BÌNH LỌC NƯỚC DI DỘNG SỬ DỤNG CHẤT QUANG XÚC TÁC TIO2 NANO ĐỂ XỬ LÝ VI KHUẨN - HỖ TRỢ ĐỒNG BÀO VÙNG LŨ LỤT

TRƯỜNG THPT CHUYÊN HÀ NỘI - AMSTERDAM
BÌNH LỌC NƯỚC DI DỘNG
SỬ DỤNG CHẤT QUANG XÚC TÁC TIO
2
NANO ĐỂ XỬ LÝ
VI KHUẨN - HỖ TRỢ ĐỒNG BÀO VÙNG LŨ LỤT
Lĩnh vực: Khoa học môi trường



MỞ ĐẦU
Miền trung nằm ở khu vực giữa của đất nước, phần lớn là giáp biển Đông.
Miền trung là nơi có lượng mưa cao nhất cả nước, có nơi lượng mưa trung bình
lên đến 5000mm. Hằng năm có từ 200 - 220 ngày mưa ở các vùng núi, 150 - 170
ngày mưa ở khu vực đồng bằng duyên hải. Vào mùa mưa, mỗi tháng có 16 - 24
ngày mưa. Những đợt mưa kéo dài nhiều ngày trên diện rộng thường gây ra lũ
lụt lớn.
Địa hình phía Tây từ Hà Tĩnh đến Thừa Thiên - Huế bao gồm các dãy núi
cao. Các dòng sông ở đây có dòng chảy theo hướng Tây Bắc - Đông Nam đổ ra
biển thường có lòng sông hẹp, độ dốc lớn, diện tích lưu vực nhỏ nên với lượng
mưa tương đối lớn trút xuống sẽ sinh ra lũ, lên nhanh và gây lụt lội cho các khu
vực đồng bằng thấp phía Đông. Ví dụ như Sông Hương - sông Bồ, có độ cao
đầu nguồn là 1.318m, dài trên 100 km và diện tích lưu vực 2.690km2, chảy gần
theo hướng Bắc Nam đổ ra biển ở cửa Thuận An. Vì toàn bộ diện tích lưu vực
sông Hương có trên 80% là đồi núi, khu vực đồng bằng còn lại đa phần ở mức
thấp hơn so với mực nước biển, nên hầu hết sẽ bị ngập khi có lũ trên báo động
cấp 3 (tương ứng 3,5m).
Mùa mưa lũ ở Bắc Trung Bộ thường xảy ra từ tháng 7 đến tháng 10, ở
vùng Duyên hải Nam Trung Bộ thường xảy ra từ tháng 10 đến tháng 12. Những
trận lũ lụt lớn đã xảy ra ở miền Trung vào các
năm: 1952, 1964, 1980, 1983, 1990, 1996, 1998, 1999, 2001, 2003, Có lúc xảy

ra lũ chồng lên lũ như các đợt lũ tháng 11, 12 năm 1999; tháng 10, 11 năm 2010.
Với lượng mưa chiếm 68 - 75% lượng mưa trong năm, sẽ phát sinh lũ lụt lớn và
gây thiệt hại sản xuất, tài sản, tính mạng cư dân, tác động tiêu cực đến môi
trường sinh thái.
Miền trung giáp biển Đông, thường xuyên phải hứng chịu những cơn bão
lớn, gần đây nhất là bão số 8 Sơn Tinh. Ước tính thiệt hại của các tỉnh này lên
tới hàng nghìn tỷ đồng. Trong đó, Thái Bình đã thiệt hại 1.400 tỷ đồng (dù còn 3
huyện chưa thống kê xong), Nam Định gần 900 tỷ, Hải Phòng 400 tỷ đồng Hệ
thống điện lưới và thông tin liên lạc ở các tỉnh Nam Định, Thái Bình, Thanh
Hóa, Hải Phòng bị ảnh hưởng nặng nề, nhiều nơi gần như bị đánh sập hoàn toàn.
Cơn bão đã gây thiệt hại lớn về tài sản khi giật sập 11 nhà, tốc mái hơn 13.000
nhà (nặng nhất là Thái Bình, Hải Phòng và Nam Định); gần 80.000 ha lúa và
hoa màu bị ngập; hơn 2.000 mét kè bị sạt lở, gần 3.000 mét đê và 10.000 ha nuôi
trồng thủy sản bị thiệt hại
Nhưng quan trọng nhất là trong những trận bão, có nhiều người đã thiệt
mạng, một phần là do thiếu nước sạch. Bão lũ làm tê liệt việc giao thông vận tải,
nên khó có thể cung cấp nguồn nước sạch cho nhưng người dân ở những nơi bị
cô lập trong lũ. Nước thì có khắp nơi nhưng lại không thể sử dụng.
2
Mục tiêu đề tài của chúng tôi là thiết kế một bình lọc nước có kích thước
nhỏ gọn như một bình nước uống thông thường, có thể thả từ trực thăng xuống
những vùng bị cô lập trong thời gian ngắn nhất. Bình có khả năng xử lý các
nguồn nước nhiễm đục, chứa chất rắn lơ lửng, màu, mùi, phèn, độc tố, kim loại
nặng, vi sinh thành nước đạt tiệu chuẩn Việt Nam (TCVN) phục vụ việc cung
cấp nước sạch và nước tinh khiết. Bình được thiết kế có cấu tạo nhiều phần, mỗi
phần có chức năng khác nhau phù hợp với mục đích lọc nước, đồng thời có giá
thành hợp lý, phù hợp với việc cứu hộ cho vùng bão lũ miền trung.
Một trong những vấn đề lớn nhất trong xử lý nước vùng lũ là diệt vi
khuẩn, phòng tránh dịch bệnh bùng phát, ảnh hưởng trực tiếp tới sức khoẻ con
người. Trong khi đó, TiO2 nano là vật liệu có tính quang xúc tác, phân hủy chất

