nghiên cứu chế tạo vật liệu tio2/sợi sio2 để xử lý aldehyt trong môi trường không khí

Trường ĐH Mỏ - Địa Chất ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
DANH MỤC BẢNG
Trang
Bảng 2.1. Thông số vật lý của Anatase và Rutile Error: Reference source not found
Bảng 2.2. Đặc trưng của phổ ánh nắng mặt trời (trong ngày không mây) Error:
Reference source not found
Bảng 2.3. Các ứng dụng của xúc tác quang hóa TiO
2
[ 12. Kaneko M., Okura I.
(2002), Photocatalysis: Science and Technology, Springer-Verlag Berlin Heidelberg
New York, Japan]. Error: Reference source not found
Bảng 4.1 Bảng đánh giá khả năng xử lý của các loại vật liệu Error: Reference
source not found
Bảng 5.1. Chi phí cho việc thiết kế test box 54 Error: Reference source not found
DANH MỤC HÌNH
Hình 2.1 Cấu trúc của rutile và anatase Error: Reference source not found
Hình 2.2 Minh họa quá trình kích thích trong xúc tác quang hóa Error: Reference
source not found
Hình 3.1. Quy trình tẩm phủ nano TiO
2
lên bông thạch anh Error: Reference source
not found
Hình 3.2. Kính hiển vi điện tử quét S4800 Error: Reference source not found
Hình 4.1. Ảnh chụp của bông thạch anh Error: Reference source not found
Hình 4.2 Giản đồ XRD của SiO
2
Error: Reference source not found
Hình 4.4. Giản đồ XRD của vật liệu so sánh - mẫu 2 Error: Reference source not
found
Hình 4.5. Ảnh SEM của mẫu 1- do đề tài chế tạo . Error: Reference source not found
Hình 4.6. Ảnh SEM của mẫu 2- mẫu chuẩn của Pháp Error: Reference source not

found
Hình 4.7. Mẫu TiO
2
/SiO
2
sau 1 lần tẩm phủ: (A) của đề tài; (B): mẫu đối chứng;
và (C): chiều dày lớp phủ Error: Reference source not found
Hình 4.8. Sơ đồ test box Error: Reference source not found
Hình 4.9 Khảo sát sự thay đổi nồng độ aldehyt đối với các loại vật liệu đã chế tạo
khi có nguồn ánh sáng kích hoạt Error: Reference source not found
Sinh viên : Đỗ Trọng Hà Lớp : Địa Sinh Thái K51
1
Trường ĐH Mỏ - Địa Chất ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
MỞ ĐẦU
Xử lý ô nhiễm không khí ở nước ta từ trước đến nay ít được quan tâm nghiên
cứu triển khai. Hầu hết các công nghệ xử lý ô nhiễm môi trường chỉ tập trung vào
làm sạch nước, xử lý nước thải mà chưa thực sự đầu tư vào làm sạch môi trường
không khí mặc dù ô nhiễm không khí đã đến mức báo động. Các biện pháp như
tuyên truyền giáo dục, tăng cường diện tích cây xanh, quy hoạch hợp lý các công
trình dân sinh… chỉ giảm thiểu một phần ô nhiễm không khí. Vì vậy, các biện pháp
công nghệ như quá trình oxy hóa – khử kết hợp, hấp phụ, lọc khí… cần thiết phải áp
dụng. Trong đó, các giải phảp chế tạo các màng lọc vật liệu kích thước nano vừa có
khả năng hấp phụ lại vừa có khả năng xúc tác để diệt khuẩn, nấm mốc, xử lý nguồn
khí thải phân tán trong không khí rất hiệu quả và tiềm năng.
Hiệu ứng quang xúc tác của vật liệu nano, đặc biệt là nano Titandioxit –
TiO
2
được coi là cơ sở khoa học đầy triển vọng cho các giải pháp kỹ thuật xử lý ô
nhiễm không khí. Vật liệu nano – TiO
2

được sản xuất đại trà trên thế giới với giá
thành không đắt (vài chục đô la/kg), công nghệ chế tạo không đòi hỏi các trang thiết
bị đắt tiền nên có thể thực thi trong điều kiện thực tế ở Việt Nam.
TiO
2
là chất bột màu trắng, rất bền, không độc và rẻ tiền. TiO
2
với cấu trúc tinh thể
nano từ 5 -50 nanomet có hoạt tính quang xúc tác mạnh, đã được nghiên cứu để ứng
dụng trong xử lý các chất độc hại trong môi truờng với ưu điểm nổi bật hơn so với
các quá trình khác là :
 Sự phân hủy các chất hữu cơ có thể đạt đến mức vô cơ hóa hoàn toàn.
 Chi phí đầu tư và vận hành thấp.
 Quá trình oxy hóa được thực hiện trong điều kiện nhiệt độ và áp suất
bình thường.
 Hầu hết các chất độc hữu cơ đều có thể bị oxy hóa thành sản phẩm
cuối cùng là H
2
O và CO
2
.
TiO
2
phủ lên các chất mang (gạch men, các thiết bị vệ sinh, kính cửa sổ…)
bằng công nghệ sol-gel hay một số công nghệ khác có khả năng làm sạch, diệt vi
khuẩn, nấm mốc, khử mùi hôi và phân hủy các khí độc hại NO
x
, SO
x
, VOCs. Trong

số các chất mang được kể đến là sợi bông thạch anh có bề mặt xốp màu trắng có
diện tích bề mặt tiếp xúc rất lớn (trọng lượng riêng 200 g/m
2
, bề mặt riêng 40 m
2
/g)
là vật liệu rất phù hợp cho mục đích tẩm phủ TiO
2
để xử lý các chất ô nhiễm, các
mùi hôi trong môi trường không khí.
Các mùi hôi phát sinh trong văn phòng, công ty chủ yếu là foocmaldehyt và các hợp
chất của nó. Foocmaldehyt được sinh ra từ các đồ nội thất như bàn, ghế, tủ… gây
Sinh viên : Đỗ Trọng Hà Lớp : Địa Sinh Thái K51
2
Trường ĐH Mỏ - Địa Chất ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
mùi khó chịu, ở nồng độ cao ảnh hưởng tới hệ thần kinh. Sử dụng vật liệu TiO
2
để
xử lý là vấn đề cần thiết.
Chính vì vậy đề tài ‘’Nghiên cứu chế tạo vật liệu TiO
2
/sợi SiO
2
để xử lý
aldehyt trong môi trường không khí’’ được thực hiện. Sản phẩm mang tính công
nghệ cao, thực sự có ý nghĩa nâng cao hiệu quả làm sạch môi trường không khí.
Đồng thời mang tính kinh tế - xã hội, sử dụng vật liệu rẻ tiền, giá cả phù hợp với
thực tế Việt Nam nhưng chất lượng không thua kém sản phầm nước ngoài. Đây là
các vấn đề lần đầu tiên được triển khai ở dạng nghiên cứu và thử nghiệm thực tế.
Nội dung chính của đề tài bao gồm:

