Luận văn thạc sĩ hus nghiên cứu tổng hợp vật liệu tổ hợp quang xúc tác n c tio2 ac và ứng dụng trong xử lý chất hữu cơ ô nhiễm

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu hus nghiên cứu tổng hợp vật liệu tổ hợp quang xúc tác n c tio2 ac và ứng dụng trong xử lý chất hữu, đánh giá hiện trạng, phân tích vấn đề, đề xuất biện

• Tác giả: Ninh Thị Hiền
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Minh Phương
• Trường học: Trường Đại học Khoa học Tự nhiên
• Chuyên ngành: Hóa học môi trường
• Đề tài: Nghiên cứu tổng hợp vật liệu tổ hợp quang xúc tác N-C-TiO2/AC và ứng dụng trong xử lý chất hữu cơ ô nhiễm
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sỹ
• Năm xuất bản: 2014
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ VẬT LIỆU BÁN DẪN TiO2 VÀ XÚC TÁC QUANG HÓA
• 1.1. Chất bán dẫn là vật liệu trung gian giữa chất dẫn điện và chất cách điện
• 1.2. Các dạng cấu trúc và một số tính chất vật lý, hóa học của TiO2
• 1.3. Hoạt tính xúc tác quang hoá và cơ chế hoạt động của vật liệu quang xúc tác bán dẫn TiO2
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• PHỤ LỤC HÌNH
• DANH MỤC BẢNG
• DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

Tóm tắt

I. Tổng quan về nghiên cứu vật liệu quang xúc tác N C TiO2 AC

Nghiên cứu vật liệu quang xúc tác N-C-TiO2/AC đang trở thành một trong những lĩnh vực quan trọng trong việc xử lý ô nhiễm hữu cơ. Vật liệu này không chỉ có khả năng phân hủy các chất ô nhiễm mà còn có tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong các công nghệ xử lý nước thải. TiO2, với đặc tính quang xúc tác mạnh mẽ, khi được kết hợp với than hoạt tính (AC) sẽ tạo ra một hệ thống hiệu quả hơn trong việc xử lý các hợp chất hữu cơ bền vững. Nghiên cứu này sẽ trình bày các phương pháp tổng hợp, đặc tính và ứng dụng của vật liệu N-C-TiO2/AC trong xử lý ô nhiễm hữu cơ.

1.1. Vật liệu quang xúc tác TiO2 và ứng dụng trong xử lý ô nhiễm

TiO2 là một trong những vật liệu quang xúc tác phổ biến nhất nhờ vào tính chất hóa học ổn định và khả năng phân hủy các hợp chất hữu cơ dưới ánh sáng. Nghiên cứu đã chỉ ra rằng TiO2 có thể hoạt động hiệu quả trong việc xử lý nước thải ô nhiễm, đặc biệt là các hợp chất hữu cơ khó phân hủy. Việc kết hợp TiO2 với than hoạt tính không chỉ tăng cường khả năng hấp phụ mà còn nâng cao hiệu suất quang xúc tác.

1.2. Tầm quan trọng của việc nghiên cứu vật liệu N C TiO2 AC

N-C-TiO2/AC không chỉ là một vật liệu mới mà còn mang lại nhiều lợi ích trong việc xử lý ô nhiễm hữu cơ. Việc nghiên cứu và phát triển vật liệu này giúp giải quyết vấn đề ô nhiễm môi trường, đồng thời mở ra hướng đi mới cho các công nghệ xử lý nước thải hiệu quả hơn. Các nghiên cứu gần đây đã chỉ ra rằng N-C-TiO2/AC có khả năng hoạt động tốt dưới ánh sáng khả kiến, điều này giúp tăng cường khả năng ứng dụng trong thực tế.