hữu cơ và vi khuẩn mạnh. Đồng thời TiO2 nano rẻ, bền, dễ chế tạo, phù hợp với
bình xử lí nước.
3
Chương 1. TỔNG QUAN 6
1.1. Các thông số xác định ô nhiễm nước 6
1.1.1. pH 6
1.1.2. Độ cứng 7
1.1.3. Độ đục 7
1.1.4. Độ màu 7
1.1.5. Hàm lượng chất rắn 7
1.1.6. Hàm lượng oxy hòa tan (DO – Dissolved Oxygen) 8
1.1.7. Nhu cầu oxy hóa sinh hóa (BOD – Biochemical Oxygen Demand) 8
1.1.8. Nhu cầu oxy hóa hóa học (COD – Chemical Oxygen Demand) 8
1.1.9. Hàm lượng các chất 8
1.2. Vật liệu TiO2 nanomet 9
1.2.1. Tính chất quang xúc tác 9
1.2.2. Vật liệu TiO2 pha tạp 11
1.2.3. Hiệu suất quang hoá 12
12
1.3. Than hoạt tính 13
1.3.1. Cơ chế lọc nước của than hoạt tính 13
1.3.2. Hiệu suất lọc 14
1.4. Cationite 14
1.4.1. Trao đổi ion - nhựa trao đổi ion 14
1.4.2. Cationite 15
16
Chương 2. THỰC NGHIỆM 17
2.1. Chế tạo vật liệu TiO2 pha tạp Ni 17
2.1.1. Thí nghiệm chế tạo mẫu TiO2 pha tap Ni 17
2.1.2. Các kĩ thuật đo khảo sát tính chất của vật liệu TiO2 pha tạp Ni 23

2.2. Thiết kế bình lọc nước 24
2.3. Thí nghiệm khả năng xử lý vi khuẩn của TiO2 nano 27
2.3.1. Thí nghiệm khả năng xử lý vi khuẩn của TiO2 nano lần 1 27
2.3.2. Thí nghiệm khả năng xử lý vi khuẩn của TiO2 nano lần 2 28
2.4. Thí nghiệm khả năng xử lý của than hoạt tính và cationite 29
2.4.1. Thử nghiệm lớp than hoạt tính 29
2.4.2. Thử nghiệm lớp cationite 30
2.4.3. Thử nghiệm kết hợp lớp than hoạt tính và lớp cationite 30
Chương 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 31
3.1. Kết quả đo mẫu 2 31
3.1.1. Kết quả nhiễu xạ tia X 31
3.1.2. Kết quả đo phổ hấp thụ 32
3.1.3. Kế hoạch khắc phục 33
3.2. Kết quả đo mẫu 3 33
3.2.1. Kết quả nhiễu xạ tia X 34
3.2.2. Kết quả đo phổ hấp thụ 35
3.3. Kết quả xử lý vi khuẩn bằng TiO2 nano 36
4
3.3.1. Kết quả xử lý vi khuẩn bằng TiO2 nano lần 1 36
37
3.3.2. Kết quả xử lý vi khuẩn bằng TiO2 nano lần 2 38
3.4. Kết quả xử lý nước bằng than hoạt tính và cationite 40
3.5. Hướng nghiên cứu tiếp theo 41
Tài liệu tham khảo 42
5
Chương 1. TỔNG QUAN
1.1. Các thông số xác định ô nhiễm nước
Nước vùng lũ lụt bị ô nhiễm nặng. Nguồn gây ô nhiễm chủ yếu do phân,
rác, nước thải, bãi thu gom, tập kết xử lý chất thải rắn, kho chứa hóa chất, kho
chứa thuốc bảo vệ thực vật bị cuốn chung vào nguồn nước. Các công trình xử

lý nước thải, hệ thống thoát nước thải bị phá hủy làm cho phân, rác, nước thải
tồn đọng từ các nhà vệ sinh, hệ thống cống rãnh, chuồng trại chăn nuôi tràn trực
tiếp ra môi trường. Để xử lý nước vùng lũ thành nước sạch, cần phải xử lý
nguồn nước mặt nhiễm đục, chất rắn lơ lửng, màu, mùi, phèn, độc tố, kim loại
nặng, vi sinh thành nước đạt tiệu chuẩn Việt Nam (TCVN) phục vụ việc cung
cấp nước sạch và nước tinh khiết cho sinh hoạt ăn uống và mục đích y tế.
Dựa vào tiêu chuẩn quốc gia TCVN hoặc các tiêu chuẩn quốc tế người ta
quy định cho các loại nước những tiêu chuẩn, các thông số cần giám sát (loại A
và B).
Nước nguồn phải giám sát các thông số như độ pH, độ trong, độ cứng,
màu, độ đục, hàm lượng oxy hòa tan, Fe, Mn và kim loại nặng….
Nước qua sử dụng phải giám sát: độ pH, độ kiềm, độ acid, COD, BOD, N,
P, S, các hóa chất, dầu mỡ và kim loại nặng….
Các tiêu chuẩn cũng được quy định theo hai loại nước nói trên.
1.1.1. pH
Nước trung tính có pH = 7; nếu pH < 7 là có tính acid, pH > 7 – tính
kiềm. Nước ngầm thường có pH = 4-5; nước thải có pH dao động nhiều, đặc biệt
trong các quá trình keo tụ, khử trùng, khử sắt, làm mềm nước, chống ăn mòn.
pH là chỉ tiêu rất cần thiết cho phép xác định phương pháp xử lý nước thích hợp.
Độ acid tự nhiên là do CO2 hoặc acid vô cơ gây ra, có thể ăn mòn kim
loại. CO2 là do hấp thụ từ không khí hoặc từ hoạt động oxy hóa sinh học các
chất hữu cơ. Acid vô cơ thường có trong nước ngầm khi chảy qua các vùng mỏ
hoặc các lớp khoáng chất, thường thấy dưới dạng hợp chất lưu huỳnh.
Độ kiềm tự nhiên là do 3 nhóm ion OH-, CO32- và HCO3- tạo nên. Một
số muối như borat, silicat làm tăng độ kiềm. Vài acid hữu cơ khá bền với chất
oxy hóa sinh học như humix; các muối của chúng gây tăng độ kiềm; tiêu thụ
CO2 làm tăng độ pH. Độ kiềm cao gây ảnh hưởng xấu đến đời sống vi sinh vật.
Nói chung cần giám sát độ kiềm để có biện pháp làm mềm nước hoặc tạo dung
dịch đệm.
6