 Nghiên cứu, chế tạo vật liệu TiO
2
/SiO
2
.
 Đánh giá các hoạt tính quang xúc tác của vật liệu đã chế tạo qua xử lý
các chất ô nhiễm trong không khí (xử lý mùi hôi: aldehyt) do các đồ dùng
gây nên trong văn phòng.
 Nghiên cứu chế tạo mô hình thử nghiệm (test box) với dung tích 1m
3
(1mx1mx1m) để thử nghiệm khả năng xử lý aldehyt với nồng độ phát thải
tương đương với môi trường thực tế.
Sinh viên : Đỗ Trọng Hà Lớp : Địa Sinh Thái K51
3
Trường ĐH Mỏ - Địa Chất ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
LỜI CẢM ƠN
Tôi xin bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc tới TS. Nguyễn Thị Huệ - Viện phó
Viện Công nghệ môi trường - Trưởng phòng phân tích Chất lượng Môi trường Viện
Công nghệ môi trường - Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam và TS. Đỗ Văn
Bình – Trưởng bộ môn Địa Sinh Thái & Công nghệ Môi trường – Trường đại học
Mỏ - Địa chất đã hướng dẫn tận tình, chu đáo và tạo mọi điều kiện tốt nhất cho tôi
hoàn thành đồ án tốt nghiệp này.
Tôi cũng chân thành cảm ơn tập thể cán bộ phòng phân tích Chất lượng Môi
trường Viện Công nghệ môi trường - Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam và
các thầy cô giáo trong Bộ môn Địa sinh thái đã tạo điều kiện thuận lợi và giúp đỡ
tôi trong quá trình làm thực nghiệm.
Trong quá trình thực hiện đề tài do trình độ và thời gian còn hạn chế nên
không tránh khỏi sai sót mong được các ý kiến đóng góp của thầy cô giáo và các
bạn.
Tôi xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, ngày tháng năm 2011
Sinh viên
Đỗ Trọng Hà
Sinh viên : Đỗ Trọng Hà Lớp : Địa Sinh Thái K51
4
Trường ĐH Mỏ - Địa Chất ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
PHẦN I
PHẦN CHUNG VÀ CHUYÊN MÔN
Sinh viên : Đỗ Trọng Hà Lớp : Địa Sinh Thái K51
5
Trường ĐH Mỏ - Địa Chất ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ Ô NHIỄM KHÔNG KHÍ VÀ ALDEHYT
1.1. Ô nhiễm không khí và aldehyt
1.1.1. Định nghĩa :
Hiện nay ô nhiễm không khí đang là một vấn đề bức xúc đối với môi trường
đô thị, công nghiệp và các làng nghề ở nước ta hiện nay. Ô nhiễm không khí có tác
động xấu đến sức khỏe con người đặc biệt là các bệnh về hô hấp. Ngoài ra ô nhiễm
không khí còn gây ảnh hưởng đến các hệ sinh thái và biến đổi khí hậu (mưa axit,
hiệu ứng nhà kính, suy giảm tầng ozon…). Quá trình công nghiệp hóa và đô thị hóa
phát triển càng mạnh thì nguồn gây ô nhiễm không khí càng nhiều làm cho chất
lượng không khí ngày càng xấu đi do vậy vấn đề bảo vệ môi trường không khí càng
trở nên cấp thiết.
Định nghĩa về ô nhiễm không khí:
Ô nhiễm không khí là sự có mặt của các chất khí trong bầu khí quyển do hoạt
động của con người hoặc tự nhiên có nồng độ đủ lớn và thời gian đủ lâu để tác động
đến con người và môi trường.
Tuy nhiên, chúng ta thường nghĩ rằng ô nhiễm không khí chỉ là vấn đề gây ra
bởi công nghiệp hoặc giao thông - và điều đó đúng - nhưng còn vấn đề ô nhiễm
trong nhà thì sao? Trong khoảng 30 năm trở lại đây, người ta đã quan tâm nhiều
hơn đến việc giảm ô nhiễm trong nhà, nhưng chỉ gần đây cộng đồng khoa học quốc

tế lo lắng về việc giảm ô nhiễm không khí của những môi trường khép kín. Các
nghiên cứu của Mỹ và châu Âu cho thấy, con người ở các nước công nghiệp dành
hơn 90% thời gian của họ ở trong nhà. Nồng độ của nhiều chất ô nhiễm trong nhà
vượt nồng độ của chúng ở ngoài trời. Cơ quan Bảo vệ môi trường Mỹ nghiên cứu
sự phơi nhiễm của con người đối với các chất ô nhiễm trong không khí chỉ ra rằng,
nồng độ trong nhà của các chất ô nhiễm có thể cao hơn 2-5 lần và đôi khi cao hơn
100 lần so với nồng độ ngoài trời. Theo nghiên cứu của Tổ chức Y tế Thế giới
(WHO), ô nhiễm không khí trong nhà chủ yếu gây ra bởi việc đốt nhiên liệu rắn,
được ước tính làm chết hơn 50.000 trẻ em hằng năm (dưới 4 tuổi) tại châu Âu.
Vậy ô nhiễm trong nhà là gì? Ô nhiễm trong nhà là sự ô nhiễm khi "có sự
hiện diện của các chất ô nhiễm có tính chất vật lý, hóa học hoặc sinh học trong
không khí của các môi trường bị giới hạn, mà các chất này không hiện diện một
cách tự nhiên với số lượng lớn trong không khí ngoài trời của hệ sinh thái" (Bộ
Môi trường Ý, 1991).
1.1.2. Tác hại của ô nhiễm môi trường không khí.
Sinh viên : Đỗ Trọng Hà Lớp : Địa Sinh Thái K51
6
Trường ĐH Mỏ - Địa Chất ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Ô nhiễm môi trường không khí thường gây ra một số bệnh về đường hô hấp
và hệ tuần hoàn như viêm phổi, bệnh ngoài da, mắt. Theo ước tính, mỗi năm có
khoảng 3 triệu người bị chết vì hít phải khí độc trong các căn hộ chật chội. Bụi mịn
gây các bệnh như hen suyễn, viêm phế quản mãn tính, ung thư phổi. Trẻ em và
người già dễ bị các bênh này. Theo dự đoán của Tổ chức Y tế Thế giới (WHO) mỗi
năm có khoảng 865.000 trường hợp tử vong do ô nhiễm môi trường không khí gây
nên.
Qua điều tra 2.239 hộ gia đình với hơn 1 vạn thành viên gia đình trong đó có
6.021 học sinh và 1.368 cán bộ đang học tập và công tác tại 3 nhóm ngành nghề da
giày và vật liệu xây dựng tại 4 công ty trên địa bàn Hà Nội, đã cho kết quả như sau:
bênh tại mùi họng chiếm tỷ lệ cao nhất 21,4% sau đó đến viêm mũi dị ứng 10,7%,
hen phế quản 9,9%, cảm cúm 8,9% viêm phổi, viêm phế quản 8,3%, các bệnh ngoài

da và mắt 3 -5%. Các triệu chứng đường hô hấp chiếm tỷ lệ cao nhất là tắc ngạt mũi
(16%), chảy nước mũi (13,6%), viêm họng (9,8%), ho (7,4%). Thời điểm có dấu
hiệu tổn thương đường hô hấp nhiều nhất là lúc tỉnh dậy, chiếm 63,9%.
Điều tra một số quận huyện trên địa bàn thành phố Hà Nội, kết quả cho thấy, quận
Hoàng Mai có tỷ lệ cao nhất, chiếm 26,6 -33,9%, thấp nhất là quận Hoàn Kiếm (2,9
-7,6%). Ngoài ra, có tới 4,1% người đã từng mắc các bệnh da liễu, 11,4% mắc các
bệnh về mắt, trong đó cao nhất là quận Hoàng Mai, Đống Đa, Thanh Xuân. Theo
đó, những người có thời gian sống ở Hà Nội trên 10 năm có tỷ lệ mắc các bệnh mãn
tính về tai mũi họng (24,5%) cao hơn những người sống dưới 3 năm (12,5%); các
bệnh cấp tính như cảm cúm, trên 10 năm là 11,5% và dưới 3 năm chỉ chiếm 5,8%.
Như vậy, thời gian sống càng lâu thì xu hướng mắc các bệnh cấp tính và mãn
tính về tai mũi họng, cảm cúm cao hơn những người có thời gian sống ít hơn (dưới
3 năm, tỷ lệ măc bệnh hen phế quản là 2,3%, từ 3 đến 10 năm là 13,3%). Trong đó,
các bệnh hay gặp nhất là hen phế quản, viêm xoang, viêm mũi dị ứng và viêm phế
quản chiếm từ 3,5% - 7,9%.
1.1.3. Các điều kiện ảnh hưởng đến sự phát tán của các chất trong không khí
a, Tốc độ gió
Ảnh hưởng đến tốc độ lan truyền của các chất ô nhiễm trong môi trường
không khí. Với vận tốc gió lớn thì khả năng lan truyền chất ô nhiễm xa và có có tác
dụng pha loãng nhanh đối với không khí sạch.
Tuy nhiên, khi vận tốc gió nhỏ các chất ô nhiễm không bị phát tán nồng độ
các chất ô nhiễm trong không khí cao.
b, Lượng mưa
Sinh viên : Đỗ Trọng Hà Lớp : Địa Sinh Thái K51
7
Trường ĐH Mỏ - Địa Chất ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Mưa có tác dụng hòa tan và cuốn theo lượng chất ô nhiễm có trong không
khí, chuyển một phần chất ô nhiễm vào trong môi trường nước qua đó làm giảm
nồng độ của chất ô nhiễm trong không khí. Nói cách khác mưa cũng là một phương
pháp làm sạch không khí.

