Nghiên cứu điều chế lớp phim mỏng tio2 phủ trên hạt bẹt silica và ứng dụng xử lý tảo trong nước

Đại Học Quốc Gia Tp. Hồ Chí Minh
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
--------------------

NGUYỄN QUỲNH MAI

NGHIÊN CỨU ĐIỀU CHẾ LỚP PHIM MỎNG
TiO2 PHỦ TRÊN HẠT BẸT SILICA VÀ ỨNG
DỤNG XỬ LÝ TẢO TRONG NƯỚC
Chuyên ngành : CÔNG NGHỆ MÔI TRƯỜNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 12 năm 2008


CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

Cán bộ hướng dẫn khoa học : TS.NGUYỄN THẾ VINH

Cán bộ chấm nhận xét 1 : ..........................................................................

Cán bộ chấm nhận xét 2 : ..........................................................................

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại:
HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ TRƯỜNG ĐẠI
HỌC BÁCH KHOA, ngày . . . . . tháng . . . . năm . . . . .

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
PHỊNG ĐÀO TẠO SĐH

CỘNG HỒ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

Tp.HCM, ngày 05 tháng 11 năm 2007

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: NGUYỄN QUỲNH MAI

Phái: Nữ

Ngày, tháng, năm sinh: 18 / 04/ 1981

Nơi sinh: TP HCM

Chuyên ngành: CÔNG NGHỆ MÔI TRƯỜNG

MSHV: 02506582

I- TÊN ĐỀ TÀI
Nghiên cứu điều chế lớp phim mỏng TiO2 phủ trên hạt bẹt silica và ứng dụng
xử lý tảo trong nước
II- NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG
- Nhiệm vụ:
+ Điều chế lớp phim mỏng chứa thành phần chính TiO2 phủ lên các hạt bẹt
silica (allumino silicate)
+ Nghiên cứu hiệu quả của quá trình xử lý tảo bằng các hạt bẹt silica sau khi
được phủ lớp phim mỏng chưa thành phần chính TiO2 kết hợp ánh sáng nhân tạo và

tự nhiên
- Nội dung:
+ Điều chế dung dịch sol-gel chứa thành phần chính TiO2 và phủ lên các hạt
allumino silicate
+ Nghiên cứu hiệu quả xử lý tảo dưới sự chiếu sáng UV.
+ Nghiên cứu hiệu quả xử lý tảo dưới ánh sáng mặt trời tự nhiên.
III- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ (Ngày bắt đầu thực hiện LV ghi trong Quyết định
giao đề tài):
IV- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 30/11/2008
V- CÁN BỘ HƯỚNG DẪN :

TS. NGUYỄN THẾ VINH

Nội dung và đề cương luận văn thạc sĩ đã được Hội đồng chuyên ngành thông qua.
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN
QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH


LỜI CẢM ƠN
Để hoàn thành được luận văn thạc sĩ này, trước tiên tôi xin chân thành cảm
ơn Tiến sĩ Nguyễn Thế Vinh, người thầy đã dẫn dắt tôi trên bước đường nghiên cứu
khoa học và đã tận tình hướng dẫn, hỗ trợ tơi trong suốt q trình thực hiện đề tài.
Đồng thời tôi cũng chân thành cảm ơn Thạc sĩ Nguyễn Việt Cường về những
kết quả nghiên cứu trước đây của anh về mảng vật liệu TiO2-SiO2 mà chúng tôi đã
kế thừa để phát triển sâu và rộng hơn;
Tôi xin chân thành cảm ơn Tiến sĩ Nguyễn Thị Hoài Hà, Trưởng phịng Cơng
nghệ tảo và sinh học mơi trường - Viện Vi sinh vật và công nghệ sinh học - Đại học
Quốc gia Hà Nội và Kỹ sư Đỗ Thị Bích Lộc – Phó trưởng phịng Cơng nghệ và

quản lý môi trường - Viện Sinh học nhiệt đới đã hỗ trợ tôi về mặt tài liệu và cung
cấp thiết bị, dụng cụ, phương tiện cũng như cho phép tôi thực hiện một số nghiên
cứu tại viện;
Nhân tiện đây, tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến Cử nhân Phạm Thanh Lưu
- phịng thí nghiệm Cơng nghệ và quản lý môi trường - Viện Sinh học nhiệt đới và
Cử nhân Nguyễn Quang Huy - phịng thí nghiệm Cơng nghệ tảo và sinh học môi
trường - Viện Vi sinh vật và công nghệ sinh học - Đại học Quốc gia Hà Nội đã nhiệt
tình giúp đỡ và hỗ trợ tơi trong quá trình thu mẫu tảo, định lượng và định tính tảo,
q trình phân lập và nhân giống tảo cũng như mở mang kiến thức về lĩnh vực sinh
học cho tôi trong suốt thời gian tôi thực hiện đề tài.
Cho phép tôi được gửi lời cảm ơn chân thành đến anh Dương Cơng Chinh vì
đã nhiệt tình giúp đỡ, giới thiệu tôi đến học hỏi và làm nghiên cứu tại các viện. Nếu
như khơng có sự giúp đỡ của anh Chinh thì đề tài nghiên cứu của tơi khó hồn
thành đúng tiến độ.
Tôi chân thành cảm ơn kỹ sư La Trọng Nghĩa đã tài trợ tơi phần lớn hố
chất pha môi trường nuôi tảo. Xin chân thành cảm ơn kỹ sư Hoàng Huynh Hải Nam
và các anh chị cán bộ nhân viên của Xí nghiệp xử lý nước thải sinh hoạt Bình Hưng


