xúc tác quang hóa TIO2

1
ĐẠI HỌC BÀ RỊA-VŨNG TÀU
KHOA HÓA HỌC VÀ CNTP
Đề Tài
XÚC TÁC QUANG HÓA
TIO
2
Môn : Động Học Xúc Tác
GV : Diệp Khanh
Lớp : DH11H1
Nhóm : 1
Vũng Tàu, Tháng 12 năm 2013
MỞ ĐẦU
Trong một vài thập kỷ gần đây, cùng với sự phát triển nhanh chóng của đất
nước, các nghành công nghiệp, nông nghiệp, các làng nghề … ở Việt Nam đã có
những tiến bộ không ngừng cả về số lượng cũng như chủng loại các sản phẩm và
chất lượng cũng ngày càng được cải thiện. Bên cạnh những tác động tích cực do sự
phát triển mang lại thì cũng phải kể đến những tác động tiêu cực. Một trong những
mặt tiêu cực đó là các loại chất thải do các nghành công nghiệp thải ra ngày càng
nhiều làm ảnh hưởng đến môi trường sống và sức khoẻ của người dân. Môi trường
sống của người dân đang bị đe dọa bởi các chất thải công nghiệp, trong đó vấn đề
bức xúc nhất phải kể đến đó là nguồn nước. Hầu hết các sông, suối, ao hồ, đi qua
các nhà máy công nghiệp ở Việt Nam đều bị ô nhiễm đặc biệt là các ao hồ trong các
đô thị lớn như Hà Nội và Thành phố Hồ Chí Minh. Chính vì vậy, một vấn đề đặt ra
là cần tìm ra những công nghệ hữu hiệu, có thể xử lý triệt để các chất ô nhiễm có
trong môi trường nước.
Trong số các chất gây ô nhiễm nguồn nước, đáng chú ý là những chất hữu cơ
bền có khả năng tích lũy trong cơ thể sinh vật và gây nhiễm độc cấp tính, mãn tính
cho con người như: phenol, các hợp chất của phenol, các loại thuốc nhuộm,
Rhodamin B…. Do vậy, việc nghiên cứu, xử lý nhằm giảm thiểu đến mức thấp nhất
ô nhiễm là đặc biệt cần thiết.

Nhiều công nghệ tiên tiến xuất hiện trong các thập kỷ gần đây đã được ứng
dụng trong công nghệ xử lý nước và nước thải. Hiện nay trên thế giới có nhiều
phương pháp xử lý ô nhiễm như phương pháp hấp phụ, phương pháp sinh học,
phương pháp oxi hóa – khử, phương pháp oxi hóa nâng cao… Trong các phương
pháp trên phương pháp oxi hóa nâng cao có nhiều ưu điểm nổi trội như hiệu quả sử
lý cao, khả năng khoáng hóa hoàn toàn các hợp chất hữu cơ độc hại thành các hợp
chất vô cơ ít độc hại và được quan tâm ứng dụng rộng rãi trong xử lý môi trường.
Trong quá trình nghiên cứu và ứng dụng phương pháp oxi hóa nâng cao trong
xử lý môi trường, TiO
2
với vai trò một chất xúc tác quang hóa tiêu biểu đã được
nhiều quốc gia phát triển như Mĩ, Nhật Bản, Đức…trên thế giới nghiên cứu, vì
TiO
2
có ưu điểm là giá thành rẻ, bền trong những điều kiện môi trường khác nhau,
không độc hại, không gây ô nhiễm thứ cấp. Vì vậy hiện nay vật liệu TiO
2
đang
được nghiên cứu và sử dụng nhiều, nhất là trong lĩnh vực xử lý môi trường nước và
khí với vai trò xúc tác quang hóa. Không chỉ dừng lại ở vai trò xúc tác không, TiO
2
còn có nhiều ứng dụng quan trong trong các lĩnh vực vật liệu, điện tử, năng lượng,
mỹ phẩm, y học,…
Vậy tại sao TiO
2
lại có thể có những tính chất, những ứng dụng ưu việt như
thế? Để trả lời câu hỏi này, chúng tôi đã đưa ra đề tài “ Xúc tác quang hóa TiO
2
”
nhằm giúp mọi người hiểu sâu rõ hơn về loại xúc tác TiO

