Quang học ứng dụng - Quang xúc tác

HỆ ĐO TÍNH NĂNG QUANG XÚC TÁC
CỦA MÀNG
Mô hình tổng quát của hệ đo tính năng quang
xúc tác của màng
•
Dịch tiếng anh chuyên nghành trực tuyến:
http://
www.mientayvn.com/dich_tieng_anh_chuyen_
nghanh.html
•
Học liệu mở:
http://
www.mientayvn.com/OCW/MIT/Vat_li.html
Pha dung dịch methylene blue (MB)
đo tính năng quang xúc tác của màng
Công thức phân tử của MB là C
16
H
18
ClN
3
S. 3H
2
O
HỆ ĐO TÍNH NĂNG QUANG XÚC TÁC CỦA MÀNG
MB là chất chỉ thị ôxy hóa khử được dùng trong phân tích hóa
học. Dung dịch này bị mất màu trong môi trường ôxy hóa khử.


Cơ chế phân hủy của MB bởi TiO
2

và ánh sáng UV
Phản ứng của màng TiO
2
(có dung dịch MB phủ phía trên màng)
khi được chiếu sáng thích hợp
TiO
2
+ hν  e + h
O
2
(hấp thụ trên bm) + e  O
2
-
H
2
O (H
+
+ OH
-
) + h  H
+
+
•
OH
MB +
•
OH  sản phẩm phân huỷ
MB + O
2
-

 sản phẩm phân hủy
Sản phẩm phân hủy (có thể là CO
2
, H
2
O, …) làm dung dịch MB
trở nên mất màu. Khi đó, độ truyền qua của màng tăng lên.
HỆ ĐO TÍNH NĂNG QUANG XÚC TÁC CỦA MÀNG





Phản ứng quang xúc tác của TiO
2
.
Các thiết bị dùng cho hệ đo tử ngoại và khả kiến
HỆ ĐO TÍNH NĂNG QUANG XÚC TÁC CỦA MÀNG
Quang phổ liên tục
Nguồn ánh sáng tử ngoại là ánh sáng UVA (là ánh sáng UV thuộc
vùng bước sóng 315nm – 380nm)
Nguồn phát: bóng đèn tube 220V- 8W, có công suất phát xạ cực
đại tại bước sóng 340nm
Nguồn sáng UV được cho là thích hợp nhất khi nghiên cứu về
quang xúc tác TiO
2
vì nguồn phát ra các bức xạ có bước sóng gần
vùng khả kiến trong quang phổ Mặt Trời




HỆ ĐO TÍNH NĂNG QUANG XÚC TÁC CỦA MÀNG
Nguồn ánh sáng khả kiến dùng trong hệ đo tính năng quang xúc
tác của TiO
2
:N là ánh sáng phát ra từ đèn huỳnh quang 220V-
11W.
Phổ huỳnh quang của đèn compact
Từ phổ phát quang của bóng đèn compact cho thấy, cường độ
sáng tập trung trong vùng ánh sáng khả kiến.


HỆ ĐO TÍNH NĂNG QUANG XÚC TÁC CỦA MÀNG
Sơ đồ bố trí hệ đo tính năng quang xúc tác của màng TiO
2
dưới
ánh sáng tử ngoại.
Bố trí hệ đo:
Buồng chứa mẫu được làm bằng
ống nhôm cao 50cm, đường kính
15cm.
Hệ đo tính năng quang xúc tác của
màng TiO
2
dưới ánh sáng UV.
Thành buồng và đế đồng đặt mẫu
được làm lạnh bằng nước.
Nhiệt độ tại đế đặt mẫu khoảng (33
± 1)
o

C và được duy trì ổn định trong
suốt quá trình chiếu sáng .
Khoảng cách giữa đèn và đế đặt
mẫu là 15cm.

HỆ ĐO TÍNH NĂNG QUANG XÚC TÁC CỦA MÀNG
Các bước thực hiện đo tính năng quang xúc tác của màng TiO
2

dưới ánh sáng tử ngoại.
Màng TiO
2
được cắt ra thành những mẫu
có kích thước 23x9mm
2
. Sau đó được lau
sạch bằng aceton và sấy khô.
Đo độ truyền qua ban đầu của màng T
o
.
Hệ đo tính năng quang xúc tác của
màng TiO
2
dưới ánh sáng UV.
Ngâm màng trong dung dịch MB có
nồng độ 1mM trong thời gian là 1 giờ và
sau đó thấm nhẹ bề mặt đọng giọt bằng
giấy thấm và để khô trong tối 30 phút.
Đo độ truyền qua của màng sau khi để khô 30 phút có giá trị là T
i