1.1.2. Độ cứng
Thường có hai loại là nước cứng và nước mềm.
Nước cứng không tạo bọt xà bông, dễ kết tủa do các ion hóa trị 2 như Ca+
+, Mg++ hoặc Fe++, Mn++, Zn++. Thường chủ yếu do Ca++ và Mg++. Giám
sát độ cứng qua hàm lượng CaCO3 quy đổi. Nước mềm có CaCO3 < 50 mg/l.
Nhìn chung nước cứng không độc hại nhưng ảnh hưởng không tốt đến sinh hoạt
và công nghiệp vì không có bọt, giặt lâu sạch, hấp thụ Ca, Mg làm cho vải mau
mục, dòn hoặc tạo thành màng cứng trên thành ống, nồi hơi dễ gây nổ.
1.1.3. Độ đục
Độ đục là do các hạt rắn lơ lửng, các chất hữu cơ phân rã hoặc do động
thực vật chết gây nên. Độ đục làm giảm khả năng truyền ánh sáng vào nước,
giảm quang hợp và đặc biệt giảm tính thẩm mỹ. Các hạt rắn có thể mang theo vi
sinh vật và mầm bệnh.
Giám sát độ đục thông qua hàm lượng SiO2 trong 1 lít nước. Đơn vị độ
đục là 1 mg SiO2/lít nước.
1.1.4. Độ màu
Nước tự nhiên không có màu; độ màu là do các chất như mùn, vụn chất
hữu cơ (xác thực vật phân hủy), các hạt lơ lửng vô cơ, các tanin, acid humic
phân hủy, thường có nguồn gốc từ nước thải công nghiệp đặc biệt là giấy, bông,
nhuộm hoặc do Fe, có màu nâu đặc trưng.
Người ta phân biệt màu thực và màu biểu kiến. Màu thực là do các dạng
hữu cơ, thực vật dạng keo, khó xử lý ví dụ mùn humic có màu vàng; thủy sinh,
rong tảo có màu xanh. Màu biểu kiến là do các hạt rắn vô cơ có màu, xử lý đơn
giản hơn.
Nước thải công nghiệp thường có màu hỗn hợp vừa thực, vừa màu biểu
kiến. Đôi khi nước có màu không gây độc hại đáng kể cho sinh vật nhưng làm
giảm vẻ thẩm mỹ hoặc làm giảm phẩm chất trong chế biến thực phẩm, công
nghiệp nhuộm
1.1.5. Hàm lượng chất rắn
Các chất rắn bao gồm các chất vô cơ hòa tan (các muối) hoặc không hòa

tan (đất đá dạng huyền phù) và các chất hữu cơ như vi sinh vật (kể cả động vật
nguyên sinh và tảo), các chất hữu cơ tổng hợp (phân bón, chất thải). Người ta
thường giám sát hàm lượng chất rắn qua các thông số sau:
Tổng chất rắn (TS) là trọng lượng khô (mg/l) của phần còn lại sau khi bay
hơi 1 lít nước, sấy khô ở 103oC.
Chất rắn lơ lửng (SS) là trọng lượng khô phần rắn còn lại trên giấy lọc sợi
thủy tinh 1 lít nước, sấy khô ở 103-105oC.
Chất rắn hòa tan (DS) là hiệu số (TS – SS) = DS.
7
1.1.6. Hàm lượng oxy hòa tan (DO – Dissolved Oxygen)
Tất cả các sinh vật hiếu khí đều cần O2 cho hô hấp. Động vật trên cạn sử
dụng O2 của không khí (khoảng 21% trong khí quyển), động vật dưới nước sử
dụng O2 hòa tan (trung bình 4 mg/l); O2 hòa tan có nhiều hơn trên phần nước
mặt, hoặc ở vùng có thực vật xanh. Hàm lượng O2 hòa tan phụ thuộc vào áp
suất riêng phần O2 trong không khí; vào nhiệt độ nước và quang hợp, vào hàm
lượng muối trong nước. O2 hòa tan giảm là dấu hiệu ô nhiễm nước. Khi hàm
lượng O2 hòa tan gần bằng 0 thì nước ô nhiễm nặng. Nước sạch thì O2 bão hòa.
toC = 0oC; p = 1 atm thì DO = 14,6 mg/l
toC = 20oC; p = 1 atm thì DO = 9,2 mg/l
toC = 35oC; p = 1 atm thì DO = 7 mg/l
1.1.7. Nhu cầu oxy hóa sinh hóa (BOD – Biochemical Oxygen Demand)
Đó là lượng O2 cần thiết để vi sinh vật thực hiện quá trình oxy hóa sinh
hóa các chất hữu cơ bị phân hủy. Đơn vị là mg O2/l. Chỉ số BOD cao thì ô
nhiễm nặng.
Nước sạch thì BOD < 2 mg O2/l
Nước thải sinh hoạt thường có BOD = 80-240 mg O2/l
Thông thường phải có thời gian dài khoảng 20 ngày thì 80-90% lượng
chất hữu cơ mới bị oxy hóa hết. Người ta quy ước để 5 ngày vì vậy gọi là
BOD5.
1.1.8. Nhu cầu oxy hóa hóa học (COD – Chemical Oxygen Demand)

Đó là lượng oxy cần thiết cho quá trình oxy hóa hóa học các chất hữu cơ
tạo thành CO2 và nước. Vì BOD không tính đến các chất hữu cơ bền vững vốn
không bị oxy hóa sinh hóa, còn COD thì có tác dụng với mọi chất hữu cơ, nên
COD được coi là đặc trưng hơn trong giám sát ô nhiễm nước. Nước thải ô nhiễm
có tỉ lệ BOD/COD là 0,7 - 0,5.
1.1.9. Hàm lượng các chất
Sulfat SO
4
2-
ảnh hưởng đến sự tạo thành H
2
S gây mùi khó chịu, rất độc
cho cá; gây cặn cứng ở thành nồi hơi, nồi nấu nước, làm mòn kim loại, gây bệnh
tiêu chảy.
Nitơ và hợp chất nitơ: Chủ yếu bắt nguồn từ quá trình phân hủy chất hữu
cơ do vi sinh vật. Nitrit – NO
2
là giai đoạn trung gian trong quá trình đạm hóa.
Nitrat – NO
3
là giai đoạn oxy hóa cao nhất cũng là giai đoạn sau cùng của oxy
hóa sinh học.
Phosphat PO
4
3-
: Đó là nguồn dinh dưỡng giúp sinh vật và hệ sinh thái
nước phát triển. Nhưng nếu nhiều quá sẽ sinh ra thiếu O
2
tạo nên hiện tượng thối
rữa.

