Nghiên cứu chế tạo lớp phim mỏng tio2 phủ trên sợi thủy tinh và ứng dụng trong xử lý nước ô nhiễm phenol, vi sinh vật

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗

NGUYỄN VIỆT CƯỜNG

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO LỚP PHIM MỎNG TiO2
PHỦ TRÊN SI THUỶ TINH VÀ ỨNG DỤNG TRONG
XỬ LÝ NƯỚC Ô NHIỄM PHENOL, VI SINH VẬT

Chun ngành : Cơng nghệ Mơi trường

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HỒ CHÍ MINH, THÁNG 11-2007


CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ 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 THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH,
ngày . . . . . tháng . . . . năm . . . . .

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHIÃ VIỆT NAM

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
------------------------------

Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc
------oOo-----Tp. HCM, ngày . . . . . tháng . . . . . năm . . . . . .

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ và tên học viên:

NGUYỄN VIỆT CƯỜNG

Ngày, tháng, năm sinh :

Giới tính : Nam

02/07/1978

Nơi sinh : Đức Thọ, Hà Tĩnh

Chuyên ngành :

Công nghệ Mơi trường

Khố (Năm trúng tuyển) :

2005

1- TÊN ĐỀ TÀI: Nghiên cứu chế tạo lớp phim mỏng TiO2 phủ trên sợi thuỷ tinh

và ứng dụng trong xử lý nước ô nhiễm phenol, vi sinh vật.
2- NHIỆM VỤ LUẬN VĂN:
Đánh giá ảnh hưởng của một số yếu tố trong quá trình chế tạo đến đặc trưng cấu
trúc vật liệu xúc tác quang chứa thành phần chính TiO2
Đánh giá khả năng xử lý phenol và vi sinh vật trong nước bằng quá trình xúc tác
quang sử dụng các vật liệu xúc tác chứa thành phần chính TiO2 ở dạng bột và dạng
lớp phim mỏng phủ trên sợi thuỷ tinh trong điều kiện chiếu tia UV và ánh sáng mặt
trời tự nhiên.
3- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ :

05/02/2007

4- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ :

05/10/2007

5- HỌ VÀ TÊN 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 Luận văn Thạc sĩ này, trước hết tôi xin gửi lời cảm ơn
sâu sắc đến Tiến sĩ Nguyễn Thế Vinh, người đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ
tơi trong suốt q trình thực hiện đề tài.
Tôi xin cảm ơn các Thầy, Cô giáo, cán bộ công nhân viên Khoa Môi
trường, Khoa Công nghệ Vật liệu và Khoa Cơng nghệ Hố học - Trường
Đại học Bách Khoa Thành phố Hồ Chí Minh đã hỗ trợ và tạo điều kiện
thuận lợi cho tơi trong q trình thu thập tài liệu và triển khai thí nghiệm.
Đồng thời, cảm ơn các bạn học viên cao học và các bạn sinh viên trong
Nhóm nghiên cứu về TiO2 - Trường Đại học Bách Khoa Thành phố Hồ Chí
Minh đã tham gia phối hợp trong suốt q trình nghiên cứu đề tài.
Tơi cũng gửi lời biết ơn đến gia đình, bạn bè đã cổ vũ và động viên tôi
thực hiện tốt Luận văn Thạc sĩ này.

Xin chân thành cảm ơn!
Nguyễn Việt Cường


Mục Lục

MỤC LỤC

MỤC LỤC .................................................................................................................................. i
DANH MỤC BẢNG ..................................................................................................................v
DANH MỤC HÌNH ................................................................................................................ viii
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT.......................................................................................... xi
CHƯƠNG 1. MỞ ĐẦU ...........................................................................................................1
1.1. SỰ CẦN THIẾT THỰC HIỆN NGHIÊN CỨU....................................................... 1
1.2. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU...................................................................................... 2
1.3. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU .......................................................... 2

1.3.1. Đối tượng nghiên cứu ................................................................................................ 2
1.3.2. Phạm vi nghiên cứu ................................................................................................... 3
1.4. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU............................................................................. 4
1.4.1. Phương pháp hồi cứu................................................................................................. 4
1.4.2. Các phương pháp thí nghiệm và phân tích ................................................................ 4
1.4.3. Phương pháp nghiên cứu mơ hình.............................................................................. 4
1.4.4. Phương pháp xử lý số liệu ........................................................................................... 4
1.5. TÍNH MỚI, Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA NGHIÊN CỨU ........ 4
1.5.1. Tính mới của đề tài....................................................................................................... 4
1.5.2. Ý nghĩa khoa học của đề tài........................................................................................ 5
15.3. Ý nghĩa thực tiễn của đề tài .......................................................................................... 5
CHƯƠNG 2. TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU XÚC TÁC QUANG TiO2..............................6
2.1. GIỚI THIỆU MỘT SỐ TÍNH CHẤT CỦA TiO2 .................................................... 6
2.2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ QUÁ TRÌNH QUANG XÚC TÁC TRÊN TiO2............. 9
2.2.1. Giới thiệu về gốc tự do Hydroxyl @OH.................................................................... 9
2.2.2. Nguyên lý của quá trình quang xúc tác trên vật liệu TiO2 ................................... 11