.
Màng được chiếu dưới ánh sáng tử ngoại, độ truyền qua T
f
của được
xác định sau mỗi khoảng thời gian 5 phút.
HỆ ĐO TÍNH NĂNG QUANG XÚC TÁC CỦA MÀNG
Hệ đo tính năng quang xúc tác của
màng TiO
2
:N dưới ánh sáng khả kiến
Khi ngâm màng trong dung
dịch, bề mặt có màng phải hướng
lên trên để dễ dàng tiếp xúc với
dung dịch.
Trong khi đo độ truyền qua của
màng, màng phải luôn ở cùng một
vị trí cố định cho mỗi lần đo.
Bề mặt có màng phải được
hướng về phía nguồn chiếu sáng
trong hệ đo truyền qua.
HỆ ĐO TÍNH NĂNG QUANG XÚC TÁC CỦA MÀNG
Độ hấp thụ quang của màng:
( )









−
−=α=
i
i
i
i
R1
T
lndAbs
Khi màng được chiếu ánh sáng UV trong thời gian màng 30
phút, lượng MB bám trên bề mặt màng đã bị phân hủy
Độ truyền qua màng T
f
, ứng với độ hấp thụ quang của màng là:
( )








−
−=α=
f
f
f
f

R1
T
lndAbs
Xem
như
if
RR ≈
, hiệu độ hấp thụ quang:
∆ABS = Abs
i
– Abs
f
≈ ln (T
f
/T
i
)
lượng MB bị phân hủy được đánh giá bằng giá trị ∆ABS
HỆ ĐO TÍNH NĂNG QUANG XÚC TÁC CỦA MÀNG
Sơ đồ bố trí hệ đo tính năng quang xúc tác của màng
TiO
2
:N dưới ánh sáng khả kiến.
Bố trí hệ đo:
Buồng đặt mẫu được làm
bằng ống nhựa PVC, có chiều
cao 25cm, đường kính 9cm.
Ảnh chụp hệ đo tính năng quang xúc tác của
màng TiO
2

dưới ánh sáng UV và màng
TiO
2
:N dưới ánh sáng khả kiến
Bên trong buồng có dán một
lớp giấy bạc phản xạ nhằm
tăng lượng ánh sáng phản xạ
tới mẫu.
Hai quạt dùng để giải nhiệt
có công suất 12W.
Nhiệt độ trong buồng đo được khoảng (30 ± 1)
o
C và nhiệt độ này
được duy trì trong suốt thời gian chiếu sáng
Khoảng cách giữa đèn và giá đặt mẫu là 10cm.
HỆ ĐO TÍNH NĂNG QUANG XÚC TÁC CỦA MÀNG
Ảnh chụp hệ đo tính năng quang xúc tác
của màng TiO
2
dưới ánh sáng UV và
màng TiO
2
:N dưới ánh sáng khả kiến
Các bước thực hiện đo:
Sơ đồ bố trí hệ đo tính năng quang xúc tác của màng TiO
2
:N
dưới ánh sáng khả kiến.
Tương tự như các bước thực
hiện đo tính năng quang xúc tác

của màng TiO
2
trong vùng UV ở
trên.
Tuy nhiên, T
f
được xác định
sau mỗi khoảng thời gian 30
phút chiếu bằng ánh sáng khả
kiến.
HỆ ĐO TÍNH NĂNG SIÊU THẤM ƯỚT
Màng
Hệ đo tính năng siêu thấm ướt nước của màng
Các thành phần của hệ đo:
Kính hiển vi số Dino-Lite
Camera: là loại kính hiển vi số Dino-Lite được
kết nối qua cổng USB của máy tính, bao gồm:
HỆ ĐO TÍNH NĂNG SIÊU THẤM ƯỚT
Ống nhỏ giọt nước: là loại ống bơm tiêm có thể tích 10ml.
Phần mềm FTA32: là phần mềm có thể tính được góc thấm ướt
(tính bằng độ), sức căng giọt nước (mN/m), chiều dài giọt nước (mm),
chiều cao giọt nước (mm), diện tích phần chỏm của giọt nước (mm
2
),
thể tích giọt nước (μl).
(1) đèn LED chiếu sáng;
(2) thấu kính quang học, độ phóng đại
là 16 lần theo chiều dọc và 16 lần theo
chiều ngang (độ phóng đại theo diện
tích là 256 lần);

(3) núm điều chỉnh tiêu cự.
Màng
Ống bơm
Camera
Hệ đo tính năng siêu thấm ướt
nước trên bề mặt màng
HỆ ĐO TÍNH NĂNG SIÊU THẤM ƯỚT
Các bước thực hiện đo
Màng được lau sạch bằng
aceton và sấy khô
Dùng ống nhỏ một giọt
nước lên màng. Chụp ảnh
giọt nước bằng kính hiển
vi số Dino-Lite. Sử dụng
phần mềm FTA32 để xác
định góc nước ban đầu θ
o
Lau khô giọt nước trên bề mặt màng bằng khăn sạch và sau đó,
màng được chiếu sáng. Sau mỗi khoảng thời gian 30 phút chiếu
sáng, màng được tiếp tục nhỏ một giọt nước lên bề mặt và lại đo
góc nước θ
i
HỆ ĐO TÍNH NĂNG SIÊU THẤM ƯỚT
Cách đo góc thấm ướt
bằng phần mềm FTA32
Xác định đường
cong giọt nước
Xác định đường thẳng ở
mặt phân cách
Vị trí click chuột