II. Thách thức trong xử lý ô nhiễm hữu cơ bằng vật liệu quang xúc tác

Mặc dù vật liệu quang xúc tác N-C-TiO2/AC có nhiều ưu điểm, nhưng vẫn tồn tại một số thách thức trong quá trình ứng dụng. Một trong những vấn đề lớn nhất là hiệu suất quang xúc tác của TiO2 thường bị giới hạn bởi ánh sáng UV, trong khi ánh sáng khả kiến chiếm phần lớn trong phổ ánh sáng mặt trời. Điều này làm giảm khả năng ứng dụng của TiO2 trong thực tế. Hơn nữa, việc tái sử dụng vật liệu quang xúc tác cũng là một thách thức lớn, vì hiệu suất của nó có thể giảm sau nhiều lần sử dụng.

2.1. Hạn chế của TiO2 trong điều kiện ánh sáng khả kiến

TiO2 thường chỉ hoạt động hiệu quả dưới ánh sáng UV, điều này hạn chế khả năng ứng dụng của nó trong xử lý ô nhiễm hữu cơ. Việc nghiên cứu các phương pháp biến tính TiO2 để nâng cao khả năng hoạt động dưới ánh sáng khả kiến là rất cần thiết. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc pha tạp các nguyên tố như Nitơ và Carbon có thể cải thiện khả năng quang xúc tác của TiO2.

2.2. Khó khăn trong việc tái sử dụng vật liệu quang xúc tác

Khả năng tái sử dụng vật liệu quang xúc tác là một yếu tố quan trọng trong việc đánh giá hiệu quả kinh tế của công nghệ xử lý ô nhiễm. Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng hiệu suất của N-C-TiO2/AC có thể giảm sau nhiều lần sử dụng, do đó cần có các phương pháp để phục hồi và tái sử dụng vật liệu này một cách hiệu quả.

III. Phương pháp tổng hợp vật liệu N C TiO2 AC hiệu quả

Việc tổng hợp vật liệu N-C-TiO2/AC có thể được thực hiện qua nhiều phương pháp khác nhau, trong đó phương pháp sol-gel là một trong những phương pháp phổ biến nhất. Phương pháp này cho phép kiểm soát tốt kích thước và hình dạng của hạt TiO2, từ đó nâng cao hiệu suất quang xúc tác. Ngoài ra, việc sử dụng than hoạt tính làm chất mang cũng giúp tăng cường khả năng hấp phụ và hoạt tính quang xúc tác của vật liệu.

3.1. Phương pháp sol gel trong tổng hợp N C TiO2

Phương pháp sol-gel cho phép tổng hợp TiO2 với kích thước nano, giúp tăng diện tích bề mặt và khả năng quang xúc tác. Quá trình này bao gồm việc hòa tan các tiền chất trong dung môi, sau đó tạo gel và nung để tạo ra vật liệu TiO2. Nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc điều chỉnh các thông số như nhiệt độ và thời gian nung có thể ảnh hưởng lớn đến tính chất của vật liệu.

3.2. Kết hợp than hoạt tính trong tổng hợp vật liệu

Việc kết hợp than hoạt tính vào quá trình tổng hợp N-C-TiO2 không chỉ giúp tăng cường khả năng hấp phụ mà còn cải thiện hiệu suất quang xúc tác. Than hoạt tính có khả năng hấp phụ tốt các hợp chất hữu cơ, từ đó tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình phân hủy dưới tác dụng của ánh sáng. Nghiên cứu đã chỉ ra rằng tỷ lệ giữa TiO2 và than hoạt tính là yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến hiệu suất của vật liệu.

IV. Ứng dụng thực tiễn của vật liệu N C TiO2 AC trong xử lý ô nhiễm

Vật liệu N-C-TiO2/AC đã được ứng dụng trong nhiều nghiên cứu thực nghiệm để xử lý các hợp chất hữu cơ ô nhiễm. Các kết quả cho thấy vật liệu này có khả năng phân hủy hiệu quả các chất ô nhiễm như Rhodamine B, một trong những hợp chất khó phân hủy trong môi trường nước. Việc sử dụng vật liệu này không chỉ giúp cải thiện chất lượng nước mà còn góp phần bảo vệ môi trường.

