I H C QU C GIA TP. HCM
I H C BÁCH KHOA
--------------------
NGUY
NH NHÂN
T ng h p Cacbon nanodots trên TiO2 và ng d ng làm xúc tác
quang x lý VOCs
Chuyên ngành: K Thu t hóa h c
Mã s : 8520301
LU
TP. H
C HOÀN THÀNH T I
I H C BÁCH KHOA
-HCM
Cán b
ng d n khoa h c :PGS. TS. Nguy n Quang Long ...................
Cán b ch m nh n xét 1 : TS. Tr
c Nh t Uyên ..............................
Cán b ch m nh n xét 2 :
ng B o Trung ........................................
(Ghi rõ h , tên, h c hàm, h c v và ch ký)
Lu
c b o v t i Tr
HCM ngày 23 tháng 01
2022
Thành ph n H i
ng
ng
i h c Bách Khoa, HQG Tp.
nh giá lu n v n th c s g m:
1. Ch t ch TS. Tr n Th Ki u Anh .........
2. Ph n bi n 1 TS. Tr
c Nh t Uyên
3. Ph n bi
ng B o Trung ........
4.
.................
5.
ng ............
Xác nh n c a Ch t ch H i ng
chuyên ngành sau khi lu n v n ã
CH T CH H
h giá LV và
ng Khoa qu n lý
c s a ch a (n u có).
NG
NG KHOA K THU T HĨA H C
TS. Tr n Th Ki u Anh
II
I H C QU C GIA TP.HCM
I H C BÁCH KHOA
C NG HÒA XÃ H I CH
c l p - T do - H nh phúc
T NAM
NHI M V LU
....................... MSHV:1970454 .......................
15/07/1996 ................................
ng ...................
...................................
: 8520301 ......................
Chuyên ngành:
I.
TÀI: T ng h p Cacbon nanodots trên TiO2 và ng d ng làm xúc tác
quang x lý VOCs ..........................................................................................................
II. NHI M V VÀ N I DUNG:
+ T ng quan v v
ô nhi m ch t h
lý b ng xúc tác quang
x
+ T ng h p v t li u xúc tác quang CDs/TiO2 x lý khí ơ nhi m
c tính xúc tác CDs và CDs/TiO2
+ Kh o sát các y u t
n kh
lý khí ơ nhi m VOCs
(formaldehyde, acetone, toluene) c a v t li u xúc tác quang CDs/TiO2
III. NGÀY GIAO NHI M V : 09/2021 .....................................................................
IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHI M V : 05/2022 .....................................................
V. CÁN B
NG D N : PGS. TS. Nguy n Quang Long .......................................
...........................................................................................................................................
Tp. HCM, ngày 01 tháng 03
CÁN B
NG D N
CH NHI M B
PGS. TS. Nguy n Quang Long
22
O
PGS. TS. Nguy n Quang Long
NG KHOA K THU T HÓA H C
III
L IC
V i lòng bi
c nh t, em xin g i l i c
cơ khoa K thu t Hóa h c
n quý th y
ih
i h c Qu c Gia Tp.HCM
t cho em v n ki n th c quý báu trong su t kho ng th i gian h c t p t i
ng.
c bi t, em xin g i l i bi
c nh t t i Phó g
t nhi u công s c, tâm huy
truy
Ti
n
t nh ng ki n th c, kinh
nghi m quý báu cho em trong quá trình th c hi n lu
t pt
c
ng.
ng th i, xin g i l i c
n Th
, góp ý giúp hồn thi n nghiên c u này. C
Hóa Lý - Khoa K thu t Hóa h
Lê Nguy n Quang Tú,
y, Cơ b môn K thu t
i h c Bách Khoa Thành ph H Chí Minh
ng ch b
và t
u ki n cho em hoàn thành n i
tài lu
Sau cùng, em xin bày t lịng bi
ch
n bè, c
ng d n t n tình cho em t nh
ng anh
u m i vào lab và
ng hành cùng em trong su t quá trình th c hi n lu
Do h n ch v th
u ki
ch , thi
nh
n th c c a b n thân v n cịn h n
u khơng th tránh kh i, em r t mong nh
a q th
giúp em có th hồn ch nh nh t lu
t t nghi p c a mình.
Trân tr ng.
