong pha lỏng
• 2.11.1. pH của dung dịch phản ứng
• 2.11.2. Nhiệt độ phản ứng
• 2.11.3. Tác nhân hydro peroxide (H2O2)
• 2.11.4. Bước sóng ánh sáng, cường độ ánh sáng
• 2.11.5. Tỷ lệ thành phần pha Anatase/Rutile
• 2.11.6. Kích thước hạt xúc tác
• 2.12. Các nghiên cứu về xúc tác quang TiO2 và TiO2 biến tính
• 2.13. Tình hình nghiên cứu trong nước
• 2.14. Tình hình nghiên cứu ngoài nước
• 3. CHƯƠNG 3: PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM
• 3.1. Hóa chất, thiết bị và dụng cụ thí nghiệm
• 3.2. Dụng cụ thí nghiệm
• 3.3. Quy trình điều chế xúc tác
• 3.3.1. Điều chế xúc tác TiO2 bằng phương pháp sol-gel
• 3.3.2. Điều chế xúc tác TiO2 biến tính Fe bằng phương pháp sol-gel
• 3.4. Phương pháp đánh giá các đặc trưng lý - hóa của xúc tác
• 3.4.1. Xác định thành phần pha bằng phương pháp nhiễu xạ tia X
• 3.4.2. Xác định diện tích bề mặt riêng bằng phương pháp hấp phụ BET
• 3.4.3. Xác định khả năng hấp thụ photon (UV-Vis) của xúc tác
• 3.4.4. Hình thái bề mặt xúc tác (SEM, TEM)
• 3.4.5. Xác định phổ Raman
• 3.4.6. Xác định phổ IR
• 3.5. Khảo sát hoạt tính của các xúc tác trong phản ứng quang phân hủy
• 3.5.1. Hệ thống phản ứng
• 3.5.2. Chuẩn bị phản ứng
• 3.5.3. Khảo sát phản ứng quang oxy hóa xúc tác với tác nhân O2
• 3.5.4. Khảo sát phản ứng quang oxy hóa xúc tác với tác nhân O3
• 3.5.5. Khảo sát phản ứng quang oxy hóa xúc tác với tác nhân H2O2
• 3.6. Phương pháp phân tích cinnamic acid trong nước
• 3.6.1. Xây dựng đường chuẩn
• 3.6.2. Phân tích cinnamic acid trong nước
• 4. CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN
• 4.1. Các đặc trưng lý hóa của xúc tác
• 4.1.1. Phổ nhiễu xạ tia X
• 4.1.2. Hình thái bề mặt xúc tác
• 4.1.2.1. Ảnh SEM của các xúc tác
• 4.1.2.2. Ảnh TEM của các xúc tác
• 4.1.3. Phổ UV-Vis
• 4.2. Hoạt tính của xúc tác quang TiO2 trong phản ứng quang phân hủy cinnamic acid
• 5. CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• PHỤ LỤC

I. Giới thiệu về phản ứng quang oxy hóa

Phản ứng quang oxy hóa là một quá trình quan trọng trong lĩnh vực xử lý môi trường, đặc biệt là trong việc phân hủy các hợp chất hữu cơ khó phân hủy. Axit cinnamic, một hợp chất thuộc họ acid phenolic, thường xuất hiện trong nước thải từ các nhà máy chế biến thực phẩm và dầu thực vật. Việc sử dụng xúc tác TiO2 trong quá trình này đã cho thấy hiệu quả cao nhờ vào khả năng hấp thụ ánh sáng và hoạt tính quang hóa của nó. Nghiên cứu này tập trung vào việc tối ưu hóa các điều kiện phản ứng để nâng cao hiệu quả phân hủy axit cinnamic bằng cách sử dụng các tác nhân oxy hóa khác nhau như O2, O3 và H2O2. Mục tiêu là làm sáng tỏ mối quan hệ giữa các đặc trưng lý hóa của xúc tác và hiệu quả quang phân hủy.

II. Đặc trưng của xúc tác TiO2 và biến tính Fe

Xúc tác TiO2 được điều chế bằng phương pháp sol-gel, cho phép kiểm soát kích thước hạt và cấu trúc tinh thể. Việc biến tính bằng Fe đã làm giảm kích thước hạt và tăng diện tích bề mặt riêng, từ đó nâng cao hoạt tính quang hóa. Các phương pháp phân tích như XRD, SEM, và UV-Vis đã được sử dụng để xác định các đặc trưng lý hóa của xúc tác. Kết quả cho thấy, xúc tác TiO2 biến tính Fe có năng lượng vùng cấm thấp hơn, cho phép hấp thụ ánh sáng trong vùng khả kiến, mở rộng khả năng ứng dụng trong xử lý nước thải. Điều này chứng tỏ rằng việc biến tính xúc tác là một phương pháp hiệu quả để cải thiện hoạt tính quang hóa của TiO2.

III. Tối ưu hóa điều kiện phản ứng quang phân hủy axit cinnamic

Nghiên cứu đã tiến hành khảo sát các điều kiện phản ứng như hàm lượng xúc tác, nồng độ tác nhân oxy hóa, pH ban đầu và nhiệt độ. Kết quả cho thấy, độ chuyển hóa axit cinnamic đạt trên 90% sau 90 phút phản ứng với các tác nhân oxy hóa khác nhau. Sự hiện diện của O3 và H2O2 đã làm tăng đáng kể số lượng gốc tự do OH*, từ đó nâng cao hiệu quả phân hủy. Việc tối ưu hóa các điều kiện này không chỉ giúp nâng cao hiệu quả xử lý mà còn giảm thiểu lượng xúc tác cần thiết, góp phần vào việc phát triển các phương pháp xử lý nước thải hiệu quả và bền vững.

IV. Ứng dụng thực tiễn và giá trị của nghiên cứu

Nghiên cứu này không chỉ cung cấp cái nhìn sâu sắc về cơ chế hoạt động của xúc tác TiO2 trong phản ứng quang oxy hóa mà còn mở ra hướng đi mới cho việc xử lý các hợp chất hữu cơ khó phân hủy trong nước thải. Việc sử dụng xúc tác quang trong xử lý môi trường có thể giúp giảm thiểu ô nhiễm và bảo vệ nguồn nước. Hơn nữa, nghiên cứu này có thể được áp dụng trong các lĩnh vực công nghiệp khác nhau, từ chế biến thực phẩm đến xử lý nước thải đô thị, góp phần vào việc phát triển công nghệ xanh và bền vững.