Nghiên cứu ứng dụng xúc tác quang trên cơ sở nano tio2 biến tính

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

TRẦN THỊ PHƢƠNG

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG XÚC TÁC QUANG TRÊN CƠ SỞ
NANO TIO2 BIẾN TÍNH Mn ĐỂ XỬ LÝ NƢỚC RỈ RÁC
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
CHUYÊN NGÀNH KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

PGS.TS. NGHIÊM TRUNG DŨNG

PGS.TS. ĐẶNG XUÂN HIỂN

Hà Nội – Năm 2015


LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi.
Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai
công bố trong bất kỳ công trình nào khác.
Tác giả

Trần Thị Phƣơng

LỜI CẢM ƠN
Bản luận văn tốt nghiệp cao học được hoàn thành tại trường Đại học Bách
Khoa Hà Nội. Để có được bản luận văn tốt nghiệp này em xin bày tỏ lòng biết ơn
chân thành và sau sắc đến trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, Viện đào tạo sau đại
học, đặc biệt là PGS.TS Đặng Xuân Hiển đã trực tiếp hướng dẫn, dìu dắt giúp đỡ
em với những chỉ dẫn khoa học quý giá trong suốt quá trình triển khai nghiên cứu
và hoàn thành đề tài “Nghiên cứu ứng dụng xúc tác quang trên cơ sở nano TiO2
biến tính Mn để xử lý nước rỉ rác” Xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo, các nhà
khoa học đã trực tiếp giảng dạy truyền đạt những kiến thức khoa học cho em trong
suốt thời gian học tập tại trường Đại học Bách Khoa Hà Nội.


MỤC LỤC
MỞ ĐẦU ....................................................................................................................1
Chƣơng 1- TỔNG QUAN .........................................................................................2
1.1. Tính chất của vật liệu TiO2 ..............................................................................2
1.1.1. Các dạng thù hình của TiO2 .............................................................................. 2
1.1.2. Cấu trúc điện tử của TiO2 kích thước nanomet................................................ 3
1.2. Tính chất quang xúc tác của nano TiO2 .......................................................5
1.3. Ứng dụng của TiO2 ........................................................................................9
1.4. Tổng quan các phƣơng pháp hóa học tổng hợp TiO2 kích thƣớc
nanomet. ...............................................................................................................10
1.4.1. Phương pháp sol – gel .....................................................................................10
1.4.2. Phương pháp thủy nhiệt ..................................................................................11
1.5 Vật liệu nano TiO2 biến tính ........................................................................12
1.6. Thành phần và tính chất đặc trƣng của nƣớc rỉ rác.................................13
1.6.1 Những yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hình thành nước rỉ rác.....................14
1.6.2 Thành phần và tính chất của nước rác một số bãi chôn lấp ở Việt Nam ......15
1.7 Mục tiêu và nội dung nghiên cứu của luận văn ..........................................18
1.7.1 Mục tiêu nghiên cứu .........................................................................................18

1.7.2 Các nội dung nghiên cứu của luận văn ...........................................................18
Chƣơng 2 – THỰC NGHIỆM ................................................................................19
2.1 Hóa chất và thiết bị .......................................................................................19
2.2 Phƣơng pháp nghiên cứu..............................................................................19
2.2.1 Nghiên cứu quá trình điều chế bột TiO2 kích thước nanomet bằng phương
pháp sol – gel citrat ....................................................................................................19
2.2.2 Phương pháp xác định hoạt tính xúc tác quang của TiO2 ..............................21
2.2.3 Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình điều chế và khảo sát hoạt
tính quang xúc tác của nano TiO2 bằng phương pháp sol –gel...............................23
2.2.3.1 Ảnh hưởng của hàm lượng Mn đưa vào mạng lưới tinh thể nano
TiO2. ..............................................................................................................23
2.2.3.2 Ảnh hưởng của nhiệt độ nung đến hoạt tính quang xúc tác của Mn –
TiO2. ..............................................................................................................24


2.2.3.3 Ảnh hưởng của thời gian nung đến hoạt tính quang xúc tác của Mn –
TiO2 ...............................................................................................................24
2.2.3.4 Ảnh hưởng của hàm lượng Mn - TiO2 đến hiệu suất xử lý MB ......24
2.2.4 Xây dựng đường chuẩn xác định nồng độ xanh metylen (MB). ...................25
2.2.5 Các phương pháp nghiên cứu cấu trúc, tính chất, thành phần và hoạt tính
quang xúc tác nano TiO2 ...........................................................................................26
2.2.5.1 Phương pháp kính hiển vi điện tử quét (SEM) .................................26
2.2.5.2 Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD) ..................................................27
2.3 Nghiên cứu khả năng ứng dụng của TiO2 kích thƣớc nanomet điều chế
theo phƣơng pháp sol-gel để xử lý nƣớc rỉ rác sau quá trình xử lý hóa lý. ...29
Chƣơng 3 – KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ...........................................................31
3.1 Khảo sát hoạt tính quang xúc tác của TiO2 thƣơng mại dƣới 2 nguồn
sáng đèn huỳnh quang và đèn UV .....................................................................31
3.2 Khảo sát hoạt tính quang xúc tác của TiO2 đƣợc điều chế theo phƣơng
pháp sol – gel citrat. ............................................................................................33

3.3 Đặc trƣng cấu trúc vật liệu của nano TiO2 điều chế theo phƣơng pháp sol
–gel citrat. .............................................................................................................35
3.3.1 Phương pháp kính hiển vi điện tử quét (SEM) .............................................35
3.3.2 Phương pháp phổ nhiễu xạ tia X (XRD).........................................................36
3.4 Biến tính nano TiO2 – SGC bằng MnSO4 ...................................................37
3.4.1 Khảo sát hàm lượng mangan biến tính: ..........................................................37
3.4.2 Khảo sát nhiệt độ nung mẫu 3% Mn/TiO2......................................................42
3.4.3 Khảo sát thời gian nung của mẫu 3% Mn/TiO2 .............................................44
3.5 Thăm dò khả năng xử lý nƣớc rỉ rác trƣớc và sau xử lý sinh học của
Mn/TiO2................................................................................................................47
3.5.1 Kết quả khảo sát khả năng xử lý COD của nước rỉ rác trước xử lý sinh học
của Mn/TiO2 ...............................................................................................................47
3.5.2 Kết quả khảo sát khả năng xử lý COD của nước rỉ rác sau xử lý sinh học của
Mn/TiO2......................................................................................................................48
3.5.3 Khảo sát khả năng xử lý của Mn/TiO2 với nước rỉ rác chưa quá xử lý sinh
học theo thời gian .......................................................................................................50
5.3.4 Khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng TiO2 đến hiệu suất xử lý nước rỉ rác. ..51


KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................................53
TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................55
Phụ Lục ....................................................................................................................57


DANH MỤC HÌNH
Hình 1.1. Các dạng thù hình chính của TiO2 . ............................................................2
Hình 1.2. Giản đồ MO của TiO2 anatase ....................................................................4
Hình 1.3. Phản ứng quang xúc tác của TiO2 với các hợp chất hữu cơ ......................6
Hình 1.4. Các mức thế ôxi hóa – khử của TiO2 ..........................................................7
Hình 2.1: Sơ đồ khối tổng hợp TiO2 theo phương pháp sol – gel.............................20

Hình 2.3 Quang phổ đèn compact 36W ....................................................................21
Hình 2.4: Sơ đồ thử hoạt tính quang xúc tác TiO2 ....................................................23
Hình 2.2: Đường chuẩn xác định nồng độ Xanh methylen.......................................25
Hình 2.5. Sơ đồ nguyên lý của kính hiển vi điện tử quét (SEM) ..............................26
Hình 3.1: Nồng độ MB còn lại sau khi xử lý bằng TiO2 thương mại dưới ánh đèn
huỳnh quang và đèn UV ............................................................................................32
Hình 3.2: Hiệu suất xử lý bằng TiO2 dưới ánh đèn huỳnh quang và đèn UV ..........32
Hình 3.3: So sánh khả năng xử lý độ màu MB của nano TiO2 – SGC và TiO2
thương mại dưới ánh đèn UV ....................................................................................34
Hình 3.4: So sánh khả năng xử lý của TiO2 – SGC dưới ánh đèn huỳnh quang và
đèn UV. .....................................................................................................................35
Hình 3.5: Phổ XRD của mẫu nano TiO2 – SGC .......................................................36
Hình 3.6: Dãy mẫu TiO2 thu được với hàm lượng Mn khác nhau............................37
Hình 3.7. Phổ nhiễu xạ XRD của các mẫu TiO2 biến tính Mn ở các nồng độ khác
nhau ...........................................................................................................................38
Hình 3.8: Nồng độ xanh methylen còn lại sau xử lý bởi Mn/TiO2 với các phần trăm
biến tính khác nhau ...................................................................................................40
Hình 3.9: Hiệu suất xử lý độ màu MB của Mn/TiO2 ở các phần trăm biến tính khác
nhau ...........................................................................................................................41
Hình 3.10: Kết quả EDX của mẫu 3% Mn/TiO2.......................................................42
Hình 3.11: Hiệu suất xử lý MB của mẫu 3% Mn/TiO2 nung ở các nhiệt độ khác
nhau ...........................................................................................................................44
Hình 3.12: Hiệu suất xử lý MB của các mẫu 3% Mn/TiO2 nung ở 6000C trong các
khoảng thời gian khác nhau ......................................................................................46
Hình 3.14:Kết quả xử lý nước rỉ rác trước hệ thống sinh học của 3% Mn/TiO2 ......48
Hình 3.15: Kết quả xử lý nước rỉ rác sau hệ thống sinh học bằng 3% Mn/TiO2 ......49
Hình 3.16: Kết quả xử lý nước rỉ rác của vật liệu 3% Mn/TiO2 theo thời gian ........50
Hình 3.17: Ảnh hưởng của hàm lượng TiO2 đến hiệu suất xử lý .............................51

DANH MỤC BẢNG
Bảng 1.1. Các thông số mạng tinh thể và đặc trưng của các dạng thù hình của TiO2 3
Bảng1.2: Thành phần nước rác bãi chôn lấp Đông Thạnh( CENTENMA, 2002) ...16
Bảng 1.3 : Thành phần nước rác tại bãi chôn lấp Nam Sơn – Hà Nội ......................17
Bảng 3.1: Kết quả xử lý độ màu MB của TiO2 thương mại dưới đèn UV: .............31
Bảng 3.2: Kết quả xử lý độ màu MB của TiO2 thương mại dưới đèn huỳnh quang31
Bảng 3.3 Hiệu suất xử lý MB của nano TiO2 thương mại ........................................32
Bảng 3.4: Nồng độ mẫu MB còn lại sau khi xử lý bằng nano TiO2 - SGC dưới ánh
đèn UV ......................................................................................................................33
Bảng 3.5: Nồng độ MB còn lại khi xử lý bằng nano TiO2 – SGC dưới ánh đèn
huỳnh quang. .............................................................................................................34
Bảng 3.6: Màu sắc, kích thước và điều kiện tổng hợp mẫu của xúc tác nano TiO2 –
SGC biến tính Mn .....................................................................................................38
Bảng 3.7: Độ hấp phụ quang của các mẫu MB còn lại theo thời gian khi xử lý bằng
Mn – TiO2 biến tính ở các hàm lượng khác nhau .....................................................39
Bảng 3.8: Nồng độ xanh methylen còn lại sau xử lý bởi các Mn /TiO2 ...................40
biến tính ở nồng độ khác nhau: .................................................................................40
Bảng 3.9: Hiệu suất xử lý MB của Mn/TiO2 ở các phần trăm biến tính khác nhau .41
Bảng 3.10: Độ hấp phụ quang của các mẫu MB còn lại theo thời gian khi xử lý
bằng 3% Mn/TiO2 ở các nhiệt độ khác nhau. ...........................................................42
Bảng 3.11: Nồng độ MB còn lại theo thời gian khi xử lý bằng Mn/TiO2 được nung
ở các nhiệt độ khác nhau ...........................................................................................43
Bảng 3.12: Hiệu suất xử lý độ màu MB của các mẫu Mn/TiO2 ở các nhiệt độ nung
khác nhau...................................................................................................................44
Bảng 3.13: Độ hấp phụ quang của các mẫu MB còn lại theo thời gian với xúc tác
3% Mn/TiO2 nung ở 6000C trong các thời gian khác nhau ......................................45
Bảng 3.14: Nồng độ MB còn lại sau khi xử lý bằng 3% Mn/TiO2 nung ở 6000C
trong khoảng thời gian khác nhau .............................................................................45
Bảng 3.15: Hiệu suất xử lý MB của 3% Mn/TiO2 nung ở 6000C trong các khoảng
thời gian khác nhau ...................................................................................................46