c, Sự nghịch đảo nhiệt độ
Quá trình nghịch đảo của nhiệt độ cũng làm biến đổi nồng độ của các chất
trong không khí, bởi nó ảnh hưởng đến quá trình lan truyền của các chất ô nhiễm
trong không khí và làm ảnh hưởng đến quá trình tác động của các chất ô nhiễm đến
môi trường và cơ thể sinh vật và con người.
d, Rừng cây
Cây xanh có khả năng hấp thụ một số loại chất ô nhiễm có trong không khí,
đồng thời việc quang hợp của cây xanh tạo ra O
2
cũng làm cho không khí trở nên
sạch hơn. Tuy nhiên, cũng phải kể đến quá trình hô hấp tạo ra CO
2
của cây xanh có
thể làm tăng nguy cơ gây hại cho môi truờng không khí khi đã có các tác nhân ô
nhiễm.
e, Địa hình
Yếu tố địa hình có ảnh hưởng đến vận tốc gió, nhiệt độ và phương thức lan
truyền của chất ô nhiễm trong không khí: có thể ngăn cản sự phát tán của các chất ô
nhiễm hoặc là tích tụ các chất gây ô nhiễm.
1.2. Hiện trạng ô nhiễm aldehyt
1.2.1. Tổng quan về aldehyt
Thông thường aldehyt hay được biểu thị bằng foocmaldehyt cho nên đề tài tập trung
vào xác định và xử lý foocmaldehyt.
Foocmaldehyt được gọi bằng nhiều cách khác nhau như methanal,
methylene, oxymethylen, oxomethane và formic aldehyde. Ở nhiệt độ phòng
foocmaldehyt là chất khí không màu, dễ cháy, tính chất hóa học mạnh và dễ dàng
polime hóa. Nhiệt lượng khi đốt chat foocmaldehyt là 4.47 Kcal/gam. Hợp chất này
tan được trong nước, ethanol, diethylether và acetone. Trong nước, foocmaldehyt ở
dạng methylen glycol [CH
2

(OH)
2
] và glycol polymethylen [H(CH
2
O)OH].
Foocmaldehyt thương mại thường dùng ở dạng lỏng 37% trong nước, được gọi là
foocmalin, với 10% methanol là chất ổn định. Foocmaldehyt phân hủy từ từ thành
methanol và CO ở nhiệt độ trên 150
0
C. Khi để foocmaldehyt ngoài trời, nó xảy ra
phản ứng quang hóa tạo ra CO
2
.
Foocmaldehyt có công thức hóa học là CH
2
O; phân tử lượng là 30,03g/mol;
tỉ trọng so với không khí (không khí = 1): 1,04 g/L; nhiệt độ chảy (
0
C): -92; nhiệt độ
sôi (
0
C): -21; tỉ trọng ở 20
0
C: 0,815g/ml. Ngưỡng gây mùi: trong nước có nồng độ
Sinh viên : Đỗ Trọng Hà Lớp : Địa Sinh Thái K51
8
Trường ĐH Mỏ - Địa Chất ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
50 ppm và trong môi trường không khí: 0,5 – 1 ppm. Foocmaldehyt tan trong nước
sạch đến 55% và trong dung môi như ete, alcohol, acetone, benzene. Áp suất bay
hơi ở 25

o
C: 3,883 mm Hg. Thời gian bán phân hủy dưới ánh sang mặt trời tạo ra H
2
,
CO, H
-
và HCO
-
: 1,6 giờ đến 19 giờ.
1.2.2. Nguồn phát sinh
Foocmaldehyt được hình thành chủ yếu trong quá trình đốt cháy các chất
hữu cơ do hoạt động của con người và trong tự nhiên. Ngoài ra, foocmaldehyt còn
được tạo ra do sự oxi hóa các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi (VOCs) tự nhiên cũng
như nhân tạo trong không khí.
a, Nguồn tự nhiên:
Foocmaldehyt tồn tại trong môi trường và là sản phẩm của nhiều quá trình
trong tự nhiên khác nhau như cháy rừng, sự chiếu sang than bùn trong nước bởi ánh
sáng mặt trời.
- Từ các phản ứng trong khí quyển : Hàng ngàn các hợp chất hữu cơ được thải vào
khí quyển từ các nguồn sinh vật. Theo Atkinson và Arey, các hợp chất hữu cơ này
bao gồm: isopren, monoterpenes, ….và các sản phẩm oxi hóa khác. Trong tầng đối
lưu, chúng phản ứng với gốc Hydroxyl, gốc Nitrat, Ozone và đóng vai trò quan
trọng trong các phản ứng ở dưới tầng đối lưu. …Nồng độ tương đối cao của
Formaldehyde ở ngoài trời có thể được tìm thấy trong không khí ở các đô thị bị ô
nhiễm nặng. Ở đây, foocmaldehyt trực tiếp được phát thải vào bầu khí quyển hoặc
do phản ứng quang hóa ở pha khí của gốc Hydroxyl .
- Từ sự đốt cháy ở bên ngoài: Sự đốt cháy gỗ cũng là một nguồn tự nhiên của
formaldehyde. Hedberg đã nghiên cứu quá trình đốt cháy cây bạch dương và chỉ ra
rằng, tỉ lệ phát thải formaldehyde là 180-710 mg/kg gỗ.
Nguồn nhân tạo:

Tổ chức Y tế thế giới WHO đã chỉ ra rằng, phát thải Formaldehyde công
nghiệp có thể xảy ra ở bất cứ giai đoạn nào của sản xuất, lưu trữ, sử dụng, vận
chuyển, hoặc loại bỏ sản phẩm với lượng dư formaldehyde. Sự phát thải
Formaldehyde đã được phát hiện từ các nhà máy hóa chất, nhà máy sản xuất giấy và
bột giấy, nhà máy lốp xe, cao su, sản xuất oto….theo báo cáo của Hoa kì năm 1993,
họ đã cung cấp các phân tích sau đây ước lượng khí Formaldehyde phát thải vào
không khí ngoài trời : Giao thông (70%), máy bay (11%), vận tải (7%) , công
nghiệp chế biến formaldehyde (10%), máy móc thiết bị và thiêu đốt chất thải (1%).
Foocmaldehyt nhân tạo được hình thành do đốt cháy nhiên liệu, sử dụng trực
tiếp foocmaldehyt trong công nghiệp và sinh ra từ các vật liệu xây dựng và sản
phẩm tiêu dùng. Mặc dù foocmaldehyt không có trong thành phần của xăng, dầu
Sinh viên : Đỗ Trọng Hà Lớp : Địa Sinh Thái K51
9
Trường ĐH Mỏ - Địa Chất ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
nhưng nó lại là sản phẩm của quá trình đốt cháy không hoàn toàn vì vậy nó được
phát ra từ các động cơ đốt trong. Lượng phát thải phụ thuộc chủ yếu vào thành phần
nhiên liệu, loại động cơ, nhiệt độ, tuổi và tình trạng của phương tiện vận hành.
Ngoài ra, foocmaldehyt còn được hình thành do quá trình đốt cháy từ lò đốt củi, đun
nấu, lò sưởi, đốt trong nông nghiệp, lò đốt rác, khói thuốc…. Đặc biệt foocmaldehyt
còn được phát hiện trong các sản phẩm gỗ đánh vecni bản gỗ, sơn, thảm, sợi và
nhựa.
Nguồn gốc các chất ô nhiễm trong nhà: Các chất ô nhiễm trong nhà có nguồn gốc
chủ yếu từ:
- Vật liệu xây dựng, thiết bị sưởi ấm, máy lạnh, hoạt động đun nấu, đồ đạc; vật liệu
che phủ (sơn tường, véc-ni, tấm lót nền nhà ).
- Sản phẩm bảo trì và tẩy rửa (bột giặt, thuốc trừ sâu, v.v); sử dụng không gian và
các hoạt động đã thực hiện trong không gian đó.
- Khói thuốc lá, bụi và lông từ thú vật, phấn hoa, mạt, mốc, nấm và vi khuẩn. Nhiệt
độ và độ ẩm cao cũng có thể làm tăng nồng độ của một số chất ô nhiễm.
- Chất ô nhiễm không khí ngoài trời cũng có thể gây vấn đề cho không khí bên