Nguy
IV
nh Nhân
c
TÓM T T LU
Trong nghiên c u này, v t li u cacbon nanodots ph trên TiO2 (CDs/TiO2
u ch b
c
c s d ng làm ch t xúc tác cho quá ph n ng
quang hóa x lý VOCs (formaldehyde, acetone và toluene) v i dòng ch y liên t
b c x UV-
c tính v t li
c ki m tra b
i
u x tia X
(XRD), quang ph h ng ngo i Fourier (FTIR), Kính hi
nt
(HRTEM), kính hi
ng tia X (SEM-EDX),
n t quét k t h p ph tán x
phân tích nhi t tr
phân gi i cao
ng (TGA) và quang ph phát quang (PL).
t vai trò quan tr ng trong vi c c i thi n ho
TiO2, m r ng kh
p th
ng quang xúc tác c a
ng th i kéo dài th i gian tái t h p c a
electron và l tr ng. Xúc tác CDs/TiO2 th hi n kh
v
2,
chuy n hóa c a formaldehyde, acetone và toluene cao nh t trong dòng ch y liên
t
Trong khi nh
u ki n
ng là 0,38 mmol/g.h; 0,22 mmol/g.h; và 0,2 mmol/g.h.
iv
n ho
xúc tác c a TiO2, CDs/TiO2 v n th hi n kh
n a, kh
x lý VOCs cao và
quang oxi hóa HCHO c a CDs/TiO2 v
chu k .
V
ng quang
m b o kh
x lý sau 8
ABSTRACT
In this research, carbon nanodots dopping TiO2 (CDs/TiO2) was prepared by
the microwave method and used for the photocatalytic oxidation of VOCs
(formaldehyde, acetone and toluene) in a continuous flow under UV-A radiation. The
material was characterized using X-ray diffraction (XRD), Fourier-transform infrared
spectroscopy (FTIR), High-resolution Transmission Electron Microscopy (HRTEM),
scanning electronic microscopy with energy dispersive X-ray analysis (SEM-EDX),
Thermogravimetric analysis (TGA) and photoluminescence spectra (PL).
Carbon nanodots played a vital role in the photocatalytic activity improvement
of TiO2, extending the light absorption into the visible range and extending the
existence of photo-electrons and holes. The catalyst exhibited higher photocatalytic
performance than TiO2, with the highest conversion of formaldehyde, acetone and
toluene in a continuous flow and under humid condition are 0,38 mmol/g.h; 0,22
mmol/g.h; and 0,20 mmol/g.h., respectively. While the changes in relative humidity
had significant impacts on the photocatalytic activity of TiO2, CDs/TiO2 still
exhibited a high and stable VOCs conversion efficiency. Moreover, HCHO photooxidation efficiency of CDs/TiO2 maintained the same after 8 cycles.
VI
L
tài T ng h p Cacbon nanodots trên TiO2 và ng
d ng làm xúc tác quang x lý VOCs
n l c c a b n thân, cùng v i s
c ti n hành công khai, d a trên s c g ng,
ng d n nhi t tình khoa h c c a PGS. TS. Nguy n
Quang Long.
Các s li u và k t qu nghiên c
sao chép, ho c s d ng k t qu c
l p lu n cho vi c xây d
tài hoàn toàn trung th c và không
tài nghiên c
t c nh ng
lý lu n c a bài lu
c trích d
ghi ngu n rõ ràng. N u phát hi n có s sao chép k t qu nghiên c u c
và
tài khác,
tơi xin hồn tồn ch u trách nhi m.
TP.HCM, ngày 27 tháng 12
Nguy
VII
nh Nhân
21
DANH M C HÌNH
Hình 1.1.
lý VOCs ...................................................................2
Hình 2.1. Ngu n g c c a VOCs (EEA, 2017) ........................................................... 4
Hình 2.2. Tác h i c
n s c kh
i ..............................................6
Hình 2.3.
....................................................7
Hình 2.4. C u trúc m ng Anatase c a TiO2. ..............................................................8
Hình 2.5. C u trúc m ng Rutile c a TiO2. .................................................................8
Hình 2.6. Hình kh i bát di n c a TiO2. ......................................................................9
Hình 2.7. Gi
Hình 2.8.
ng obitan liên k t c a TiO2 trong Anatase ...................10
ch q trình quang hóa .....................................................................12
Hình 2.9. S
(t
ng n ph m cơng b
m trên Google Scholar
...............................................................................................14
Hình 2.10. Các
ng h p Cacbon nanodots .......................................15
Hình 2.11.
phát quang chuy
i lên UC và xu ng DC c a CDs .............17
Hình 2.12.