i


Mục Lục
2.3. CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ VẬT LIỆU TiO2 ............................................ 24
2.3.1. Phương pháp sol-gel.................................................................................................. 24
2.3.2. Các phương pháp khác............................................................................................... 30
2.4. MỘT SỐ NGHIÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG CỦA VẬT LIỆU XÚC TÁC
QUANG TiO2 TRONG LĨNH VỰC MÔI TRƯỜNG ........................................... 32
2.4.1. Ứng dụng trong xử lý nước ....................................................................................... 32
2.4.2. Các ứng dụng khác .................................................................................................... 34
CHƯƠNG 3. CÁC PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM....................................................37
3.1. THÍ NGHIỆM ĐIỀU CHẾ CÁC HỢP CHẤT CHỨA THÀNH PHẦN CHÍNH

TiO2 BẰNG PHƯƠNG PHÁP SOL-GEL. ............................................................. 37
3.1.1. Hố chất thí nghiệm ................................................................................................... 37
3.1.2. Dụng cụ thí nghiệm .................................................................................................... 38
3.1.3. Quy trình thí nghiệm .................................................................................................. 39
3.2. THÍ NGHIỆM PHỦ LỚP PHIM MỎNG CHỨA THÀNH PHẦN CHÍNH TiO2
LÊN SỢI THỦY TINH ........................................................................................... 41
3.2.1. Hố chất và vật liệu thí nghiệm................................................................................. 41
3.2.2. Dụng cụ thí nghiệm .................................................................................................... 41
3.2.3. Quy trình thí nghiệm .................................................................................................. 42
3.3. THÍ NGHIỆM ĐÁNH GIÁ HOẠT TÍNH XÚC TÁC QUANG CỦA BỘT
TiO2-SiO2 ................................................................................................................ 43
3.3.1. Thí nghiệm xử lý phenol trong nước........................................................................ 43
3.3.2. Thí nghiệm xử lý E.Coli trong nước......................................................................... 47
3.4. THÍ NGHIỆM ĐÁNH GIÁ HOẠT TÍNH XÚC TÁC QUANG CỦA VẬT LIỆU
TiO2-SiO2 PHỦ TRÊN SỢI THỦY TINH.............................................................. 48
3.4.1. Thí nghiệm xử lý phenol trong nước........................................................................ 48
3.5. CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH ...................................................................... 51
3.5.1. Các phương pháp phân tích đặc tính cấu trúc của vật liệu TiO2-SiO2 .................. 51
3.5.2. Phương pháp phân tích phenol trong nước.............................................................. 57
3.5.3. Phương pháp phân tích E.Coli trong nước .............................................................. 58

ii


Mục Lục

CHƯƠNG 4. KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN ..........................................................................60
4.1. KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM VỚI CÁC MẪU VẬT LIỆU Ở DẠNG BỘT ............... 60
4.1.1. Đánh giá ảnh hưởng của quá trình điều chế đến đặc tính cấu trúc của các
vật liệu xúc tác.......................................................................................................... 62

4.1.1.1. Đánh giá ảnh hưởng của quá trình điều chế đến đặc tính
cấu trúc của vật liệu TiO2-SiO2 ..................................................... 62
4.1.1.2. Đánh giá ảnh hưởng của quá trình điều chế đến đặc tính
cấu trúc của vật liệu N-TiO2-SiO2 dạng bột.................................. 72
4.1.2. Đánh giá hoạt tính xúc tác quang của vật liệu xúc tác............................................ 84
4.1.2.1.Hoạt tính xúc tác quang của các mẫu vật liệu TiO2-SiO2 trong
điều kiện chiếu tia UV-A và ánh sáng mặt trời tự nhiên............... 84
4.1.2.2. Hoạt tính xúc tác quang của các mẫu vật liệu N-TiO2-SiO2 trong
điều kiện chiếu tia UV-A và sánh sáng mặt trời tự nhiên. ............ 93
4.2. KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM VỚI CÁC MẪU VẬT LIỆU PHỦ TRÊN
SỢI THUỶ TINH.................................................................................................. 103
4.2.1. Đánh giá đặc điểm lớp phủ TiO2 trên sợi thuỷ tinh ..............................................103
4.2.1.1. Khảo sát khối lượng lớp vật liệu xúc tác TiO2 phủ trên
sợi thuỷ tinh................................................................................. 103
4.2.1.2. Khảo sát hình ảnh và bề dày lớp vật liệu xúc tác TiO2
được phủ trên sợi thuỷ tinh ......................................................... 104
4.2.1.3. Khảo sát độ bền lớp vật liệu TiO2 phủ trên sợi thuỷ tinh............ 105
4.2.2. Đánh giá hoạt tính xúc tác quang của vật liệu xúc tác phủ trên sợi thuỷ tinh ....106
4.2.2.1. Hoạt tính xúc tác quang của vật liệu xúc tác phủ trên sợi
thuỷ tinh trong điều kiện chiếu tia UV-A. ................................... 106
4.2.2.2. Hoạt tính xúc tác quang của vật liệu xúc tác phủ trên sợi
thuỷ tinh trong điều kiện sử dụng ánh sáng mặt trời tự nhiên. ... 108
4.2.3. Đánh giá khả năng áp dụng vào thực tế .................................................................109
4.2.3.1. Chi phí chế tạo vật liệu TiO2 ....................................................... 109
4.2.3.2. Chi phí xử lý ................................................................................ 110