Các kim loại và kim loại nặng: Các kim loại thường được lưu ý giám sát
bởi tính độc hại và tác động gây ô nhiễm của chúng như: đồng, sắt, mangan,
kẽm, chì, crom, nhôm,
8
1.2. Vật liệu TiO2 nanomet
1.2.1. Tính chất quang xúc tác
Hiện tượng quang điện trong: Khi bán dẫn được chiếu bằng chùm ánh
sang có bước song thích hợp, thì một số êlectron liên kết trong bán dẫn có thể
bứt ra khỏi các nguyên tử bán dẫn và chuyển động tự do trong khối bán dẫn đó.
Đồng thời có một số lượng như vậy các lỗ trống được tạo ra và tham gia vào quá
trình dẫn điện.
Năm 1930, khái niệm quang xúc tác ra đời. Trong hoá học nó dùng để nói
đến những phản ứng xảy ra dưới tác dụng đồng thời của ánh sáng và chất xúc
tác, hay nói cách khác, ánh sáng chính là nhân tố kích hoạt chất xúc tác, giúp
cho phản ứng xảy ra. Khi có sự kích thích của ánh sáng có năng lượng lớn hơn
năng lượng vùng cấm, một số êlectron liên kết trong vùng hóa trị có thể bứt ra
khỏi các nguyên tử bán dẫn và chuyển lên vùng dẫn thành các điện tử tự do
trong khối bán dẫn đó, trong chất bán dẫn sẽ tạo ra cặp điện tử - lỗ trống (e-/h+).
Cặp điện tử - lỗ trống đó khuếch tán ra bề mặt, phản ứng với H
2
O và O
2
tạo ra
các gốc có khả năng oxy hóa khử các chất hữu cơ. Các chất hữu cơ được hấp
phụ ở bề mặt bị oxy hóa thành CO
2
và H
2
O.
TiO

2
(h+) + H
2
O OH
*
+ H
+
+ TiO
2
9
TiO
2
(e-) + O
2
TiO
2
+ O
2-
Để 1 vật có khả năng xúc tác quang cần có hoạt tính quang hóa và có độ
rộng vùng cấm thích hợp để hấp thụ ánh sang tử ngoại hoặc ánh sáng nhìn thấy.
Vật liệu Titan Dioxide (TiO
2
) cho thấy có triển vọng:
- Khả năng oxy hóa mạnh của lỗ trống được sản sinh bởi photon khi hấp
thụ ánh sáng có bước sóng ngắn hơn 380nm (vùng ánh sáng tử ngoại, UV)
- TiO
2
là chất trơ về mặt hóa học và sinh học, do đó mà 1 lượng dư TiO
2

còn lại sau quá trình xử lý các chất ô nhiễm môi trường không gây tác động xấu
đến sinh quyển và sức khỏe con người.
- Không cần các chất phụ gia hóa học
- TiO
2
bền, không bị ăn mòn quang học và hóa học, do đó việc sử dụng
mang lại hiệu quả cao.
- Chất xúc tác quang có thể được tái tạo cho việc tái sử dụng
- Hiệu suất phân hủy cao tại nhiệt độ phòng
10
TiO
2
anatase có năng lượng vùng cấm là 3,2 eV, tương đương với một
lượng tử ánh sáng có bước sóng 388 nm. TiO
2
rutile có năng lượng vùng cấm là
3,0 eV tương đương với một lượng tử ánh sáng có bước sóng λ = 413 nm.
1.2.2. Vật liệu TiO
2
pha tạp
Với độ rộng vùng cấm khoảng 3.2eV - 3.8eV, vật liệu TiO
2
chỉ có thể cho hiệu
ứng quang xúc tác trong vùng ánh sáng UV. Tuy nhiên, hiệu suất quang xúc tác
ngoài trời thấp do bức xạ UV chỉ chiếm khoảng 5% năng lượng Mặt Trời. Để sử
dụng năng lượng Mặt Trời một cách hiệu quả hơn, cần mở rộng phổ hấp thu của
TiO
2
vào vùng ánh sáng khả kiến (loại bức xạ chiếm đến 45% năng lượng mặt
trời). Để chế tạo vật liệu có tính năng quang xúc tác tốt trong vùng ánh sáng khả

11
kiến trên nền vật liệu TiO
2
, cho đến nay có bốn phương pháp chủ yếu được đề
nghị là:
(1) pha tạp ion kim loại chuyển tiếp (để tạo những trạng thái trung gian
trong vùng cấm TiO2)
(2) gắn kết chất nhạy quang (đóng vai trò là chất hữu cơ có khả năng hấp
thụ ánh sáng khả kiến)
(3) thành lập TiO
x
(tạo trạng thái khuyết oxygen (O) định xứ trên mức
năng lượng trong khoảng 0.75eV – 1.18 eV ở dưới vùng dẫn)
(4) pha tạp các anion của C, N, F, P hoặc S (để thay thế O trong tinh thể
anatase TiO2).
Tuy nhiên, 2 phương pháp (2), (3) đều không bền nhiệt, độ lập lại quang
xúc tác kém, hoặc làm tăng nồng độ tâm tái hợp. Trong khi đó, phương pháp (1),
(4) được cho là hiệu dụng nhất do có khả năng thành lập mức tạp mới gần vùng
hóa trị.
Trong dự án của nhóm, chúng tôi đã quyết định pha tạp TiO
2
với Ni để
giảm độ rộng vùng cấm.
1.2.3. Hiệu suất quang hoá
-Kích thước: Một trong những giới hạn chính của quá trình quang hoá xúc
tác là giá trị hiệu suất lượng tử tương đối thấp do sự tái hợp của các cặp e-/h+
trước khi chúng tham gia các phản ứng oxy hoá khử với cơ chất. Nhằm đạt được
hiệu quả quang hoá cao, cần thiết phải hạn chế các quá trình tái hợp của các cặp
e-/h+. Các yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến hiệu suất lượng tử là kích thước hạt,
cấu trúc và mức độ tinh thể hoá của TiO