Hồ đã tạo điều kiện thuận lợi và nhiệt tình giúp đỡ tôi trong thời gian tôi lấy mẫu
tại trạm.
Xin cám ơn các bạn trong phịng thí nghiệm Ăn mịn và xử lý bề mặt - khoa
Công nghệ vật liệu; các bạn trong phịng thí nghiệm khoa Mơi trường và các bạn
học viên nhóm nghiên cứu TiO2 – Trường Đại học Bách Khoa Thành phố Hồ Chí
Minh đã tham gia phối hợp và hỗ trợ lẫn nhau trong quá trình thực hiện luận văn.
Tôi xin chân thành cảm ơn quý thầy cô khoa Môi trường - trường Đại học
Bách Khoa Thành phố Hồ Chí Minh đã truyền thụ cho tơi khối lượng kiến thức bổ
ích trong suốt những năm tháng tôi học đại học cũng như học cao học tại trường.
Tơi cũng gửi lời biết ơn đến gia đình, người thân, anh Trần Tiến Khơi, bạn
Lê Hồng Anh và tất cả những bạn bè thân thiết đã cổ vũ và động viên tôi thực hiện

tốt luận văn này.
Thành phố Hồ Chí Minh, 12.2008
Nguyễn Quỳnh Mai


TĨM TẮT LUẬN VĂN
Giải quyết tình trạng ơ nhiễm, mất mỹ quan môi trường và ảnh hưởng đến
sức khỏe con người do tảo phát triển nhanh trong môi trường nước là các vấn đề
đang rất được quan tâm hiện nay nhằm mục tiêu tái sinh nguồn nước sạch. Tuy
nhiên, cho đến thời điểm hiện tại, ở nước ta, các nghiên cứu về việc ứng dụng q
trình quang hóa xúc tác để xử lý tảo phát triển trong nước hầu như chưa được quan
tâm. Trong nghiên cứu này, tảo được xử lý bằng phương pháp xúc tác quang sử
dụng vật liệu TiO2-SiO2 kết hợp với ánh sáng nhân tạo và tự nhiên. Để tái sử dụng
lượng xúc tác sử dụng, TiO2-SiO2 được phủ trên các hạt bẹt silica và được cho tiếp
xúc với tảo trong nước cùng với các nguồn ánh sáng khác nhau. Bên cạnh đó, cơng
trình nghiên cứu cịn thực hiện việc phân lập và nhân giống Oscillatori perornata –
lồi tảo đặc trưng có trong nước hồ hồn thiện của trạm xử lý nước thải sinh họat
Bình Hưng Hịa – Tp.HCM để phục vụ việc xác định hoạt tính của chất xúc tác
quang trong xử lý tảo.
Đối với dung dịch O. perornata được nhân giống trong phịng thí nghiệm,
hiệu quả xử lý các tế bào tảo của lớp màng mỏng TiO2-SiO2 được phủ trên các hạt
bẹt silica đạt được rất cao, 89,95% dưới ánh sáng mặt trời tự nhiên và 65,01% dưới
ánh sáng của 5 đèn UV-A trong 8 giờ với nồng độ hạt sử dụng là 300 g/l. Đối với
dung dịch tảo tươi thu trực tiếp từ hồ, hiệu quả xử lý đạt được lần lượt là 85,98% và
61,87% trong cùng điều kiện. Các kết quả nghiên cứu thực nghiệm cũng cho thấy,
trong trường hợp không sử dụng xúc tác, cùng thời lượng và cường độ chiếu sáng
như trên, hiệu quả xử lý đạt được lần lượt là 41,17% và 16,68% đối với mẫu nuôi
O. perornata và đối với mẫu thu từ thực địa là 39,03% và 14,06%.
Các kết quả trên đã chứng minh được rằng vật liệu TiO2-SiO2 khi được cố
định trên vật mang tỏ ra hiệu quả và hữu ích trong việc kiểm sốt tảo trong nước và

điều này sẽ làm giảm đi những thiệt hại về kinh tế, sự suy giảm mỹ quan và các tác
động tiêu cực đến sức khỏe của con người có nguyên nhân từ sự bùng nổ của tảo.


i

MỤC LỤC
MỤC LỤC ..............................................................................................................i
DANH MỤC CÁC HÌNH .................................................................................... v
DANH MỤC CÁC BẢNG ............................................................................... viii
DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT ................................................ix
CHƯƠNG 1 : MỞ ĐẦU....................................................................................... 1
1.1. Đặt vấn đề ..................................................................................................... 1
1.2. Mục tiêu nghiên cứu ..................................................................................... 3
1.3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ................................................................ 3
1.3.1. Đối tượng nghiên cứu ............................................................................. 3
1.3.2. Phạm vi nghiên cứu ................................................................................ 4
1.4. Phương pháp nghiên cứu.............................................................................. 5
1.4.1. Phương pháp hồi cứu ............................................................................. 5
1.4.2. Các phương pháp thí nghiệm và phân tích............................................. 5
1.4.3. Phương pháp nghiên cứu mơ hình.......................................................... 6
1.4.4. Phương pháp xử lý số liệu ...................................................................... 6
1.5. Tính mới, ý nghĩa khoa học và thực tiễn của nghiên cứu.......................... 6
1.5.1. Tính mới của đề tài ................................................................................. 6
1.5.2. Ý nghĩa khoa học của đề tài .................................................................... 7
1.5.3. Ý nghĩa thực tiễn của đề tài..................................................................... 7
CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN................................................................................ 8
2.1. Cơ sở lý thuyết về quá trình quang hóa xúc tác trên TiO2 và ứng dụng