2
này.
2
MỤC LỤC
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1 Giới thiệu về chất bán dẫn và xúc tác quang hóa TiO
2
1.1.1 Chất bán dẫn.
1.1.2 Xúc tác quang TiO
2.
1.2 Các dạng biến tính của TiO
2.
CHƯƠNG 2: CẤU TRÚC, TÍNH CHẤT, CƠ CHẾ HOẠT ĐỘNG
2.1 Cấu trúc và tính chất vật lý.
2.2 Cơ chế hoạt động.
2.3 Tính chất đặc trưng.
CHƯƠNG 3: ỨNG DỤNG
3.1 Vật liệu tự làm sạch.
3.2 Xúc tác quang xử lý không khí và môi trường bị ô nhiễm.
3.3 Tiêu diệt tế bào ung thư
3.4 Ứng dụng tính chất siêu thấm ướt.
CHƯƠNG 4: PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ VÀ SẢN XUẤT
4.1 Phương pháp sunfuric
4.1.1 Phân hủy tinh quặng bằng H
2
SO
4 đặc
4.1.2.Tách Fe ra khỏi dung dịch:
4.1.3.Thủy phân: tạo ra metatitanic:
4.1.4.Nung H

2
TiO
3
4.2 Phương pháp clo hóa
4.2.1.Thủy phân dung dịch TiCl
4
4.2.2.Thủy phân trong pha khí:
4.2.3.Đốt TiCl
4
CHƯƠNG 5: ƯU- NHƯỢC ĐIỂM
5.1 Ưu điểm.
5.2 Nhược điểm.
3
4
ĐẠI HỌC BÀ RỊA-VŨNG TÀU
KHOA HÓA HỌC VÀ CNTP
Đề Tài
XÚC TÁC QUANG HÓA
TIO
2
Môn : Động Học Xúc Tác
GV : Diệp Khanh
Lớp : DH11H1
Nhóm : 1
Vũng Tàu, Tháng 12 năm 2013
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1 Giới thiệu về chất bán dẫn và xúc tác quang hóa TiO
2
1.1.1 Chất bán dẫn
Chất bán dẫn (Semiconductor) là vật liệu trung gian giữa chất dẫn điện và

chất cách điện. Gọi là “bán dẫn” có nghĩa là có thể dẫn điện ở một điều kiện nào
đó, hoăch ở một điều kiện khác sẽ không dẫn điện. Khi giải thích cơ chế dẫn điện
của chất bán dẫn người ta phân thành chất bán dẫn loại n ( dẫn electron) và bán dẫn
loại p ( dẫn lỗ trống dương).
1.1.2 Xúc tác quang TiO
2
Xúc tác quang hóa là xúc tác nếu được kích hoạt bởi nhân tố ánh sáng thích
hợp thì sẽ giúp phản ứng xảy ra.
VD: CH
3
CHO + 5/2 O
2
2CO
2
+ 2H
2
O
( hυ = 0.0001mmol/(l.h.cm
2
)

Hình 1: Cơ chế hoạt động của TiO
2
với formaldehyde
 TiO
2
được dùng làm xúc tác quang dị thể vì thỏa 2 đk sau:
- Có hoạt tính quang hóa
- Có năng lượng vùng cấm thích hợp để hấp thụ ánh sáng cực tím hoặc nhìn
thấy.