trong, đặc biệt vào những ngày đẹp trời hoặc nắng nóng khi các cửa sổ được mở ra.
1.2.3. Tác động của aldehyt đến môi trường và sức khỏe của con người và sinh vật
Một số hiện tượng khi tiếp xúc với foocmaldehyt:
Hít phải: Gây đau nhức cổ họng, ho và thở ngắn. Gây rát và dị ứng hệ hô
hấp. Liều lượng từ 25 đến 30 ppm gây tổn thương hệ hô hấp nặng dẫn đến phù và
viêm phổi. Gây bệnh mãn tính ở nồng độ cao.
Nuốt phải: Gây đau bụng, nôn mửa dữ dội, nhức đầu và tiêu chảy. Liều lớn
gây giảm than nhiệt, ảnh hưởng đến hệ tiêu hóa, khó thở, mạch không đều gây bất
tỉnh và dẫn đến tử vong.
Tiếp xúc da: Foocmaldehyt là một chất kích thích và gây dị ứng da nghiêm
trọng. Tiếp xúc trực tiếp làm da bạc màu trắng, gây cảm giác nhức nhối.
Tiếp xúc mắt: Hơi foocmaldehyt làm rát, đỏ mắt, đau và bỏng. Foocmaldehyt
văng vào mắt hay mắt tiếp xúc nhiều gây nguy nhiểm lâu dài.
Tiếp xúc thường xuyên: Ảnh hưởng foocmaldehyt thường xuyên và lâu dài
dẫn đến viêm da. Tiếp xúc foocmaldehyt trực tiếp với da thường xuyên và lâu dài
gây dị ứng da, suy yếu thị lực.
Phôi nhiễm HCHO lớn có thể gây chết người, HCHO chuyển hóa thành axit
focmic làm tăng hoạt động của tim, làm giảm thân nhiệt dẫn đến hôn mê và tử vong.
Năm 2004, Cơ quan quốc tế Nghiên cứu ung thư (IARC) đã phân loại formaldehyde
là chất gây ung thư cho con người (nhóm 1). Đánh giá này dựa trên các thông tin về
Sinh viên : Đỗ Trọng Hà Lớp : Địa Sinh Thái K51
10
Trường ĐH Mỏ - Địa Chất ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
mối quan hệ giữa bệnh ung thư vòm họng và bệnh bạch cầu liên quan đến việc tiếp
xúc với formaldehyde. Từ năm 1991, U.S.EPA (United States Environmental
Protection Agency) đã quan tâm đến formaldehyde như là một chất gây ung thư của
con người.
1.2.4. Ứng dụng của aldehyt
Formaldehyde là một nguyên liệu hóa chất cho rất nhiều quá trình công
nghiệp. Nó cũng được dùng làm chất bảo quản, thuốc khử trùng và chất diệt khuẩn.

Vì thế, nó có liên quan tới môi trường trong nhà, nó được sử dụng như là một thành
phần kết dính của nhựa phản ứng nhiệt. Chất kết dính Ure – Formaldehyde (UF)
(còn được gọi là aminoplast) là những sản phẩm phổ biến nhất được sử dụng trong
sản xuất gỗ và đồ nội thất do nó có thể khắc phục lỗi một cách nhanh chóng, hiệu
quả và giá thành thấp. Melamine –urea – Formaldehyde (MUF) là một chất kết dính
tương tự như UF. Nó được sản xuất bằng cách trộn hỗn hợp UF với melamine –
formaldehyde (MF) hoặc bằng cách cô đặc tất cả monome cùng một lúc. Chất kết
dính Phenol- Formaldehyde (PF) rất ổn định và có khả năng chịu nước, và khả năng
kết dính cao đối với gỗ. Trước đó, nhựa làm bằng PF cũng được biết đến như là
Bakelite (nhựa tổng hợp), được sử dụng làm vỏ bọc cho điện thoại, radio….
Chất kết dính Melamine-urea –phenol- formaldehyde (MUPF) được sử dụng
để sản xuất gỗ chống ẩm và vật liệu xây dựng. Sau đây là tóm tắt về ứng dụng của
formaldehyde được sử dụng trong sản xuất :
- Sản xuất các sản phẩm gỗ (tấm ván, gỗ dán….)
- Sản phẩm ván bằng giấy để cách nhiệt và cách âm
- Các vật liệu cách điện được làm từ UF
- Sản phẩm giấy
- Phủ vật liệu, sơn, sơn mài có chứa formaldehyde là chất bảo quản
- Dệt may
- Thuốc khử trùng và chất bảo quản
- Quá trình quang hóa hóa học
- Mỹ phẩm
1.3. Các phương pháp xử lý aldehyt đang áp dụng ở Việt Nam và trên Thế giới
Định hướng chung của Việt Nam và Thế giới trong lĩnh vực xử lý ô nhiễm
không khí :
 Tuyên truyền giáo dục tập quán sinh hoạt, sản xuất cũng như quy hoạch hợp
lý các công trình dân sinh, nhà máy gây ô nhiễm và tăng cường diện tích phủ
xanh của cây cối để giảm thiểu nguồn tự nhiên gây ô nhiễm.
 Ban hành luật kiểm soát ô nhiễm không khí và thực hiện chiến lược kiểm
Sinh viên : Đỗ Trọng Hà Lớp : Địa Sinh Thái K51

11
Trường ĐH Mỏ - Địa Chất ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
soát ô nhiễm không khí, đưa ra tiêu chuẩn chất lượng không khí và chương
trình quan trắc chất lượng không khí.
 Tăng cường sử dụng những công nghệ sản xuất tiến tiến, thay thế các công
nghệ lạc hậu gây ô nhiễm, chế tạo và sử dụng các thế hệ động cơ nhiên liệu
sạch nhằm giảm thiểu nguồn tạo ra khí độc hại gây ô nhiễm không khí.
 Sử dụng các thành tựu khoa học, công nghệ và vật liệu mới để tạo ra giải
pháp kỹ thuật chủ động xử lý nguồn không khí đã bị ô nhiễm.
a, Trên Thế giới
Năm 1987, Mỹ đã nghiên cứu công nghệ sol-gel chế tạo TiO
2
dạng màng và
dạng sợi [4]. Năm 1993, các nhà khoa học Hà Lan đã chế tạo loại gạch men có lớp
TiO
2
trên bề mặt để làm sạch môi trường không khí. Chúng được đánh giá là rất
hiệu quả để phân hủy chất bẩn và diệt khuẩn. Năm 2001, các nhà khoa học Mỹ đã
sử dụng TiO
2
dạng sơn phủ trên bề mặt vật liệu để khử hợp chất hexadecan, kết quả
nghiên cứu cho thấy 98,2% hợp chất này bị khử trong thời gian 72 giờ.
Năm 2006, Viện Công nghệ Môi trường, Đại học Đài Loan, Trung Quốc
dùng bột Degussa P25 TiO
2
trong các bộ lọc khí để khử toluen và foocmaldehyt [5].
Năm 2007, đại học Paris, cộng hòa Pháp, đã nghiên cứu ra loại sơn arcylic TiO
2
để
xử lý khí NO và NO

2
, hiệu quả đạt 19% - 20% với thời gian chiếu sáng trong 5 giờ,
tốc độ phản ứng từ 0,05-0,13 µg.m
-2
.s
-1
[6].