của TiO2 ................................................................................................................ 8

ii

2.1.1. Giới thiệu về quá trình xúc tác quang .................................................... 8
2.1.2. Giới thiệu về chất xúc tác quang TiO2.................................................. 11
2.1.3. Một số đặc tính của TiO2 khi kết hợp với SiO2 .................................... 13
2.1.4. Các phương pháp chế tạo TiO2 ............................................................ 15
2.1.5. Một số ứng dụng của chất xúc tác quang TiO2 .................................... 24
2.2. Tổng quan về tình hình ơ nhiễm tảo trong nước ...................................... 28
2.2.1. Nguồn gốc ô nhiễm tảo trong nước ...................................................... 28
2.2.2. Tảo và tác động môi trường ................................................................. 29
2.2.3. Các phương pháp xử lý tảo trong nước................................................ 40
2.3. Các nghiên cứu điển hình ........................................................................... 45
2.3.1. Nghiên cứu về điều chế vật liệu xúc tác quang TiO2 và ứng dụng trong
lĩnh vực xử lý môi trường................................................................................. 45
2.3.2. Nghiên cứu ứng dụng chất xúc tác quang TiO2 để tiêu diệt tế bào tảo.49
CHƯƠNG 3: CÁC PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM................................ 53
3.1. Thí nghiệm xác định lồi ưu thế tại khu vực nghiên cứu ........................ 53
3.1.1.Địa điểm nghiên cứu ............................................................................... 53
3.1.2.Phương pháp nghiên cứu thực địa.......................................................... 53
3.1.3.Phương pháp nghiên cứu trong phịng thí nghiệm. ................................ 53
3.2. Thí nghiệm phân lập và ni cấy lồi ưu thế ........................................... 55
3.2.1 Các điều kiện cần thiết cho nuôi cấy. ..................................................... 55
3.2.2. Phân lập và ni cấy mẫu ..................................................................... 59
3.3. Thí nghiệm điều chế các hợp chất TiO2-SiO2 bằng phương pháp sol-gel
.............................................................................................................................. 60


iii

3.3.1. Hố chất thí nghiệm ............................................................................ 60
3.3.2. Dụng cụ thí nghiệm.............................................................................. 61
3.3.3. Quy trình thí nghiệm ............................................................................ 63
3.4. Thí nghiệm phủ lớp màng mỏng TiO2-SiO2 lên chất mang .................... 65
3.4.1. Hố chất và vật liệu thí nghiệm ............................................................. 65
3.4.2 Dụng cụ thí nghiệm ................................................................................. 66
3.4.3 Quy trình thí nghiệm ............................................................................... 66
3.5. Thí nghiệm đánh giá hoạt tính xúc tác quang của vật liệu TiO2-SiO2..68
3.5.1 Thí nghiệm đánh giá hoạt tính của chất xúc tác lên dung dịch
chlorophyll-a được trích ly từ lồi tảo ưu thế ................................................. 68
3.5.2 Thí nghiệm đánh giá hiệu quả xử lý tảo “tươi” .................................... 74
CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN ....................................................... 76
4.1. Loài ưu thế tại khu vực nghiên cứu ........................................................... 76
4.1.1.Thành phần thực vật nổi tại khu vực nghiên cứu ................................... 76
4.1.2 Loài ưu thế tại khu vực nghiên cứu. ....................................................... 77
4.1.3 Kết quả phân lập và nhân giống loài ưu thế .......................................... 78
4.2. Thí nghiệm phủ tạo màng mỏng lên bề mặt chất mang và đánh giá
hoạt tính màng TiO2-SiO2 ................................................................................ 82
4.2.1 Khảo sát về khối lượng xúc tác bám trên bề mặt hạt ............................ 82
4.2.2 Khảo sát độ bền của lớp màng phủ ........................................................ 83
4.3. Thí nghiệm xác định hiệu quả xử lý của vật liệu xúc tác quang TiO2 –
SiO2 đối với tảo ................................................................................................. 85
4.3.1 Thí nghiệm đối với dung dịch chlorophyll-a được trích ly từ O.perornata
......................................................................................................................... 85


iv

4.3.2 Thí nghiệm đối với dung dịch tảo tươi Oscillatoria perornata ............. 90

4.3.3 Thí nghiệm đối với dung dịch tảo thu từ thực địa .................................. 97
4.3.4. Bàn luận về cơ chế tiêu diệt tế bào tảo của vật liệu xúc tác quang TiO2SiO2 ............................................................................................................... 103 
CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ.................................................. 106
5.1. Kết luận ...................................................................................................... 106
5.2. Kiến nghị .................................................................................................... 107
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................... 108
LÝ LỊCH TRÍCH NGANG
PHỤ LỤC