5
TiO
2.
hυ

1.2 Các dạng biến tính của xúc tác quang TiO
2
Titan đioxit (TiO
2
) là chất bán dẫn có dải trống năng lượng nằm trong khoảng
3.05 eV – 3.25 eV nên chỉ có tia tử ngoại (UV) mới có thể kích thích xúc tác này
hoạt động. Tuy nhiên phần bức xạ tử ngoại trong quang phổ mặt trời đến bề mặt
trái đất chỉ chiếm ~ 4% nên việc sử dụng nguồn bức xạ này vào mục đích xử lý môi
trường với xúc tác quang TiO
2
bị hạn chế.
Để mở rộng khả năng sử dụng năng lượng bức xạ mặt trời cả ở vùng ánh sáng
nhìn thấy thì cần giảm năng lượng vùng cấm của TiO
2
bằng cách biến tính nó. Mặt
khác, trong quá trình phản ứng quang xúc tác, hiệu suất lượng tử của phản ứng sẽ
bị cản trở bởi sự tái hợp các electron và các lỗ trống. Chính vì vậy, để hiệu suất
lượng tử của phản ứng quang xúc tác tăng, cần phải thêm một điều kiện nữa, đó là
tăng tốc độ di chuyển của các electron và các lỗ trống. Như vậy, mục đích của sự
biến tính TiO
2
, đó là:
- Đưa năng lượng vùng cấm của TiO
2
về vùng ánh sáng khả kiến – tức là vật

liệu thể hiện hoạt tính quang xúc tác ngay cả khi chiếu ánh sáng khả kiến lên
bề mặt.
- Tạo các “bẫy điện tích” để giảm sự tái kết hợp của các electron và lỗ trống.
- Tăng tốc độ di chuyển electron từ đó tăng hiệu suất lượng tử của phản ứng
quang hóa.
Có rất nhiều phương pháp để đạt được mục đích này như:
• Phương pháp đưa các ion kim loại và không kim loại lên bề mặt hoặc vào
cấu trúc TiO
2
• Phương pháp tạo TiO
2
kích thước nano.
• Phương pháp kết hợp CNT (cacbon nanotubes) và TiO
2
(Composit)

6
CHƯƠNG 2: CẤU TRÚC, TÍNH CHẤT, CƠ CHẾ
HOẠT ĐỘNG
2.1 Cấu trúc và tính chất vật lý của TiO
2
TiO
2
là một chất bán dẫn, tồn tại ở dạng bột màu trắng tuyết ở điều kiện
thường, nhưng khi đun nóng lại có màu vàng. Tinh thể TiO
2
có độ cứng cao, khó
nóng chảy (T
nc
=1870

0
C).
TiO2 có bốn dạng thù hình. Ngoài dạng vô định hình, nó có ba dạng tinh thể
là anatase (tetragonal), rutile (tetragonal) và brookite (orthorhombic). Cấu trúc
mạng lưới tinh thể của rutile, anatase và brookite đều được xây dựng từ các đa diện
phối trí tám mặt TiO
6
nối với nhau qua cạnh hoặc qua đỉnh oxi chung. Mỗi ion Ti
4+
được bao quanh bởi tám mặt tạo bởi sáu ion O
2
.

2.1.1 Rutile
- Là dạng bền phổ biến nhất của TiO
2
, có mạng lưới tứ phương trong đó mỗi
ion Ti
4+
được ion O
2-
bao quanh kiểu bát diện (octahedra), đây là kiến trúc
điển hình của hợp chất có công thức MX
2
.
- Hình tám mặt trong rutile là không đồng đều do đó có sự biến dạng
orthorhombic (hệ trực thoi) yếu. Các octahedra của anatase bị biến dạng
mạnh hơn, vì vậy mức đối xứngcủa hệ là thấp hơn hệ trực thoi.
- Rutile là pha có độ xếp chặt cao nhất so với hai pha còn lại.
7

Hình 2.1.1. Cấu trúc tinh thể các dạng rutile của TiO2
2.1.2 Anatase
- Dạng có hoạt tính quang hóa mạnh nhất trong 3 pha.
- Anatase ở dạng bravais tứ phương với các hình bát diện tiếp xúc ở cạnh với
nhau và trục của tinh thể bị kéo dài. Anatase thường có màu nâu sẫm, đôi khi
có thể có màu vàng hoặc xanh, có độ sáng bóng như tinh thể kim loại. Tuy
nhiên lại rất dễ rỗ bề mặt, các vết xước có màu trắng. Anatase được tìm thấy
trong các khoáng cùng với rutile, brookite, quarzt, feldspars, apatite,
hematite, chlorite, micas, calcite…

Hình 2.1.2. Cấu trúc tinh thể các dạng anatase của TiO2
3.Brookite
8
- Brookite: Có hoạt tính quang hóa rất yếu, thường rất ít gặp nên ít được đề
cập trong các nghiên cứu và ứng dụng.

