XÚC tác QUANG TIO2 1

CH4030 – KỲ 2018.1

ĐỀ TÀI :

ĐỀ TÀI : TÌM HIỂU XÚC TÁC QUANG TI02
TÌM
HIỂUQUÁ
XÚCTRÌNH
TÁC QUANG
TI02 TRONG
QUÁ TRÌNH XỬ LÝ CÁC HỢP CHẤT HỮU CƠ Ô NHIỄM
TRONG
XỬ LÝ CÁC
HỢP
CHẤT HỮU CƠ Ô NHIỄM

GVHD: PGS.TS PHẠM THANH HUYỀN

SVTH:

HÀ MINH HẠNH 20151245

PHẠM THỊ THUYẾT 20153666

TRẦN ĐỨC MINH 20152500


CHƯƠNG 1: CẤU TRÚC VÀ ĐẶC ĐIỂM CỦA XÚC TÁC TIO 2
CHƯƠNG 1: CẤU TRÚC VÀ ĐẶC ĐIỂM CỦA XÚC TÁC TIO2

CHƯƠNG 2: ĐIỀU CHẾ SẢN XUẤT

CHƯƠNG 3: NGUYÊN LÝ PHƯƠNG PHÁP CỦA QUA TRÌNH XỬ LÝ CHẤT THẢI HỮU CƠ BẰNG TIO 2


CHƯƠNG I:

CẤU TRÚC

VÀ ĐẶC ĐIỂM CỦA XÚC TÁC TIO2


Mở Đầu

TiO2 là một trong những hợp chất ưu việt như quang xúc tác ,siêu thấm ướt đồng thời rất bền ,không
độc,chữ lượng cao…được nghiên cứu và ứng dụng rộng dãi ngày nay ,TIO 2 được ứng dụng rộng dãi trong
đời sống và sản



Sự nhiễm bẩn hữu cơ hiện nay là một vấn đề quan tâm hàng đầu của các nhà nghiên cứu .Chất thải phổ
biến thường chứa hợp chất hữu cơ khó phân hủy



hợp chất vòng benzen ,



những chất có nguồn gốc từ các chất tẩy rửa thuốc trừ



các vi sinh vật (.ví dụ nước thải trong bệnh viện không được xử lý hoặc xử lý không triệt để các mầm
bệnh).

sâu,thuốc diệt cỏ, hóa chất công nghiệp…



1.1 : Đặc điểm cấu trúc tinh thể của TIO 2



TIO2 là liên kết ion. Các nguyên tử titanium (Ti) và oxygen (O) trao đổi điện tử hóa trị cho nhau để trở thành các
cation và anion.



Liên kết xuất hiện giữa các ion trái dấu thông qua lực hút tĩnh điện.


Tinh thể TIO2 (hình 1.2) bao gồm ba pha cấu trúc riêng là anatase, rutile và brookite.

-


-các nguyên tử Ti trong cấu trúc pha

rtile tạo thành mạng tứ phương thể
tâm ,số nguyên tử Ti là 2 và số nguyên

tử O là 4
- là dạng phổ biến nhất bền nhất của
TIO2
-có cấu trúc lâp phương nên bền vững
-có khả năng chịu nhiệt cao
-bát diện tiếp xúc nhau ở đỉnh


1.2: Đặc điểm tính chất của TIO2
1.2.1 Tính chất vật lý


Là chất có màu trắng khi đun nóng có màu vàng,khi làm lạnh trở lạimàu trắng



o
Có độ cứng cao khó nóng chảy (ở 1870 C)



M=79.88 g/mol



Trọng lượng riêng 4.13-4.25 kg/cm



có tính lưỡng tính không tác dụng với H2O ,axit (trừ HF ) và kiềm

3


1.3 : Tính chất quang của vật liệu TIO2

1.3.1 Định nghĩa:
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.


1.3.2 Cơ chế xúc tác quang dị thể: được tiến hành ở pha khí hoặc pha lỏng
Titan Oxit được làm chất xúc tác quang vì thỏa mãn 2 điều kiện:
-Có hoạt tính quang hóa
-Có năng lượng vùng cấm thích hợp để hấp thụ ánh sang cực tím hoặc nhìn thấy


1.3.2: Nguyên tắc quá trình xúc tác quang

•
•




Tại vùng hóa trị có sự hình thành các gốc OH. và RX+



Tại vùng dẫn có các gốc O2- và OH2-.

1.3.3:Quá trình xúc tác quang

Khếch tán chất phản ứng tới bề
mặt xúc tác

Hấp thụ photon và
Hấp thụ lên bề mặt

GĐSC:các phân tử bị kích thích tham gia phản ứng với các chất hấp phụ trên bề mặt
GĐTC: giai đoạn phản ứng của các sản phẩm thuộc giai đoạn sơ cấp sơ cấp

Nhả hấp phụ sản phẩm

Khuếch tán sản phẩm vào pha khí hoặc lỏng

khuyếch tán đến bề mặt


1.3.4: Tính siêu thấm nước




Bề mặt không thấm nước góc thấm ướt >90



Bề mặt ít thấm nước góc thấm ướt <90



Bề mặt thấm nước tốt góc thấm ướt nhỏ

o

o

Sự phân hủy chất cơ bản
Các chất bẩn hữu cơ bị phân hủy bởi OH
2O tạo thành CO2 và H2O giảm độ bán
dính giữa chất bẩn với màng quang xúc
tác

-

Siêu thấm ướt
Màng quang xúc tác trở nên
siêu thấm ướt chất bẩn dễ dàng
bị di chuyển bởi nước mưa khi ta
phun nước lên


