Báo cáo tiểu luận quang xúc tác nano titan oxide

Báo cáo tiểu luận
CBGD: PGS. TS. NGUYỄN NGỌC HẠNH
HVTH: NGUYỄN THANH THẢO UYÊN
MSHV: 11054193
THÁNG 11/2012
QUANG XÚC TÁC
NANO TITAN OXIDE
2
NỘI DUNG BÁO CÁO
1. TỔNG QUAN
• Vật liệu titan oxide (TiO
2
)
• Phản ứng quang xúc tác
2. ỨNG DỤNG
• Oxy hóa các hợp chất hữu cơ
• Oxy hóa chất khí
3. KẾT LUẬN
3
1. TỔNG QUAN
Đặc điểm vật liệu TiO
2
• Không đắt tiền;
• Chất oxy hóa mạnh;
• Không độc hại;
• Bền quang.
4
a) Anatase b) Rutile c) Brookite
Hình 1. Cấu trúc tinh thể TiO
2
1. TỔNG QUAN

Cấu trúc vật liệu TiO
2
5
Rutile
Anatase
Hình 2: Góc bát diện trong cấu trúc tinh thể TiO
2
1. TỔNG QUAN
Cấu trúc vật liệu TiO
2
6
1. TỔNG QUAN
Cấu trúc vật liệu TiO
2
Bảng 1: Tỉ khối và năng lượng vùng cấm TiO
2
Rutile Anatase
Tỉ khối ρ (g/cm
3
) 4,250 3,894
E
bangap
(eV) 3,1 3,2
7
• Quá trình quang xúc tác là một trong những
quá trình oxy hóa nâng cao nhờ tác nhân
ánh sáng.
1. TỔNG QUAN
Quang xúc tác
Advanced Oxidation Process

(AOP)
8
• Quá trình oxy hóa nâng cao được định nghĩa
là những quá trình phân hủy oxy hóa dựa vào
gốc tự do hoạt động hydroxyl *OH được
tạo ra in situ ngay trong các quá trình xử
l
ý.
1. TỔNG QUAN
Quang xúc tác
9
1. TỔNG QUAN
Quang xúc tác
Zhou, H. and Smith, D.H., 2001
10
1. TỔNG QUAN
Quang xúc tác
US EPA, 1998; US EPA. 2001
11
1. TỔNG QUAN
Quang xúc tác
12
1. TỔNG QUAN
Cơ chế hình thành gốc tự do hydroxyl *OH
e
-
e
-
e
-

e
-
e
-
e
-
e
-
e
-
e
-
e
-
e
-
e
-
e
-
e
-
e
-
e
-
e
-
e
-

e
-
Vùng hóa trị (VB)
Vùng dẫn (CB)
- electron
+ hole
Band gap
TiO
2
3,2 eV
hυ
h
+
VB
+ H
2
O → *OH + H
+
h
+
VB
+
-
OH → *OH
e
-
CB
+ O
2
→ *O

2
-
(Gốc ion superoxit)
2*O
2
-
+ 2H
2
O → H
2
O
2
+ 2OH
-
+ O
2
H
2
O
2
+ e
-
CB
→ *OH + OH
-
®
13
Gốc hydroxyl *OH có thể tác kích với các
chất ô nhiễm theo các kiểu sau đây:
i) Phản ứng cộng với các hợp chất không no

dây thẳng hoặc vòng thơm, tạo ra gốc mới
hydroxylat hoạt động:
*OH + CH
2
=CH
2
→ *CH
2
-CH
2
(OH)
1. TỔNG QUAN
Cơ chế và phương thức phản ứng của *OH
14
Gốc hydroxyl *OH có thể tác kích với các
chất ô nhiễm theo các kiểu sau đây:
ii) Phản ứng tách hydrogen từ các hợp chất
no hoặc không no, tạo thành nước và gốc
mới hoạt động:
*OH + CH
3
-CO-CH
3
→ *CH
2
COCH
3
+ H
2
O