iii


Mục Lục

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................................................113
KẾT LUẬN................................................................................................................... 113
KIẾN NGHỊ .................................................................................................................. 114
TÀI LIỆU THAM KHẢO .......................................................................................................115
LÝ LỊCH TRÍCH NGANG ....................................................................................................125
DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ ............................................................126
PHẦN PHỤ LỤC

iv


Danh Mục Bảng

DANH MỤC BẢNG
Bảng 1.1. Một số tính chất vật lý của TiO2 dạng anatase và rutile ..........................................8
Bảng 2.1. Thế oxy hoá của một số chất oxy hoá ......................................................................9
Bảng 2.2. Hằng số tốc độ phản ứng của @OH và O3 đối với một số hợp chất hữu cơ
trong môi trường nước .........................................................................................10
Bảng 4.1. Các mẫu vật liệu xúc tác TiO2 dưới dạng bột được điều chế phục vụ cho
thí nghiệm ..............................................................................................................60
Bảng 4.2.

SBET của các mẫu vật liệu điều chế ở các nhiệt độ thủy phân nhiệt khác nhau .....62

Bảng 4.3.

Kích thước hạt các mẫu vật liệu khi thay đổi nhiệt độ thuỷ phân nhiệt ................64

Bảng 4.4.

SBET của các mẫu vật liệu khi thay đổi nhiệt độ nung ...........................................65

Bảng 4.5.

Kích thước hạt các mẫu vật liệu khi thay đổi nhiệt độ nung .................................66

Bảng 4.6.

Năng lượng vùng cấm của các mẫu vật liệu khi thay đổi nhiệt độ nung...............68

Bảng 4.7.

SBET các mẫu vật liệu TiO2-SiO2 khi thay đổi hàm lượng SiO2 ............................68

Bảng 4.8.

Kích thước hạt của các mẫu vật liệu TiO2-SiO2 khi thay đổi hàm lượng SiO2 .....70

Bảng 4.9.

Năng lượng vùng cấm của các mẫu vật liệu TiO2-SiO2 khi thay đổi hàm
lượng SiO2 ..............................................................................................................71

Bảng 4.10. SBET các mẫu vật liệu N-TiO2-SiO2 khi thay đổi nhiệt độ nung............................73
Bảng 4.11. Kích thước hạt các mẫu vật liệu N-TiO2-SiO2 khi thay đổi nhiệt độ nung ...........75
Bảng 4.12. Kích thước hạt các mẫu vật liệu TiO2 bổ sung các thành phần khác nhau ...........77
Bảng 4.13. Năng lượng vùng cấm các mẫu vật liệu N-TiO2-SiO2 khi thay đổi nhiệt độ nung........79
Bảng 4.14. Diện tích bề mặt riêng các mẫu vật liệu N-TiO2-SiO2 khi thay đổi tỷ lệ nitơ. ......80
Bảng 4.15. Kích thước hạt các mẫu vật liệu N-TiO2-SiO2 khi thay đổi tỷ lệ nitơ ...................81
Bảng 4.16. Năng lượng vùng cấm của các mẫu vật liệu N-TiO2-SiO2 khi thay đổi tỷ lệ nitơ.........83

v


Danh Mục Bảng
Bảng 4.17. Hiệu quả hấp phụ và hiệu quả xử lý phenol của các mẫu vật liệu TiO2-SiO2
trong điều kiện sử dụng nguồn sáng UV-A ...........................................................86
Bảng 4.18. Các thơng số động học của q trình quang phân huỷ phenol của các vật liệu
TiO2-SiO2 trong điều kiện chiếu tia UV-A ............................................................88
Bảng 4.19. Hiệu quả hấp phụ và hiệu quả xử lý phenol của các mẫu vật liệu TiO2-SiO2
trong điều kiện sử dụng ánh sáng mặt trời .............................................................88
Bảng 4.20. Hiệu quả hấp phụ và hiệu quả xử lý E.Coli của các mẫu vật liệu TiO2-SiO2
trong điều kiện chiếu tia UV-A..............................................................................90
Bảng 4.21. Hiệu quả hấp phụ và hiệu quả xử lý phenol của các mẫu vật liệu N-TiO2-SiO2
có nhiệt độ nung khác nhau trong điều kiện sử dụng nguồn sáng UV-A...................93
Bảng 4.22. Các thơng số động học của q trình quang phân huỷ phenol của các mẫu vật liệu
N-TiO2-SiO2 có nhiệt độ nung khác nhau trong điều kiện chiếu tia UV-A..................95
Bảng 4.23. Hiệu quả hấp phụ và hiệu quả xử lý phenol của các mẫu vật liệu N-TiO2-SiO2
có nhiệt độ nung khác nhau trong điều kiện sử dụng ánh sáng mặt trời ....................95
Bảng 4.24. Hiệu quả hấp phụ và hiệu quả xử lý phenol của các mẫu vật liệu N-TiO2-SiO2
với tỷ lệ nitơ khác nhau trong điều kiện sử dụng nguồn sáng UV-A.....................97
Bảng 4.25. Các thông số động học của quá trình quang phân huỷ phenol của các vật liệu
N-TiO2-SiO2 trong điều kiện chiếu tia UV-A........................................................99
Bảng 4.26. Hiệu quả hấp phụ và hiệu quả xử lý phenol của các mẫu vật liệu N-TiO2-SiO2
có tỷ lệ nitơ khác nhau trong điều kiện sử dụng ánh sáng mặt trời........................99
Bảng 4.27. Hiệu quả hấp phụ và hiệu quả xử lý E.Coli của các mẫu vật liệu N-TiO2-SiO2
có tỷ lệ nitơ khác nhau trong điều kiện chiếu tia UV-A ......................................100
Bảng 4.28. Hiệu quả hấp phụ và hiệu quả xử lý E.Coli của các mẫu vật liệu khác nhau
trong điều kiện sử dụng ánh sáng mặt trời tự nhiên.............................................102
Bảng 4.29. Xác định khối lượng vật liệu xúc tác phủ trên sợi thuỷ tinh................................103