Bảng3. 16: Sự thay đổi một số thông số nước rỉ rác trước và sau quá trình xử lý ...47
Bảng 3.17: Giá trị COD của mẫu nước rỉ rác trước xử lý sinh học ..........................48
Bảng 3.18: Giá trị COD của nước rỉ rác sau xử lý sinh học .....................................49
Bảng 3.19 Khảo sát khả năng xử lý của 3% Mn/TiO2 theo thời gian .......................50
Bảng 3.20: Ảnh hưởng của hàm lượng TiO2 đến hiệu suất xử lý .............................51


DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT

CB

Vùng dẫn

VB

Vùng hóa trị

e-

Electron hóa trị

h+

Lỗ trống

MB

Xanh methylene (Methylen blue)

SGC

Sol – gel – citrat

SEM

Kính hiển vi điện tử quét(Scanning electron microscope)

EDX

Phổ tán xạ năng lượng tia X (Energy- dispersive X-ray spectroscopy)

XRD

Phổ nhiễu xạ tia X (X – rays Diffraction)


MỞ ĐẦU
TiO2 là một vật liệu xúc tác quang quan trọng được chú ý phát triển trong
những năm gần đây. Quá trình xúc tác quang trên cơ sở chất bán dẫn TiO2 là một
trong các quá trình oxy hóa nâng cao đầy triển vọng trong việc phân hủy các chất
gây ô nhiễm môi trường, dùng để khử độc cho nước và không khí...Vật liệu TiO 2 có
nhiều ưu thế so với các chất bán dẫn có hoạt tính quang xúc tác khác: TiO2 có giá
thành thấp, trơ về mặt hóa học, khả năng quang hoạt cũng như tự phục hồi cao, có
thể tái sử dụng.
Tuy nhiên, việc ứng dụng TiO2 trong lĩnh vực xử lý môi trường chưa đem lại
hiệu quả cao, do còn một số hạn chế của vật liệu: - TiO2 có năng lượng vùng cấm
lớn ( 3,0 – 3,2 eV), - Phản ứng tái hợp giữa electron và lỗ trống quang sinh ( e-cb,
h+vb) diễn ra với tốc độ lớn làm giảm mạnh hoạt tính xúc tác.
Để khắc phục những hạn chế trên, chúng ta cần giảm năng lượng vùng cấm
và ngăn chặn sự tái tổ hợp của electron và lỗ trống quang sinh. Nhiều nhóm tác giả

đã tiến hành nghiên cứu làm giảm năng lượng vùng cấm của TiO 2 bằng việc đưa
thêm các nguyên tố kim loại: Fe, V, Ce, La, ... hay các nguyên tố phi kim N, S, F...
vào cấu trúc mạng lưới tinh thể của TiO2. Có rất nhiều kết quả khác nhau đã được
công bố về hoạt tính xúc tác sau khi biến tính bởi các nguyên tố của TiO2 so với
TiO2 tinh khiết.
Trong số các kim loại thực hiện biến tính vào cấu trúc TiO2 thì việc biến tính
bằng kim loại Mn là một trong những hướng đi mới và nhiều triển vọng trên thế
giới cũng như ở nước ta. Vì vậy, để góp phần khắc phục hạn chế đưa vật liệu TiO 2
vào ứng dụng rộng rãi, trong bản luận văn này ta tiến hành nghiên cứu :
“Nghiên cứu ứng dụng xúc tác quang trên cơ sở nano TiO2 biến tính Mn để xử
lý nƣớc rỉ rác”
Hy vọng, với những đóng góp nhỏ bé của ta trong bản luận văn này, sẽ góp
phần cải thiện và đưa vật liệu TiO2 vào ứng dụng trong lĩnh vực xử lý môi trường
một cách đa dạng hơn.

1


Chƣơng 1- TỔNG QUAN
1.1. Tính chất của vật liệu TiO2
1.1.1. Các dạng thù hình của TiO2
Bột TiO2 có màu trắng, khi đun nóng nó có màu vàng và khi làm lạnh nó trở
lại màu trắng. TiO2 cứng và bền nhiệt, nhiệt độ nóng chảy 1870 ºC, biến thiên năng
lượng Gibbs chuẩn (∆Go) là - 889 kJ/mol [1].
Tinh thể TiO2 có 3 dạng thù hình là bookite, anatase và rutile [2]. Cấu trúc
mạng tinh thể và các thông số đặc trưng của các dạng thù hình của TiO2 đã được
đưa ra ở Hình 1.1 và Bảng 1.1.

Hình 1.1. Các dạng thù hình chính của TiO2 .
Từ Hình 1.1 cho thấy, cấu trúc của dạng tinh thể anatase và rutile thuộc

hệ tinh thể tứ phương. Cả hai dạng tinh thể trên đều được tạo nên từ các đa diện
phối trí TiO26- cấu trúc theo kiểu bát diện. Các đa diện phối trí này sắp xếp khác
nhau trong không gian, đó là dạng cấu trúc điển hình của các hợp chất có công thức
MX2. Tuy nhiên, trong tinh thể anatase các đa diện phối trí bát diện 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. Dạng anatase thì không tồn tại riêng
biệt, thường được tìm thấy trong các khoáng cùng với rutile, brookite, thạch anh,
fenspat, apatit, hematit, clorit...

2


Bảng 1.1. Các thông số mạng tinh thể và đặc trưng của các dạng thù hình
của TiO2
Các thông số

Anatase

Rutile

Brookite

Hằng

a (Ao)

3,7842

4,5845

5,447

số

b (Ao)

3,7842

4,5845

9,184

mạng

c (Ao)

9,5146

2,9533

79,890

79,890

Khối lượng phân tử
Entropi

(cal/mol.K) 11,93 ± 0,01

12,00 ± 0,05

Entanpy

17,83T + 0,25.10-3T2 17,97T + 0,14.10-3 T2

(cal/mol)

+ 4,23.10-5T-1 – 6757 + 4,35.10-5T-1 – 6829

Nhiệt dung phân tử 17,14 + 0,98.10-3T
(cal/mol.K)

79,890

- 3,50.105T-2

17,21 + 1,08.10-3T
- 3,59.105T-2

Năng lượng vùng cấm 3,25

3,05

(eV)
Nhiệt độ nóng chảy Nhiệt độ cao chuyển 1830 - 1850
(oC)

thành rutin

Khối

lượng

riêng 3,830

4,240

4,170

(g/cm3)
Chiết suất

2,54

2,75

Tuy nhiên, trong 2 dạng thù hình trên của TiO2 thì dạng anatase thể hiện hoạt
tính quang xúc tác cao hơn. Nếu TiO2 có cả 2 pha anatase và rutile, khi tăng hàm
lượng pha anatase thì hoạt tính xúc tác tăng. Do sự khác biệt về cấu trúc và năng
lượng vùng cấm của anatase và rutile, nên dẫn đến một số tính chất khác biệt của
anatase. Rutile là dạng bền, anatase và brookite là dạng giả bền do khi đun nóng sẽ
chyển sang dạng rutile. Vì vậy, rutile là dạng phổ biến nhất trong hai dạng thù hình
trên [18].
1.1.2. Cấu trúc điện tử của TiO2 kích thước nanomet
Tính chất quang điện hóa của TiO2 phụ thuộc chủ yếu vào cấu trúc điện tử

