luận văn thạc sĩ NGHIÊN cứu ỨNG DỤNG vật LIỆU NANO tio2

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG VẬT
LIỆU NANO TiO2 VÀO XỬ LÝ
MỘT SỐ HỢP CHẤT HỮU CƠ
TRONG NƯỚC
GVHD:

TS. Nguyễn Phi Hùng

1


Y học

nano TiO2

ỨNG DỤNG

Năng lượng

(nhiều tính chất ưu việt)

Việt Nam

Môi trường

Thời lượng chiếu sáng
của mặt trời cao
Nguyên liệu phong phú

Ô nhiễm môi
trường nước

Tiềm năng
ứng dụng
TiO2 rất lớn

Vấn đề nan giải !

“Nghiên cứu ứng dụng vật liệu nano TiO2 vào
xử lý một số hợp chất hữu cơ trong nước”

2


MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU



Điều chế và nghiên cứu tính chất vật liệu xúc
tác quang TiO2.



Pha tạp và khảo sát hoạt tính quang xúc tác
theo thời gian, hàm lượng xúc tác, loại ánh sáng
kích thích, nghiên cứu động học trên dung dịch
metyl da cam.



Ứng dụng vào xử lý một số loại nước thải công

nghiệp và tạo xi măng chống rêu mốc.
3


NỘI DUNG CHÍNH
 Mở đầu
 Chương 1: Tổng quan
 Chương 2: Thực nghiệm
 Chương 3: Kết quả và thảo luận
 Kết luận và kiến nghị
4


Chương 1: TỔNG QUAN
1.1. GIỚI THIỆU VỀ VẬT LIỆU TiO 2

1.1.1. Cấu trúc
1.1.2. Tổng hợp
1.1.3. Biến tính
1.2. ỨNG DỤNG QUANG XÚC TÁC CỦA VẬT LIỆU TiO 2

1.2.1 Tính chất quang xúc tác của TiO2
1.2.2. Ứng dụng tính chất quang xúc tác của TiO2 trong
xử lý nước

5


Chương 2: THỰC NGHIỆM
 Tổng hợp TiO2 nano: phương pháp thủy nhiệt.

 Tổng hợp TiO2 pha tạp N: nghiền, trộn và nung.
 Đặc trưng vật liệu: SEM, TEM, TGA, BET, XRD,
UV-Vis rắn.
 Khảo sát hoạt tính quang xúc tác của vật liệu: phổ
UV-Vis.
 Xác định COD: phương pháp Bicromat.
6


Chương 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
3.1.

ĐẶC TRƯNG, TÍNH CHẤT CỦA VẬT LIỆU

3.2.

KHẢO SÁT HOẠT TÍNH QUANG XÚC TÁC
CỦA VẬT LIỆU

3.3.

THỬ NGHIỆM ỨNG DỤNG CỦA TN1-3
TRONG XỬ LÝ NƯỚC THẢI VÀ CHỐNG
RÊU MỐC
7


3.1. ĐẶC TRƯNG, TÍNH CHẤT CỦA VẬT LIỆU
3.1.1. Vi cấu trúc của TiO2

Hình 6. Ảnh SEM của bột TiO2 nano
tổng hợp được nung ở 4500C
Dạng ống nano:
+ Đường kính: 10 nm
+ Chiều dài ống: 500 nm

Hình 7. Ảnh TEM của bột TiO2 nano
tổng hợp được nung ở 4500C
Dạng ống nano vẫn tồn tại:
+ Đường kính ngoài: 10 nm
+ Đường kính trong: 6 nm
8


3.1. ĐẶC TRƯNG, TÍNH CHẤT CỦA VẬT LIỆU
3.1.2. Phân tích nhiệt TGA

Quá trình mất nước theo
nhiệt độ
Giảm 1,157 mg
13,599%

Hình 8. Giản đồ TGA của mẫu T450
9


3.1. ĐẶC TRƯNG, TÍNH CHẤT CỦA VẬT LIỆU
3.1.2. Phân tích nhiệt TGA

Quá trình mất nước theo

nhiệt độ
Giảm 0,332 mg
3,981%

Hình 9. Giản đồ TGA của TN1-3
10


3.1. ĐẶC TRƯNG, TÍNH CHẤT CỦA VẬT LIỆU
3.1.2. Diện tích bề mặt và tính chất xốp
Diện tích bề mặt S = 330,1191 m2/g