v

DANH MỤC CÁC HÌNH
Hình

Tên hình

Trang

2.1

Cấu trúc tinh thể Rutile

12

2.2

Cấu trúc tinh thể Anatase

12

2.3

Sự phụ thuộc độ hoà tan vào độ cong

19

2.4

Hiện tượng lấn chiếm Ostwald

19

2.5

Sự hoà tan – ngưng tụ tại cổ tiếp xúc

20

3.1

Mơ hình hệ thống thí nghiệm điều chế vật liệu TiO2-

62

SiO2 bằng phương pháp sol-gel
3.2

Quy trình thí nghiệm điều chế sol-gel TiO2-SiO2

63

3.3

Biểu đồ phân bố kích thước hạt trong dung dịch sau

65

quá trình thuỷ phân nhiệt
3.4

Quy trình phủ TiO2-SiO2 lên hạt bằng phương pháp

66

nhúng
3.5

Hạt alummino silicate

67

3.6

Quy trình nhúng hạt

68

3.7

Sơ đồ thiết bị phản ứng đánh giá hiệu quả xử lý tảo của

70

vật liệu TiO2-SiO2 dưới điều kiện chiếu tia UV-A
3.8

Phổ ánh sáng của đèn UV-A Philips

71

3.9

Mơ hình thí nghiệm đánh giá hiệu quả xử lý tảo của vật

73

liệu TiO2-SiO2 dưới ánh sáng mặt trời tự nhiên
4.1

Thành phần thực vật nổi đã khảo sát, nghiên cứu vào
tháng 4/2008 và tháng 9/2008

77


vi

4.2

Sự biến thiên mật độ O.peronata trong môi trường BG-

79

11 theo thời gian
4.3

O. perornata sau khi được phân lập từ mẫu hiện trường

81

4.4

O. perornata phát triển thuần trên môi trường thạch

81

BG-11
4.5

O. perornata phát triển trong môi trường lỏng BG-11

81

4.6

Bề mặt của hạt alummino silicate

83

4.7

Phổ UV-Vis của dung dịch trích ly từ O.perornata

85

4.8

Độ hấp thu của dung dịch trích ly O.perornata ở bước

86

sóng 435nm khi sử dụng vật liệu xúc tác dạng bột
4.9

Độ hấp thu của dung dịch trích ly O.perornata ở bước

88

sóng 435nm khi sử dụng vật liệu xúc tác dạng màng
mỏng
4.10

Hiệu quả xử lý O. perornata với lượng xúc tác khác

91

nhau dưới điều kiện chiếu sáng bằng tia UV-A.
4.11

Hiệu quả xử lý O. perornata với lượng xúc tác khác

93

nhau dưới điều kiện ánh sáng mặt trời tự nhiên
4.12

Sự thay đổi mật độ tế bào O. perornata sau 24h hồi

95

phục
4.13

Hiệu quả xử lý tảo hồ với lượng xúc tác khác nhau dưới

98

điều kiện chiếu tia UV-A.
4.14

Hiệu quả xử lý tảo hồ với lượng xúc tác khác nhau dưới

99

điều kiện ánh sáng mặt trời tự nhiên
4.15

Sự thay đổi mật độ O.perornata trong tổng tế bào theo
thời gian dưới điều kiện chiếu tia UV – A

101


vii

4.16

Sự thay đổi mật độ O.perornata trong tổng tế bào theo

102

thời gian dưới ánh sáng mặt trời tự nhiên
4.17

Cấu trúc tế bào tảo lam

104


viii

DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng

Tên bảng

Trang

2.1

Một số tính chất vật lý của TiO2 dạng anatase và rutile

13

2.2

Khả năng oxy hóa của một số tác nhân oxy hóa

43

4.1

Tần suất xuất hiện và % trung bình trong tổng tế bào

78

của từng lồi tảo Lam
4.2

Xác định khối lượng vật liệu xúc tác phủ trên hạt

82

alummino silicate
4.3

Tỷ lệ thất thoát khối lượng vật liệu xúc tác trên hạt sau

84

các lần thí nghiệm
4.4

Ảnh hưởng của lớp màng mỏng TiO2-SiO2 đến mật độ

91

tế bào O. perornata dưới điều kiện chiếu tia UV-A
4.5

Ảnh hưởng của lớp màng mỏng TiO2-SiO2 đến mật độ

93

tế bào O. perornata dưới ánh sáng mặt trời tự nhiên.
4.6

Ảnh hưởng của lớp màng mỏng TiO2-SiO2 đến mật độ

97

tế bào tảo hồ dưới điều kiện chiếu tia UV-A
4.7

Ảnh hưởng của lớp màng mỏng TiO2-SiO2 đến mật độ
tế bào tảo hồ dưới điều kiện ánh sáng mặt trời tự nhiên.

