Tải bản đầy đủ (.pdf) (89 trang)

Tổng hợp cacbon nanodots trên tio2 và ứng dụng làm xúc tác quang xử lý vocs

Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (1.34 MB, 89 trang )

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


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



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


×