2
.
-Ánh sáng: Hiệu ứng quang xúc tác trên bề mặt màng TiO
2
không phụ
thuộc vào cường độ ánh sáng kích thích mà chỉ phụ thuộc vào bước sóng của
ánh sáng kích thích hay năng lượng photon. Như vậy, những chùm ánh sáng
kích thích có cường độ chiếu sáng yếu nhưng năng lượng photon đủ lớn đều có
khả năng gây ra hiệu ứng quang xúc tác . Điều này có nghĩa là, ánh sáng đèn
huỳnh quang trong phòng ở (có chứa khoảng 4% bức xạ UV) cũng có thể gây ra
được hiệu ứng quang xúc tác. Trong quang xúc tác nhờ TiO2, yêu cầu cần thiết
là vật liệu sau khi được chế tạo phải hấp thụ tốt ánh sáng UV. Tương tự với
quang xúc tác nhờ TiO
2
pha tạp Ni, vật liệu sau khi chế tạo cũng phải có khả
năng hấp thụ tốt ánh sáng v ùng khả kiến. Điều này chỉ đạt được khi bờ hấp thụ
của màng sau khi chế tạo nằm trong vùng tử ngoại hoặc khả kiến.
Ngoài các yếu tố trên, còn một số các yếu tố khác cũng ảnh hưởng đến khả
năng quang xúc tác của vật liệu như: chất phụ gia, nhiệt độ, khối lượng xúc tác,
diện tích hiệu dụng bề mặt ,…
12
1.3. Than hoạt tính
Than hoạt tính có khả năng loại bỏ hàng trăm hợp chất hóa học có thể
gây hại cho con người, có công dụng khử mùi, màu, cặn, hóa chất vô cơ và hữu
cơ,
1.3.1. Cơ chế lọc nước của than hoạt tính
Than hoạt tính lọc nước thông qua hai quá trình song song:
1. Lọc cơ học, giữ lại các hạt cặn bằng những lỗ nhỏ,
2. Hấp thụ các tạp chất hòa tan trong nước bằng cơ
chế hấp thụ bề mặt hoặc trao đổi ion.

Than hoạt tính là một chất liệu xốp, có rất
nhiều lỗ lớn nhỏ. Dưới kính hiển vi điện tử, một hạt
than trông giống như một tổ kiến. Vì thế, diện tích
tiếp xúc bề mặt của nó rất rộng để hấp thụ tạp chất.
(Tùy theo nguyên liệu gốc, tổng diện tích bề mặt của
1/2kg than hoạt tính còn rộng hơn cả một sân bóng đá).
13
Than hoạt tính
kết cấu khối đặc
1.3.2. Hiệu suất lọc
Hiệu suất lọc sẽ tùy thuộc chủ yếu vào những yếu tố:
1) Tính chất vật lý của Than hoạt tính, như kết cấu, kích thước, mật độ lỗ,
diện tích tiếp xúc
2) Tính chất lý hóa của các loại tạp chất cần loại bỏ
3) Thời gian tiếp xúc của nước với than hoạt tính càng lâu, việc hấp thụ
càng tốt.
Than hoạt tính chỉ có tác dụng với một lượng nước nhất định. Sau khi lọc
được một khối lượng nước theo chỉ định của nhà sản xuất, than sẽ không còn
khả năng hấp phụ nữa (no/ bão hòa).
1.4. Cationite
1.4.1. Trao đổi ion - nhựa trao đổi ion
Để kiểm soát độ tinh khiết và pH

của nước bằng cách loại bỏ các ion
không mong muốn và thay thế chúng bằng các ion khác có thể chấp nhận được.
Cụ thể, đó là sự trao đổi ion giữa một chất rắn ( nhựa trao đổi ) với một chất
lỏng, ở đây chủ yếu là nước uống và nước cấp

thậm chí sử dụng rong xử lý
nước thải, ví dụ nước thải ngành xi mạ. Trao đổi ion là quá trình trao đổi qua lại

giữa ion trong chất lỏng và nhựa trao đổi. Quá trình này thường được sử dụng
để loại bỏ các ion không mong muốn từ chất lỏng và thay thế bằng các ion khác
có thể chấp nhận được ở nhựa trao đổi. Các thiết bị trao đổi ion cũng thường
được gọi là thiết bị khử khoáng.
Có hai loại nhựa trao đổi ion chính, là nhựa Cation – nhựa trao đổi ion
dương thường gặp là Ca
2+
, Mg
2+
, Fe
2+
, H
+
, và nhựa Anion – nhựa trao đổi ion
âm bao gồm Cl
-
, SO
4
2-
, OH
-
.
Theo hóa học, cà hai loại nhựa đều thuộc về một nhóm hợp chất gọi là
polymer, là những phân tử cực lớn hình thành bởi sự kết hợp nhiều phân tử của
một hoặc hai hợp chất với cấu trúc lặp đi lặp lại tạo thành một chuỗi dài.
Theo lý học, nhựa trao đổi ion là các dạng hạt nhỏ, được gọi là hạt nhựa
với đường kính trung bình khoảng 0.5 mm. Loại nhựa này có độ ẫm, trong suốt
màu hổ phách, không tan trong nước, acid và bazo.
14
1.4.2. Cationite

Phương pháp sử dụng cationit (nhựa trao đổi cation) được dùng phổ biến
nhất vì có giá thành rẻ kể cả chi phí đầu tư lẫn chi phí vận hành.
Nguyên lý của phương pháp sử dụng cationit:
Đưa nước qua 1 vật liệu chứa các ion dương hoạt động mạnh hơn Ca
2+
và
Mg
2+
, vật liệu này sẽ hấp thụ các ion Ca
2+
và Mg
2+
trong nước và nhả ra các ion
mạnh hơn kia, do đó tạo ra các hợp chất carbonat không kết tủa. Thông thường
người ta dùng 2 loại cationit là Na-Cationit và H-Cationit tương ứng với các ion
là Na
+
và H
+
và các hợp chất tạo ra tương ứng là Na
2
CO
3
và H
2
CO
3
(H
2
CO

