Nghiên cứu vật liệu nanocomposit từ TiO2 cho xử lý ô nhiễm không khí

LỜI CAM ĐOAN

LỜI CẢM ƠN

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC TỪ VIẾT TẮT

DANH MỤC BẢNG

DANH MỤC HÌNH

1. MỞ ĐẦU

1.1. Một số tác nhân ô nhiễm trong không khí và phương pháp xử lý

1.1.1. Hiện trạng ô nhiễm môi trường không khí

1.1.2. Toluen và một số vi sinh vật gây ô nhiễm không khí

1.1.3. Phương pháp xử lý ô nhiễm không khí

1.2. Vật liệu nano TiO2

1.2.1. Cấu trúc của TiO2

1.2.2. Cơ chế xử lý chất ô nhiễm bằng xúc tác quang TiO2

1.2.3. Các tham số ảnh hưởng đến động học phản ứng quang xúc tác

1.2.4. Phương pháp chế tạo vật liệu quang xúc tác TiO2

1.2.5. Những ưu điểm và hạn chế của nano TiO2

1.3. Nano TiO2 pha tạp

1.4. Vật liệu nano TiO2 phủ trên sợi nhôm oxit

1.4.1. Vai trò và tính chất của sợi nhôm oxit trong vật liệu

1.4.2. Phương pháp chế tạo vật liệu TiO2/Al2O3

1.4.3. Ứng dụng vật liệu nano TiO2/Al2O3

1.5. Vật liệu nanocomposit HA/TiO2

1.5.1. Phương pháp chế tạo vật liệu nanocomposit HA/TiO2

1.5.2. Ứng dụng vật liệu nanocomposit HA/TiO2

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

2. THỰC NGHIỆM VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

2.1. Hóa chất, dụng cụ và thiết bị

2.1.1. Hóa chất dùng để tổng hợp vật liệu

2.1.2. Hóa chất dùng để phân tích nồng độ toluen và vi khuẩn

2.1.3. Dụng cụ dùng để tổng hợp vật liệu

2.1.4. Dụng cụ dùng để phân tích nồng độ toluen và vi khuẩn

2.1.5. Thiết bị dùng để tổng hợp vật liệu

2.1.6. Thiết bị dùng để đánh giá đặc trưng vật liệu

2.1.7. Thiết bị dùng để phân tích nồng độ toluen và vi khuẩn

2.2. Nghiên cứu tổng hợp vật liệu

2.2.1. Nghiên cứu tổng hợp vật liệu N-TiO2/Al2O3

2.2.1.1. Pha chế dung dịch sol N-TiO2

2.2.1.2. Tạo màng nano N-TiO2 trên sợi Al2O3

2.2.2. Nghiên cứu tổng hợp vật liệu nanocomposit HA/N-TiO2

2.2.2.1. Tổng hợp bột nano TiO2 pha tạp nitơ (N-TiO2)

2.2.2.2. Tổng hợp bột nanocomposit HA/N-TiO2

2.3. Đánh giá đặc trưng của vật liệu

2.3.1. Phương pháp nhiễu xạ tia X

2.3.2. Phương pháp phân tích nhiệt

2.3.3. Phương pháp tán sắc năng lượng tia X

2.3.4. Phương pháp hiển vi điện tử quét

2.3.5. Phương pháp đẳng nhiệt hấp phụ - giải hấp phụ

2.3.6. Phương pháp quang phổ plasma ghép nối khối phổ

2.3.7. Phương pháp quang phổ hấp thụ UV-VIS chất rắn

2.3.8. Phương pháp phổ hồng ngoại

2.4. Phương pháp nghiên cứu hoạt tính xúc tác

2.4.1. Thử nghiệm vật liệu N-TiO2/Al2O3 xử lý toluen

2.4.2. Thử nghiệm vật liệu HA/N-TiO2 xử lý toluen

2.4.3. Phương pháp phân tích nồng độ toluen

2.4.4. Thử nghiệm khả năng diệt khuẩn của vật liệu HA/N-TiO2

3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

3.1. Vật liệu nano N-TiO2 /Al2O3

3.1.1. Tổng hợp vật liệu N-TiO2/Al2O3

3.1.1.1. Kết quả pha chế các dung dich sol

3.1.1.2. Kết quả tổng hợp vật liệu N-TiO2/Al2O3

3.1.2. Đặc trưng cấu trúc, tính chất của vật liệu N-TiO2/Al2O3

3.1.2.1. Ảnh hưởng của thời gian và số lần nhúng phủ

3.1.2.2. Ảnh hưởng của nồng độ dung dịch sol N-TiO2

3.1.3. Thử nghiệm hoạt tính xúc tác quang đối với vật liệu N-TiO2/Al2O3

3.1.3.1. Khảo sát khả năng hấp phụ của vật liệu N-TiO2/Al2O3

3.1.3.2. Ảnh hưởng của nguồn sáng đến khả năng xử lý toluen của vật liệu N- TiO2/Al2O3