4.1. Khả năng phân hủy Rhodamine B bằng N C TiO2 AC

Nghiên cứu đã chỉ ra rằng N-C-TiO2/AC có khả năng phân hủy Rhodamine B dưới ánh sáng khả kiến với hiệu suất cao. Các thí nghiệm cho thấy rằng việc tối ưu hóa các điều kiện như pH, nồng độ chất ô nhiễm và thời gian chiếu sáng có thể nâng cao hiệu suất phân hủy. Kết quả cho thấy vật liệu này có tiềm năng lớn trong việc xử lý nước thải ô nhiễm.

4.2. Ứng dụng trong xử lý nước thải công nghiệp

Vật liệu N-C-TiO2/AC không chỉ có khả năng xử lý các hợp chất hữu cơ mà còn có thể ứng dụng trong xử lý nước thải công nghiệp. Các nghiên cứu thực nghiệm đã chỉ ra rằng vật liệu này có thể loại bỏ hiệu quả các chất ô nhiễm trong nước thải, từ đó cải thiện chất lượng nước và bảo vệ môi trường. Việc ứng dụng vật liệu này trong thực tế sẽ góp phần giảm thiểu ô nhiễm môi trường.

V. Kết luận và triển vọng tương lai của nghiên cứu N C TiO2 AC

Nghiên cứu vật liệu quang xúc tác N-C-TiO2/AC đã mở ra nhiều hướng đi mới trong việc xử lý ô nhiễm hữu cơ. Với khả năng hoạt động dưới ánh sáng khả kiến và hiệu suất quang xúc tác cao, vật liệu này có tiềm năng lớn trong ứng dụng thực tiễn. Tuy nhiên, vẫn cần tiếp tục nghiên cứu để cải thiện hiệu suất và khả năng tái sử dụng của vật liệu. Tương lai của nghiên cứu này hứa hẹn sẽ mang lại nhiều giải pháp hiệu quả hơn trong việc xử lý ô nhiễm môi trường.

5.1. Hướng nghiên cứu tiếp theo trong lĩnh vực quang xúc tác

Các nghiên cứu tiếp theo có thể tập trung vào việc cải thiện hiệu suất quang xúc tác của N-C-TiO2/AC bằng cách thử nghiệm với các phương pháp biến tính mới hoặc kết hợp với các vật liệu khác. Việc nghiên cứu sâu hơn về cơ chế hoạt động của vật liệu cũng sẽ giúp tối ưu hóa quy trình xử lý ô nhiễm.

5.2. Tiềm năng ứng dụng trong công nghiệp và đời sống

Với những ưu điểm vượt trội, N-C-TiO2/AC có thể được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực công nghiệp và đời sống. Việc phát triển công nghệ xử lý nước thải sử dụng vật liệu này không chỉ giúp cải thiện chất lượng nước mà còn góp phần bảo vệ môi trường sống cho thế hệ tương lai.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MỞ ĐẦU Với sự phát triển của nền công nghiệp hiện đại, môi trƣờng sống của con ngƣời ngày càng bị ô nhiễm nặng nề. Nƣớc sạch dùng cho sinh hoạt hàng ngày đang trở nên cạn kiệt dần. Quá trình công nghiệp hoá đã thải ra môi trƣờng lƣợng lớn các hợp chất hữu cơ, trong số đó có nhiều hợp chất bền vững, khó bị phân hủy sinh học trong môi trƣờng nƣớc. Vì vậy, vấn đề xử lý các hợp chất ô nhiễm này là cần thiết và cấp bách.