TiO
2
rất hiệu quả trong việc phân hủy
clorofooc và urê, thuốc trừ sâu gốc lân hữu cơ dimetylphotphat. Cyanua có thể bị
phân hủy nhanh chóng trong môi trường có chứa 5% TiO
2
và chiếu sáng với nguồn
sáng có bước sóng 390nm [7]. Quá trình quang xúc tác xảy ra với bức xạ có bước
sóng nhỏ hơn 4200Å tạo nên oxy hoạt tính phân hủy hoàn toàn các chất thải hữu cơ
thành CO
2
và H
2
O.
Nhật Bản nghiên cứu chế tạo và ứng dụng TiO
2
ở dạng màng, sơn hoặc bột
cho hiệu quả rất tốt trong xử lý ô nhiễm không khí. Với nguồn sáng 40W, khoảng
cách chiếu sáng 150 cm, TiO
2
có thể khử H
2

S, amoni, trimethylamin từ 30 ppm
xuống còn 1,9-2,0 ppm trong 2 giờ. Khí có hại trong nhà phát sinh từ vật liệu trang
trí (decoration material) và nội thất chứa methyl, methyl hydrosulfit, H
2
S và
amonia, foocmaldehyt, acetaldehyde các chất này đều có thể bị phân hủy và oxy
hóa bằng phản ứng quang xúc tác. Nồng độ ban đầu từ 10 - 12 ppm giảm đến 2ppm
sau 120 phút và đến 0 ppm sau 300 - 400 phút [8]. Ngoài ra, trong lĩnh vực xử lí
môi trường các nhà khoa học tại Nhật Bản đã chế tạo được dung dịch hỗn hợp chứa
TiO
2
và mang tẩm thành công lên các vật liệu, có nhiều tác dụng như: diệt khuẩn,
khử nấm mốc, loại bỏ các khí NO
x
, SO
x
. Các khả năng trên của TiO
2
được gọi là
khả năng làm sạch của vật liệu. Các sản phẩm này đã được áp dụng rộng rãi ngoài
Sinh viên : Đỗ Trọng Hà Lớp : Địa Sinh Thái K51
12
Trường ĐH Mỏ - Địa Chất ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
thực tế. Một số hãng sản xuất vật liệu phủ TiO
2
nổi tiếng tại Nhật Bản như: Ishihara
Sangyo, Kaisha, Kogyo Kabushika Kaisha, Tôto và Sakai Chemical.
Việc sử dụng các loại vật liệu mới nhằm nâng cao được hiệu quả của các
phương pháp xử lý khí thải đã được các nước phát triển chú trọng từ lâu. Từ việc
chế tạo thành công các vật liệu nano, tăng được diện tích bề mặt, thì các công nghệ

nano đã được áp dụng nhanh chóng vào lĩnh vực môi trường và đem lại hiệu quả
cao.
Đi đầu trong công nghệ nano như Mỹ, Nhật, Nga… đã có những thiết bị xử lí
khí thải, nước thải…bằng các vật liệu ứng dụng công nghệ nano. Rất nhiều các sản
phẩm mới đã ra đời như gạch men có khả năng tự làm sạch và diệt vi khuẩn dùng
cho các bệnh viện, kính tự làm sạch bằng việc phủ một lớp vật liệu lên kính, hệ
thống lọc nước sử dụng ánh sáng tử ngoại và TiO
2
để khử các chất độc hữu cơ còn
sót lại trong nước sau khi đã xử lý bằng các phương pháp thông thường, thiết bị làm
sạch không khí và mùi…
b, Ở Việt Nam
Hiện nay ở Việt Nam thì cũng đã có sự đầu tư về các dây chuyền hoặc thiết
bị nhằm làm giảm thiểu được sự hình thành và phát tán các chất khí gây ô nhiễm
không khí. Chủ yếu vẫn dùng các biện pháp như sử dụng các chất hấp phụ để thu và
xử lý các khí, theo phương pháp thu hồi và xử lý. Tuy nhiên hiệu quả xử lý của các
phương pháp không cao. Việc áp dụng các kỹ thuật công nghệ cao cũng đã được
chú ý nhằm nâng cao được hiệu suất xử lý của thiết bị cũng như là hiệu quả xử lí
các chất gây ô nhiễm. Bắt đầu từ việc sử dụng than hoạt tính để hấp thụ các khí độc
có trong không khí.
Năm 1996, các viện thuộc Trung tâm Khoa học tự nhiên và Công nghệ quốc
gia, gồm Viện công nghệ Môi Trường, Viện Vật lý ứng dụng và Thiết bị khoa học,
Viện Hóa học, Phân viện Vật liệu tại TP HCM, Viện Kỹ thuật nhiệt đới đã hợp tác
sử dụng công nghệ nano để nghiên cứu vật liệu bán dẫn này. Đề tài tập trung vào
nghiên cứu công nghệ chế tạo lớp phủ TiO
2
có kích thước hạt nano lên một số loại
vật liệu khác nhau, dùng để phân hủy các hợp chất hữu cơ gây ô nhiễm như khói
thải xe cộ, khói thuốc lá và các hóa chất độc trong nước thải, thuốc trừ sâu nhờ tác
động khuếch tán của ánh sáng.

Dựa trên các kết quả nghiên cứu cơ bản, hiện nay, các nhà khoa học đã thiết
kế và chế thử thành công tấm panen quang xúc tác TiO
2
có cấu trúc nano xốp để
đưa vào một số thiết bị làm sạch môi trường như máy khử mùi, làm sạch không khí,
hệ thống lọc nước.TiO
2
là vật liệu rất bền, không độc hại, rẻ tiền và có thể chế tạo ở
Việt Nam. Vật liệu này đã được sử dụng rộng rãi trong cuộc sống. Tuy vậy, việc sử
Sinh viên : Đỗ Trọng Hà Lớp : Địa Sinh Thái K51
13
Trường ĐH Mỏ - Địa Chất ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
dụng tính chất quang xúc tác của TiO
2
hạt siêu mịn (hạt có kích thước vài chục
nano) để làm sạch môi trường còn là vấn đề rất mới ở nước ta.
Việc xác định được chính xác nguồn gây ô nhiễm aldehyt thì cũng đã có
những giải pháp để nhằm giảm thiểu tối đa sự phát thải và sự tác động của aldehyt
đến môi trường và con người.
 Đối với sự phát thải từ quá trình đốt cháy nhiên liệu hóa thạch: tìm kiếm
nguồn nhiên liệu thay thế sạch hơn (sản xuất xăng Etanol, sử dụng năng lượng mặt
trời…), nâng cao hiệu suất đốt cháy, thay thế các loại động cơ đã cũ, trang bị thêm
các bộ xử lý khí thải trước khi thải ra môi trường.
 Đối với sự phát thải từ các đồ vật có foocmaldehyt: hạn chế sử dụng
foocmaldehyt làm chất độn, phụ gia trong quá trình sản xuất. Đối với những khu
nhà, văn phòng có các đồ vật có khả năng phát thải foocmaldehyt thì nên trang bị
thêm các thiết bị làm sạch không khí, tăng cường sự trao đổi không khí nhằm giảm
nồng độ khí độc trong phòng, nhưng cũng nên lưu ý có thể có sự tác động từ các
chất khí bên ngoài đến môi trường không khí trong nhà.
Một số sản phẩm công nghệ nano ở Việt Nam:

- Trung tâm Quốc tế Nghiên cứu và Đào tạo Khoa học Vật liệu (ITIMS); Nghiên
cứu vật liệu và tính chất TiO
2
trong các quá trình hóa học chống ăn mòn đang được
triển khai tại Khoa Hóa, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQG Hà Nội [10].
- Nghiên cứu và ứng dụng nano TiO
2
cho sensor quang học tại Khoa Vật lý, Trường
Đại học KHTN - ĐHQG Hà Nội, Chế tạo điện cực trong suốt cho pin mặt trời; chế
tạo sơn TiO
2
có tác dụng diệt khuẩn; màng nano TiO
2
có khả năng tự làm sạch,
phân hủy chất độc, chống nấm mốc, diệt khuẩn, tính chất siêu ưu nước của Viện
Vật lý Ứng dụng và Thiết bị Khoa học, Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam.
Hội thảo quốc tế giữa Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam và Trường Đại học
Tổng hợp Công nghệ Tokyo tổ chức tại Hà Nội 01/2003 về “Khoa học và ứng dụng
của nano TiO
2
cho môi trường bền vững" đã đánh dấu bước phát triển của Việt Nam
về công nghệ nano.
Những kết quả nghiên cứu về tính chất quang xúc tác và khả năng ứng dụng
cho xử lý ô nhiễm môi trường của nano TiO
2
trong đề tài cấp Viện Khoa học và
Công nghệ Việt Nam (2002-2003) của Viện Công nghệ Môi trường và Viện Vật lý
Ứng dụng đã cho thấy tính khả thi của những chế phẩm từ nano TiO
2
[11]. Màng