Bảng 4.30. Tỷ lệ thất thoát khối lượng vật liệu xúc tác trên sợi thuỷ tinh sau các lần
thí nghiệm ............................................................................................................106
Bảng 4.31. Hiệu quả hấp phụ và hiệu quả xử lý phenol của các mẫu vật liệu phủ trên sợi
thuỷ tinh trong điều kiện chiếu tia UV-A. ...........................................................107
Bảng 4.32. Hiệu quả hấp phụ và hiệu quả xử lý phenol của các mẫu vật liệu phủ trên sợi
thuỷ tinh trong điều kiện sử dụng ánh sáng mặt trời............................................108

vi


Danh Mục Bảng
Bảng 4.33. Chi phí chế tạo 1 gam vật liệu xúc tác ở dạng bột.............................................109
Bảng 4.34. Chi phí chế tạo 50g sợi thuỷ tinh phủ lớp phim mỏng TiO2................................110
Bảng 4.35. Chi phí xử lý 1g phenol trong nước bằng vật liệu N-TiO2-SiO2 ....................... 110

vii


Danh Mục Hình

DANH MỤC HÌNH

Hình 2.1. Cấu trúc tinh thể pha Rutile ......................................................................................6
Hình 2.2. Cấu trúc tinh thể pha Anatase ...................................................................................7
Hình 2.3. Cấu trúc tinh thể pha Brookite ..................................................................................7
Hình 2.4. Cơ chế quá trình xúc tác quang trên vật liệu bán dẫn .............................................12
Hình 2.5. Giản đồ năng lượng obitan liên kết của TiO2 trong anatase ...................................13
Hình 2.6.

Cấu trúc TiO2 dạng rutile và anatase .....................................................................20

Hình 2.7. Sự phụ thuộc độ hồ tan vào độ cong ....................................................................27
Hình 2.8.

Hiện tượng lấn chiếm Ostwald ..............................................................................28

Hình 2.9. Sự hồ tan – ngưng tụ tại cổ tiếp xúc.....................................................................28
Hình 2.10. Các ứng dụng của TiO2 trong lĩnh vực mơi trường ...............................................32
Hình 2.11. Khả năng chống đọng sương trên tâm kính khi phủ lớp phim TiO2 ......................35
Hình 3.1.

Mơ hình hệ thống thí nghiệm điều chế vật liệu TiO2-SiO2 bằng phương pháp sol-gel 38

Hình 3.2. Quy trình thí nghiệm điều chế bột TiO2-SiO2 .............................................................39
Hình 3.3.

Biểu đồ phân bố kích thước hạt trong dung dịch sau quá trình thuỷ phân nhiệt ..........41

Hình 3.4.

Hệ thống phun dung dịch TiO2-SiO2 lên sợi thuỷ tinh ..........................................42

Hình 3.5.

Quy trình phủ TiO2-SiO2 lên sợi thuỷ tinh bằng phương pháp phun.....................42

Hình 3.6. Sơ đồ thiết bị phản ứng đánh giá hiệu quả xử lý phenol của vật liệu TiO2-SiO2
dạng bột..................................................................................................................44
Hình 3.7. Phổ ánh sáng của đèn UV-A .................................................................................44
Hình 3.8. Phổ ánh sáng của ánh sáng mặt trời tự nhiên.........................................................46

viii


Danh Mục Hình
Hình 3.9.

Mơ hình thí nghiệm xử lý phenol trong nước bằng các vật liệu xúc tác quang
phủ trên sợi thuỷ tinh .............................................................................................49

Hình 3.10.

Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của P/V(P0 - P) theo P/P0.....................................52

Hình 3.11.

Các mẫu phenol xây dựng đường chuẩn..............................................................58

Hình 4.1.

Giản đồ XRD của các mẫu vật liệu điều chế ở các nhiệt độ thủy phân khác nhau .......63

Hình 4.2.

Giản đồ XRD của các mẫu vật liệu khi thay đổi nhiệt độ nung ............................65

Hình 4.3.

Phổ hấp thu UV-Vis của các mẫu vật liệu khi thay đổi nhiệt độ nung.............................67

Hình 4.4.