HOMO-LUMO và phát x b m t c a CDs .............................18
Hình 2.13.
phát quang c a các ch m Cacbon CDs ..................19
Hình 2.14. Gi thi t quá trình t ng h p CDs ..........................................................19
Hình 2.15.
quang hóa trên b m t c a CDs/TiO2.........................................21
Hình 2.16.
quá trình chuy
i electron ....................................................21
Hình 3.1. Quy trình t ng h p cacbon nanodots........................................................ 24
Hình 3.2. Quá trình t ng h p CDs/TiO2 ...................................................................25
Hình 3.3. S ph n x ch n l c trên m t h m t ph ng (hkl)....................................26
Hình 3.4. Nguyên lý ho
ng máy quang ph phát quang ....................................30
Hình 3.5. Nguyên lý ho
ng máy quang ph h ng ngo i ....................................32
Hình 3.6. H th ng s c ký khí ..................................................................................34
Hình 3.7.
h th ng ph n ng quang hóa xúc tác ............................................35
Hình 4.1. (a,b) Hình nh HR-TEM,(c) Ph FTIR, (d) Ph quang phát x c a CDs 41
Hình 4.2. K t qu XRD c a m u CDs/TiO2.............................................................42
VIII
Hình 4.3. Hình ch p SEM
EDX m u CDs/ TiO2 ..................................................43
Hình 4.4. Ph FTIR c a TiO2 và CDs/TiO2 .............................................................44
Hình 4.5.
Tauc c a CDs/TiO2
ng cong TGA c a TiO2 và CDs/TiO2
...................................................................................................................................45
Hình 4.6. Kh
x
phút (Ctoluene = 341 ppmv, F = 3 L/h, C
ng CDs doping trên TiO2 trong 60
c = 18,02 mg/L) ........................................47
Hình 4.7. Kh
lý formaldehyde c a TiO2 (P25) và CDs/TiO2 trong 60 phút
(F = 3 L/h, CHCHO = 656ppmv, C c = 23,33 mg/L) .................................................49
Hình 4.8. Kh
lý formaldehyde c a TiO2 (P25) và CDs/TiO2 trong 60 phút
(F = 3 L/h, CHCHO = 56ppmv, C c = 11,20 mg/L) ...................................................50
Hình 4.9. Kh
lý acetone c a TiO2 (P25) và CDs/TiO2 trong 60 phút (F= 3
L/h, Cacetone = 254ppmv, C c = 18,20 mg/L) ............................................................51
Hình 4.10. Kh
lý acetone c a TiO2 (P25) và CDs/TiO2 trong 60 phút (F =
3 L/h, Cacetone = 254ppmv, C c = 6,07 mg/L)...........................................................52
Hình 4.11. Kh
lý toluene c a TiO2 (P25) và CDs/TiO2 trong 60 phút (F =
3 L/h, Ctoluene = 314ppmv, C c = 18,20 mg/L) .........................................................53
Hình 4.12. Kh
lý toluene c a TiO2 (P25) và CDs/TiO2 trong 60 phút (F =
3 L/h, Ctoluene = 314ppmv, C c = 6,07 mg/L) ............................................................54
Hình 4.13. Hi u su t x lý theo n
formaldehyde (F = 6 L/h)........................56
Hình 4.14. Kh
formaldehyde (F = 6 L/h) .......................56
x lý theo n
Hình 4.15. Hi u su t x lý theo n
acetone trong 60 phút (F = 12 L/h, , C c =
18,20 mg/L) ...............................................................................................................58
Hình 4.16. Kh
lý theo n
acetone trong 60 phút (F = 12 L/h, , C c =
18,20 mg/L) ...............................................................................................................58
Hình 4.17. Hi u su t x lý formaldehyde
u ki
ng khác nhau (CHCHO
= 656 ppmv, C c = 23,33 mg/L) ..............................................................................60
Hình 4.18. Kh
= 656 ppmv, C
x lý formaldehyde
u ki n
ng khác nhau (CHCHO
c = 23,33 mg/L) ..............................................................................60
Hình 4.19. Hi u su t x lý acetone
u ki
ng khác nhau (Cacetone =
631 ppmv, C c = 18,20 mg/L) .................................................................................62
IX
Hình 4.20. Kh
x lý acetone
u ki
ng khác nhau (Cacetone =
631 ppmv, C c = 18,20 mg/L) .................................................................................62
Hình 4.21. Hi u su t x lý acetone
u ki
m khác nhau (F = 3 L/h,
CHCHO = 656 ppmv) ....................................................................................................64
Hình 4.22. Kh
lý acetone
u ki
m khác nhau (F = 3 L/h,
CHCHO = 656 ppmv) ....................................................................................................64