3

của nó. Giản đồ MO của anatase TiO2 tinh khiết được mô tả trong hình 1.3 [4].
Đặc trưng có thể nhận ra trên Hình 1.4 là các trạng thái không liên kết nằm
gần vùng cấm: obitan không liên kết Opπ của oxi nằm ở đỉnh vùng hóa trị, obitan
không liên kết dxy của titan nằm ở đáy vùng dẫn. Tám điện tử đã điền đầy vào 4
trạng thái năng lượng trên vùng hóa trị, còn vùng dẫn hoàn toàn trống. Giữa vùng
hóa trị và vùng dẫn cách nhau bởi vùng cấm có năng lượng 3,30 eV đối với anatase
và 3,10 eV đối với rutile [5]. Vì vậy, theo vật lý chất rắn, TiO2 là một chất bán dẫn
điển hình.
TiO2 là chất bán dẫn, để TiO2 có thể hoạt động cần phải kích thích để điện tử
chuyển từ vùng hóa trị lên vùng dẫn. Có ba cơ chế kích thích bán dẫn là: kích thích
nhiệt, kích thích quang và chất pha tạp. Ở nhiệt độ phòng (25 - 30 oC), tỷ lệ điện tử
bị kích thích nhiệt chuyển lên vùng dẫn không nhiều, do năng lượng kích thích nhiệt
nhỏ [6]. Đối với cơ chế pha tạp, chỉ cần đưa vào bán dẫn tinh khiết một tỉ lệ rất nhỏ
tạp chất (~ 10 ppm) cũng đủ để kích thích tạo ra các e-, h+.

Hình 1.2. Giản đồ MO của
TiO2 anatase
a. Các mức AO của titan và oxi;
E

b. Sự tách mức trong trường tinh
thể;
c. MO của TiO2 dạng anatase .

4


Quá trình kích thích quang xảy ra khi TiO2 hấp thụ một photon có năng lượng
hν ≥ Eg của nó. Khi đó, electron (e-) bị kích thích vượt qua vùng cấm lên vùng dẫn để
lại trên vùng hóa trị một lỗ trống (h+). Các e- và h+ quang sinh có thể di trú đến bề mặt

bán dẫn, ở đó e– sẽ khử và h+ sẽ oxy hóa các chất hấp phụ trên bề mặt bán dẫn hay có
trong lớp điện tích kép được hình thành, khi nó tiếp xúc với dung dịch hoặc pha khí.
Điện tử chỉ tồn tại ở trạng thái kích thích một thời gian ngắn, sau đó chúng
hồi phục về trạng thái cơ bản gọi là quá trình tái hợp e–, h+. Các dạng khuyết tật tinh
thể, thường gọi là các tâm tạp có ảnh hưởng lớn đến quá trình tái hợp e –, h+. Nếu
tâm tạp chỉ trao đổi điện tử với một vùng nào đó (vùng dẫn hoặc vùng hóa trị) thì
xảy ra quá trình bắt giữ điện tích, làm tăng thời gian sống của e–, h+ và làm tăng
hoạt tính quang xúc tác của vật liệu, trong trường hợp này tâm tạp được gọi là tâm
bắt. Trái lại, nếu tâm tạp có thể trao đổi điện tử với cả vùng dẫn và vùng hóa trị thì
xảy ra hiện tượng tái hợp, làm giảm thời gian sống của e–, h+ và làm giảm hiệu suất
quang xúc tác của vật liệu, khi đó tâm tạp được gọi là tâm tái hợp. Đáng chú ý là,
các chất bán dẫn bao giờ cũng có nhiều khuyết tật bề mặt, vì vậy hiện tượng tái hợp
bề mặt thường xảy ra rất mạnh. Một số tác giả cho rằng: quá trình tái hợp e–, h+
trong bán dẫn phụ thuộc vào mức độ hoàn hảo của tinh thể, nồng độ và bản chất của
tạp chất, cấu trúc vùng năng lượng và độ rộng vùng cấm của nó [7].
1.2. Tính chất quang xúc tác của nano TiO2
Năm 1930 xuất hiện khái niệm quang xúc tác, trong đó ánh sáng chính là
nhân tố kích hoạt chất xúc tác giúp cho phản ứng xảy ra. Điều kiện để một chất có
khả năng quang xúc tác là:
- Có hoạt tính quang hoá;
- Có năng lượng vùng cấm thích hợp để có thể hấp thụ được ánh sáng cực
tím hoặc ánh sáng nhìn thấy.
Khi được chiếu ánh sáng có năng lượng photon (hν) thích hợp, bằng hoặc lớn
hơn năng lượng vùng cấm Eg (hν ≥ Eg), sẽ tạo ra các cặp electron - lỗ trống (e- - h+)
và có sự trao đổi electron với các chất bị hấp phụ, thông qua cầu nối là chất bán
dẫn. Các electron được chuyển lên vùng dẫn (electron quang sinh), còn các lỗ trống

5

ở lại vùng hoá trị. Các phân tử của chất tham gia phản ứng được hấp phụ trên bề
mặt chất xúc tác gồm hai loại:
- Các phân tử có khả năng nhận electron;
- Các phân tử có khả năng cho electron
Quá trình chuyển electron có hiệu quả hơn nếu các phân tử chất hữu cơ và
vô cơ bị hấp phụ trên bề mặt chất xúc tác bán dẫn. Khi đó, các electron ở vùng dẫn
sẽ chuyển đến nơi có các phân tử có khả năng nhận electron và quá trình khử xảy ra,
còn các lỗ trống sẽ chuyển đến nơi có các phân tử có khả năng cho electron để thực
hiện phản ứng ôxi hóa.
a. Khả năng phân hủy hợp chất hữu cơ
Dưới tác dụng của ánh sáng tử ngoại (UV), các electron từ vùng hóa trị
chuyển lên vùng dẫn thành các electron tự do, để lại các lỗ trống ở vùng hóa trị.
Electron và lỗ trống khuyếch tán ra bề mặt chất xúc tác và phản ứng với H2O và O2
bị hấp phụ trên bề mặt và tạo ra các gốc có khả năng ôxi hóa - khử chất hữu cơ. Về
nguyên tắc, electron muốn khử được một chất nào đó thì mức năng lượng cực tiểu
vùng dẫn phải âm hơn thế khử của chất đó. Lỗ trống muốn ôxi hóa được một chất
nào đó thì mức năng lượng cực đại của vùng hóa trị phải dương hơn thế ôxi hóa –
khử của chất đó. Mức không của giản đồ thế (Hình 1.5) được xác định bằng thế ôxi
hóa – khử của nguyên tử hyđro.
O2
UV

Vùng dẫn
e-

Khử

e-

.