Bảng 2.1. Một số tính chất vật lý của tinh thể rutile và anatase
2.2 Cơ chế của xúc tác quang TiO2
9
- Khuếch tán các chất tham gia phản ứng từ pha lỏng hoặc khí đến bề mặt xúc
tác
- Hấp phụ các chất tham gia phản ứng lên bề mặt chất xúc tác. Các phân tử
chất tham gia phản ứng hấp phụ lên bề mặt xúc tác gồm 2 loại:
• Các phân tử có khả năng nhận e (Acceptor)
• Các phân tử có khả năng cho e (Donor)
- Khi được chiếu sáng có năng lượng photon (hυ) thích hợp, bằng hoặc lớn
hơn năng lượng vùng cấm Egb (hυ ≥ Egb ), thì sẽ tạo ra các cặp electron (e- )
và lỗ trống (h+ ). E(=hυ) + TiO
2

→ e
-
+ h
+
 Các e được chuyển lên vùng dẫn, còn các lỗ trống ở lại vùng hoá trị.
- Quang electron ở vùng dẫn sẽ chuyển đến nơi có các phân tử có khả năng
nhận electron (A) ,quá trình khử xảy ra: A(ads) + e
-
→ A
-
(ads)
- Lỗ trống chuyển đến nơi có các phân tử có khả năng cho electron (D),thực
hiện phản ứng oxi hóa : D(ads) + h
+
→ D
+
(ads)

Hình 2.2.1 Sơ đồ dịch chuyển điện tử trong TiO2
Một tính chất đặc trưng của chất bán dẫn oxyt kim loại là khả năng oxy hoá
mạnh của lỗ trống h
+
.
- Các lỗ trống này có thể phản ứng trực tiếp với H
2
O để tạo ra gốc hydroxyl có
hoạt tinh cao (*OH). Cả lỗ trống và gốc hydroxyl đều có khả năng oxy hoá
rất mạnh, chúng có thể oxy hoá hầu hết các chất bẩn hữu cơ bám lên bề mặt:
h
+

+ H
2
O

→ *OH + h
+
10
- Oxy trong không khí đóng vai trò là chất nhận electron tạo thành *O
2
-
(ion
super-oxide). Super-oxide cũng là phân tử có hoạt tính cao, nó có thể được
dùng để oxy hoá các chất hữu cơ.
e
-
+ O
2
→ *O
2
-

Trong quá trình xúc tác quang, electron và lỗ trống có thể tái kết hợp làm hiệu suất
lượng tử giảm và giải phóng năng lượng dưới dạng bức xạ điện từ hoặc nhiệt.
e
-
+ h
+
→ TiO
2
+ E

Hình 2.2.2 Cơ chế xúc tác quang của chất bán dẫn
2.3 Tính chất đặc trưng
- TiO
2
bền về mặt hóa học, ít độc hại, không phản ứng với nước, acid vô cơ
loãng, kiềm, amoniac và các hợp chất hữu cơ.
- Tính xúc tác quang.
- Có tính oxi hóa mạnh các chất hữu cơ trên bề mặt do đó có khả năng tự làm
sạch, diệt khuẩn, chống rêu mốc.
- Tính siêu thâm ướt
 Hiện tượng siêu thấm ướt của TiO2
11
- Khi tạo 1 màng mỏng TiO
2
ở pha Anatase với kích cỡ nanomet trên 1 lớp đế
SiO
2
phủ trên 1 tấm kính thì các hạt nước tồn tại trên bề mặt với góc thấm
ướt chừng 20-40
0
- Nếu chiếu ánh sáng tử ngoại lên bề mặt tấm kính có màng TiO
2
đó thì góc
thấm ướt giảm dần (có thể gần 0 độ) →nước trải rộng ra trên bề mặt thành 1
màng mỏng tạo nên hiện tương siêu thấm ướt của TiO
2
 Giải thích
Cứ 4 phân tử TiO
2
trên bề mặt giải phóng 1 phân tử O