Hình 4.23. Kh
lý formaldehyde c a CDs/TiO2 qua nhi u l n tái s d ng (F
= 3 L/h, CHCHO = 656 ppmv, C c = 23,33 mg/L) .....................................................66
X
DANH M C B NG
B ng 2.1. Các thành ph n ph bi n trong VOCs .......................................................5
B ng 2.2. M t s ngu n VOCs c th
B ng 2.3. T kh
ng ..............................5
ng vùng c m TiO2. ......................................................9
B ng 3.1. Danh sách hóa ch t s d ng ..................................................................... 23
B ng 3.2. Các y u t kh o sát...................................................................................39
B ng 4.1. K t qu
........................................................................................ 43
DANH M C T
VI T T T
CDs (Carbon nanodots): ch m nano Cacbon
CDs/TiO2 (Carbon nanodot dopped TiO2): ch m nano cacbon ph trên TiO2
EPA
o v môi
ng c a M .
FID (Flame Ionisation Detector
u dị ion hóa ng n l a
FTIR (Fourier-transform Infrared Spectroscopy): quang ph h ng ngo i Fourier
GC (Gas Chromatography): phân tích s c ký khí
HRTEM (High-resolution Transmission Electron Microscopy): Kính hi
t truy
phân gi i cao
PL (Photoluminescence Spectra): quang ph phát quang
SEM - EDX (Scanning Electron Microscopy with Energy Dispersive X-ray
Analysis): kính hi
n t quét k t h p ph tán x
TGA (Thermogravimetric Analysis): phân tích nhi t tr
VOC (Volatile Organic Compounds): các h p ch t h
XRD (X-ray diffraction): nhi u x tia X
XI
ng tia X
ng
n
M CL C
M
U .................................................................................................................... 1
1.1.
Lý do l a ch
1.2.
Ýn
1.3.
tài .............................................................................................. 1
ng và ph
T
2.1.
tài .................................................................................. 1
tài ...................................................................... 3
TÀI ................................................................................ 4
H p ch t h
....................................................... 4
2.1.1. Gi i thi u ...............................................................................................4
2.1.2. Tác h i c a VOCs. ................................................................................6
2.2.
Titanium Oxide (TiO2) ............................................................................... 8
2.2.1. Gi i thi u ...............................................................................................8
2.2.2. Q trình quang hóa xúc tác ...............................................................9
2.3.
Cacbon nanodots ...................................................................................... 13
2.3.1. Gi i thi u .............................................................................................13
2.3.2. Tính ch t phát quang c a Cacbon nanodots ....................................15
2.4.
quá trình quang xúc tác .............................................................. 19
2.5.
Các nghiên c u liên quan ........................................................................ 21
TH C NGHI M ..................................................................................................... 23
3.1.
T ng h p xúc tác nano CDs/TiO2 ........................................................... 23
3.1.1. Hóa ch t và d ng c ...........................................................................23
3.1.2. Quy trình t ng h p .............................................................................23
3.2.
a xúc tác .............................................................. 26
3.2.1.
u x tia X (XRD) ..................................................26
3.2.2.
nh di n tích b m t riêng b ng h p ph N2
(BET) ...............................................................................................................27
3.2.3.
ng tia X (SEM
kính hi
n t quét k t h p ph tán x
EDX) ...............................................................................28
3.2.4.
kính hi
n t truy
phân gi i cao
(HRTEM) ..........................................................................................................29
3.2.5.
phát quang (PL) .......................................30
3.2.6.
quang ph h ng ngo i (FTIR) ...................................31
3.2.7.