Ảnh giọt nước sau khi đưa vào phần mềm FTA 32
Vẽ một đường cong bao
quanh giọt nước (bằng
cách dùng chuột trái) và
đường thẳng tại mặt
phân cách của giọt nước
và đế (bằng cách dùng
chuột phải)
Click chuột trái vào ô
Contact Angle nằm phía bên
trái của màn hình để xem kết
quả đo góc
Hình 3.19. Kết quả xử lý từ ảnh
CÁC ỨNG DỤNG CỦA VẬT LIỆU
QUANG XÚC TÁC TiO
2
Tự làm sạch bề mặt
Khi chất bẩn hấp
thụ trên bề mặt
màng quang xúc tác,
chúng có thể dễ
dàng bị kéo trôi theo
dòng nước trên bề
mặt màng nhờ tính
siêu thấm ướt.
Khi chiếu ánh sáng thích hợp và có sự hiện diện của nước trên bề
mặt màng thì bề mặt màng có khả năng tự làm sạch.
Cơ chế tự làm sạch bề mặt



CÁC ỨNG DỤNG CỦA VẬT LIỆU
QUANG XÚC TÁC TiO
2
Chống mờ bề mặt
Khả năng chống mờ của màng TiO
2
Bề mặt của những tấm
gương hoặc tấm kính bị mờ
là do hơi nước bám lên trên
bề mặt và đọng lại thành
giọt.
Trên bề mặt siêu thấm ướt thì không có giọt nước nào được hình
thành, thay vào đó là một lớp màng mỏng nước trong suốt được hình
thành trên bề mặt vật liệu.


CÁC ỨNG DỤNG CỦA VẬT LIỆU
QUANG XÚC TÁC TiO
2


Diệt khuẩn
Vật liệu TiO
2
có khả năng ôxy hóa mạnh với hầu hết các loại
vi khuẩn, virus, nấm.
Phá hủy màng tế bào của vi khuẩn, làm cho tế bào chất vỡ ra
và cuối cùng thì vi khuẩn bị giết và bị phân hủy.
Cơ chế diệt khuẩn
CÁC ỨNG DỤNG CỦA VẬT LIỆU

QUANG XÚC TÁC TiO
2
Khử độc nước thải do việc diệt sâu, rầy trên lúa
Các dung dịch khử vi sinh vật gây hại cho lúa thường chứa
nồng độ hóa chất nông nghiệp cao.
Nguồn nước thải nông nghiệp bị nhiễm bẩn và chính nguồn
nước này lại làm cho đất bị ô nhiễm.
Tạo ra những tấm đan, bện mịn bằng thủy tinh có diện tích bề
mặt lớn được phủ bằng vật liệu quang xúc tác TiO
2
dùng để
làm sạch dung dịch nước thải chỉ dưới ánh sáng mặt trời.
Các chất hóa học nông nghiệp sẽ bị khử hoàn toàn dưới ánh
sáng mặt trời trong một vài ngày.
CÁC ỨNG DỤNG CỦA VẬT LIỆU
QUANG XÚC TÁC TiO
2
Xử lý nước trong hệ thống nước trồng trọt.
Hệ thống trồng cà chua với nước có
xử lý bằng TiO
2
Nước thải
Sự lắp đặt hệ thống nước tưới
cây dùng hệ thống nước thải vì
chúng chứa chất dinh dưỡng có
hàm lượng N và P cao.
tái chế dung dịch chất
dinh dưỡng
Trong hồ đặt những tấm ceramic có lỗ xốp được phủ vật liệu TiO
2

,
các thành phần chất gây ô nhiễm trong nước thải dễ dàng bị phân hủy
dưới ánh sáng mặt trời.
Hỗn hợp chất dinh dưỡng chứa N, P và Kali thì không bị phân hủy
do có chứa thành phần ôxy hóa khử của chúng như NO
3
-
, PO
4
3-
, K
+
.
CÁC ỨNG DỤNG CỦA VẬT LIỆU
QUANG XÚC TÁC TiO
2
Xử lý đất bị ô nhiễm bởi các thành phần hữu cơ dễ bay hơi
Hệ thống xử lý đất bị ô nhiễm
Các thành phần hữu cơ khử
trùng bằng clo dễ bay hơi như
trichloroethylene và
tetrachloroethylene được sử
dụng rộng rãi như là dung môi
làm sạch và tẩy rửa các vật
liệu.
Nước thải có chứa các chất
này là nguyên nhân làm đất bị
ô nhiễm và tạo ra các chất
gây ung thư và chất độc hóa
học lan rộng trong môi

trường


THE END !