98

ix

DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT
ADN

Acid Deoxyribonucleic

AOPs

Advanced oxidation processes – Các biện pháp oxy hóa
bậc cao

CB

Conduction band – Vùng dẫn

Eg

Hố năng lượng ngăn cách giữa vùng dẫn và vùng hóa trị

Lux

Đơn vị đánh giá độ rọi trong SI được sử dụng trong trắc
quang học để đánh giá cường độ ánh sáng cảm nhận
được

ml

mililit

o

Celsius degree – Độ bách phân

Oscillatoria perornata

O. perornata

tb/l

tế bào/lít

tb/ml

tế bào/mililit

TPHCM

Thành phố Hồ Chí Minh

UV – A

Tia cực tím UV-A

UV-Vis

Ultraviolet-Visible spectroscopy – Phương pháp xác

C

định phổ hấp thu ánh sáng của vật liệu trong vùng cực
tím và khả kiến
VB

Valence band – Vùng hóa trị

W

Watt – Đơn vị đo công suất


1

CHƯƠNG 1

MỞ ĐẦU
1.1. ĐẶT VẤN ĐỀ
Hiện nay vấn đề ô nhiễm môi trường đang ngày càng trở nên cấp bách. Thế
giới đang phải đối mặt với những thách thức lớn về tình trạng suy thối, xuống cấp
về chất lượng mơi trường. Tình trạng ơ nhiễm mơi trường do rác thải, nước thải sản
xuất và sinh hoạt, khí thải từ hoạt động giao thông, sản xuất công nghiệp… đã và
đang đe doạ sức khoẻ và cuộc sống của cư dân toàn cầu.
Hiện trạng ô nhiễm môi trường của các nước trên thế giới nói chung và Việt
Nam nói riêng là hệ quả của q trình phát triển nóng trong q trình cơng nghiệp
hố và hiện đại hố. Sự phát triển nhanh chóng của các ngành cơng nghiệp và dịch
vụ, sinh hoạt và tập trung dân cư nhanh chóng là những nguyên nhân gây nên hiện
trạng quá tải môi trường, nhất là ô nhiễm nước. Trong thành phần các chất được
thải vào nguồn nước thì nitơ và photpho trong trường hợp có tải lượng cao sẽ gây ra
sự phát triển quá mức của tảo. Hiện tượng bùng nổ tảo trong nước gây ra tình trạng

mất mỹ quan, mùi hơi làm ảnh hưởng đến sức khỏe của con người cũng như đời
sống của các sinh vật nước và kết quả tất yếu là dẫn đến các thiệt hại về kinh tế.
Bên cạnh đó, khi tảo phát triển quá mức sẽ gây ra các nguy cơ tắc nghẽn đường ống
dẫn nước và các thiết bị lọc tại nhà máy xử lý nước làm ảnh hưởng đến mùi vị nước
đầu ra. Một số nghiên cứu gần đây cịn cho thấy rằng một số lồi vi khuẩn như
E.coli, enterococci, Campylobacter, Salmonella cư trú và phát triển trong tảo [50].
Do đó, hiện tượng bùng nổ tảo trong mơi trường nước đang gây ra các rủi ro tìm ẩn
cho sức khỏe cộng đồng. Nhiều nước trên thế giới đã và đang nghiên cứu các
nguyên nhân gây ra hiện tượng phát triển vượt mức của tảo trong nước cũng như
nghiên cứu ứng dụng các biện pháp thân thiện với mơi trường để kiểm sốt hiện
tượng này.

Luận văn thạc sĩ


2

Các tiến bộ gần đây trong lĩnh vực xử lý nước bằng phương pháp hóa học đã
phát triển các quá trình oxy hóa nâng cao (Advanced Oxidation Processes – AOPs).
Các quá trình AOPs chủ yếu dựa trên các phản ứng tạo thành gốc tự do hydroxyl
*

OH có thế oxy hóa rất cao (2,8 V – chỉ đứng sau flo), có hoạt tính cao gấp hàng tỉ

lần so với ozon. Các q trình AOPs là một cơng cụ mạnh mẽ và hiệu quả cho việc
xử lý các chất hữu cơ khó phân hủy sinh học trong nước. Tuy nhiên, các biện pháp
oxy hóa bậc cao thay thế như việc sử dụng ozone và hydrogen peroxide vẫn bộc lộ
nhiều hạn chế. Quá trình ozone hóa có nhược điểm là có thời gian tồn dư ngắn và có
thể dẫn đến việc hình thành DBPs như bromate. Hydrogen peroxide có nhược điểm
là chất khử trùng yếu hơn so với chlorine hay ozone, ngoài ra việc sử dụng

hydrogen peroxide cịn tạo ra mùi vị khó chịu cho nguồn nước. Do đó, việc tìm
kiếm chất khử trùng có hiệu quả cao đồng thời thân thiện với mơi trường là một vấn
đề đáng quan tâm. Q trình quang xúc tác được xem là một trong những biện pháp
oxy hóa bậc cao có nhiều ưu điểm vượt trội so với các biện pháp kể trên. Hoạt tính
oxy hóa mạnh của các gốc oxygen hoạt động (Reactive oxygen species) như •OH,
O2- và hydrogen peroxide (H2O2) được tạo ra từ bề mặt của TiO2 khi được chiếu
sáng có khả năng tiêu diệt khơng những các vi sinh vật mà cịn có khả năng loại trừ
các hợp chất hữu cơ ơ nhiễm có trong nguồn nước mà khơng làm phát sinh các sản
phẩm trung gian độc hại đối với con người và sinh quyển.
Ở nước ta, các nghiên cứu về quá trình quang hóa xúc tác để xử lý tảo bùng
nổ trong nước hầu như chưa được quan tâm mặc dù Việt Nam nằm trong vùng nhiệt
đới cận xích đạo với thời lượng chiếu sáng hàng năm của mặt trời rất cao (khoảng
hơn 2 lần so với Nhật, Hàn Quốc, một số nước thuộc EU, Mỹ và một số nước khác)
nên tiềm năng ứng dụng vật liệu xúc tác quang TiO2 ở nước ta là rất lớn. Hơn nữa
chưa có cơng trình nghiên cứu nào trong nước nghiên cứu điều chế TiO2 ở dạng solgel phủ lên hạt bẹt silica để làm chất xúc tác quang. Vì vậy, với định hướng nâng
cao tính khả thi cho việc triển khai q trình quang hóa xúc tác trong xử lý tảo trong
nước, luận văn này được thực hiện với mục tiêu là “Nghiên cứu chế tạo lớp phim
mỏng TiO2 được phủ trên hạt bẹt silica và ứng dụng xử lý tảo trong nước”.