3.2.8. Phân tích s
3.3.
t tr ng
ng (TGA) ...........................32
u dò FID ................................................33
Nghiên c u ho t tính xúc tác quang hóa ................................................ 34
XII
3.3.1. H th ng ph n ng quang hóa ..........................................................34
3.3.2. Các y u t kh o sát .............................................................................38
K T QU VÀ BÀN LU N .................................................................................... 41
4.1.
t li u xúc tác ................................................................. 41
4.1.1.
m c a CDs ...............................................................................41
4.1.2.
m c a CDs/TiO2 ......................................................................42
4.2. K t qu thí nghi m ....................................................................................... 46
4.2.1. Kh
ng CDs doping lên TiO2 .......................................46
4.2.2. K t qu x lý formaldehyde ..............................................................49
4.2.3. K t qu x lý acetone .........................................................................51
4.2.4. K t qu x lý toluene ..........................................................................53
4.2.5. K t qu
ng n
formaldehyde ......................................54
4.2.6. K t qu
ng n
acetone.................................................57
4.2.7. K t qu
ng formaldehyde ...................................59
4.2.8. K t qu
ng acetone..............................................61
4.2.9. K t qu
u ki n acetone .........................63
4.2.10. K t qu kh o sát tái s d ng xúc tác
u ki n formaldehyde ...65
K T LU N VÀ KI N NGH ................................................................................ 67
5.1.
K t lu n ..................................................................................................... 67
5.2.
Ki n ngh ................................................................................................... 67
TÀI LI U THAM KH O ...................................................................................... 69
XIII
M
1.1.
Lý do l a ch
U
tài
Xã h i ngày càng phát tri n, nhu c u v ch
ng cu c s ng c
i
v y, các ngành công ngh trên th gi i khơng ng ng tìm tịi
và nghiên c
c nh
ngh hóa ch
hóa ch
m ngồi cu c ch
c thành l p vào nh
i ti
c a th k
tr thành m t trong nh
n hi n nay nh s phát tri n c a khoa h c
i vi c phát tri n khoa h c k thu t, v
n.
Trong nh
nhi
qua, v i xu th
i m i và h i nh p, Vi
ng l c m i cho q trình phát tri
c
t phá trong cơng nghi p. S bùng n
trong vi c xu t hi n nhi u khu công nghi p (KCN), nhà máy,.. góp ph
phát tri n kinh t . Bên c nh s phát tri
th
ô nhi
c ta c n ph
ng t các ho
i m t v i r t nhi u thách
ng cơng nghi p.
Vi c ơ nhi m khí có th làm suy gi m s c kh
n m t cân b ng h sinh thái. V i nh ng tá
y
ng v t và có th
ng m nh m
m
thành m i quan tâm c a toàn xã h i. Ngoài các h p ch t COx, NOx,
SOx
t, các h p ch t h
tâm r
c
c s quan
ng.
VOCs là các h p ch t sinh ra t các ch t r n ho c ch t l ng, và có kh
nhi
tính n
th
phịng. VOCs trong các dịng khí là các ch t gây ơ nhi m ti m tàng do
c h i c a chúng. Kích ng m t và c h ng, t
u ti p xúc trong th i gian dài có th d
Vì
v y vi c lo i b và ki m soát phát th i VOCs là vi c h t s c quan tr ng.
1.2.
tài
Hi
pháp h p ph
lý VOCs ch y
c x lý b
n còn nh ng h n ch .
H p ph s d ng than ho t tính ch
n chuy n các ch t ô nhi m t pha khí
1
sang pha r n thay vì phân h
c sinh h c ch m và khơng có
hi u qu rõ ràng. Q trình oxy hóa nhi
-
ho
i ph i th c hi n nhi
ng hi u qu , gây t
a, t t c
u không hi u qu , khi ch cho k t qu v i m
v i các h p ch t h
ng th i vi c tái ch và tái s d ng là không kh
thi v m t kinh t
t nhu c u l n cho các nhà khoa h
cơng ngh ti t ki
u qu
Trong s
lý VOCs
i, q trình oxy hóa quang
là m
y h a h n. Nhi u thí nghi
r ng VOCs có th b oxy hóa thành CO2
bi t h p d n trong v
2,
c bi
c
x lý các ch t ô nhi m trong nhà. Các ch t xúc tác quang
ZnO, CdS, CdIn2S4 và WO3
c s d ng và công b r ng rãi
, TiO2 là ch t xúc tác quang ph bi n
c s d ng do tính ch
các h p ch t h
c th c hi n và ch ng minh
c, quá trình quang xúc tác tr
[1-3]. Trong s các xúc tác quang ti
nh t hi
tìm ra m t
ng.