Giản đồ XRD các mẫu vật liệu TiO2-SiO2 khi thay đổi hàm lượng SiO2..............69

Hình 4.5.

Phổ hấp thu UV-Vis các mẫu vật liệu TiO2-SiO2 khi thay đổi hàm lượng SiO2 ..........70

Hình 4.6. Phổ hấp thu FTIR của các mẫu vật liệu .................................................................72
Hình 4.7.

Giản đồ XRD các mẫu vật liệu N-TiO2-SiO2 khi thay đổi nhiệt độ nung .............74

Hình 4.8. Giản đồ XRD các mẫu vật liệu TiO2 khi bổ sung thêm các thành phần khác nhau.......75
Hình 4.9. Ảnh chụp FE-SEM các mẫu vật liệu (a) TiO2 ; (b) TiO2-SiO2 và (c) N-TiO2-SiO2 ......76
Hình 4.10. Phổ hấp thu UV-Vis các mẫu vật liệu N-TiO2-SiO2 khi thay đổi nhiệt độ nung..........77
Hình 4.11. Phổ hấp thu UV-Vis của các mẫu TiO2 có bổ sung các thành phần khác nhau............78
Hình 4.12. Giản đồ XRD các mẫu vật liệu N-TiO2-SiO2 khi thay đổi tỷ lệ nitơ.....................80
Hình 4.13. Phổ hấp thu ánh sáng UV-Vis các mẫu vật liệu N-TiO2-SiO2 khi thay đổi tỷ lệ nitơ...82
Hình 4.14. Phổ hấp thu FTIR của các mẫu vật liệu .................................................................83
Hình 4.15. Kết quả thí nghiệm đánh giá khả năng hấp phụ phenol của các mẫu vật liệu...............84
Hình 4.16. Hiệu quả xử lý phenol và E.Coli trong điều kiện chiếu tia UV-A và ánh sáng
mặt trời khi không sử dụng vật liệu xúc tác quang ................................................85
Hình 4.17. Hiệu quả xử lý phenol của các mẫu vật liệu TiO2-SiO2 có hàm lượng SiO2
khác nhau trong điều kiện chiếu tia UV-A ............................................................86
Hình 4.18. Sự biến đổi giá trị Ln(Co/Ct) theo thời gian phản ứng của các mẫu vật liệu
TiO2-SiO2 có tỷ lệ SiO2 khác nhau ........................................................................87
Hình 4.19. Hiệu quả xử lý phenol của các mẫu vật liệu TiO2-SiO2 có hàm lượng SiO2
khác nhau trong điều kiện sử dụng ánh sáng mặt trời............................................89

ix


Danh Mục Hình
Hình 4.20. Hiệu quả xử lý E.Coli của các mẫu vật liệu TiO2-SiO2 trong điều kiện chiếu
tia UV-A.................................................................................................................90
Hình 4.21. Sự hình thành khuẩn lạc trên các đĩa petri của các mẫu theo thời gian xử lý.............92
Hình 4.22. Hiệu quả xử lý phenol của các mẫu vật liệu N-TiO2-SiO2 có nhiệt độ nung
khác nhau trong điều kiện sử dụng nguồn sáng UV-A ..........................................93
Hình 4.23. Sự biến đổi giá trị Ln(Co/Ct) theo thời gian phản ứng của các mẫu vật liệu
N-TiO2-SiO2 có nhiệt độ nung khác nhau..............................................................94
Hình 4.24. Hiệu quả xử lý phenol của các mẫu vật liệu N-TiO2-SiO2 có nhiệt độ nung
khác nhau trong điều kiện sử dụng ánh sáng mặt trời............................................96
Hình 4.25. Hiệu quả xử lý phenol của các mẫu vật liệu N-TiO2-SiO2 có tỷ lệ nitơ khác
nhau trong điều kiện sử dụng nguồn sáng UV-A...................................................97
Hình 4.26. Sự biến đổi giá trị Ln(Co/Ct) theo thời gian phản ứng của các mẫu vật liệu
N-TiO2-SiO2 có tỷ lệ nitơ khác nhau .....................................................................98
Hình 4.27. Hiệu quả xử lý phenol của các mẫu vật liệu N-TiO2-SiO2 có tỷ lệ nitơ khác
nhau trong điều kiện sử dụng ánh sáng mặt trời ..................................................100
Hình 4.28. Hiệu quả xử lý E.Coli của các mẫu vật liệu N-TiO2-SiO2 có tỷ lệ nitơ khác
nhau trong điều kiện chiếu tia UV-A ...................................................................101
Hình 4.29. Hiệu quả xử lý E.Coli của các mẫu vật liệu khác nhau trong điều kiện sử dụng
ánh sáng mặt trời tự nhiên....................................................................................102
Hình 4.30. Hình ảnh bề mặt sợi thuỷ tinh trước và sau khi phủ vật liệu ................................104
Hình 4.31. Xác định bề dày lớp phủ TiO2 trên bề mặt sợi thuỷ tinh ......................................105
Hình 4.32. Hiệu quả xử lý phenol của các mẫu vật liệu phủ trên sợi thuỷ tinh trong điều
kiện chiếu tia UV-A .............................................................................................107
Hình 4.33. Hiệu quả xử lý phenol của các mẫu vật liệu phủ trên sợi thuỷ tinh trong điều
kiện sử dụng ánh sáng mặt trời ............................................................................108

x


Danh Mục Các Từ Viết Tắt

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
TPHCM

Thành phố Hồ Chí Minh

EU

(European United) Liên minh Châu Âu

E.Coli

Chủng vi sinh vật Escherichia coli

CFU/ml

(Colony Forming Unit/millilitre) Số khuẩn lạc (tương đương với số tế
bào vi khuẩn) có trong 1ml dung dịch mẫu phân tích.