Giải quyết vấn đề ô nhiễm môi trƣờng trong thời kỳ đẩy mạnh công nghiệp hóa, hiện đại hóa hiện nay là vấn đề cấp thiết đối với các cấp quản lí, các doanh nghiệp và của toàn xã hội. Nó cũng đòi hỏi các nhà khoa học và công nghệ phải nghiên cứu các phƣơng pháp để xử lý các chất ô nhiễm môi trƣờng. Trong hai thập kỷ gần đây, việc sử dụng quang xúc tác bán dẫn đƣợc xem là một kĩ thuật hứa hẹn cung cấp năng lƣợng sạch và phân hủy các chất ô nhiễm hữu cơ bền và loại bỏ các kim loại độc hại. Đặc điểm của loại xúc tác này là, dƣới tác dụng của ánh sáng, sẽ sinh ra cặp electron (e-) và lỗ trống (h+) có khả năng phân hủy chất hữu cơ hoặc chuyển hóa các kim loại độc hại thành những chất không gây hại đến môi trƣờng.

Mặc dù có rất nhiều hợp chất quang xúc tác bán dẫn, nhƣng hiện nay, TiO2 vẫn là một trong các chất quang xúc tác phổ biến nhất vì giá thành rẻ, bền hóa học, không độc và dễ điều chế. Do vậy TiO2 là chất thích hợp ứng dụng trong xử lí môi trƣờng .Tuy nhiên, hạn chế của xúc tác quang hóa TiO2 là xúc tác này chỉ có hoạt tính trong điều kiện chiếu sáng vùng tử ngoại (UV), chỉ chiếm 3 – 5% năng lƣợng ánh sáng mặt trời, nên khó có khả năng ứng dụng rộng rãi, ít hiệu quả về mặt sử dụng năng lƣợng và làm tăng giá thành sử dụng. Vì vậy, xu hƣớng mới trên thế giới hiện nay là biến tính TiO2 để nâng cao khả năng ứng dụng trong vùng ánh sáng khả kiến. Đến nay, đã có nhiều nghiên cứu biến tính TiO2 bởi các cation kim loại chuyển tiếp hay bởi các phi kim.

Trong số đó, TiO2 đƣợc biến tính bởi các phi kim đã cho thấy kết quả tốt, tăng cƣờng tính chất quang xúc tác trong vùng ánh sáng khả kiến. Chính vì vậy, chúng tôi đã chọn đề tài: “Nghiên cứu tổng hợp vật liệu tổ hợp quang xúc tác N-C-TiO2/AC và ứng dụng trong xử lý chất hữu cơ ô nhiễm”. Luận văn này trình bày một số kết quả đạt đƣợc trong việc nghiên cứu khả năng biến tính TiO2 để tạo ra vật liệu tổ hợp quang xúc tác N-C-TiO2 và sử dụng vật liệu chế tạo đƣợc để xử lý chất hữu cơ ô nhiễm. Các nội dung chính đã thực hiện trong Luận văn này bao gồm: 1 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] - Tổng hợp vật liệu N-C-TiO2/AC bằng phƣơng pháp sol - gel.

- Khảo sát hoạt tính xúc tác của vật liệu với Rhodamine B. - Khảo sát khả năng tái sinh của vật liệu chế tạo đƣợc và ứng dụng trong điều kiện ánh sáng tự nhiên. 2 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Chƣơng 1. Giới thiệu chung về vật liệu bán dẫn TiO2 và xúc tác quang hóa Chất bán dẫn là vật liệu trung gian giữa chất dẫn điện và chất cách điện.

Gọi là “bán dẫn” nghĩa là có thể dẫn điện ở một điều kiện nào đó còn ở điều kiện khác thì nó sẽ không dẫn điện. Khi giải thích cơ chế dẫn điện của chất bán dẫn ngƣời ta phân thành chất bán dẫn loại n (dẫn electron) và bán dẫn loại p (dẫn lỗ trống dƣơng) [8]. Theo phƣơng pháp obitan phân tử, có thể hình dung sự tạo thành các vùng năng lƣợng trong mạng lƣới tinh thể nhƣ sau: ở các nguyên tử riêng lẻ (khi chúng ở xa nhau nhƣ trong pha khí), electron chiếm giữ các mức năng lƣợng hoàn toàn xác định. Khi các nguyên tử dịch lại gần nhau nhƣ trong mạng lƣới tinh thể thì các obitan nguyên tử sẽ bị phân tách ra.