.

h+

h+

Vùng hóa trị

O2-

OH

Phân tử
hữu cơ

CO2+H2O

Ôxihóa
H2 O

Hình 1.3. Phản ứng quang xúc tác của TiO2 với các hợp chất hữu cơ

6


H2O + h+ → .OH + H+
điện tử
+
- 0,52 V

-1
-0,28 (O2 + e- → .O20

+

+1
1
+2
+2,27 (H2O + h+ → .OH + H+)

+ 2,53 V
-

_

(1.1)

-

lỗ trống

+3

Hình 1.4. Các mức thế ôxi hóa – khử của TiO2
Trên giản đồ thế (Hình 1.5), thế ôxi hóa – khử của lỗ trống ở vùng hóa trị là
+2,53 V, dương hơn thế ôxi hóa – khử của gốc hydroxyl (.OH) là +2,27 V, nên lỗ
trống có thế ôxi hóa H2O để tạo thành gốc hydroxyl. Thế ôxi hóa - khử của electron
ở vùng dẫn là - 0,52 V, âm hơn thế ôxi hóa - khử của gốc supeoxit (.O2-) là
- 0,28V,nên electron có thể khử O2 thành supeoxit (.O2-):

O2 + e - → . O 2 -

(1.2)

Do sản phẩm là gốc hydroxyl (.OH) có tính ôxi hóa và gốc supeoxit (.O2-) có
tính khử rất mạnh, nên chúng dễ ôxi hóa – khử các chất hữu cơ trên bề mặt để tạo
thành các sản phẩm CO2 và H2O. Bề mặt riêng của TiO2 càng lớn, độ xốp hạt càng
lớn thì hoạt tính quang xúc tác càng tăng. Khả năng phân hủy hợp chất hữu cơ được
ứng dụng trong nhiều lĩnh vực, kể cả diệt khuẩn vì chúng đều là các chất hữu cơ,
nên dễ bị phân hủy, bất chấp chúng ở những dạng hình thái nào. Vì vậy, TiO2
nanomet có thể được ứng dụng để làm sạch các nguồn nước và không khí [3].
b. Phân hủy xanh metylen (Methylene Blue - MB) bằng chất xúc tác quang
Xanh metylen (MB) là thuốc nhuộm cation thiazin màu xanh thông dụng,
hấp thụ ánh sáng cực đại ở bước sóng λ = 665 nm. Yanan và các cộng sự [8], đã
nghiên cứu cơ chế mất màu của MB với ánh sáng ở các biên độ chiếu sáng khác
nhau. Kết quả cho thấy, khi bước sóng ánh sáng tử ngoại (UV) 320 – 400 nm thì
chất xúc tác quang sẽ làm mất màu MB. Cơ chế giống nhau, nhưng ở bước sóng

7


ánh sáng 400 – 540 nm lại mạnh hơn, tại đó độ nhạy quang có thể xuất hiện nhưng
mức độ không đáng kể. Trong trường hợp bước sóng ánh sáng lớn hơn 550 nm độ
nhạy quang chính là nguyên nhân mất màu MB. Sự phân hủy MB do chất xúc tác
quang, khi chiếu ánh sáng tử ngoại UV theo cơ chế như sau:

TiO2 + hν → e + h 

(1.3)

*
h  + Pads → Pads

(1.4)

*
+ H
h  + H2Oads → OH ads

+

(1.5)


*
→ OH ads
h  + OH ads

(1.6)


H2O → OH ads
+ H+

(1.7)

e  + O2 →


O2*ads

(1.8)

Pads + ( OH* , O2* , H2O2 , O2) → CO2 + H2O + etc…

(1.9)

Trong đó:
Pads - Phân tử chất ô nhiễm bị hấp phụ trên bề mặt chất xúc tác quang.
Phản ứng quang phân hủy MB khi có mặt TiO2 là phản ứng không thuận
nghịch, khi đó MB bị ôxi hóa để tạo ra các sản phẩm vô cơ, theo phản ứng như sau:
TiO , hv E
C16H18N3SCl + 25,5O2 
 16CO2 + 3HNO3 + H2SO4 + HCl + 6H2O (1.10)
2

g

Sự hấp phụ MB trên bề mặt chất xúc tác quang được xem là giai đoạn đầu
tiên trong quá trình phân hủy MB. Mattthews [9] đã nghiên cứu quá trình hấp phụ
MB trên bề mặt TiO2 – P25 (Degussa) được phủ trên kính, tác giả đã nhận thấy
rằng: khi nồng độ của MB là 5,08.10-6 M, ở nhiệt độ thường 0,5 dm3 dung dịch có
thể bị hấp phụ trên 75 mg TiO2 – P25 (Degussa), với hằng số hấp phụ K là 29800
dm3/mol. Các nghiên cứu tương tự cũng cho rằng: khi dùng 10mg TiO2 – P25
(Degussa) để hấp phụ 0,1 dm3 dung dịch MB có nồng độ 10-5 M ở nhiệt độ thường,
thì nồng độ MB còn lại là 9,26.10-6 M sau 1 – 3 phút. Quá trình hấp phụ phụ thuộc
nhiều vào pH của dung dịch MB và điểm 0 điện tích (PZC-point of zero charge) của
TiO2, khi pH thay đổi nó sẽ ảnh hưởng đến điện tích trên bề mặt của TiO2, khi đó sẽ
có các phản ứng khác nhau:
pH < pHPZC

TiOH + H+ → TiOH2+

8

(1.11)


pH > pHPZC

TiOH + OH- → TiO- + H2O

(1.12)