Hình 1.1. Các
bán d
x lý th p và trung bình ho c
c c a TiO2. có kh
m
i s chi u x c a tia c c tím ho c g n tia UV. Ngoài ra, TiO2
c s d ng cho ph n
c tính n i b t c
chi phí r , an tồn, ho t tính quang hóa cao và n
2
nh. TiO2
c áp d ng trong các
t li u b m t t làm s ch [4, 5], x lý khí [6], x
vi sinh [8]
c [7], x lý
ng m t tr i [9].
Tuy nhiên, xúc tác quang ch ho
i tia c c tím, chi m kho ng 5% ánh
sáng m t tr i. Bên c
tái k t h p c a c
n t - l tr ng cao d
n
hi u su t xúc tác th
ng hi u qu xúc tác quang, chúng tôi s ti n hành
k t h p v i phi kim - trong lu n án này s là cacbon. Vi c doping cacbon có th
d n TiO2 vì nó có kh
TiO2
n tích sang vùng b m t c a c u trúc
n ra các q trình, ph n ng oxy hóa mong mu n.
T nh ng l p lu n trên, chúng tôi ch
tài:
ng h p cacbon nanodots
trên TiO2 và ng d ng làm xúc tác quang x
1.3.
ng và ph
ng c
acetone, t
tài
tài là x lý ch t h
formaldehyde,
tài t p trung vào nghiên c u các ch t xúc tác CDs/TiO2 v i các
c t ng h p b
-
lý các h p ch t VOCs khác nhau c a xúc tác CDs/TiO2 b ng q trình quang
xúc tác. Các y u t
ơ nhi m VOCs là n
c t p trung kh o sát trong ph n ng quang xúc tác x lý ch t
ch t ô nhi m VOCs c n x
m c a dịng ngun liê .
3
ng dịng khí c n x
T
2.1.
TÀI
H p ch t h
2.1.1. Gi i thi u
VOCs là vi t t t c a volatile organic compounds, t m d ch là h n h p các h p
ch t h u d
c ch t là các hóa ch t h
t các ch t r n ho c ch t l ng, và có kh
c cacbon, sinh ra
nhi
vào khơng khí, nhi u lo i VOCs có kh
n
liên k t l i v i nhau ho c n i k t v i
các phân t khác trong khơng khí t o ra h p ch t m i.
VOCs có
kh p m
is
ng l
ng, bao g m c các h p ch t
nhân t o và t nhiên. Trong khi các VOCs t
ti p gi a các loài th c v t và gi a th c v t v
nguy hi
ng trong giao
ng v t, m t s VOCs nhân t o l i
ng.
Ngu n phát th i VOCs có th b t ngu n t ngoài tr i và trong nhà. Ngu n phát
th i VOCs ngoài tr i r
ng: nhiên li u t xe c , ho
ng trông công nghi p
hóa ch t,... Ngu n phát th i trong nhà ph bi n nh t bao g m s n ph m tiêu dùng
(ch t t y r a,..), v t li u xây d
i nhi t,..