Luận văn thạc sĩ


3

1.2. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU
− Khảo sát loài tảo ưu thế của địa điểm nghiên cứu (hồ hoàn thiện của xí
nghiệp xử lý nước thải Bình Hưng Hịa) theo hai mùa mưa và nắng;
− Nghiên cứu phân lập và nhân giống loài tảo ưu thế của hồ theo hai mùa mưa
và nắng;
− Nghiên cứu điều chế các dung dịch sol-gel TiO2-SiO2;

− Nghiên cứu điều chế hợp chất TiO2-SiO2 dạng bột từ sol-gel;
− Nghiên cứu phủ dung dịch sol-gel TiO2-SiO2 thành lớp phim mỏng lên các
hạt bẹt silica;
− Trên cơ sở vật liệu TiO2-SiO2 dạng bột và các hạt bẹt silica được phủ lớp
phim mỏng chứa TiO2-SiO2 thu được tiến hành nghiên cứu ứng dụng xử lý
loài tảo ưu thế của hồ sau khi được nhân giống và quần thể tảo trong nước hồ
tự nhiên nhờ quá trình xúc tác quang dưới điều kiện chiếu sáng bằng đèn
UV-A và ánh sáng mặt trời tự nhiên.
1.3. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU
1.3.1. Đối tượng nghiên cứu:
Đối tượng nghiên cứu của luận văn bao gồm:
− Các lồi tảo có nguồn gốc ở hồ hồn thiện của Xí nghiệp xử lý nước thải
Bình Hưng Hòa TPHCM;
− Nghiên cứu điều chế các dung dịch nhũ tương TiO2-SiO2 có tỉ lệ 90:10;
− Nghiên cứu điều chế bột TiO2-SiO2 từ các dung dịch nhũ tương TiO2-SiO2
(90:10);
− Nghiên cứu quá trình phủ lớp phim mỏng chứa TiO2-SiO2 trên hạt bẹt silica,
và đặc tính của lớp phim mỏng;

Luận văn thạc sĩ


4

− Nghiên cứu hiệu quả của quá trình xử lý tảo trong nước bằng các sản phẩm
chế tạo được, bao gồm:
•

Q trình xử lý tảo trong nước dưới điều kiện chiếu sáng nhân tạo.

•

Q trình xử lý tảo trong nước dưới điều kiện ánh sáng mặt trời tự
nhiên.

1.3.2. Phạm vi nghiên cứu:
− Đối với q trình khảo sát các lồi tảo có nguồn gốc ở hồ hồn thiện của Xí
nghiệp xử lý nước thải Bình Hưng Hịa TPHCM, các thơng số thuộc phạm vi
nghiên cứu bao gồm:

−

•

Thành phần định lượng và định tính các lồi tảo

•

Lồi tảo ưu thế theo hai mùa mưa và nắng

•

Điều kiện mơi trường để phân lập và nhân giống lồi ưu thế

Đối với quy trình điều chế dung dịch nhũ tương chứa thành phần chính TiO2SiO2 các thơng số thuộc phạm vi nghiên cứu:

−

•

Tỷ lệ các thành phần (chất) tham gia phản ứng điều chế

•

Nhiệt độ và áp suất trong q trình ủ sản phẩm

•

Nhiệt độ trong quá trình nung sản phẩm

Đối với quá trình phủ lớp phim mỏng TiO2-SiO2 trên hạt bẹt silica có các
thơng số thuộc phạm vi nghiên cứu:

−

•

Định mức sol-gel sử dụng/khối lượng hạt

•

Khả năng bám dính

Đối với q trình xử lý tảo trong nước sử dụng hạt bẹt silica phủ lớp phim
mỏng TiO2-SiO2, phạm vi nghiên cứu và đánh giá:

Luận văn thạc sĩ


5

•

Hiệu quả xử lý theo thời gian đối với mẫu tảo được nhân giống ở
phịng thí nghiệm và mẫu thu được ở hiện trường;

•

Nguồn ánh sáng

1.4. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
1.4.1. Phương pháp hồi cứu:
Trong quá trình thực hiện đề tài, chúng tôi đã tiến hành thu thập, sưu tầm các
thông tin, tài liệu, số liệu về đối tượng nghiên cứu trên tất cả các nguồn như: sách
báo, giáo trình, tạp chí, internet… Những tài liệu, số liệu này sẽ được lựa chọn,
phân tích, tổng hợp làm cơ sở cho việc định hướng và thực hiện nghiên cứu.
1.4.2. Các phương pháp thí nghiệm và phân tích:
Các phương pháp thí nghiệm được áp dụng bao gồm:
− Phương pháp khảo sát tảo:
•