MB là chất màu cation, nên theo phương trình (1.11) khi pH < pHPZC thì
TiO2 sẽ đẩy ion phân tử MB, còn theo phương trình (1.12) khi pH > pHPZC thì TiO2
sẽ hút ion phân tử MB.
1.3. Ứng dụng của TiO2
Do có chỉ số khúc xạ, độ trắng và độ sáng cao nên TiO2 được sử dụng làm
bột màu cho sơn, các loại dầu bóng và trong công nghiệp giấy. TiO2 còn được sử
dụng trong công nghiệp cao su, sản xuất gốm sứ, thuốc bọc que hàn và làm chất trợ
dung trong các lò thép.
TiO2 kích thước nanomet khi được chiếu ánh sáng nó trở thành một chất ôxi
hoá mạnh nhất trong số những chất đã biết: gấp 1,5 lần ozôn, gấp hơn 2 lần clo [10],
nên nó là chất thông dụng để xử lý môi trường. Nó có thể phân huỷ các chất hữu cơ
độc hại bền vững như điôxin, thuốc trừ sâu, benzen…, cũng như một số loại virus,
vi khuẩn gây bệnh với hiệu suất cao hơn so với các phương pháp khác. TiO2 kích
thước nanomet còn được ứng dụng để xử lý CO2, tránh gây hiệu ứng nhà kính và
các nitơ oxit sinh ra từ quá trình đốt cháy nhiên liệu trong ôtô [10].
TiO2 kích thước nanomet còn được sử dụng để sản xuất kính tự làm sạch.

Dưới ánh sáng mặt trời, các vết bẩn hữu cơ bám trên bề mặt kính sẽ bị phân hủy do
hoạt tính quang xúc tác của TiO2, cùng với nước mưa sẽ rửa trôi các vết bẩn mà
không cần hoá chất hoặc tác động cơ học [3].
Đa số các pin mặt trời hiện nay đều sử dụng silic tinh thể hay vô định hình,
nhưng người ta đã xác định được rằng: nếu pin mặt trời được chế tạo từ TiO2
nanomet anatase thì giá thành có thể chỉ bằng 1/5 giá thành của pin silic. Pin mặt
trời quang điện được chế tạo từ TiO2 có cấu tạo đơn giản, giá thành thấp, đang được
xem như là lời giải cho bài toán an ninh năng lượng của loài người [10].
Do TiO2 kích thước nanomet có hằng số điện môi cao, chiết suất cao (chỉ
kém kim cương) nên nó được ứng dụng trong lĩnh vực quang điện tử, quang tử và
điện tử học spin. TiO2 được sử dụng như một cổng cách điện trong transistor
trường; làm detector đo bức xạ hạt nhân; các cửa sổ đổi màu theo sự điều khiển của

9


điện trường hoặc sử dụng làm các lớp chống phản xạ để làm tăng hiệu suất khuyếch
đại quang bán dẫn [3].
TiO2 kích thước nanomet được sử dụng để lọc ánh sáng mặt trời, các hạt
TiO2 tạo thành hàng rào vật lý không cho ánh sáng tử ngoại đi qua, nên các loại
kem dưỡng da có chứa TiO2 thì có hiệu quả hơn so với những sản phẩm khác.
Trong công nghiệp ô tô, khi có TiO2 kích thước nanomet trong sơn hoặc các lớp
phủ, sẽ đạt được những sắc thái màu mới hấp dẫn hơn và cho màu sắc thay đổi phụ
thuộc vào các góc ánh sáng chiếu tới.
Trong công nghiệp, TiO2 kích thước nanomet đã được sử dụng để sản xuất
những vật liệu bảo vệ đặc biệt khi tiếp xúc với ánh sáng tử ngoại, như các màng
chất dẻo sử dụng để bao gói thực phẩm, nhà kính, lớp phủ cho ô tô và gỗ [10].
1.4. Tổng quan các phƣơng pháp hóa học tổng hợp TiO2 kích thƣớc
nanomet.
1.4.1. Phương pháp sol – gel

Phương pháp sol –gel là phương pháp hữu hiệu nhất hiện nay để chế tạo các
loại vật liệu kích thước nanomet dạng bột hoặc màng mỏng với cấu trúc và thành
phần như mong muốn. Ưu điểm của phương pháp này là dễ điều kiển kích thước hạt
và độ phân tán đồng đều cao, tạo được hợp chất với độ pha tạp lớn, đặc biệt làm
việc ở nhiệt độ thấp hiệu quả, kinh tế.
Sol là hệ phân tán vi dị thể rắn trong lỏng mà kích thước của các hạt keo nằm
trong vùng kích thước chuyển tiếp giữa phân tử và thể tích hạt thô từ 1nm – 100nm.
Gel là một hệ phân tán vi dị thể trong đó pha rắn là khung ba chiều,pha lỏng
nằm trong khoảng không gian giữa bộ khung.
Sol – gel là phương pháp hóa học ướt tổng hợp các phần tử huyền phù
dạng keo rắn trong chất lỏng và sau đó tạo thành nguyên liệu lưỡng pha của bộ
khung chất rắn, được chứa đầy dung môi cho đến khi xảy ra quá trình chuyển
tiếp sol – gel.
Trong quá trình sol – gel các phần tử trung tâm trải qua 2 phản ứng hóa học
cơ bản: phản ứng thủy phân và phản ứng ngưng tụ (dưới xúc tác của axit hoặc bazo)

10


để hình thành mạng lưới trong toàn dung dịch. Thực tế quá trình sol – gel xảy ra
phức tạp hơn nhiều nhưng có thể đưa về 2 quá trình cơ bản là thủy phân và ngưng
tụ đồng thời kết quả cuối cùng sinh ra khung oxyt hoặc hydroxyt. Tốc độ thủy phân
và ngưng tụ ảnh hưởng đến cấu trúc của gel, do đó có vai trò quyết định lên tính
chất của sản phẩm. Điều khiển được tốc độ của 2 quá trình này có thể tổng hợp
được vật liệu có cấu trúc và kích thước như mong muốn [16].
1.4.2. Phương pháp thủy nhiệt
Phương pháp thuỷ nhiệt đi từ nguồn nguyên liệu titan oxit anatase
TiO2.nH2O là phương pháp hiệu quả và kinh tế nhất đang được áp dụng hiện nay.
Phương pháp thủy nhiệt tức là phương pháp dùng nước dưới áp suất cao và nhiệt độ
cao hơn điểm sôi bình thường. Lúc đó, nước thực hiện hai chức năng: thứ nhất vì nó