TSA

(Tryptic Soy Agar) Mơi trường thạch dùng để nuôi cấy E.Coli

TSB

(Tryptic Soy Broth) Môi trường lỏng dùng để tăng sinh E.Coli

UV-A

Tia cực tím UV-A

BET

(Brunauer – Emmett – Teller) Tên gọi của phương pháp xác định diện
tích bề mặt riêng của vật liệu rắn

XRD

(X-ray diffraction) Phương pháp đo nhiễu xạ tia X để xác định thành
phần cấu trúc pha tinh thể và độ tinh thể hoá của vật liệu

UV-Vis

(Ultraviolet-Visible spectroscopy) Phương pháp xác định phổ hấp thu
ánh sáng của vật liệu trong vùng cực tím và khả kiến

IR

(Infrared spectroscopy) Phương pháp xác định cấu trúc vật liệu bằng tia
hồng ngoại

SEM

(Scanning Electron microscope) Phương pháp xác định đặc điểm bề mặt
của vật liệu bằng kính hiển vi điện tử quét

o

(Degree Celsius ) độ bách phân

o

K

(Kelvin degree) độ Kelvin

W

(Watt) Đơn vị đo công suất

eV

(Eclectron vol) Đơn vị đo điện thế

C

xi


Chương 1. Mở Đầu

CHƯƠNG 1.

MỞ ĐẦU

1.1.

SỰ CẦN THIẾT THỰC HIỆN NGHIÊN CỨU
Những nghiên cứu khoa học về vật liệu nano TiO2 với vai trò là một chất xúc

tác quang đã được bắt đầu hơn ba thập kỷ nay từ một phát minh của hai nhà khoa học
người Nhật, Fujishima và Honda vào năm 1972 trong việc phân hủy nước bằng
phương pháp điện hóa quang với chất xúc tác TiO2 [17]. Sau khi phát minh này được
cơng bố trên tạp chí khoa học danh tiếng Nature, hàng loạt những cơng trình khoa học
về việc sử dụng chất xúc tác quang trong việc phân hủy nước tạo khí hydrơ và xử lý ô
nhiễm môi trường đã được công bố.
Hiện nay những lĩnh vực nghiên cứu và ứng dụng chính của vật liệu TiO2 với
vai trị là một chất xúc tác quang có thể kể đến là: quá trình tự làm sạch, diệt khuẩn,
virus và nấm mốc, khử mùi độc hại để làm sạch khơng khí, xử lý nước nhiễm bẩn,
chống tạo sương mù trên lớp kính và tiêu diệt những tế bào ung thư [18]. Hầu hết các
lĩnh vực ứng dụng kể trên của vật liệu TiO2 hiện đã được thương mại hóa ở những
mức độ khác nhau ở Nhật, Hàn Quốc, một số nước thuộc EU, Mỹ và một số nước khác.
Việc thương mại hóa vật liệu xúc tác quang TiO2 cũng đồng nghĩa với một thực tế là
những nghiên cứu sâu và rộng rãi về việc cố định vật liệu TiO2 trên các loại chất mang
khác nhau đã được tiến hành ở những nước kể trên. Những sản phẩm ứng dụng vật
liệu nano TiO2 ở dạng lớp phim mỏng được phủ trên các chất mang đã được thương
mại hóa hiện nay là: tấm kính xây dựng tự làm sạch và chống sương mù, đèn chiếu
sáng công cộng tự làm sạch, gạch ceramic lót nền tự làm sạch, phịng kín được phủ lớp
phim mỏng TiO2 có khả năng diệt khuẩn cao, các tấm bạt bằng nhựa tự làm sạch,
v.v… Thị trường liên quan đến vật liệu xúc tác quang TiO2 chỉ ở Nhật hiện đã vượt
qua 5 tỉ đô la hàng năm. Tuy nhiên, vì hầu hết các nước thương mại hóa vật liệu xúc
tác quang TiO2 đều nằm trong vùng ôn đới với thời lượng chiếu sáng hàng năm của
mặt trời rất thấp, nên việc sử dụng những sản phẩm được phủ TiO2 phần lớn chỉ tận
dụng ánh sáng nhân tạo nhiều hơn là ánh sáng mặt trời. Đây cũng là yếu tố chính làm
cản trở sự phát triển mạnh mẽ hơn nữa việc ứng dụng vật liệu xúc tác quang TiO2 ở
những nước này.