3
sẽ bị
phân tích ngay thành H
2
O và CO
2
).
Khi các Cationit đã hết khả năng trao đổi, người ta phải "hoàn nguyên"
tức là phục hồi lại các ion dương cho nó. Đối với Na-Cationit người ta dùng
muối ăn NaCl, đối với H-Cationit người ta dùng axit.
Thiết bị trao đổi Na-Cationit thông thường có thể hạ độ cứng của nước
xuống đến dưới 10 ppm, nếu được thiết kế đặc biệt có thể hạ xuống dưới 2 ppm.
Mỗi lít hạt Na-Cationit có khả năng trao đổi khoảng từ 2-6 gam đương lượng
tùy loại, tức là có thể làm hạ độ cứng từ 300 đến 1000 lít nước có độ cứng 6
mgdl/lít (300 ppm hay 16,8 dH) xuống 0 trước khi phải hoàn nguyên.
H-Cationit có khả năng trao đổi mạnh hơn Na-Cationit và cũng triệt để
hơn vì nó loại bỏ hoàn toàn gốc carbonat ra khỏi nước. Tuy nhiên nó có giá
thành cao hơn nhiều lần, chi phí vận hành cũng cao hơn (axit đắt hơn muối ăn)
và yêu cầu vận hành cũng nghiêm ngặt hơn do phải dùng axit nên ít được sử
dụng.
Ngoài cách trao đổi ion dương người ta còn dùng cả trao đổi ion âm (chất
trao đổi gọi là Anionit) để loại bỏ các ion HCO
3
-
ra khỏi nước. Phương pháp
này thường chỉ được sử dụng trong các nhà máy nhiệt điện, ở đó họ dùng cả
Na-Cationit, H
-
Cationit và Anionit nối tiếp nhau trong 1 hệ thống.
15

Quá trình trao đổi với cationit
RSO
3
H + Na
+
+ Cl
-
 RSO
3
Na
+
+ H
+
+ Cl
-
2RSO
3
H + Ca
2+
+ 2Cl
-
 (RSO
3
)
2
Ca + 2H
+
+ 2Cl
-
hoặc RCOOH + Na

+
+ OH
-
 RCOONa + H
2
O
Có thể xem đây là quá trình hoá học dị thể (lỏng-rắn). Mức độ ion hoá
phụ thuộc bản chất hoá học của nhóm hoạt động, tính chất dung dịch bên ngoài
Ví dụ: Nhóm sunlfur: ion hoá tốt trong môi trường acid
-COOH, OH: trong môi trường acid ion hoá kém hơn
Cationit acid mạnh: mực độ phân ly không phụ thuộc pH
Cationit acid yếu: thay đổi dung tích trao đổi theo pH
Một đặc điểm khác: khi cationit trao đổi đạt đến bảo hoà với cation này,
thì có thể trao đổi với cation khác.
R-H
+
+ NaCl  R-Na + H
+
+ Cl
-
2R-Na + CaSO
4
 (R)
2
Ca + Na
+
+ SO
4
2-
Sau khi bảo hoà, cationit được tái sinh bằng acid

R-SONa + H+  R-SO
3
H
+
+ Na
+
(R-SO
3
)
2
Ca + 2H+  2R-SO
3
H + Ca
2+
16
Chương 2. THỰC NGHIỆM
Với mục đích nghiên cứu cấu trúc tinh thể và tính chất quang của vật liệu
TiO
2
pha tạp N, chúng tôi tiến hành chế tạo mẫu, thực hiện một số phép đo khảo
sát cấu trúc tinh thể và tính chất quang của mẫu nghiên cứu. Chi tiết nội dung
trên sẽ được trình bày dưới đây.
2.1. Chế tạo vật liệu TiO2 pha tạp Ni
2.1.1. Thí nghiệm chế tạo mẫu TiO
2
pha tap Ni
Hệ vật liệu TiO
2
dạng sol được chế được chế tạo bằng phương pháp sol-gel
tạo phức. Phương pháp này đơn giản, linh hoạt và rẻ tiền. Thiết bị chế tạo và

các hóa chất được sử dụng như sau:
• Thiết bị hóa học bao gồm: Cân điện tử, buret điện tử, bếp khuấy từ
nhiệt điện tử, con từ, cốc chịu nhiệt, các loại pipet, máy ly tâm, ống
ly tâm, tủ sấy, thuyền sứ(chứa mẫu dùng để nung), lò nung vuông.
Tất cả các dụng cụ trực tiếp tiếp xúc với hoá chất đều được rửa sạch,
tráng bằng nước cất và cồn, sấy khô.
Hoá chất:
•Tetraisopropyl orthotitanate (TTIP): Ti(i-OC
3
H
7
)
4
, 284.22g/mol, 98%,
MERCK
•Axetylaxetone (ACT): C
5
H
8
O
2
, 100.10g/mol, 96.3%, TQ
•Isopropanol (IPA): 2-C
3
H
7
OH, 60.10g/mol, 99.7%, TQ
•Nitric acid : HNO
3
, 63.01g/mol, 65->68%, TQ

•Nickel (II) nitrate hexahydrate: Ni(NO
3
)
2
.6H
2
O, 290.79g/mol, 98%
Với thiết bị phản ứng, hóa chất và phòng thí nghiệm chứa hộp sạch.
Nước được dung trong thí nghiệm là nước cất hai lần.
17
2.1.1.1.Quy trình thực nghiệm

Lần 1: Sơ đồ Quy trình thực nghiệm lần 1 - Mẫu 1
Ngày 9/10:
• Cân 0.1515g Ni(NO
3
)
2
.6H
2
O rồi cho vào cốc đựng 20ml H
2
O (đong
bằng buret điện tử) khuấy nhanh.
• Chuẩn bị một cốc thí nghiệm sạch. Cho khuấy từ vào cốc và đưa lên
bếp khuấy từ. Lấy 16.8ml ACT cho vào cốc bằng pipet 1ml, tất cả
các hoá chất không nhỏ trực tiếp vào khuấy từ. Khuấy ở tốc độ
220rpm. Lấy 5ml TTIP cho vào nhanh. Khuấy hỗn hợp với tốc độ
trên ở nhiệt độ 30
o