ở trạng thái hơi nên đóng chức năng môi trường truyền áp suất, thứ hai nó đóng vai
trò như một dung môi có thể hoà tan một phần chất phản ứng dưới áp suất cao, do
đó phản ứng được thực hiện trong pha lỏng hoặc có sự tham gia một phần của pha
lỏng hoặc pha hơi.
Thông thường, áp suất pha khí ở điểm tới hạn chưa đủ để thực hiện quá trình
này. Vì vậy, người ta thường chọn áp suất cao hơn áp suất hơi cân bằng của nước để
tăng hiệu quả của quá trình điều chế. Nhiệt độ, áp suất hơi nước và thời gian phản
ứng là các nhân tố vô cùng quan trọng quyết định hiệu quả của phương pháp thủy
nhiệt. Ngoài ra cũng có thể sử dụng các dung môi phân cực như NH3, dung dịch nước
chứa HF, các axit, bazơ khác để điều chỉnh pH hoặc các dung môi không phân cực để
mở rộng khả năng ứng dụng của phương pháp tổng hợp này. Tuy nhiên, cách làm này
có một nhược điểm là dễ làm cho nồi phản ứng bị nhiễm độc và ăn mòn. Thông thường
đối với mỗi loại tiền chất, người ta thường đặt sẵn các thông số vật lý và hóa học khác
nhau trong suốt quá trình điều chế. Điều này tương đối phức tạp do các thông số này bị
ảnh hưởng lẫn nhau và sự ảnh hưởng qua lại này vẫn chưa được giải quyết một cách
thoả đáng.

11


Thủy nhiệt là một trong những phương pháp tốt để điều chế bột TiO 2 tinh
khiết với kích thước nhỏ [11]. Phương pháp này có ưu điểm so với các phương pháp
khác ở chỗ:
- Là phương pháp tổng hợp ở nhiệt độ tương đối thấp, không gây hại môi
trường vì phản ứng được tiến hành trong một hệ kín.
- Bột sản phẩm được hình thành trực tiếp từ dung dịch, sản phẩm có thể thu
theo từng mẻ hoặc trong các quá trình liên tục.
- Có thể điều chỉnh được kích thước, hình dáng, thành phần hóa học của hạt
bằng điều chỉnh nhiệt độ, hóa chất ban đầu, cách thức thực hiện phản ứng.
1.5 Vật liệu nano TiO2 biến tính

Mục đích của quá trình biến tính:
Những ứng dụng quan trọng của vật liệu TiO2 kích thước nano chính là nhờ
khả năng quang xúc tác dưới ánh sáng tử ngoại. Tuy nhiên, hiệu suất của quá trình
quang xúc tác này đôi khi bị ngăn cản bởi độ rộng vùng cấm của titan. Vùng cấm
của TiO2 nằm giữa vùng UV (3.05 eV đối với pha rutile và 3.25 eV đối với pha
anatase), mà vùng UV chỉ chiếm một phần nhỏ của năng lượng mặt trời (<10%). Do
đó, một trong những mục đích khi cải tiến hiệu suất của TiO2 là làm tăng hoạt tính
quang xúc tác bằng cách dịch chuyển dải sóng hấp phụ về vùng khả kiến, tức là thu
hẹp năng lượng vùng cấm của TiO2.
Mặt khác, như đã trình bày phần cơ chế của quá trình phản ứng quang xúc
tác, hiệu suất lượng tử của phản ứng bị cản trở bởi sự tái hợp các electron và các lỗ
trống, và 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 TiO2, đó là:
- Đưa năng lượng vùng cấm của TiO2 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.

12


- 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 có thể là biến tính bề
mặt hoặc biến tính cấu trúc. Biến tính bằng kim loại, hoặc phi kim hoặc có thể là cả
kim loại – phi kim. Danh sách các nguyên tố được đưa vào TiO2 đang ngày càng dài
ra cùng với sự phát triển của công nghệ. Đó có thể là các nguyên tố kim loại phân
nhóm chính, phân nhóm phụ các nguyên tố phi kim thậm chí là các nguyên tố á
kim. Tuy nhiên, được quan tâm nhiều nhất vẫn là các nguyên tố chuyển tiếp.

Trong số các nguyên tố kim loại chuyển tiếp, việc biến tính nano TiO2 bằng
mangan kim loại là một trong những hướng đi mới. Trên thế giới những nghiên cứu
về biến tính TiO2 bằng mangan mới chỉ ở mức độ thăm dò và khẳng định biến tính
TiO2 bằng Mangan mang lại hiệu quả hoạt tính quang xúc tác trong vùng ánh sáng
nhìn thấy [12, 13, 14]. Các kết quả có được từ các công trình đã công bố cho thấy
hoạt tính quang xúc tác và hàm lượng mangan pha tạp tối ưu cũng rất khác nhau tùy
thuộc vào phương pháp tổng hợp. Chính vì vậy, trong khuân khổ luận văn này
chúng tôi sẽ nghiên cứu tổng hợp nano TiO2 biến tính bởi mangan và thăm dò khả
năng ứng dụng trong xử lý môi trường.
1.6. Thành phần và tính chất đặc trƣng của nƣớc rỉ rác
Xử lý rác thải bằng phương pháp chôn lấp là một trong những khâu không
thể thiếu trong công nghệ xử lý chất thải rắn đô thị nói chung. Chôn lấp rác thải hợp
vệ sinh là một trong những biện pháp kinh tế và hợp lý được nhiều nước áp dụng.
Tuy nhiên, một vấn đề gặp phải khi xử lý rác bằng phương pháp chôn lấp đó là việc
xử lý nước rỉ rác sinh ra. Tùy thuộc loại công nghệ xử lý chất thải rắn/ rác đô thị mà
một phần hay toàn bộ đều được đưa đi chôn lấp. Khi đó thành phần tính chất nước
rác sẽ khác nhau. Đối với các bãi chôn lấp trên thế giới, nhiều trường hợp người ta
đã áp dụng các công nghệ thu hồi tái chế chất thải, nhất là các chất thải hữu cơ, cho
nên thành phần cũng như nồng độ các chất ô nhiễm ít phức tạp hơn và thấp hơn so
với nước rỉ rác tại Việt Nam.