Hình 10. Đường đẳng nhiệt hấp phụ-khử hấp phụ
N2 ở -1960C của mẫu T450
11


3.1. ĐẶC TRƯNG, TÍNH CHẤT CỦA VẬT LIỆU
3.1.2. Diện tích bề mặt và tính chất xốp

Kết luận: Sbề mặt lớn,
mao quản trung bình,
d = 20 nm

Hình 11. Đường phân bố kích thước
mao quản của mẫu T450

12

3.1. ĐẶC TRƯNG, TÍNH CHẤT CỦA VẬT LIỆU
3.1.3. Nhiễu xạ tia X và phổ UV-Vis rắn
TiO2

75

1.0

60

0.8

45
30

TiO2:N(450)

15

do hap t hu

C êng § é

90

TiO2 pha tap N

0.6

0.4

0.2

TiO2(450)

0

0.0

392,75 nm

-15
20

30

2θ

40

50

300

400

525,32 nm
500

600

700

buoc song (nm)

Hình 12. Giản đồ nhiễu xạ tia X của Hình 13. Phổ UV-Vis rắn của TiO2
và TiO2 tạp N
T450 và TN1-3
⇒ Pha tạp không ảnh hưởng
Ea : T450 : 3,16 eV
cấu trúc pha tinh thể (anatase).
TN1-3 : 2,36 eV
13


3.2. KHẢO SÁT HOẠT TÍNH QUANG XÚC TÁC
3.2.1. Ảnh hưởng của thời gian
Đèn halogen
0.7

mau ban dau
sau 30 phut
sau 60 phut
sau 90 phut

m at do quang

0.6

0.5

sau 120 phut

0.4

0.3

0.2

0.1

0.0
400

500

600

buoc song (nm)

Hình 14. Phổ UV-Vis của dung dịch
metyl da cam theo thời gian trên xúc tác
TN1-3 dưới ánh sáng đèn halogen
14


3.2. KHẢO SÁT HOẠT TÍNH QUANG XÚC TÁC
3.2.1. Ảnh hưởng của thời gian
Đèn huỳnh quang
0.7

mau ban dau

0.6

sau 30 phut
sau 60 phut
sau 90 phut
sau 120 phut

m at do quang

0.5

0.4

0.3

0.2

0.1

0.0
400

500

600

buoc song (nm)

Hình 16. Phổ UV-Vis của dung dịch metyl
da cam theo thời gian trên xúc tác TN1-3
dưới ánh sáng đèn huỳnh quang
15


3.2. KHẢO SÁT HOẠT TÍNH QUANG XÚC TÁC
3.2.1. Ảnh hưởng của thời gian
Ánh sáng mặt trời
0.8

mau ban dau
0.6

sau 10 phut

m at do quang

sau 20 phut
0.4

sau 30 phut
sau 60 phut

0.2

sau 90 phut
0.0

-0.2
400

500

buoc song (nm)

Hình 18. Phổ UV-Vis của dung dịch metyl
da cam theo thời gian trên xúc tác TN1-3
dưới ánh sáng mặt trời

16


3.2. KHẢO SÁT HOẠT TÍNH QUANG XÚC TÁC
3.2.1. Ảnh hưởng của thời gian

Kết luận:
- Thời gian chiếu xạ càng dài thì hiệu quả xử lý
càng cao.
- Riêng đối với ánh sáng mặt trời, chỉ sau
90 phút metyl da cam đã bị xử lý hoàn toàn.

17


3.2. KHẢO SÁT HOẠT TÍNH QUANG XÚC TÁC
3.2.2. Động học quang xúc tác metyl da cam

Tốc độ phản ứng phân hủy metyl da cam dưới ánh sáng mặt

trời sử dụng xúc tác TN1-3 tuân theo phương trình động học
bậc nhất với phương trình đường:
Ln ( CC0 ) = 0,0223t - 0,0326
=> t1/2 = 32,54 phút.