Nếu tổ hợp n nguyên tử sẽ tạo thành n mức năng lƣợng khác nhau của N obitan phân tử. N mức năng lƣợng này sẽ tạo thành một miền năng lƣợng liên tục. trong đó:  Vùng năng lƣợng đã đƣợc lấp đầy các electron, gọi là vùng hóa trị (Valance band). Trong vùng này, điện tử bị liên kết mạnh với nguyên tử và không linh động, chúng giữ vai trò liên kết trong mạng lƣới tinh thể.

 Vùng năng lƣợng còn để trống (cao hơn vùng hóa trị) gọi là vùng dẫn (Conductionband). Trong vùng này, điện tử sẽ linh động (nhƣ các điện tử tự do) và điện tử ở vùng này sẽ là điện tử dẫn, có nghĩa là chất sẽ có khả năng dẫn điện khi có điện tử tồn tại trên vùng đẫn. Tính dẫn điện tăng khi mặt độ điện tử trên vùng dẫn tăng. Tùy thuộc vào cấu trúc nguyên tử và mức độ đối xứng của tinh thể mà vùng hóa trị và vùng dẫn có thể xen phủ nhau hoặc không xen phủ nhau.

Trong trƣờng hợp không xen phủ nhau thì vùng hóa trị và vùng dẫn cách nhau một khoảng năng lƣợng gọi là vùng cấm E g (Forbidden band). Trong vùng cấm, điện tử không thể tồn tại. Khoảng cách giữa đáy vùng dẫn và đỉnh vùng hóa trị gọi là độ rộng vùng cấm, hay năng lƣợng vùng cấm (Band Gap) [15]. 3 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Vùng dẫn Vùng dẫn Vùng cấm (Eg < 3 eV) Vùng hoá trị Hình 1.

Chất rắn bán dẫn Tùy theo giá trị vùng cấm, ngƣời ta phân ra thành các chất cách điện (E g>3,5eV), chất bán dẫn (Eg <3,5eV). Chất dẫn điện kim loại có Eg = 0. Tính dẫn của chất bán dẫn có thể thay đổi nhờ các kích thích năng lƣợng nhƣ nhiệt độ, ánh sáng. Khi chiếu sáng, các điện tử sẽ hấp thu năng lƣợng từ photon, và có thể nhảy lên vùng dẫn nếu năng lƣợng đủ lớn.

Kết quả là trên vùng dẫn sẽ có các electron (e-) mang điện tích âm đƣợc gọi là electron quang sinh và trên vùng hóa trị sẽ có các lỗ trống (h+) mang điện tích dƣơng đƣợc gọi là lỗ trống quang sinh. Chính các electron và lỗ trống quang sinh này là nguyên nhân dẫn đến các quá trình hóa học xảy ra, bao gồm quá trình khử electron quang sinh và quá trình oxi hóa các lỗ trống quang sinh. Khả năng khử và oxi hóa của các electron và lỗ trống quang sinh là rất cao (từ +0,5 eV đến -1,5 eV đối với các electron quang sinh; và từ +1,0 eV đến 3,5 eV đối với các lỗ trống quang sinh). Các electron và lỗ trống quang sinh có thể di chuyển tới bề mặt của hạt xúc tác và tác dụng với các chất trên bề mặt xúc tác [4].

A¯ h Khử A E E g D Oxy hóa D + Hình 1. Hoạt động của hạt bán dẫn khi bị kích thích bằng ánh sáng 4 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Xúc tác là những chất làm thay đổi tốc độ phản ứng hóa học nhƣng sau phản ứng chúng không bị thay đổi về lƣợng và tính chất hóa hoc. Xúc tác quang hóa là một loại xúc tác hoạt động nhờ sự kích thích của ánh sáng. Chất xúc tác quang hóa là những chất nhạy sáng, trong quá trình bức xạ quang, các chất này thƣờng sinh ra các hạt có khả năng oxi hóa và khử mạnh, chúng có tác dụng đẩy nhanh tốc độ của phản ứng quang hóa.