1


Chương 1. Mở Đầu

Khác với những nước đã thương mại hóa vật liệu xúc tác quang TiO2, 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 các nước kể trên) nên tiềm năng ứng dụng vật
liệu xúc tác quang TiO2 ở nước ta là rất lớn. Tuy nhiên, do sự quan tâm và đầu tư
nghiên cứu của những nhà khoa học Việt Nam vào lĩnh vực này cịn chưa đủ lớn để có
thể đưa công nghệ ứng dụng vật liệu nano TiO2 vào thực tiễn. Phần lớn những đề tài
nghiên cứu và một số ứng dụng thực tế của vật liệu TiO2 chỉ dừng lại ở việc sử dụng
vật liệu TiO2 dạng bột được sản xuất ở nước ngồi. Đây chính là một trong những
nguyên nhân chính làm hạn chế việc thương mại hóa cơng nghệ ứng dụng vật liệu
nano TiO2 ở Việt Nam do quá trình tái sử dụng vật liệu là một thách thức lớn.
Chính từ những thực tế đó, với mong muốn nghiên cứu chế tạo ra các sản phẩm
TiO2 khác nhau và điều khiển quá trình điều chế để có thể thu được những vật liệu có
hoạt tính xúc tác quang cao. Đồng thời, hướng tới việc cố định vật liệu xúc tác quang
trên các giá thể nhằm tiết kiện chi phí xử lý, tơi đã mạnh dạn lựa chọn đề tài nghiên
cứu “Chế tạo lớp phim mỏng TiO2 phủ trên sợi thuỷ tinh và ứng dụng trong xử lý
nước ô nhiễm phenol, vi sinh vật”
1.2.

MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU
Đánh giá ảnh hưởng của một số yếu tố trong quá trình chế tạo vật liệu xúc
tác quang chứa thành phần chính TiO2
Đánh giá khả năng xử lý phenol và vi sinh vật trong nước nhờ quá trình xúc
tác quang sử dụng các vật liệu xúc tác chứa thành phần chính TiO2 ở dạng
bột và dạng lớp phim mỏng phủ trên sợi thuỷ tinh trong điều kiện chiếu tia
UV 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:
Nghiên cứu quy trình điều chế các dung dịch nhũ tương chứa thành phần
chính TiO2.
Nghiên cứu các đặc trưng cấu trúc của các vật liệu chứa thành phần chính
TiO2 được điều chế ở dạng bột.

2


Chương 1. Mở Đầu

Nghiên cứu quá trình phủ lớp phim mỏng chứa thành phần chính TiO2 trên
sợi thuỷ tinh, và đặc tính của lớp phim mỏng
Nghiên cứu hoạt tính xúc tác quang của các vật liệu chứa thành phần chính
TiO2 được điều chế ở dạng bột và dạng lớp phim mỏng phủ trên sợi thuỷ
tinh trên thí nghiệm xử lý phenol, E.Coli trong điều kiện chiếu tia UV-A và
sử dụng ánh sáng mặt trời tự nhiên.
1.3.2. Phạm vi nghiên cứu
Đối với quy trình điều chế dung dịch nhũ tương chứa thành phần chính TiO2
các thơng số thuộc phạm vi nghiên cứu:
Nhiệt độ (và áp suất) trong quá trình (ủ) nhiệt thủy phân sản phẩm
Nhiệt độ trong quá trình nung sản phẩm
Đối với nghiên cứu các đặc trưng cấu trúc của vật liệu chứa thành phần
chính TiO2 ở dạng bột, các thơng số thuộc phạm vi nghiên cứu bao gồm:

Diện tích bề mặt riêng
Độ tinh thể hố và kích thước hạt tính từ phương pháp nhiễu xạ tia X
(XRD)
Phổ hấp thu ánh sáng tử ngoại – khả kiến (UV-Vis) và mức năng
lượng miền cấm
Phổ hấp thu hồng ngoại (FTIR)
Hình thái bề mặt
Đối với quá trình phủ lớp phim mỏng chứa thành phần chính TiO2 trên sợi
thuỷ tinh có các thơng số thuộc phạm vi nghiên cứu:
Khả năng bám dính
Hình thái bề mặt
Độ tổn thất về khối lượng
Đối với quá trình xử lý phenol và E.Coli trong nước sử dụng vật liệu xúc tác
ở dạng bột và sạng sợi thuỷ tinh phủ lớp phim mỏng TiO2, phạm vi nghiên
cứu và đánh giá:
Hiệu quả xử lý theo thời gian
Nguồn chiếu sáng
3


Chương 1. Mở Đầu

1.4.

PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

1.4.1. Phương pháp hồi cứu
Trong q trình thực hiện đề tài, chúng tơi sẽ 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 điều chế dung dịch nhũ tương chứa thành phần chính TiO2
Phương pháp phủ lớp phim mỏng chứa thành phần chính TiO2 trên sợi
thuỷ tinh.
Các phương pháp phân tích được sử dụng bao gồm:
Các phương pháp phân tích tính chất hoá lý của lớp phim mỏng TiO2 và
TiO2-SiO2 trên sợi thuỷ tinh: Diện tích bề mặt riêng, độ tinh thể hố, phổ
hấp thu UV-Vis, phổ hấp thu IR, hình thái bề mặt.
Các phương pháp phân tích chỉ tiêu phenol và E.Coli trong nước.
1.4.3. Phương pháp nghiên cứu mơ hình
Thiết kế, chế tạo và ứng dụng các mơ hình ở quy mơ phịng thí nghiệm (labscale) để nghiên cứu hiệu quả xử lý phenol và E.Coli trong nước thông qua quá trình
xúc tác quang bằng vật liệu xúc tác dạng bột và dạng phủ trên sợi thuỷ tinh.
1.4.4. Phương pháp xử lý số liệu
Sử dụng các phương pháp quy hoạch thực nghiệm để phân tích và tối ưu hố
q trình thí nghiệm. Đồng thời sử dụng các phương pháp thống kê tốn học để xử lý
số liệu 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.
4