Khi ánh sáng UV được chiếu vào màng TiO2, tính thấm ướt nước của màng thay đổi từ trạng thái kỵ nước chuyển sang
trạng thái ái nước. Như vậy, ánh sáng UV đã làm thay đổi cấu trúc bề mặt của màng TiO 2. Màng TiO2, khi chưa chiếu
UV, có góc nước θ khá lớn. Với thời gian chiếu sáng đủ lâu, θ có thể giảm và nhỏ hơn 0 o. Ta nói, màng TiO2 có tính
siêu thấm ướt nước, nghĩa là các giọt nước nếu bám trên bề mặt màng sẽ loang rất nhanh thành một màng nước rất
mỏng

Cơ chế quang siêu thấm ướt nước của màng TiO2 được giải thích dưới đây.Khác với bên trong khối, trên bề
mặt màng TiO2 mỗi anion O
Các anion O

2-

2-

không liên kết đủ ba cation Ti4+

trên bề mặt màng liên kết với hai cation Ti

liên kết đầy đủ với ba cation Ti

4+

4+

được gọi là các hạt O bắc cầu. Do không được

Như trong khối nên các hạt O bắc cầu trên bề mặt màng ở trạng thái liên kết

kém bền. Phần “quang” trong cơ chế quang siêu thấm ướt nước cũng giống như trong cơ chế quang phân hủy
hợp chất hữu cơ. Dưới tác dụng của ánh sáng UV, các điện tử từ vùng hóa trị chuyển lên vùng dẫn thành các điện
và để lại các lỗ trống ở vùng hóa trị. Các cặp điện tử– lỗ trống khuếch tán ra bề mặt màng.
Tại đó, điện tử khử cation TI

+4

-

biến nó thành cation Ti

+4
+3
e + TI → Ti

→

(1)

Còn lỗ trống ôxy hóa anion O2- thành O2
+
-2
4h + 2O → O2

:

+3

(2)


O2 tạo thành trong phản ứng (2) bay ra khỏi bề mặt màng,nghĩa là các
hạt O bắc cầu bị bứt ra khỏi bề mặt màng và để lại các chỗ khuyết O.
Lúc này, khi các phân tử nước H2O bám trên bề mặt màng bị phân ly
thành anion OHvà cation H+ thì lỗ trống lập tức khử anion OH và biến
chúng thành OH hấp phụ (OHads) trên bề mặt:
OH-ads + h+ → Ohads

Và nguyên tử O của nhóm OHads.(trong đó, phân lớp 2p của O có
một vân đạo còn thiếu một điện tử). Trong khi đó cation Ti3+
có một điện tử thừa tại phân lớp 4s sẽ chiếm chỗ khuyết O trên bề mặt
màng.
Hiện tượng các phân tửnước hấp phụ hóa học thành các nhóm OH trên
bề mặt màng TiO2(sau khi đã được chiếu ánh sáng UV) diễn ra rất
nhanh nên được gọi là hiện tượng quang siêu thấm ướt nước. Mỗi màng
TiO2 đều có hình thái bềmặt riêng. Trong đó, mật độvà vị trí sắp xếp các
hạt O bắc cầu khác nhau. Do đó, các màng khác nhau sẽ có tính năng
quang


1.3.4: Yếu tố ảnh hưởng tới tính quang xúc tác

1.
2.
3.
4.
5.

Phương pháp chế tao
Độ kết tinh của tinh thể
Nhiệt độ nung
Diện tích hiệu dụng bề mặt
Khối lượng xúc tác cường độ chiếu sáng


1.4: Ứng dụng của xúc tác quang TIO2

Tách H2 từ H2O

Phân hủy NO2

Khử mùi

Tiêu diệt các tế bào
ung thư

Xử lý nước

Tự Làm sạch

Diệt khuẩn


1.4.1: Tự làm sạch bề mặt
Nhờ hiệu ứng quang siêu thấm ướt nước đã mở rộng triển vọng ứng dụng của vật liệu quang xúc tác nhưTiO 2
trong việc 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 (không đọng giọt nước trên bề mặt màng).Vì vậy,
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


1.4.2: Khả năng diệt khuẩn của TIO2
Vật liệu TiO2 có khả năng ôxy hóa mạnh với hầu hết các loại vi khuẩn,virus,nấm. Đầu tiên nó 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 Nhìn chung,vật
liệu TiO2 có khả năng tẩy uế vi khuẩn mạnh gấp ba lần so với chlorination và mạnh gấp 1.5 lần so với ozone


1.4.3: Khử độc nước thải do diệt sâu dầy trên lúa

Các dung dịch khử vi sinh vật gây hại cho lúa thường chứa nồng độ hóa chất nông nghiệp cao. Vì vậy, nguồn nước thải
nông nghiệp bị nhiễm bẩn và chính nguồn nước này lại làm cho đất bị ô nhiễm.
Người ta đã làm những tấm đan, bện mịn bằng thủy tinh có diện tích bề mặt lớn được phủ bằng vật liệu quang xúc tác
TiO2 dùng để làm sạch dung dịch nước thải Chỉ dưới ánh sáng mặt trời. Phương pháp xử lí này là rất đơn giản. Nhờ đó, các
chất hóa học nông nghiệp sẽ bị khử hoàn toàn dưới ánh sáng mặt trời trong một vài ngày.
1.4.4: Tiêu diệt tế bào ung thư
Phân tử nano tiếp cận khối u
Kích bằng xung bức xạ điện tử
Năng lượng này làm sắt trong nhân nóng
lên,phá vỡ liên kết H2
phóng kích thuốc vào khối u
Tế bào ung thư bị tiêu diệt


CHƯƠNG 2:
ĐIỀU CHẾ SẢN XUẤT