TiO
2
phủ lên vải than hoạt tính, vải thủy tinh đã cho hiệu quả diệt khuẩn và khử mùi
khá tốt (kết quả đã được kiểm nghiệm tại Viện Vệ sinh Dịch tễ Trung Ương). TiO
2
phủ lên các đế mang tạo ra các bộ lọc chủ động quang xúc tác trong mẫu thiết bị
khử mùi, đã được công bố trong đề tài hợp tác quốc tế với Malaysia năm 2005 [12].
Sinh viên : Đỗ Trọng Hà Lớp : Địa Sinh Thái K51
14
Trường ĐH Mỏ - Địa Chất ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Chế tạo bộ lọc chủ động quang xúc tác nano TiO
2
đã được áp dụng trong máy thở
cho bệnh nhân nhiễm H
5
N
1
của Viện Công nghệ, Bộ Khoa học Công nghệ [13].
Sinh viên : Đỗ Trọng Hà Lớp : Địa Sinh Thái K51
15
Trường ĐH Mỏ - Địa Chất ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
CHƯƠNG 2: VẬT LIỆU NANO TiO
2
VÀ HIỆU ỨNG QUANG XÚC TÁC
2.1. Vật liệu nano TiO
2
Cấu trúc TiO
2
và tính chất vật lý
Titandioxide (TiO

2
)

là một loại vật liệu rất phổ biến trong cuộc sống hàng
ngày của chúng ta. Chúng được sử dụng nhiều trong việc pha chế tạo màu sơn, màu
men, mỹ phẩm và cả trong thực phẩm. Ngày nay lượng TiO
2
được tiêu thụ hàng
năm lên tới hơn 3 triệu tấn. TiO
2
còn được biết đến trong vai trò của một chất xúc
tác quang hóa.
TiO
2
tồn tại ở dạng bột, thường có màu trắng tuyết ở điều kiện thường, khi
nung nóng có màu vàng. Khối lượng phân tử là 79,87 g/mol, trọng lượng riêng từ
4,13 - 4,25 g/cm
3
; nóng chảy ở nhiệt độ cao 1870
0
C; không tan trong nước; không
tan trong các axit như axit sunfuric, clohydric ngay cả khi đun nóng. Tuy nhiên,
với kích thước nanomet, TiO
2
có thể tham gia một số phản ứng với axit và kiềm
mạnh. Các dạng oxit, hydroxit và các hợp chất của Ti (IV) đều có tính bán dẫn.
Bảng 2.1. Thông số vật lý của Anatase và Rutile
Tinh thể TiO
2
có nhiều dạng thù hình trong đó có 2 dạng thù hình chính là:

Anatase và Rutile. Cấu trúc của chúng được thể hiện trong hình 2.1.
Sinh viên : Đỗ Trọng Hà Lớp : Địa Sinh Thái K51
Tính chất Anatase Rutile
Hệ tinh thể Tetragonal Tetragonal
Nhóm không gian
I4
1
/amd P4
2
/mnm
Thông số mạng a 3,78A 4,58A
Thông số mạng c 9,49A 2,95A
Khối lượng riêng 3,895g/cm
3
4,25
Độ khúc xạ 2,52 2,71
Độ cứng (thang Mox) 5,5 ÷ 6,0 6,0 ÷ 7,0
Hằng số điện môi 31 114
Nhiệt độ nóng chảy Nhiệt độ cao chuyển thành rutile 1858
0
C
16
Trường ĐH Mỏ - Địa Chất ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Hình 2.1 Cấu trúc của rutile và anatase
Cấu trúc của dạng tinh thể anatase và rutile thuộc hệ tinh thể tetragonal Cả 2
dạng tinh thể trên đều được tạo nên từ các đa diện phối trí TiO
6
cấu trúc theo kiểu
bát diện (hình vẽ), các đa diện phối trí này sắp xếp khác nhau trong không gian. Tuy
nhiên trong tinh thể Anatase các đa diện phối trí 8 mặt bị biến dạng mạnh hơn so

với Rutile, khoảng cách Ti-Ti ngắn hơn và khoảng cách Ti-O dài hơn. Điều này ảnh
hưởng đến cấu trúc điện tử của hai dạng tinh thể, kéo theo sự khác nhau về các tính
chất vật lý và hóa học.
Trong tự nhiên dạng tinh thể Anatase và Rutile thường phổ biến hơn các dạng khác.
Quá trình phản ứng xúc tác của vật liệu phủ TiO
2
xảy ra khi có các nguồn chiếu
sáng tự nhiên và nhân tạo cụ thể [14].
- Nguồn ánh sáng nhân tạo
Các vật liệu mang tẩm phủ TiO
2
sử dụng nguồn UV nhân tạo của ánh sáng
huỳnh quang có hiệu quả chuyển điện năng thành photon ánh sáng cao. Loại đèn
này chuyển phần lớn điện năng thành nhiệt và ánh sáng khả kiến, giá thành cao và
thời gian sử dụng thấp, khoảng 1000 giờ so với đèn UV huỳnh quang có hiệu suất
chuyển hóa điện năng thành photon cao và thời gian sử dụng từ 4000 đến 14000
giờ.
- Nguồn ánh sáng tự nhiên
Ánh sáng toả ra từ mặt trời là nguồn sáng có phổ đa sắc, bước sóng trải dài
từ miền tử ngoại đến hồng ngoại với cường độ bức xạ cực đại khoảng 580Wm
-2
ở
Sinh viên : Đỗ Trọng Hà Lớp : Địa Sinh Thái K51
17
Trường ĐH Mỏ - Địa Chất ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
bước sóng 400-800 nm, là vùng ánh sáng trông thấy (VIS). Đặc trưng của phổ ánh
nắng mặt trời trong ngày không mây được trình bày trong bảng 2.2.
Bảng 2.2. Đặc trưng của phổ ánh nắng mặt trời (trong ngày không mây)
Dải Bước sóng, nm Cường độ, Wm
-2

Tỷ lệ, %
UV C < 280 0 0
UV B 280 -320 5 0,5
UC A 320 – 360 27 2,4
UV A2 360 – 400 36 3,2
VIS 400 – 800 580 51,8
IR A 800 – 1400 329 29,4
IR B 1400 – 3000 143 12,7
IR C > 3000 - -
Tổng cộng 1120 100
Nguồn năng lượng thiên nhiên này là vô tận và đặc biệt phong phú quanh
năm đối với những nước vùng nhiệt đới như Việt Nam. Tuy phần bức xạ tương ứng
với bước sóng UV không lớn, khoảng 5% trong tổng số bức xạ của ánh nắng mặt
trời nhưng hoàn toàn có thể và cần tận dụng nguồn UV thiên nhiên này để thực hiện
các quá trình quang hoá học, đặc biệt các quá trình oxi hoá quang hoá học nâng cao.
Với những nước nằm giữa 35
o
độ vĩ bắc và 35
o
độ vĩ nam, bức xạ UV của mặt trời
nói chung > 0,015 mW cm
-1
, năng lượng này đủ để thực hiện quá trình quang xúc
tác [15].
Trong phổ các dải năng lượng mặt trời có dải UV – A tương ứng với bước
sóng dưới 400nm, tương ứng với mức năng lượng lớn hơn 3.2eV, phù hợp với mức
năng lượng cần thiết để thực hiện quá trình quang xúc tác trên TiO
2
. UV – B có
bước sóng 280 – 315nm. UV – C có bước sóng từ 200 – 315nm, UV – C thường