Hình 2.1. Ngu n g c c a VOCs (EEA, 2017)
4
B ng 2.1. Các thành ph n ph bi n trong VOCs [10]
Các lo i VOCs
Ví d
Aldehide
Formaldehyde, Acetaldehyde
Chloro hydrocarbons
Methyl chloride, Carbon tetrachloride
Esters
Ethyl acetate
Alcohols
Isopropyl alcohol, l Ethylene glycol
Alkanes
Hexane, heptane
Ketone
Acetone, Methyl ethyl ketone
Ethers
Mono methyl ether
Aromatics
Benzene, toluene, Xylene, Styrene, Naphthalene
Hi n nay, m
i dành ph n l n th i gian
công c ng nh m tránh khơng khí khói b
cho th
trong nhà ho
m
ng ph , Tuy nhiên, nhi u nghiên c u
ng VOCs bên trong nhà có th c
n so v i bên ngồi và có khi
n sau khi m t l
ng
B ng 2.2. M t s ngu n VOCs c th
công c ng [11]
Ngu n phát th i
H p ch t
Paradichlorobenzene
Dung d ch kh mùi phòng
Methylene chloride
Ch t t
Formaldehyde
Các s n ph m t g
Styrene
Ch t kh trùng, ch t d
Acetaldehyde
Keo, ch t kích thích, ch t kh mùi, nhiên li u
Acrolein and cotton
D u h a, g s i, ph ph m c
Toluene disocyanate
Bình phun, b t Polyurethane
Benzyl chloride
Nh a vinyl d o ch a butyl benzyl phthalate
Ethylene oxide
Thi t b kh trùng (b nh vi n)
Volatile amines
S xu ng c p c a v t li u xây d ng có ch a
casein
5
d ng
tg
Benzene
Hút thu c lá
Tetrachloroethylene
Gi t khô
c Clo (t m, r a, gi
Chloroform
Carbon tetrachloride
Thi t b làm s ch trong công nghi p
H p ch
(Toluene, Ethylbenzene,
tk
n ph
t
tk
n ph
t
Trimethylbenzenes)
Aliphatic hydrocarbon
(Octane, decane, undecane)
2.1.2. Tác h i c a VOCs.
VOCs trong các dịng khí là các ch t gây ô nhi m ti m tàng do tính n ng mùi
c h i c a chúng. Gây kích ng m t và c h ng, t
u ti p xúc trong th i gian dài có th d
th n kinh
Vì v y vi c lo i
b và ki m soát phát th i VOCs là vi c h t s c quan tr ng [12].
Hình 2.2. Tác h i c
n s c kh
6
i [13]
n làm m lên toàn c u, s suy gi m ozone t ng
t b i m n. VOCs có th ph n ng quang hóa v i
t tr i, t
quang hóa.
VOCs + ánh sáng + NO2 + O2
Hình 2.3.
7
O3 + NO + CO2 + H2
2.2.
Titanium Oxide (TiO2)
Trong s các ch t bán d n, nano TiO2
nh t cho vi c x lý ô nhi
c coi là ch t xúc tác quang h a h n
c và khơng khí.
2.2.1. Gi i thi u
TiO2 t n t i d ng b
t i
d ng tinh th
ng có màu tr ng tuy t
u ki
ng. TiO2 t n
ng có 3 d ng thù hình: Rutile, Anatase và Brookite. Ngồi 3
d ng thù hình nói trên thì TiO2 cịn t n t i
d
lâu trong khơng khí, ho c khi nung nóng s chuy n sang d ng Anatase.
Hình 2.4. C u trúc m ng Anatase c a TiO2.
Hình 2.5. C u trúc m ng Rutile c a TiO2.
8
n do
C u trúc m ng tinh th c
c t o thành t
nh oxi chung. M i Ti4+
các bát di n TiO6 n i v i nhau qua c nh ho
c bao
quanh b i tám m t t o b i sáu ion O2-.
Hình 2.6. Hình kh i bát di n c a TiO2.
Các d ng tinh th
u thu c h tinh th Tetragonal. Tuy nhiên
trong tinh th Anatase kho ng cách Ti-Ti l
v i Rutile. Tr t t s p x p các bát di n d
ng cách Ti-O ng
n s khác nhau v t kh
ng
vùng c m (Ebangap) c a 2 m ng tinh th [14].
B ng 2.3. T kh
ng vùng c m TiO2.
Rutile
Anatase
T kh i (g/cm3)
4,250
3,894
Ebangap (eV)
3,1
3,2
Trong xúc tác quang, 2 d
c s d ng là anatase và rutile. Tuy
nhiên, Anatase th hi n ho
ng còn l i.
2.2.2. Q trình quang hóa xúc tác
Các
c x y ra trong q trình quang hóa:
-
X y ra q trình truy n kh i gi a VOCs v i b m t TiO2.
-
H p ph VOCs trên b m t TiO2.
-
Quang hóa xúc tác các ch t b h p ph trên b m t TiO2.
-
Gi i h p s n ph m trung gian trên b m t.