2
, hình thành trên đó một
mạng lưới các lỗ trống. Khi có nước, các phân tử nước nhanh chóng chiếm chỗ các
lỗ trống, mỗi phân tử chiếm 1 lỗ trống bằng chính nguyên tử oxy của nó và quay 2
nguyên tử Hidro ra ngoài → bề mặt lúc này hình thành một mạng lưới Hidro . Nhờ
lực liên kết Hidro giữa lớp “ion Hidro bề mặt” và các “ion oxy” của nước mà giọt
nước được kéo mỏng ra, tạo nên hiện tượng siêu thấm ướt.
CHƯƠNG 3: ỨNG DỤNG
12
TiO
2
có nhiều ứng dụng quan trọng trong nhiều lĩnh vực
 Hiện tượng quang xúc tác được ứng dụng:
+ Làm chất xúc tác(xúc tác quang hóa).
+ Làm pin quang điện phân bán dẫn.
+ Sản xuất liệu tự làm sạch (gạch lát nền, cửa kính, sơn tường, vải tự làm
sạch…).
+ Xử lý nước, không khí bị ô nhiễm.
+ Diệt vi khuẩn, virus, nấm mốc.
+ Tiêu diệt các tế bào ung thư.
 Hiện tượng siêu thấm nước của TiO
2
được ứng dụng :
+ Chống mờ kính xe ô tô dưới trời mưa.
+ Sản phẩm sứ vệ sinh, sản phẩm phòng tắm , nhà bếp.
+ Chế tạo vật liệu khô siêu nhanh làm việc trong điều kiện ẩm ướt.
+ Hấp thụ tia tử ngoại làm vật liệu chống tia tử ngoại.
Ngoài ra nó còn được ứng dụng trong những lĩnh vực như:
- Chất màu titanđioxit: Khoảng 94% TiO
2

được sản xuất để làm chất màu
trắng trong sơn, chất dẻo và giấy. Những thị trường không phải là chất màu đối với
TiO
2
là làm chất độn chức năng, ắc quy titan và hóa chất. Chính trên thị trường chất
độn chức năng, TiO
2
siêu mịn hay TiO
2
nano đang tìm được những ứng dụng thích
hợp.
- Sử dụng để lọc ánh sáng mặt trời: Ứng dụng này đã được bắt đầu khoảng 15 năm
trước và mức tiêu thụ khoảng 1.100 tấn TiO
2
/năm. Tuy nhiên, sự phát triển của thị
trường này còn đang tiếp diễn.
- Dùng trong màng phủ ôtô phối hợp với các chất màu kim loại.
- Lĩnh vực khác được quan tâm nhiều là công nghiệp chất dẻo, ở đây TiO
2
nano đã
được dùng để sản xuất những vật liệu đặc biệt cho việc bảo vệ khỏi ánh sáng UV
trong các nhà kính, bao bì thực phẩm và màng phủ ôtô.
3.1 Vật liệu tự làm sạch
13
- Bụi bẩn bám vào bề mặt chứa tinh thể TiO
2

- Ánh mặt trời chiếu tia cực tím kích thích phản ứng quang hoá trong lớp TiO
2
,

bẻ gẫy các phân tử bụi
- Khi nước rơi trên mặt kính tạo ra hiệu ứng thấm nước, nước trải đều ra bề
mặt kính thay vì thành giọt, cuốn theo chất bẩn đi xuống.
- Có tính oxi hóa mạnh, tieu diệt được vi khuẩn, nấm móc mám trên bề mặt có
chưa màng TiO
2