được đặc trưng bởi bước sóng 254nm. Các thiết bị sử dụng nguồn UV nhân tạo
được chế tạo tùy theo trạng thái chất xúc tác sử dụng.
Như vậy, với vật liệu phủ TiO
2
có thể sử dụng được cả hai nguồn chiếu sáng
nhân tạo và tự nhiên. Việt Nam thuộc vùng nhiệt đới gió mùa nên việc ứng dụng
các sản phẩm phủ TiO
2
sẽ tận dụng được nguồn năng lượng có sẵn, đồng thời hạn
chế được vi sinh vật gây bệnh trong môi trường không khí.
2.2. Phản ứng quang xúc tác TiO
2
Cơ chế xúc tác quang của TiO
2
.
Khi Titandioxyt TiO
2
ở dạng tinh thể Anatase được hoạt hóa bởi ánh sáng có bước
sóng (lamda) thích hợp thì xảy ra sự chuyển điện tử từ vùng hóa trị lên vùng dẫn, tại
vùng hóa trị có sự hình thành các gốc OH* và RX
+
:
Sinh viên : Đỗ Trọng Hà Lớp : Địa Sinh Thái K51
18
Trường ĐH Mỏ - Địa Chất ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Tại vùng dẫn có sự hình thành của các gốc O
2-
, HO
2
*

:
Như vậy, sự hấp thụ photon làm sinh ra electron và lỗ trống chính là yếu tố
then chốt của quá trình xúc tác quang hóa. Tuy nhiên, có một quá trình khác cũng
xảy ra trên bề mặt chất xúc tác, đối lập với sự kích thích quang làm sinh ra cặp
electron-lỗ trống. Đó là sự tái kết hợp của electron và lỗ trống. Đây là yếu tố chính
làm hạn chế hiệu quả của quá trình xúc tác quang hóa và gây lãng phí năng lượng
cung cấp bởi các photon. Phương trình mô tả sự tái kết hợp có thể coi là ngược lại
với phương trình :
e
-
+ h
+
 (SC) + E
Trong đó (SC) là tâm bán dẫn trung hoà và E là năng lượng được giải phóng
ra dưới dạng một photon (bức xạ ánh sáng) hoặc phonon (nhiệt). Quá trình này có
thể diễn ra dưới hình thức tái kết hợp bề mặt hoặc tái kết hợp thể tích.
Hình 2.2 Minh họa quá trình kích thích trong xúc tác quang hóa
(A) Tái kết hợp bề mặt; (B) Tái kết hợp thể tích
(C) Quá trình khử; (D) Quá trình oxy hóa
Sinh viên : Đỗ Trọng Hà Lớp : Địa Sinh Thái K51
19
Trường ĐH Mỏ - Địa Chất ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Vậy sự khác biệt là do dạng anatase có khả năng khử O
2
thành O
2
(trừ) còn
rutile thì không (thực tế vì dạng anatase có tính xúc tác mạnh hơn nên khi nghiên
cứu về tính chất này đều tập trung về dạng anatase nên rutil bị coi nhẹ. Thực tế thì
hệ photo-catalyst được dùng nhiều nhất trong công nghiệp hiện nay có 80% anatase

và 20% rutile, là P25 (DEGUSTA). Khi trộn anatase với rutile có thể tăng độ bền
của hệ và thậm chí còn có thể tăng hoạt tính nữa.)
Do đó anatase có khả năng nhận đồng thời oxy và hơi nước từ không khí
cùng ánh sáng tử ngoại để phân hủy các hợp chất hữu cơ. Tinh thể Anatase dưới tác
dụng của ánh sáng tử ngoại đóng vai trò như một cầu nối trung chuyển điện tử từ
H
2
O sang O
2
, chuyển hai chất này thành dạng O
2
(trừ) và OH* là hai dạng có hoạt
tính oxy hóa cao có khả năng phân hủy chất hữu cơ thành H
2
O và CO
2
.
Hình 2.3. Minh họa cơ chế xúc tác quang hóa của TiO
2
Song song với tính chất quang xúc tác, khi được chiếu ánh sáng tử ngoại
dạng TiO
2
-anatase còn thể hiện một tính chất nữa cũng rất đặc biệt, đó là tính chất
siêu thấm ướt. Tính chất này được dùng để chế tạo các vật liệu tự làm sạch như:
Kính tự làm sạch, vật liệu xử lý nước, vật liệu dùng trong y học
2.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến tốc độ của phản ứng quang xúc tác
2.3.1. Chất xúc tác
Đối với cả hai hệ xúc tác quang hóa (huyền phù và cố định), tốc độ tối đa của
phản ứng đều tỉ lệ thuận với khối lượng xúc tác.
Tuy nhiên có một giá trị m

max
mà tại đó nếu tiếp tục thay đổi khối lượng chất
xúc tác thì tốc độ của phản ứng không thay đổi. Khối lượng mmax phụ thuộc vào 2
yếu tố:
- Dạng hình học của vật liệu.
- Điều kiện tiến hành của thiết bị phản ứng quang hóa
Sinh viên : Đỗ Trọng Hà Lớp : Địa Sinh Thái K51
20
Trường ĐH Mỏ - Địa Chất ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
M
max
: - xấp xỉ 1,3 mg TiO
2
/cm
2
đối với hệ cố định
- 2,5g TiO
2
/l đối với hệ huyền phù
Với điều kiện thực hiện là phòng thí nghiệm thì nồng độ tốt nhất là TiO
2
:
0,25g/l (thực hiện trong bình cố định, còn trong một hệ thống tuần hoàn dung dịch
chỉ cần TiO
2
là 0,2g/l).
2.3.2. Bước sóng của đèn
Tốc độ phản ứng phụ thuộc vào bước sóng của đèn, đối với TiO
2
khoảng

cách giữa vùng dẫn và vùng hóa trị có năng lượng E =3,2eV tương ứng với bước
sóng 380 nm.
2.3.3. Nồng độ C
0
ban đầu
Ảnh hưởng của nồng độ tuân theo mô hình động học Langmuir-
Hinshelwood.
2.3.4. Nhiệt độ
Do phản ứng quang hóa nên không đòi hỏi về nhiệt độ( có thể tiến hành ở
điều kiện nhiệt độ thường). Nói chung điều kiện phản ứng 20 -80
0
C. Vì trong
khoảng đó năng lượng hoạt hóa của các quá trình quang hóa sẽ nhỏ nhất (khoảng 1-
2kJ/mol). Nếu nhiệt độ thấp quá (dưới 0
0
C) E
a
sẽ tăng lên. Nếu nhiệt độ lớn hoan
80
0
C sẽ không tốt cho quá trình hấp phụ các chất lên bề mặt xúc tác do đó tốc độ
của phản ứng sẽ giảm.
2.3.5. Dòng photon
Vận tốc phản ứng tỉ lệ bậc nhất với dòng photon (γ). Dòng γ càng lớn thì cặp
e tự do- lỗ trống càng nhiều do đó tốc độ phản ứng sẽ tăng.
Tuy nhiên, trong điều kiện phòng thí nghiệm thì dòng γ giới hạn khoảng
25mW/cm
2
tốc độ phản ứng sẽ tỉ lệ với γ
1/2

.
2.3.6. Hiệu suất lượng tử
Hiệu suất lượng tử: được định nghĩa là tỉ lệ giữa tốc độ phản ứng quang hóa
(mol.s
-1
) và tốc độ dòng photon. Vì vậy trên thực tế với các phản ứng quang hóa xúc
tác phân hủy các chất hữu cơ thì luôn tồn tại các giai đoạn phản ứng trung gian nên
hiệu suất lượng tử thường nhỏ hơn 1.
2.4. Điều kiện của phản ứng quang xúc tác
Phản ứng quang xúc tác chỉ xảy ra khi có các yếu tố sau:
- Vật liệu có tính xúc tác
- Ánh sáng
- Chất ô nhiễm
Sinh viên : Đỗ Trọng Hà Lớp : Địa Sinh Thái K51
21
Trường ĐH Mỏ - Địa Chất ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Bản chất của phản ứng quang xúc tác là quá trình tái tạo lại khả năng oxi hóa
của vật liệu. Nó chuyển đổi năng lượng của ánh sáng thành hóa năng vì thế nguyên
tắc làm việc là vô tận.
Tuy nhiên, trên thực tế thì thời gian làm việc của vật liệu cũng có hạn, tuy
nhiên lớn hơn rất nhiều lần so với các phương pháp khác. TiO
2
có hoạt tính tốt và
có nhiều ưu điểm hơn so với các loại vật liệu bán dẫn khác:
- Oxi hóa hoàn toàn các chất độc (VOC và Bicarosol) thành CO
2
và H
2
O.
- Ứng dụng cho nhiều chất hữu cơ và hiệu suất cao.