1. TỔNG QUAN
Cơ chế và phương thức phản ứng của *OH
15
Gốc hydroxyl *OH có thể tác kích với các
chất ô nhiễm theo các kiểu sau đây:
iii) Phản ứng trao đổi điện tử tạo ra gốc ion
mới hoạt động:
*OH + CH
3
-S-C
6
H
5
→ [CH
3
-S-C
6
H
5
]
+
* + OH
-
1. TỔNG QUAN
Cơ chế và phương thức phản ứng của *OH
16
Quá trình phản ứng tiếp tục phát triển nhờ
các gốc tự do mới sinh ra theo kiểu phản ứng
dây chuỗi cho đến khi vô cơ hóa (khoáng
hóa) hoàn toàn hoặc dây chuỗi bị đứt.

1. TỔNG QUAN
Cơ chế và phương thức phản ứng của *OH
17
2. ỨNG DỤNG
18
2. ỨNG DỤNG
Oxy hóa các hợp chất hữu cơ
19
• Dệt nhuộm và ngành công nghiệp thuốc
nhuộm tạo nên phần lớn các hợp chất hữu cơ
nguy hại đối với môi trường.
• Khoảng 1 – 20% tổng lượng thuốc nhuộm
thoát ra trong suốt quá trình nhuộm và giải
phóng ra môi trường.
• Giải phóng những chất màu ra nước thải
làm ô nhiễm thẩm mĩ và có thể tạo ra các sản
phẩm phụ nguy hiểm thông qua quá trình
oxy hóa trong nước thải.
2. ỨNG DỤNG
Oxy hóa các chất màu
20
Phương pháp cổ điển:
 Hấp phụ trên than hoạt tính;
 Siêu lọc;
 Thẩm thấu ngược;
 Keo tụ bởi tác nhân hóa học;
 Trao đổi ion;
……
2. ỨNG DỤNG
Oxy hóa các chất màu

21
H. Lachheb và các cộng sự, năm 2002 đã
khảo sát xúc tác quang hóa TiO
2
dạng dung
dịch huyền phù khi chiếu xạ UV phân hủy 3
loại thuốc nhuộm: Congo Red (CR), Crocein
Orange (OG), và Methyl Red (MR)
2. ỨNG DỤNG
Oxy hóa thuốc nhuộm
H. Lachhed et al., Appl. Catal. B: Environ. 39, 75 (2002)
22
2. ỨNG DỤNG
Oxy hóa thuốc nhuộm
H. Lachhed et al., Appl. Catal. B: Environ. 39, 75 (2002)
23
2. ỨNG DỤNG
Oxy hóa
trên
thuốc nhuộm
Acid Orange 7
(AO 7) khi sử
dụng xúc tác
quang hóa TiO
2
W.Z. Tang, H. An, Chemosphere 31 (1995) 4157.
V. Meshko, L. Markovska, M. Mincheva, A.E. Rodrigues,
Wat. Res. 35 (2001) 3357.
W.S. Kuo, P.H. Ho, Chemosphere 45 (2001) 77.
C. Galindo, P. Jacques, A. Kalt, Chemosphere 45 (2001) 997.

24
2. ỨNG DỤNG
Oxy hóa thuốc nhuộm aminoazobenzen (acid orange 52)
C. Galindo et al., 2000 C. Baiocchi, M.C. Brussino et al., 2002
25
 Trong công nghiệp và trong cuộc sống
hằng ngày, hợp chất phenol được sử dụng
rộng rãi và trở thành nguồn ô nhiễm chính
trong nước.
 Bởi vì tính ổn định khó phân hủy nên
chúng tồn tại trong môi trường khá dài.
 Độc tính cao và có khả năng gây ung thư
của những chất này là nguyên nhân gây ảnh
hưởng của hệ sinh thái môi trường nước đối
với sức khỏe con người
2. ỨNG DỤNG
Oxy hóa phenol