Vật liệu tự làm sạch : gạch lát nền, cửa kính, sơn tường, xe ô tô, sản phẩm sứ
vệ sinh, sản phẩm phòng tắm , nhà bếp,…
3.2 Ứng dụng sử lý nước, không khí bị ô nhiễm
Từ năm 1996, các viện thuộc Trung tâm Khoa học tự nhiên và Công nghệ
quốc gia, bao gồm 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
14
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.
 Dưới tác động của ánh sáng khuếch tán, vật liệu bán dẫn có kích thước nano
có thể phá vỡ các liên kết hữu cơ độc hại
 Các hạt TiO
2
dưới tác động của ánh sáng sẽ phát sinh các tác nhân ôxy hoá
cực mạnh như H
2
O
2

, O
2-
,OH
-
, mạnh gấp hàng trăm lần các chất ôxy hoá
quen thuộc hiện nay là clo, ozone. Nhờ đó, nó có thể phân huỷ hầu hết các
hợp chất hữu cơ, khí thải độc hại, vi khuẩn, rêu mốc bám vào bề mặt thành
những chất vô hại như khí carbonic và hơi nước.
- Ứng dụng: 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
• Gạch men có khả năng tự làm sạch và diệt vi khuẩn dùng cho các bệnh viện,
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…
• 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.
3.3 Tiêu diệt các tế bào ung thư
Các phân tử nano đưa vào mạch máu có kích cỡ thích hợp để vẫn ở lại trong
mạch máu, không bị rò rỉ ra bên ngoài và sẽ tìm đến khối u thành công.Một khi các
phân tử nano tiếp cận được các mô bị bệnh, chúng sẽ rò thẳng vào tế bào ung thư
15
Khi các phân tử nano tiếp cận khối u, các bác sĩ sẽ kích thích chúng bằng loạt
xung bức xạ điện từ. Năng lượng này làm sắt trong nhân nóng lên, phá vỡ liên kết
hydro và phóng thích thuốc vào khối u. Một hạt như thế có thể tải nhiều loại thuốc
khác nhau và mỗi loại được lập trình giải phóng thuốc ở những nhiệt độ khác nhau.

 Tế bào ung thư bị tiêu diệt.
3.4 Ứng dụng của tính siêu thấm ướt
Ứng dụng trong sản xuất các loại kính,gương chống mờ ( kính ôtô,cửa kính….),
các sản phẩm sứ, các vật liệu khô siêu nhanh,…
- Đưa TiO
2
lên các sản phẩm sứ vệ sinh như bồn cầu, bồn tiểu, chậu rửa Lớp
TiO
2
siêu thấm ướt trên bề mặt sẽ làm cho bề mặt sứ thấm ướt tốt, khi dùng
chúng ta có thể tưởng tượng giống như một màng mỏng nước được hình
thành trên bề mặt sứ, ngăn cản các chất bẩn bám lên bề mặt đồng thời bề mặt
có ái lực mạnh với nước hơn là với chất bẩn sẽ giúp chúng ta dễ dàng rửa trôi
chất bẩn đi chỉ bằng động tác xả nước.
- Chế tạo các vật liệu khô siêu nhanh làm việc trong điều kiện ẩm ướt. Do tính
chất thấm ướt tốt, giọt chất lỏng loang trên bề mặt TiO
2
và sẽ bay hơi rất
nhanh chóng.
CHƯƠNG 4: PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ VÀ SẢN
XUẤT TiO
2
Có 2 phương pháp chính đó là: phương pháp axit sulfuric và phương pháp
clo hóa. Ngoài ra, còn có quy trình sản xuất TiO
2
bằng axit HCl đậm đặc và phương
16
pháp dùng amoniflorua để flo hóa quặng ilmenite, phương pháp dung nhiệt,
phương pháp oxi hóa trực tiếp.
4.1 Phương pháp axit sulfuric:

Được chia làm 4 giai đoạn như sau:
4.1.1 Phân hủy tinh quặng bằng H
2
SO
4 đặc
: các phản ứng xảy ra khi phân hủy
quặng ilmenite bằng H
2
SO
4 đặc
:
FeTiO
3
+ 3H
2
SO
4
đặc  Ti(SO4)
2
+ FeSO
2
+ 3H
2
O
FeTiO
3
+ 2H
2
SO
4