- Các sản phẩm phụ, sản phẩm cuối cùng không gây hại tới môi trường.
- Có thể sử dụng nguồn UV nhân tạo hoặc tận dụng nguồn ánh sáng tự nhiên nên có
thể tiết kiệm năng lượng.
- Thực hiện ở trong cả điều kiện nhiệt độ và áp suất bình thường, thậm chí cả điều
kiện độ ẩm cao.
- Bảo dưỡng rẻ và dễ dàng.
- Thời gian làm việc của sản phẩm lâu.
Một số ứng dụng của vật liệu nano TiO
2
được trình bày trong bảng 2.3.
Sinh viên : Đỗ Trọng Hà Lớp : Địa Sinh Thái K51
22
Trường ĐH Mỏ - Địa Chất ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Bảng 2.3. Các ứng dụng của xúc tác quang hóa TiO
2
[12. Kaneko M., Okura I.
(2002), Photocatalysis: Science and Technology, Springer-Verlag Berlin Heidelberg
New York, Japan].
Đặc tính Phạm vi Ứng dụng
Tự làm sạch Vật liệu nhà ở và văn
phòng
Gạch ngoại thất, linh kiện nhà bếp và
phòng tắm, đồ đạc nội thất, bề mặt đồ
nhựa, đá xây dựng, màn cửa,…
Đèn chiếu sáng trong
nhà và ngoài trời
Chụp đèn trong suốt, vật liệu phủ lên
bóng đèn huỳnh quang và đèn cao áp
Vật liệu công trình giao
thông

Vật liệu phủ đường hầm, đèn tín hiệu,
gương phản xạ
Khác Vật liệu làm lều, quần áo bệnh viện,
đồng phục, sơn xe
Làm sạch
không khí
Trong nhà Máy điều hòa không khí kết hợp xúc tác
quang hóa, xử lý khí độc trong nhà
Ngoài trời Bê tông làm đường, gạch lát vỉa hè,
tường hầm, tường nhà
Làm sạch nước Nước uống Xử lý nước mặt, nước ngầm, làm bể
chứa nước
Khác Bể cá, cống thoát nước
Chống khối u Điều trị ung thư Các thiết bị nội soi
Khử trùng Bệnh viện Gạch lát nền và tường phòng mổ, ống
silicone thông tiểu, quần áo bệnh viện
Khác Gạch lát nhà tắm, phòng nuôi động vật
2.5. Tổng quan về phương pháp sol- gel
Phương pháp sol-gel là một phương pháp tổng hợp vật liệu hiện đại, nhờ khả
năng điều khiển tính chất sản phẩm thông qua tác động vào bước tạo sol hoặc gel,
nên sol-gel là một phương pháp tỏ ra rất ưu việt để tổng hợp những vật liệu có kích
cỡ nano hay những màng siêu mỏng.
Bản chất của phương pháp sol - gel là dựa trên các phản ứng thủy phân và
ngưng tụ của các tiền chất bằng cách điều chỉnh tốc độ của hai phản ứng thủy phân
và ngưng tụ chúng ta sẽ đạt được vật liệu mong muốn. Từ dung dịch bao gồm các
chất đưa vào phản ứng được hòa tan với nhau, qua các phản ứng thủy phân và
ngưng tụ ta thu được gel.
Sinh viên : Đỗ Trọng Hà Lớp : Địa Sinh Thái K51
23
Trường ĐH Mỏ - Địa Chất ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Quá trình sol - gel có thể cho ta gel chứa toàn bộ các chất tham gia phản ứng
và dung môi ban đầu, hoặc kết tủa gel tách khỏi dung môi và có khi là cả các chất
sau phản ứng. Với đa số các phản ứng thì tốc độ phản ứng thủy phân thường lớn
hơn tốc độ phản ứng ngưng tụ.
Vì vậy cần nghiên cứu về động học phản ứng để điều chỉnh tốc độ của hai
phản ứng đó xảy ra thích hợp với tính chất sản phẩm cuối.
Quá trình sol - gel thực chất xảy ra qua hai giai đoạn sau:
- Thủy phân tạo sol (kích thước hạt keo nằm trong vùng kích thước từ 1nm -
100nm). Phản ứng chung xảy ra như sau:
- - Ngưng tụ tạo gel: Quá trình hình thành gel là quá trình trùng ngưng để loại
nước và ROH, đồng thời ngưng tụ các alcolat bị thủy phân để tạo thàcác liên kết
kim loại - oxi. Ta có thể biểu quá trình gel hóa qua các giai đoạn như sau:
Sinh viên : Đỗ Trọng Hà Lớp : Địa Sinh Thái K51
24
M(OH) + xHO M(OH)(OR) + xROH
Dung môi hữu cơ
Trường ĐH Mỏ - Địa Chất ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
* Ngưng tụ các monome Alcolat để hình thành các hạt polime
-M-OH
-
+ HO-M-
→
-M-O-M- +
H
2
O
-M-OH
-
+ RO-M-
→

-M-O-M- + ROH
* Các hạt polyme phát triển dần lên về kích thước. Các hạt nhỏ liên kết thành mạch,
sau đó hình thành mạng không gian đến một lúc nào đó độ nhớt tăng lên đột ngột và
toàn bộ hệ biến thành gel. Dung môi sẽ nằm trong các lỗ trống của gel.
Quá trình thủy phân và ngưng tụ thường được điều khiển bằng cách thêm
axit, bazơ để điều chỉnh pH. Điều chỉnh tốc độ thủy phân nhờ việc thay đổi pH,
thêm bớt H
2
O, thêm dung môi hoặc thêm các phối tử tạo phức càng như
axetylaxeton, axit acetic.
Hai quá trình trên càng xảy ra chậm thì kích thước hạt càng nhỏ phối tử tạo
phức càng như axetyl axeton, axit axetic Việc tìm ra một dung môi thích hợp để
có thể điều khiển được quá trình thủy phân và ngưng tụ là vấn đề hết sức cần thiết
khi ta tiến hành điều chế các hạt có kích thước cỡ nano theo phương pháp sol - gel,
bản chất của dung môi sẽ quyết định phần lớn đến sản phẩm hình thành.
Khi đã hình thành gel ta chỉ mới thu được một loại sản phẩm mà trong đó các
nguyên tử kim loại và oxy liên kết với nhau thành mạng không gian (không phải là
mạng tinh thể) và ở giữa các khoảng trống của mạng không gian sẽ chứa các phân
tử dung môi. Gel được hình thành như vậy sẽ có dạng một khối mềm, cấu trúc đó dễ
dàng bị phá vỡ khi tác động bởi lực bên ngoài. Để thu được cấu trúc bền thì gel hình
thành phải được xử lí qua giai đoạn sau:
- Làm khô: Là quá trình làm bay hơi nước và dung môi để tạo thành bộ
khung xerogel. Xerogel vẫn chưa là cấu trúc cuối cùng, nó vẫn là trạng thái vô định
hình được hình thành bởi mạng bao gồm các liên kết kim loại và oxi, các phân tử
dung môi bay hơi hết.
- Nung: Gel sau khi đã được làm khô vẫn giữ nguyên trạng thái vô định hình, để
chuyển thành dạng tinh thể cần phải trải qua giai đoạn nung, đây là giai đoạn hết
sức quan trọng có vai trò quyết định đến trạng thái và kích cỡ hạt hình thành, đồng
thời khi nung sẽ phân hủy các chất hữu cơ còn lại và dung môi còn dư từ các lỗ
trống của mạng không gian, phá vỡ khung để hình thành các hạt có kích cỡ nano, và

định hình lại cấu trúc của vật liệu để thu được sản phẩm cuối cùng. Quá trình phân
hủy và bay hơi của dung môi sẽ hình thành nên các hạt nhỏ hơn từ các hạt ban đầu,
kích cỡ của chúng đạt tới kích thước vài chục nanomet tùy thuộc vào điều kiện hình
thành gel ban đầu và điều kiện nung. [3]
 Những ưu điểm của phương pháp sol - gel
Sinh viên : Đỗ Trọng Hà Lớp : Địa Sinh Thái K51
25