13


Ở nước ta, từ khoảng năm 1990 – 1995 khi vấn đề ô nhiễm do nước rỉ rác tại
các bãi chôn lấp không hợp vệ sinh ở Hà Nội như bãi rác Mễ Trì, Thành Công, Thủ
Lệ…, ở thành phố Hồ Chí Minh như bãi rác Đông Thạnh bắt đầu xuất hiện và dần
trở nên bức xúc thì nhận thức của các nhà khoa học và cộng đồng nói chung về vấn
đề ô nhiễm môi trường do nước rỉ rác được chuyển biến mạnh mẽ. Từ đó những hệ
thống pháp luật, các tiêu chuẩn, quy chuẩn cũng như nhiều nghiên cứu về chất thải,

trong đó có nước rỉ rác được triển khai khá mạnh.
Để có thể đưa ra được những công nghệ xử lý nước rỉ rác đạt hiệu quả, trước
hết chúng ta cần nghiên cứu những yếu tố ảnh hưởng đến sự hình thành nước rỉ rác
cũng như thành phần đặc trưng của nó, để từ đó có thể đề xuất ra những công nghệ
xử lý thích hợp.
1.6.1 Những yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hình thành nước rỉ rác.
- Thành phần chất thải rắn: Thành phần các chất ô nhiễm trong nước rác có
nguồn gốc từ chất thải rắn đưa vào chôn lấp hay có thể nói thành phần chất thải rắn
quyết định thành phần nước rác. Với từng địa phương tùy theo điều kiện kinh tế xã
hội (mức sống, văn hóa, thói quen sinh hoạt…) và trình độ của hệ thống quản lý
chất thải rắn mà thành phần chất thải rắn có thể có những đặc điểm riêng. Bên cạnh
đó điều kiện vận chuyển, trung chuyển và thời tiết có thể ảnh hưởng đến độ ẩm của
chất thải rắn đưa vào bãi chôn lấp.
- Công nghệ chôn lấp: Trong bãi chôn lấp chất thải diễn ra nhiều quá trình
như: vật lý, hóa học, hóa lý, sinh học. Trong đó, quá trình phân hủy sinh học chất
thải hữu cơ trong bãi chôn lấp đóng vai trò quan trọng nhất đến đặc điểm của nước
rác và quá trình này phụ thuộc vào công nghệ chôn lấp. Trên thế giới đang tồn tại
nhiều loại hình bãi chôn lấp với công nghệ chôn lấp khác nhau như: yếm khí, bán
hiếu khí, hiếu khí có quay vòng hoặc không quay vòng nước rác. Ở phần lớn các
nước trong đó có Việt Nam đang áp dụng công nghệ chôn lấp yếm khí. Công nghệ
chôn lấp yếm khí cho lượng phát thải đối với nước rác lớn nhất so với công nghệ
hiếu khí và bán hiếu khí do sự phân hủy yếm khí các chất hữu cơ bên trong bãi chôn
lấp diễn ra chậm hơn quá trình phân hủy hiếu khí.

14


- Tuổi của bãi chôn lấp: Về cơ bản đặc điểm của nước rác chịu ảnh hưởng
trực tiếp vào hai yếu tố thành phần chất thải rắn và công nghệ chôn lấp. Tuy nhiên,
yếu tố tuổi của bãi chôn lấp phản ánh kết quả của 2 yếu tố trên theo thời gian sử

dụng của bãi chôn lấp. Điều đó có nghĩa là các thành phần chất thải rắn đưa vào bãi
chôn lấp qua các quá trình diễn ra trong bãi chôn lấp thì hình thành nên đặc điểm
nước rác tương ứng với các giai đoạn. Trong thời gian hoạt động đầu của bãi chôn
lấp các chất hữu cơ trong chất thải rắn sẽ phân hủy rất nhanh, nước rác hình thành
cũng có nồng độ rất cao của các chất hữu cơ dễ phân hủy và có thể xử lý hiệu quả
bằng phương pháp sinh học, khi đó bãi chôn lấp được gọi là bãi mới, nước rác của
bãi mới được gọi là nước rác mới. Sau một thời gian hoạt động của bãi chôn lấp,
các thành phần dễ phân hủy trong chất thải rắn và nước rác sẽ giảm rất nhanh, các
thành phần khó phân hủy không được xử lý kịp thời sẽ tích lũy ở mức độ cao và
nước rác sẽ rất khó xử lý bằng phương pháp sinh học, khi đó bãi chôn lấp được gọi
là bãi cũ, nước rác có đặc điểm như vậy gọi là nước rác cũ.
- Điều kiện khí hậu: Nước rác hình thành chủ yếu là từ nước mưa thâm nhập
vào bãi chôn lấp. Nước trong bãi chôn lấp là tác nhân của nhiều phản ứng sinh hóa.
Vào mùa khô khi lượng mưa thấp và bốc hơi lớn, độ ẩm của chất thải rắn xuống
dưới mức độ nào đó thì quá trình phân hủy các chất hữu cơ sẽ rất khó diễn ra.
Ngược lại khi lượng nước đi vào bãi chôn lấp quá lớn sẽ khiến cho nước rác kéo ra
ngoài bãi chôn lấp một phần các thành phần hữu cơ chưa kịp phân hủy hoặc mới bị
phân hủy. Tuy nhiên, nồng độ của nước rác sẽ có xu hướng thấp vào mùa mưa và
đậm đặc vào mùa khô [15].
1.6.2 Thành phần và tính chất của nước rác một số bãi chôn lấp ở Việt Nam
Nhìn chung thành phần và tính chất nước rác ở các bãi chôn lấp Việt Nam rất
phức tạp và khó xử lý. Đặc điểm chung về thành phần ở các bãi chôn lấp:
- Thành phần hữu cơ (BOD, COD) và Nitơ (T – N, NH3) rất cao với bãi chôn
lấp mới.
- Thành phần (BOD, COD) và tỷ lệ BOD/COD của các bãi chôn lấp cũ giảm
đi rất nhiều so với bãi mới, tuy nhiên các thành phần Nitơ giảm rất ít.

15

Một số kết quả nghiên cứu thành phần cụ thể của nước rác ở các bãi chôn lấp
như sau:
Bảng1.2: Thành phần nước rác bãi chôn lấp Đông Thạnh( CENTENMA,
2002)
STT

Chỉ tiêu

Nƣớc rác cũ

Nƣớc rác mới

1.

pH

7,9 – 8,2

6,0 – 7,3

2.

Độ kiềm, mg/l CaCO3

-

12500

3.

COD

1079 – 2507

38533 - 65333

4.

BOD5

753

33571 - 56250

5.

N tổng

196 - 470

79 – 230

6.

NH3 - N

297 - 790

515 – 1300

7.

NO2 – N

2,5 – 2,9

3,0 – 4,8

8.

P tổng

14,9 – 21,5

4,7 – 9,6

9.

Ca2+

1122 – 1844

240 – 187

10.

Mg2+

365 – 405

154 - 373

11

Fe tổng

180 – 303

64 - 132

Kết quả đo đạc thành phần nước rác tại bãi chôn lấp Nam Sơn (Hà Nội) do
Viện Công Nghệ Môi trường thực hiện năm 2002 – 2005 thu được như sau:

16