đặc  TiOSO
4
+ FeSO
4
+ 2H
2
O
Fe
2
O
3
+ 3H
2
SO
4đặc
 Fe
2
(SO4)
3
+ 3H
2
O
Lúc đầu chỉ cần nung lên 125-135
0
C sau đó nhiệt đọ sẽ tự nâng lên nhờ nhiệt của
phản ứng đến 180-200
0
C.
4.1.2.Tách Fe ra khỏi dung dịch:
Để làm sạch dung dịch khỏi phần lớn tạp chất sắt, người ta dùng phôi sắt hoàn

nguyên Fe
3+
đến Fe
2+
và sau đó cô đặc dung dịch và loại bỏ sắt bằng cách kết tinh
muối dưới dạng FeSO
4
.7H
2
O.
Fe
2
(SO
4
)
3
+ Fe = 3FeSO
4
3.1.3.Thủy phân: tạo ra metatitanic:
TiOSO
4
+ H
2
O = H
2
TiO
3
+ H
2
SO

4
Thành phần dung dịch và phương pháp tiến hành thủy phân ảnh hưởng đến
thành phần và cấu trúc của kết tủa.
• Có 2 cách tiến hành thủy phân:
+ Pha loãng dung dich.
+ Cho thêm mầm tinh thể vào dung dịch: mầm tinh thể được cho vào dưới
dạng dung dịch keo của oxit titan ngậm nước.
3.1.4.Nung H
2
TiO
3
: Để tách nước và SO
3
khỏi tinh thể TiO
2
:
Người ta nung từ 200-300
0
C đối với nước và từ 500-950
0
C đối với SO
3
. Khi
nung ở nhiệt độ < 950
0
C sẽ cho ta TiO
2
dạng anatase, khi >950
0
C cho ta TiO

2
dạng rutile.
 Ưu điểm:
1. Chỉ dùng 1 loại hóa chất là H
2
SO
4
.
17
2. Có thể dùng nguyên liệu có hàm lượng titan oxit thấp, rẻ tiền.
 Nhược điểm:
1. Quy trình phức tạp.
2. Thải ra nhiều sunfat sắt và axit loãng.
3. Khâu xử lí chất thải khá phức tạp và tốn kém.
4. Chi phí đầu tư lớn.
4.2 Phương pháp Clo hóa:
Phương pháp tổng hợp bột nano titan oxit bằng phản ứng oxi hóa (clo hóa)
pha hơi của TiCl
4
đã được công bố bởi nhiều nhà nghiên cứu ( Suyama và Kato
1976, Morooka 1989, Toyama 1990, Pratsinis 1990, Kobata 1991). Những nghiên
cứu này đã đề cập đến vấn đề ảnh hưởng của nhiệt độ phản ứng , áp suất của
nguyên liệu cũng như thời gian lưu của nguyên liệu trong vùng phản ứng tới chất
lượngcủa sản phẩm .
Phương pháp này nhận TiO
2
từ TiCl
4
bằng 3 cách:
4.2.1.Thủy phân dung dịch TiCl

4
: chuẩn bị nước TiCl
4
bằng cách rót TiCl
4
vào
nước lạnh hoặc axitHCl loãng.
TiCl
4
+ 3H
2
O = H
2
TiO
3
+ 4HCl
Sau đó nung H
2
TiO
3
ở 850
0
C-900
0
C sẽ thu được TiO
2
.
4.2.2.Thủy phân trong pha khí:
TiCl
4

+ 2H
2
O = TiO
2
+ 4HCl
Cho dòng không khí no nước và dòng không khí với hơi TiCl
4
đã đun nóng
300-400
0
C vào trong bình. Bình phản ứng cũng đã được nung nóng tới 300-400
0
C.
Để tách TiO
2
khỏi HCl có thể dùng màng lọc bằng gốm.
4.2.3.Đốt TiCl
4
:
Bằng cách đốt TiCl
2
với oxi ở nhiệt độ cao thì thu đượcTiO
2
và tái sinh Cl
2
một
cách tốt nhất. TiCl
4
+ O
2