3.1.3.3. Ảnh hưởng của khối lượng xúc tác quang

3.1.3.4. Ảnh hưởng của nồng độ toluen ban đầu

3.1.3.5. Động học quá trình oxi hóa toluen bằng vật liệu N-TiO2/Al2O3

3.1.3.6. Độ bền hoạt tính xúc tác quang của vật liệu N-TiO2/Al2O3

3.2. Vật liệu nanocomposit HA/N-TiO2

3.2.1. Tổng hợp vật liệu nanocomposit HA/N-TiO2

3.2.1.1. Kết quả tổng hợp bột TiO2 pha tạp nitơ

3.2.1.2. Kết quả tổng hợp vật liệu HA/N-TiO2

3.2.2. Đặc trưng của vật liệu HA/N-TiO2

3.2.2.1. Ảnh hưởng của thời gian ngâm bột N-TiO2 trong dung dịch gốc

3.2.2.2. Ảnh hưởng của nồng độ các ion Ca2+ và PO43- trong dung dịch gốc

3.2.3. Kết quả đánh giá hoạt tính xúc tác quang của vật liệu HA/N-TiO2

3.2.3.1. Vai trò của HA trong vật liệu HA/N-TiO2

3.2.3.2. Ảnh hưởng của hàm lượng HA/N-TiO2 trong dung dịch huyền phù

3.2.3.3. Ảnh hưởng của khối lượng vật liệu

3.2.3.4. Ảnh hưởng của mật độ công suất ánh sáng

3.2.3.5. Động học quá trình oxy hóa toluen bằng vật liệu HA/N-TiO2

3.2.3.6. Độ bền hoạt tính xúc tác quang của vật liệu HA/N-TiO2

3.2.3.7. Kết quả khử khuẩn của vật liệu HA/N-TiO2

4. NHỮNG ĐÓNG GÓP MỚI CỦA LUẬN ÁN

5. DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ

TÀI LIỆU THAM KHẢO

I. Giới thiệu về ô nhiễm không khí và vật liệu nanocomposit

Ô nhiễm không khí là một vấn đề nghiêm trọng hiện nay, ảnh hưởng đến sức khỏe con người và môi trường. Các hoạt động công nghiệp, giao thông vận tải và sinh hoạt hàng ngày thải ra nhiều chất độc hại như CO, NOx, VOCs và vi khuẩn. Để xử lý ô nhiễm không khí, nhiều phương pháp đã được áp dụng, trong đó có phương pháp xúc tác quang hóa với TiO2. Vật liệu nanocomposit từ TiO2 có khả năng xử lý hiệu quả các chất ô nhiễm nhờ vào tính chất quang xúc tác của nó. Việc kết hợp TiO2 với các vật liệu khác như hydroxyl apatit (HA) tạo ra các vật liệu nanocomposit có tính năng vượt trội trong việc hấp phụ và phân hủy các chất ô nhiễm.

1.1. Tác động của ô nhiễm không khí

Ô nhiễm không khí gây ra nhiều tác động tiêu cực đến sức khỏe con người, bao gồm các bệnh hô hấp, tim mạch và các vấn đề về da. Các chất ô nhiễm như bụi mịn, khí độc hại có thể xâm nhập vào cơ thể qua đường hô hấp, gây ra các bệnh mãn tính. Ngoài ra, ô nhiễm không khí còn ảnh hưởng đến môi trường sống, làm giảm chất lượng không khí và gây biến đổi khí hậu. Việc tìm kiếm các giải pháp hiệu quả để xử lý ô nhiễm không khí là rất cần thiết.

II. Vật liệu TiO2 và ứng dụng trong xử lý ô nhiễm

TiO2 là một trong những vật liệu phổ biến nhất được sử dụng trong xúc tác quang hóa. Với cấu trúc nano, TiO2 có diện tích bề mặt lớn, giúp tăng cường khả năng hấp phụ và phản ứng với các chất ô nhiễm. Tuy nhiên, TiO2 có nhược điểm là chỉ hoạt động hiệu quả dưới ánh sáng tử ngoại. Để khắc phục điều này, việc pha tạp TiO2 với các nguyên tố khác như nitơ đã được nghiên cứu. Việc này không chỉ giúp TiO2 hoạt động trong vùng ánh sáng khả kiến mà còn cải thiện hiệu suất quang xúc tác.

2.1. Cơ chế hoạt động của TiO2 trong xử lý ô nhiễm

Khi được chiếu sáng, TiO2 tạo ra các cặp điện tử - lỗ trống, giúp phân hủy các chất ô nhiễm thành các sản phẩm vô hại như CO2 và nước. Cơ chế này diễn ra thông qua quá trình oxi hóa - khử, trong đó các chất ô nhiễm được oxy hóa và phân hủy. Việc sử dụng TiO2 trong các hệ thống xử lý không khí không chỉ hiệu quả mà còn thân thiện với môi trường, góp phần giảm thiểu ô nhiễm.

III. Nghiên cứu vật liệu nanocomposit HA TiO2

Vật liệu nanocomposit HA/TiO2 được phát triển nhằm kết hợp ưu điểm của cả hai vật liệu. HA có khả năng hấp phụ tốt, trong khi TiO2 mang lại khả năng quang xúc tác cao. Sự kết hợp này tạo ra một vật liệu có khả năng xử lý ô nhiễm hiệu quả hơn. Nghiên cứu cho thấy rằng việc phủ HA lên bề mặt TiO2 không chỉ cải thiện tính ổn định của dung dịch huyền phù mà còn tăng cường khả năng xử lý các chất ô nhiễm như toluen và vi khuẩn.

3.1. Phương pháp tổng hợp vật liệu nanocomposit

Quá trình tổng hợp vật liệu nanocomposit HA/TiO2 bao gồm các bước như chuẩn bị dung dịch, pha trộn và xử lý nhiệt. Các phương pháp như nhiễu xạ tia X (XRD) và hiển vi điện tử quét (SEM) được sử dụng để đánh giá cấu trúc và tính chất của vật liệu. Kết quả cho thấy rằng vật liệu nanocomposit HA/TiO2 có cấu trúc đồng nhất và tính chất quang xúc tác tốt, cho thấy tiềm năng ứng dụng trong xử lý ô nhiễm không khí.

Luận án tiến sĩ: Nghiên cứu tổng hợp và ứng dụng vật liệu nanocomposit TiO2 trong xử lý ô nhiễm không khí