9
-
T i b m t TiO2, các h p ch t trung gian ti p t c quá trình truy n kh i t
n b m t.
hình thành g c t do hydroxyl.
e-- electron
Band Gap
TiO2 3.2 ev
h > Ebangap
+ hole
e--
e--
e--
e--
e--
e--
e--
e--
e--
e--
e--
e--
e--
e--
e--
e--
e--
Valence Band
Hình 2.7. Gi
ng obitan liên k t c a TiO2 trong Anatase
Theo lý thuy t vùng, c u
orbitan phân t liên k
cx
n t c a kim lo i g m 3 vùng. Vùng ch a
electron, có m
ng th p nh t là vùng
hóa tr (VB). Vùng ch a Orbitan phân t ph n liên k t còn tr ng electron, có m c
ng cao nh t là vùng d n (CB), còn g
nt
ng. Vùng c m
- vùng n m gi a vùng hóa tr và vùng d n, khơng có m
t không th t n t i trên vùng c m. Kho ng cách gi
tr g
r ng vùng c
v t li u d
n
nh vùng hóa
ng vùng c m (Band Gap). S khác nhau v
n, v t li
n và v t li u bán d n chính là s khác nhau
ng vùng c p, khi nh ng ch
v trí
ng vùng c p Ebangap th
eV là ch t bán d n.
TiO2 là m t ch t bán d
ng vùng c m Eg = 3,2 eV, n
chi u sáng b
c sóng <388 nm tia UVA) thì
r ng vùng c
tr s nh y lên vùng d
c
n t (e-CB) b kích thích t vùng hóa
l i l tr ng (h+VB) trong vùng hóa tr . Quá trình di n ra
e-CB + h+VB
TiO2
10
C
n t và l tr ng sinh ra s di chuy
n
n b m t c a h t xúc tác, t
c s x y ra ph n ng t o g c hydroxyl
h+VB + H2O
+ H+
h+VB + OH
M t khác, khi xu t hi n electron quang sinh trên vùng d n (e-CB), các electron
n ra b m t h t xúc tác, n u có m t oxy h p ph trên b
m t ch t xúc tác s x y ra các ph n ng kh t o g c ion superoxit ( O2-) trên b m t
và ti p sau s x y ra ph n ng v
e-CB + O2
c và t o g c hydroxyl
O2 (G c ion superoxit)
2 O2 + 2H2
2 O2
H2O2 + e-CB
+ 2OH + O2
OH + OH
Ion OH- l i có th tác d ng v i l tr ng quang sinh nên vùng hóa tr h+VB t o
ra thêm g c
M t khác, các electron quang sinh trên vùng d n e-CB
ng tái k t h p
v i các l tr ng quang sinh trên vùng hóa tr h+VB kèm theo gi i phóng nhi t ho c ánh
sáng.
e-CB + h+VB
t và/ho c ánh sáng
ph n ng c a g c hydroxyl.
M t khi g c t
c hình thành, l p t c x y ra hàng lo t các ph n ng k
ti p theo ki u dây chu i ng v i nh ng g c ho
ng m i. Vì v y, s hình thành g c
t các ph n ng x y ra k ti p trong
dung d ch. Vì ph n ng c a g c hydroxyl x y ra không ch n l a, nên trong quá trình
o ra nhi u s n ph
t c nh ng s n ph m
oxy hóa trung gian có th t o ra trong quá trình.
11
Hình 2.8.
G c hydroxyl OH có th
-
ch q trình quang hóa [15]
ng các ch t ơ nhi m theo các ki
Ph n ng c ng v i các h p ch t không no dây th ng ho
g c m i hydroxylat ho
ng:
OH + CH2=CH2
-
Ph n
c và
ng:
OH + CH3-CO-CH3
-
CH2-CH2(OH)
Ph n ng tách hydrogen t các h p ch t no ho c không no, t
g c m i ho
o ra
CH2COCH3 + H2O
n t t o ra g c ion m i ho
OH + CH3-S-C6H5
ng:
3-S-C6H5]
+
+ OH
Quá trình ph n ng ti p t c phát tri n nh các g c t do m i sinh ra theo ki u
ph n ng dây chu
c dây chu i b
t.
M
n cu i cùng c a q trình oxi hóa các ch t ơ nhi m là
chuy n hóa các ch t ơ nhi m h
c h i.
OH + VOC + O2
12
2
+ mH2O