C trong 30 phút.
• Lấy 65ml IPA cho vào cốc. Cho tiếp 2 ml HNO
3
vào. Khuấy hỗn
hợp ở 80
o
C trong 30 phút.
• Cho dung dịch Ni(NO
3
)
2
đã pha vào hốn hợp trên, bọc miệng cốc.
Khuấy ở 65
o
C trong 2h30’.
• Thu lại mẫu trên và bảo quản ở nhiệt độ phòng
18
Ngày 10/10:
• Lấy mẫu, đưa lên máy khuấy từ, chỉnh tốc độ lên 220rpm.
• Cho thêm nước, thấy xuất hiện rất ít kết tủa.
• Đưa mẫu có kết tủa vào trong ống ly tâm rồi ly tâm trong 3 phút tốc
độ 6000rpm. KHÔNG THẤY XUẤT HIỆN THÊM KẾT TỦA.
 Thí nghiệm lần 1 thất bại
 Lý do: Do lượng dung dịch và axit trong cốc quá nhiều nên không còn
đủ thể tích thêm nước để đưa dung dịch về trạng thái trung hòa tạo kết
tủa Ti(OH)
4
 Rút kinh nghiệm: Thay đổi quy trình thực nghiệm, không đưa dung dịch
về trạng thái trung hòa nữa
19

Lần 2: Sơ đồ Quy trình thực nghiệm lần 2 - Mẫu 2
Ngày 26/10:
• Cân 0.1515g Ni(NO
3
)
2
.6H
2
O rồi cho vào cốc đựng 20ml H
2
O (đong
bằng buret điện tử) khuấy nhanh.
• Chuẩn bị một cốc thí nghiệm sạch. Cho khuấy từ vào cốc và đưa lên
bếp khuấy từ. Lấy 16.8ml ACT cho vào cốc bằng pipet 1ml, tất cả
các hoá chất không nhỏ trực tiếp vào khuấy từ. Khuấy ở tốc độ
220rpm. Lấy 5ml TTIP cho vào nhanh. Khuấy hỗn hợp với tốc độ
trên ở nhiệt độ 30
o
C trong 30 phút.
• Lấy 65ml IPA cho vào cốc. Cho tiếp 2 ml HNO
3
vào. Khuấy hỗn
hợp ở 80
o
C trong 30 phút.
• Cho dung dịch Ni(NO
3
)
2
đã pha vào hốn hợp trên, bọc miệng cốc.

Khuấy ở 65
o
C trong 1h30’.
• Thu lại mẫu trên và bảo quản ở nhiệt độ phòng
20
Ngày 27/10:
• Lấy mẫu của ngày hôm trước tiếp tục làm thí nghiệm.
• Gia nhiệt cho hỗn hợp tại 110
o
C đến khi gần cạn.
• Cho mẫu vào tủ sấy bảo quản ở 90
o
C
Ngày 30/10:
• Lấy mẫu từ trong tủ sấy ra, để nguội
• Thu bột từ trong cốc, nghiền nhỏ
• Cho bột vào thuyền sứ, cho vào lò nung vuông, nung ở 400
o
C trong
3h.
• Thu mẫu, để nguội, bảo quản bằng cách bọc giấy nilon, để ở nhiệt độ
phòng.
Lần 3: Sơ đồ Quy trình thực nghiệm giống lần 2 - Mẫu 3
• Cân 1.4377g Ni(NO
3
)
2
.6H
2
O rồi cho vào cốc đựng 20ml H

2
O (đong
bằng buret điện tử) khuấy nhanh.(Trong lần 3 này chỉ tập trung vào
tang nồng độ pha tạp TiO
2
)
• Chuẩn bị một cốc thí nghiệm sạch. Cho khuấy từ vào cốc và đưa lên
bếp khuấy từ. Lấy 16.8ml ACT cho vào cốc bằng pipet 1ml, tất cả
các hoá chất không nhỏ trực tiếp vào khuấy từ. Khuấy ở tốc độ
220rpm. Lấy 5ml TTIP cho vào nhanh. Khuấy hỗn hợp với tốc độ
trên ở nhiệt độ 30
o
C trong 30 phút.
• Lấy 65ml IPA cho vào cốc. Cho tiếp 2 ml HNO
3
vào. Khuấy hỗn
hợp ở 80
o
C trong 30 phút.
• Cho dung dịch Ni(NO
3
)
2
đã pha vào hốn hợp trên, bọc miệng cốc.
Khuấy ở 65
o
C trong 1h30’.
• Lấy mẫu của ngày hôm trước tiếp tục làm thí nghiệm.
• Gia nhiệt cho hỗn hợp tại 110
o

C đến khi gần cạn.
• Cho mẫu vào tủ sấy bảo quản ở 90
o
C
• Lấy mẫu từ trong tủ sấy ra, để nguội
• Thu bột từ trong cốc, nghiền nhỏ
• Cho bột vào thuyền sứ, cho vào lò nung vuông, nung ở 400
o
C trong
3h.
• Thu mẫu, để nguội, bảo quản bằng cách bọc giấy nilon, để ở nhiệt độ
phòng.
21
2.1.1.2.Các phản ứng hóa học xảy ra trong quy trình thực nghiệm
Khi TTIP được hòa tan trong IPA và nước khử ion các phản ứng hóa
học sau sẽ xảy ra:
Phản ứng thủy phân:
Ti(i-OC
3
H
7
)
4