Hiện nay, nhiều chất bán dẫn có hoạt tính xúc tác quang đã đƣợc nghiên cứu nhƣ: TiO 2 (Eg = 3,2 eV), SrTiO3 (3,4 eV), Fe2O3 (2,2 eV), CdS(2,5 eV), WO3 (2,8 eV), ZnS (3,6 eV), V2O5 (2,8 eV) ….[10] Trong các chất bán dẫn trên cũng nhƣ trong các xúc tác quang, TiO2 đƣợc nghiên cứu và sử dụng nhiều nhất vì nó có năng lƣợng vùng cấm trung bình, không độc, diện tích bề mặt riêng cao, giá thành rẻ, có khả năng tái chế, hoạt tính quang học cao, bền về mặt hóa học và lỗ trống sinh ra trong TiO2 có tính oxi hóa cao. Hiện nay vật liệu TiO2 là một chất xúc tác quang đƣợc nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi. Quá trình quang xúc tác của vật liệu TiO2 là một trong những quá trình ôxi hoá nâng cao nhờ tác nhân ánh sáng và đƣợc xem là một quá trình có tầm quan trọng trong việc xử lí nƣớc và nƣớc thải. Thế oxi hóa của lỗ trống sinh ra trên bề mặt TiO2 là +2,53 eV so với thế điện cực chuẩn của điện cực hidro, trong dung dịch nƣớc có pH = 7.

Lỗ trống này dễ dàng tác dụng với phân tử nƣớc hoặc anion hydroxyl trên bề mặt của TiO2 tạo thành gốc hydroxyl tự do. Thế của cặp OH•/OH‾ chỉ nhỏ hơn so với thế oxi hóa của lỗ trống một chút nhƣng vẫn lớn hơn thế oxi hóa của ozon (O3/O2) [10]. TiO2 + hν → h+ + e‾ H2O + h+ → OH + H+ OH- + h+ → OH Thế oxi hóa khử của electron trên vùng dẫn sinh ra bởi TiO2 là -0,52V, đủ âm để có thể khử phân tử oxi thành anion superoxit O2 + e- → O2- 5 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] O2- + H+ → HO2 • HO2• + H2O → H2O2 + •OH Tất cả các tiểu phân sinh ra trong quá trình quang hóa trên, bao gồm các lỗ trống, gốc • OH, •O2-, H2O2 và oxi, đóng vai trò quan trọng trong cơ chế phản ứng xúc tác quang. Chúng là các tiểu phân hoạt động, dễ dàng tham gia vào các phản ứng oxi hóa các hợp chất hữu cơ, sinh ra CO2 và H2O.

Chính vì tính chất oxi hóa mạnh này, TiO2 đƣợc sử dụng làm chất diệt khuẩn, nấm, khử mùi, xử lý nƣớc thải ô nhiễm, làm sạch không khí. Các dạng cấu trúc và một số tính chất vật lý, hóa học của TiO2 Các dạng cấu trúc TiO2 tồn tại chủ yếu dƣới ba dạng thù hình là dạng anatase, rutile và brookite. Trong đó, dạng rutile, anatase có cấu trúc tetragonal, còn brookite có dạng ortho. Ba cấu trúc này khác nhau bởi sự biến dạng và bởi kiểu liên kết.

Rutile là dạng bền phổ biến nhất của TiO2, có mạng lƣới tứ phƣơng trong đó mỗi ion Ti4+ đƣợc ion O2- bao quanh kiểu bát diện, đây là cấu trúc điển hình của hợp chất có công thức MX2. Anatase và brookite là các dạng giả bền và chuyển thành rutile khi nung nóng. Dạng anatase Dạng rutile Dạng brookite Hình 1. Cấu trúc tinh thể các dạng thù hình TiO2 6 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.