= TiO
2
+ 2Cl
2
Quá trình này có thể được tiến hành liên tục cho 2 dòng khí được đun nóng
1000-1100
0
C gặp nhau trong bình phản ứng. Bình phản ứng được nung và giữ ở
750
0
C. Theo ống khí, các hạt TiO
2
sẽ được lôi vào bộ phận lọc bụi.
18
 Ưu điểm:
- Lượng chất thải ít hơn.
- Khí clo được thu hồi dùng lại.
- Sản phẩm trung gian là TiCl4 đã có thể bán để dùng cho ngành sản xuất titan
bọt.
- Thành phẩm được sử dụng rất rộng rãi trong ngành sơn, giấy, plastic, vv
 Nhược điểm:
- Sản phẩm phụ là clorua sắt ít được sử dụng.
- Phản ứng ở nhiệt độ cao,tốn nhiều năng lượng.
- Bình phản ứng phải chọn loại vật liệu có thể chống sự phá hoại của HCl khi
có mặt của hơi nước.
CHƯƠNG 5: ƯU – NHƯỢC ĐIỂM CỦA XÚC TÁC
QUANG TiO
2
5.1 Ưu điểm
- Có tính quang hóa cao.

19
- Bền về mặt hóa học. Không bị biến đổi trong quá trình xúc tác.
- Giá thành thấp, ít độc hại vì tính chất trơ và là chất oxy hóa mạnh .
- Không bị phân hủy trong quá trình quang hóa xúc tác như ZnO, CdS, GaP,
…
- Có thể thực hiện ở nhiệt độ thấp và áp suất thường, có thể sử dụng UV thiên
nhiên hoặc ánh sáng nhân tạo.
- TiO
2
là chất hóa học ổn định và không hòa tan trong nước, acid, base, dung
môi hữu cơ.
5.2 Nhược điểm
Giá trị hiệu suất lượng tử tương đối thấp do sự kết hợp lại của các cặp e
-
/h
+
trước khi chúng tham gia phản ứng oxy hóa khử với cơ chất.
20
TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. Nguyễn Thị Kim Giang K18, 2013. “nghiên cứu điều chế vật liệu TiO
2
biến
tính kích thước nano mét và khả năng quang xúc tác của chúng”. Luận văn
thạc sĩ cao học .
2. Nguyễn Thiện. Luận văn Nghiên cứu điều chế, khảo sát cấu trúc và tính chất
TiO2 kích thước nano mét được biến tính bằng lưu huỳnh.
3. Đỗ Trọng Hà, Nghiên cứu chế tạo vật liệu TiO
2
/sợi SiO
2

. Đồ án tốt nghiệp,
trường ĐH Mỏ địa chất.

4. Hóa học ngày nay. Các ứng dụng quan trọng của TiO
2
nano và triển vọng.
< />29112010.html>
5. Nguyễn Thị Xuân Mai- Hồng Thị Cẩm Tú. Tìm hiểu về Titanium đioxide TiO
2
< />6.
%E1%BB%A9u-%E1%BB%A9ng-d%E1%BB%A5ng.15324/page-4
7. Lê Văn Long, Phan Thanh Sơn, 2010. “Tổng hợp và ứng dụng xúc tác quang
hóa trên cơ sở titan dioxit (tio2) và cacbon nano dạng ống (carbon nanotube-
cnt) để khử lưu huỳnh sâu trong diesel”. Tuyển tập Báo cáo Hội nghị Sinh
viên Nghiên cứu Khoa học lần thứ 7 Đại học Đà Nẵng .
8. Hoàng Thanh Thúy, 2011. “Đề tài nghiên cứu biến tính TiO2 nano bằng
Cr(III) làm chất xúc tác quang hóa trong vùng ánh sáng trông thấy”. Trường
Đại học Khoa học Tự nhiên Luận văn ThS Chuyên ngành: Hóa Môi trường.
21
22
23
1.
24