+ H
2
O ⇔ HO-Ti(i-OC
3
H
7

)
4

+ i-OC
3
H
7
Phản ứng ngưng tụ:
Loại nước:
Loại ancol:
Các phản ứng thủy phân – ngưng tụ của TPOT trong dung dịch có xu
hướng dẫn đến sự tạo thành kết tủa của titan oxo polymer. Vì vậy, phải điều
khiển tốc độ các phản ứng sao cho các polyme này tồn tại dưới dạng dung dịch
hoặc gel. Sự điều khiển này có thể đạt được dễ dàng bằng cách thêm các chất
axit và phối tử phức nhằm ức chế quá trình ngưng tụ tức là ngăn cản sự hình
thành kết tủa và sự phát triển của kích thước hạt.
Ảnh hưởng của xúc tác đến quá trình thủy phân và ngưng tụ
Ti(i-OC3H7)
4
có tốc độ thủy phân nhanh nên axit HNO
3

và axetylaxetone
(ACT) đóng vai trò là chất kìm hãm trong các phản ứng thủy phân- ngưng tụ.
Ngoài ra ACT còn có khả năng tạo phức với tiền chất của Ti. Phản ứng xảy ra
như sau:
Ti(i-OC
3
H
7

)
4

+ x acacH → Ti(i-OC
3
H
7
)
4-x
(acac)
x

+ x i- C
3
H
7
OH
Với x =
0,1
÷
2,
tất cả các phối tử của axetylaxetone liên kết hết với
các
nguyên tử Ti trong tiền chất. Kết quả này chỉ ra rằng có sự chuyển đổi trong
cầu phối vị của Ti. Sự chuyển đổi này có thể được mô tả như sau:
2Ti(i-OC
3
H
7
)

3
(acac) → Ti(i-OC
3

H
7
)
2
(acac)
2

+ Ti(i-OC
3
H
7
)
4
Các phối tử phức axetylaxetone có kích thước phân tử lớn đã làm giảm
tính hoạt động của Ti(i-OC
3
H
7
)
4-x
(acac)
x

(x = 1 và 2). Ngoài ra axetylaxetone
còn có tác dụng ngăn cản sự keo tụ và lắng đọng của các hạt sol hình thành
trong quá trình phản ứng. Các phối tử phức axetylaxetone cho vào hỗn hợp

phản ứng có hai tác dụng: làm cho quá trình phản ứng diễn ra chậm hơn và tránh
hiện tượng keo tụ của hệ keo khi chế tạo và bảo quản.
Ảnh hưởng của tỷ lệ nước / tiền chất và ACT / tiền chất đến quá trình thủy
phân và ngưng tụ
Các phản ứng thủy phân ngưng tụ của các tiền chất Ti có chứa ACT
được điều khiển chủ yếu bởi hai thông số: tỉ số thủy phân h = H
2
O/Ti và tỉ số
phức x = acac/Ti. Axetylaxetone làm giảm các liên kết được thủy phân hóa
22
Ti-acac dẫn đến ngăn cản quá trình ngưng tụ và tạo thanh các đoạn mạch
ngắn hơn. Sự thủy phân của
Ti(i-OC
3
H
7
)
4-x
(acac)
x

được thực hiện trong sự có
mặt của các lượng nước khác nhau (1 < h < 10) cùng với tỉ số phức hoạt động
và nồng độ Ti quyết định việc tạo thành các đám phân tử, sol, gel hoặc kết
tủa.
Với tỉ số thủy phân cao h>1, và khoảng tạo phức x =
0
÷
1,
sự thủy phân

của tiền chất Ti biến thể acac cho 3 vùng chính. Sol thu được khi 0,2 ≤ x ≤ 1.
Sol này có thể trở nên trong suốt hoặc bị gel vẩn phụ thuộc và nồng độ Ti. Ta
quan sát được kết tủa khi tỉ số tạo phức x < 0,2 và tỉ số thủy phân h > 2.
Các điều kiện axit có thể phá vỡ các cầu oxo titan và hydoxo titan, vì vậy
tăng cường các phản ứng đảo. Đối với tỉ số thủy phân thấp (h < 1,7), sự thủy
phân của tiền chất Ti ([Ti] = 1M) tạo ra sol trong suốt.
Chúng ta có thể mô tả toàn bộ quá trình phản ứng như sau:
Ti(i-OC
3
H
7
)
4-x
(acac)
x

+ (2-x/2)H
2
O ↔ TiO
2-x/2
(acac)
x

+ (4-x) i- C
3
H
7
O
2.1.2. Các kĩ thuật đo khảo sát tính chất của vật liệu TiO

2
pha tạp Ni
2.1.2.1. Phép đo nhiễu xạ tia X (XRD)
Nhiễu xạ tia X là một phương pháp quan trọng trong việc nghiên cứu cấu
trúc vật liệu rắn. Các bước sóng của tia X nằm trong khoảng từ 1A
0
đến
50A
0
.Chúng có năng lượng lớn nên có thể xuyên vào chất rắn. Khi chiếu tia X
vào các mạng tinh thể,các tia X phản xạ từ hai mặt cạnh nhau giao thoa với nhau
ta sẽ thu được cực đại nhiễu xạ , từ đó tính được khoảng cách giữa các mạng
lưới tinh thể.
Phương pháp nhiễu xạ tia X được ứng dụng để nghiên cứu cấu trúc của
vật liệu và cho biết khoảng cách cơ bản giữa các lớp. Các mẫu bột được đo trên
máy Bruker-AXS (Siemens) D5005, ống phát tia CuKα, λ= 1,54064 Å, góc
quét 2θ thay đổi từ 0,5 ÷ 400, tốc độ 0,010/s tại Khoa Vật Lý, Trường ĐH Khoa
học Tự nhiên - Đại học Quốc gia Hà Nội.
2.1.2.2. Phổ hấp thụ UV-VIS
Để thu được phổ hấp thụ của mẫu, bước sóng ánh sáng tới sẽ được quét từ
vùng hồng ngoại gần tới vùng tử ngoại gần (UV-VIS-NIR). Bước sóng mà tại đó
cường độ sáng sau khi truyền qua mẫu thu được là nhỏ nhất chính là bước sóng
mà hấp thụ của mẫu là cực đại, bước sóng này là đặc trưng đối với từng mẫu.
Mẫu trong thí nghiệm được đo trên máy UV-VIS-NIR-V670, khoảng bước sóng
200-800 nm, độ chính xác bước sóng ±0.3 nm, bandwidth 1nm tại Khoa Vật lý,
Trường Đại học Sư phạm Hà Nội.
23
2.2. Thiết kế bình lọc nước
24
25