Phương pháp thu mẫu ngồi thực địa

•

Phương pháp nghiên cứu trong phịng thí nghiệm: phân tích định
lượng và định tính

•

Phương pháp phân lập và nhân giống tảo

•

Phương pháp chiết xuất chlorophyll-a và sử dụng phương pháp quang
phổ hấp phụ vùng tử ngoại và khả kiến để quan sát sự biến thiên của
độ hấp thu của dung dịch tảo sau khi trích ly chlorophyll-a

− Phương pháp điều chế dung dịch nhũ tương TiO2-SiO2
− Phương pháp phủ lớp phim mỏng TiO2-SiO2 trên hạt bẹt silica (phun,
nhúng…)

Luận văn thạc sĩ


6

1.4.3. Phương pháp nghiên cứu mơ hình:
Sử dụng các mơ hình tĩnh ở quy mơ phịng thí nghiệm (lab-scale) để nghiên
cứu hiệu quả xử lý tảo trong nước thông qua quá trình xúc tác quang bằng hạt bẹt
silica phủ lớp phim mỏng TiO2-SiO2.
1.4.4. Phương pháp xử lý số liệu:
Sử dụng các phương pháp thống kê toán học xử lý số liệu nghiên cứu để thu
được kết quả có độ tin cậy cao, đúng, đủ và phù hợp với mục đích nghiên cứu.

1.5. TÍNH MỚI, Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA NGHIÊN
CỨU
1.5.1 Tính mới của đề tài
− Hiện nay, tại Việt Nam, các cơng trình nghiên cứu về TiO2 chỉ ở giai đoạn
bước đầu, còn rất hạn chế về số lượng và khả năng áp dụng vào thực tế.

Chính vì vậy, việc lựa chọn hướng nghiên cứu của đề tài là mới và cần thiết.
− Đề tài nghiên cứu chế tạo hạt bẹt silica được phủ lớp phim mỏng TiO2-SiO2,
loại vật liệu này có hoạt tính cao hơn so với dạng TiO2 đơn lẻ và hứa hẹn
đem lại hiệu quả cao trong các ứng dụng thực tế. Trên thực tế, tảo phát triển
thường nổi trên mặt nước hoặc lơ lửng trong nước nên việc chế tạo ra vật liệu
phủ trên các hạt có khả năng nổi trên mặt nước hoặc nửa nổi nửa chìm trong
nước sẽ mang tính khả thi cao trong việc xử lý tảo hơn so với việc sử dụng
vật liệu xúc tác quang dạng bột do bột có nguy cơ bị các động vật nước nuốt
phải hoặc che chắn làm giảm khả năng hấp thụ ánh sáng.
− Trong cơng trình nghiên cứu, chúng tơi lần đầu tiên ứng dụng quá trình
quang xúc tác bằng hạt bẹt silica được phủ lớp phim mỏng TiO2-SiO2 để xử
lý tảo trong nước nhằm giải quyết vấn đề ô nhiễm môi trường.

Luận văn thạc sĩ


7

1.5.2. Ý nghĩa khoa học của đề tài
Các kết quả nghiên cứu của đề tài cho phép đánh giá được hiệu quả của quá
trình quang xúc tác xử lý tảo trong nước trong điều kiện chiếu tia UV-A nhân tạo và
sử dụng ánh sáng mặt trời tự nhiên. Toàn bộ kết quả của đề tài được rút ra từ những
thí nghiệm có căn cứ khoa học rõ ràng; việc tính tốn, xử lý số liệu thơng qua quy
hoạch thực nghiệm và các phương pháp thống kê toán học nên đảm bảo tính khoa
học của đề tài.
1.5.3. Ý nghĩa thực tiễn của đề tài
− Hiện nay, xu thế sử dụng các vật liệu có kích thước nano nói chung và vật
liệu TiO2 nói riêng đang ngày càng trở nên phổ biến, đam lại nhiều hiệu quả
to lớn trong ngành vật liệu, mơi trường và y tế… Chính vì vậy, việc nghiên
cứu quá trình chế tạo lớp phim mỏng TiO2-SiO2 và phủ lớp phim mỏng trên

hạt bẹt silica là hết sức cần thiết. Kết quả nghiên cứu của đề tài có thể ứng
dụng vào thực tiễn sản xuất các sản phẩm trên quy mô công nghiệp.
− Nội dung của đề tài bao gồm việc khảo sát ứng dụng hạt bẹt silica phủ lớp
phim mỏng TiO2-SiO2 để xử lý tảo trong nước giúp đánh giá được khả năng
xử lý ô nhiễm của quá trình quang xúc tác. Thơng qua đó có thể đề xuất xây
dựng các mơ hình xử lý và áp dụng vào thực tế xử lý tảo cho một số nguồn
nước bị ô nhiễm cụ thể.