18


3.2. KHẢO SÁT HOẠT TÍNH QUANG XÚC TÁC
3.2.3. Ảnh hưởng của hàm lượng
Đèn halogen
0.8

m at do quang

6
0.6

5

1

24
3

1:
2:
3:
4:
5:

6:

mau ban dau
0,5 mg
1 mg
6 mg
10 mg
20 mg

0.4
0.2
0.0

400

500

buoc song (nm)

Hình 22. Phổ UV-Vis của dung dịch
mety da cam theo hàm lượng xúc tác
TN1-3 dưới ánh sáng đèn halogen

Khả năng xử lý đạt cao
nhất tại hàm lượng TN13 là 1 mg dùng để xử lý
20 ml dung dịch metyl da
cam 6 mg/l
19

3.2. KHẢO SÁT HOẠT TÍNH QUANG XÚC TÁC
3.2.3. Ảnh hưởng của hàm lượng
Đèn huỳnh quang

m at d o q u an g

0.7
4

0.6

5

6

7

1

2
3

0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0.0

400

1:
2:
3:
4:
5:
6:
7:

mau ban dau
0,5 mg
1 mg
6 mg
10 mg
20 mg
30 mg
500

buoc song (nm)

Hình 24. Phổ UV-Vis của dung dịch
metyl da cam theo hàm lượng xúc tác
TN1-3 dưới ánh sáng đèn huỳnh quang

Khả năng xử lý đạt cao
nhất tại hàm lượng TN1-3
là 1 mg
dùng để xử lý 20 ml dung
dịch metyl da cam 6 mg/l
20

3.2. KHẢO SÁT HOẠT TÍNH QUANG XÚC TÁC
3.2.3. Ảnh hưởng của hàm lượng
Mặt trời
0.7

mat do quang

0.6
0.5

6
7

0.4

1
2

1: mau ban dau
2: 0,5 mg
3 3: 1 mg
4 4: 6 mg
5
5: 10 mg
6: 20 mg
7: 60 mg

0.3

0.2
0.1
0.0

400

500

buoc song (nm)

Hình 26. Phổ UV-Vis của dung dịch
metyl da cam theo hàm lượng xúc
tác TN1-3 dưới ánh sáng mặt trời

Đối với ánh sáng mặt
trời độ chuyển hóa tăng
khi hàm lượng xúc tác
tăng
21


3.2. KHẢO SÁT HOẠT TÍNH QUANG XÚC TÁC
3.2.3. Ảnh hưởng của các loại kích thích
mau ban dau

0.7
0.6

mat do quang

Kết luận:

den halogen
den huynh quang

0.5
0.4
0.3
0.2

anh sang mat troi

0.1
0.0

400

450

500

550

600

buoc song (nm)

Hình 28. Phổ UV-Vis của dung dịch
metyl da cam trên xúc tác TN1-3 ở các
loại nguồn sáng kích thích khác nhau

- Dưới ánh sáng mặt trời
hiệu quả quang xúc tác của
TN1-3 là tốt nhất.
- Trong 2 nguồn sáng nhân
tạo là đèn halogen và đèn
huỳnh quang thì khả năng
quang xúc tác của vật liệu
dưới đèn huỳnh quang là
tốt hơn.
22


3.3. ỨNG DỤNG
3.3.1. Xử lý nước thải
Bảng 19. Kết quả COD của nước thải lò
giết mổ gia súc qua các thời gian xử lý

Thời gian Mật độ quang
(phút)
(ABS)

COD
(mg/l)

0

0.256

460

60

0,183

320

120

0,147

258

180

0,154

266

Kết luận: Chỉ sau một giờ qua bộ xử lý dưới ánh sáng mặt
trời, giá trị COD đã giảm từ 460 xuống 320 mg/l tức là đã
xử lý nước thải rất ô nhiễm từ lò giết mổ về nước thải loại C.
23


3.3. ỨNG DỤNG
3.3.1. Xử lý nước thải
Bảng 21. Kết quả COD của nước thải
nhà máy bia qua các thời gian xử lý

Thời gian Mật độ quang
(phút)
(ABS)

COD
(mg/l)

0

0.116

201

60

0,107

175

120

0,090

153

180

0,076

118

240

0,055

80

Kết luận: Sau 4 giờ trong bộ xử lý dưới ánh sáng mặt trời
đã giảm lượng COD từ 201 xuống 80, tức là đã xử lý nước
thải nhà máy bia từ tiêu chuẩn nước thải loại C sang loại B.

24


3.3. ỨNG DỤNG
3.3.2. Chống rêu mốc
Trong cùng điều kiện
thí nghiệm, khay xi măng
thường có rong rêu mọc
xanh trong khi đó khay
phủ TN1-3 thì không có
hiện tượng gì.
⇒ Xi măng phủ TN1-3
có khả năng sát khuẩn,
chống rêu mốc.
Hình 33. Khay xi măng thường (có mọc rêu)
và xi măng phủ TN1-3 (không mọc rêu)
25