Luận văn thạc sĩ


8

CHƯƠNG 2

TỔNG QUAN
2.1. CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ QUÁ TRÌNH QUANG HÓA XÚC TÁC

TRÊN TiO2 VÀ ỨNG DỤNG CỦA TiO2
2.1.1. Giới thiệu về quá trình xúc tác quang [21, 27]
2.1.1.1. Giới thiệu chung
Quá trình xúc tác quang là một trong những q trình oxy hố bậc cao nhờ
tác nhân ánh sáng, trong khoảng hơn hai mươi năm trở lại đây được ứng dụng ngày
càng rộng rãi và được xem như là một q trình có tầm quan trọng trong xử lý mơi
trường. Q trình xúc tác quang tạo ra các tác nhân oxy hố và khử mạnh, trong đó
có q trình oxy hố dựa vào sự hình thành gốc *OH do tác động của bức xạ UV
lên các chất xúc tác bán dẫn. Q trình này có nhiều ưu việt, thể hiện ở:
(i)

Sự phân hủy các chất hữu cơ có thể đạt đến mức độ vơ cơ hóa hồn

(ii)

Khơng sinh ra bùn hoặc bã thải,

(iii)

Chi phí đầu tư và vận hành thấp,

(iv)

Thực hiện trong điều kiện nhiệt độ và áp suất bình thường,

(v)

Có thể sử dụng nguồn UV nhân tạo hoặc thiên nhiên,

(vi)

Chất xúc tác khơng độc, rẻ tiền.

tồn,

Luận văn thạc sĩ


9

2.1.1.2. Cơ chế của quá trình xúc tác quang [21, 27]
Theo lý thuyết vùng, cấu trúc điện tử của kim loại gồm có một vùng (hoặc

dải, băng-band) gồm những obitan phân tử liên kết được xếp đủ electron, được gọi
là vùng hoá trị (hoặc băng hoá trị - valence band VB) và một vùng gồm những
obitan phân tử phản liên kết còn trống electron, được gọi là vùng dẫn (hoặc băng
dẫn – conduction band CB). Hai vùng này được chia cách bởi một hố năng lượng
gọi là vùng cấm, đặc trưng bằng năng lượng vùng cấm Eg (bandgap energy), cũng
chính là độ chênh lệch giữa hai vùng nói trên.
Đối với các vật liệu bán dẫn, những electron của các obitan ở vùng hố trị
nếu bị một kích thích nào đó có thể vượt qua vùng cấm nhảy vào vùng dẫn, trở
thành chất dẫn điện có điều kiện. Những chất bán dẫn có Eg thấp hơn 3,5 eV đều có
thể làm chất xúc tác quang vì khi được kích thích bởi tác nhân ánh sáng, các
electron trên vùng hoá trị của chất bán dẫn sẽ nhảy lên vùng dẫn với điều kiện năng
lượng của photon phải lớn hơn Eg. Kết quả dẫn đến tại vùng dẫn có các electron e-CB
mang điện tích âm (gọi là electron quang sinh) và tại vùng hố trị có các lỗ trống
mang điện tích dương h+VB (gọi là lỗ trống quang sinh). Chính các electron quang
sinh và lỗ trống quang sinh này là nguyên nhân dẫn đến các q trình hố học xảy
ra, bao gồm oxy hoá với lỗ trống quang sinh và khử với electron quang sinh. Khả
năng khử và oxy hoá của electron quang sinh và lỗ trống quang sinh nói chung là rất
cao so với nhiều tác nhân oxy hoá và khử khác đã biết trong hoá học.
Phản ứng xúc tác quang bán dẫn có thể mơ tả ở dạng tổng qt như sau:
Chất xúc tác bán dẫn
A - + D+

A + D
hv  Eg

Các electron quang sinh và lỗ trống quang sinh có thể di chuyển ra bề mặt
của hạt xúc tác và tác dụng trực tiếp hoặc gián tiếp với các chất hấp phụ trên bề mặt.

Luận văn thạc sĩ

H 2 O – e - → H + + O2


10

Nếu chất hấp phụ trên bề mặt là chất cho electron D thì các lỗ trống quang sinh sẽ
tác dụng trực tiếp hoặc gián tiếp để tạo ra D+. Tương tự, nếu chất hấp phụ trên bề
mặt là chất nhận electron A thì electron quang sinh sẽ tác dụng trực tiếp hoặc gián
tiếp tạo ra sản phẩm khử A-.
Một số phản ứng xảy ra khi có sự tạo thành electron quang sinh và lỗ trống
quang sinh khi có mặt nước và oxy:
Photocat. + hv

→

h+ + e-

H2O + h+

→

·

2OH- + 2h+

→

.O2- + 2H+

2H+

+ e-

→

H2

.O2-

+ H+

→

HO2·

2HO2·

→

O2 + H2O2

H2O2 + .O2-

→

·

OH + H+

OH + OH- + O2

Một số chất bán dẫn là oxit kim loại đơn giản và sunfua kim loại có vùng
cấm Eg nằm dưới mức 3,5 eV, như TiO2 (Eg = 3,2 eV), WO3 (Eg = 2,8 eV), SrTiO3
(Eg = 3,2 eV), α-Fe2O3 (Eg = 3,1 eV), ZnO (Eg = 3,2 eV), ZnS (Eg = 3,6 eV), CdS
(Eg = 2,5 eV) đều có thể làm chất xúc tác quang trên lý thuyết, nhưng trên thực tế
chỉ có TiO2 là thích hợp hơn cả. Lý do là vì TiO2 có hoạt tính xúc tác cao nhất, trơ
về mặt hoá học và sinh học, bền vững, khơng bị ăn mịn dưới tác dụng của ánh sáng
và các hoá chất.

Luận văn thạc sĩ