Chương 1. Mở Đầu

Đề tài nghiên cứu chế tạo các vật liệu TiO2-SiO2, N-TiO2-SiO2 chưa được thực

hiện tại Việt Nam. 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.
Trong cơng trình nghiên cứu này, chúng tôi lần đầu tiên ứng dụng quá trình
quang xúc tác bằng sợi thuỷ tinh được phủ lớp phim mỏng trên cơ sở vật liệu TiO2 để
xử lý nước bị ô nhiễm phenol và E.Coli nhằm giải quyết vấn đề ô nhiễm môi trường.
1.5.2. Ý nghĩa khoa học của đề tài
Đánh giá được ảnh hưởng của các yếu tố trong q trình điều chế đến đặc tính
cấu trúc và hoạt tính xúc tác quang của vật liệu TiO2, từ đó giúp xác định những điều
kiện tối ưu để nâng cao chất lượng của vật liệu.
Đánh giá được hiệu quả của quá trình quang xúc tác xử lý phenol và E.Coli của
các mẫu vật liệu trong điều kiện chiếu tia UV-A và sử dụng ánh sáng mặt trời tự nhiên.
Đồng thời, xác định được động học của các quá trình quang xúc tác này.
15.3. 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, đem lại nhiều hiệu quả to lớn trong
ngành khoa học vật liệu, mơi trường và y tế… Chính vì vậy, việc nghiên cứu, tối ưu
quá trình điều chế các vật liệu chứa thành phần chính TiO2 là hết sức cần thiết. Đặc
biệt đối với Việt Nam là một nước có trữ lượng titan sa khoáng khá lớn nhưng hiện
nay chủ yếu được khai thác và xuất khẩu dưới dạng thô, gây lãng phí nguồn tài ngun
thiên nhiên. Vì vậy, kết quả nghiên cứu của đề tài có thể đóng góp một phần nhỏ vào
quá trình triển khai 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 sợi thuỷ tinh phủ lớp phim
mỏng chứa thành phần chính TiO2 để xử lý phenol và vi sinh vật trong nước. Với kết
quả nghiên cứu được của luận văn có thể làm cơ sở cho việc triển khai các mơ hình xử
lý vào thực tế cho một số nguồn nước ô nhiễm cụ thể.

5

Chương 2. Tổng Quan Về Vật Liệu Xúc Tác Quang TiO2

CHƯƠNG 2.

TỔNG QUAN
VỀ VẬT LIỆU XÚC TÁC QUANG TiO2

2.1.

GIỚI THIỆU MỘT SỐ TÍNH CHẤT CỦA TiO2 [19, 20]

Hợp chất TiO2 ngày càng đóng vai trị quan trọng trong đời sống và sản xuất.
Nó được sử dụng trong rất nhiều lĩnh vực khác nhau, từ việc tạo màu trong sơn, mỹ
phẩm cho đến ngành thực phẩm. Đặc biệt trong vài thập kỷ gần đây người ta nghiên
cứu mạnh mẽ về khả năng xúc tác quang của TiO2 ứng dụng trong lĩnh vực xử lý môi
trường.
TiO2 là chất bán dẫn tồn tại ở 3 dạng cơ bản sau: Rutile, Anatase và Brookite.

Rutile: là trạng thái tinh thể bền của TiO2, pha rutile có mức năng lượng miền
cấm là 3,02 eV. Rutile là pha có độ xếp chặt cao nhất so với 2 pha cịn lại, khối lượng
riêng 4,2 g/cm3. Rutile có kiểu mạng Bravais tứ phương với các hình bát diện xếp tiếp
xúc nhau ở các đỉnh Hình 2.1).

Hình 2.1. Cấu trúc tinh thể pha Rutile.

Anatase: là pha có hoạt tính quang hố mạnh nhất trong 3 pha. Anatase có
năng lượng miền cấm là 3,23 eV và khối lượng riêng 3,9 g/cm3. Anatase cũng có kiểu
6

Chương 2. Tổng Quan Về Vật Liệu Xúc Tác Quang TiO2

mạng Bravais tứ phương như rutile nhưng các hình bát diện xếp tiếp xúc cạnh với
nhau và trục c của tinh thể bị kéo dài (Hình 2.2).
TiO2 dạng anatase có thể chuyển hoá thành TiO2 dạng rutile ở các điều kiện
nhiệt độ phản ứng thích hợp. Theo các nghiên cứu của Levin và McMurdie [4], có thể
chuyển TiO2 dạng anatase sang dạng rutile trong khoảng nhiệt độ từ 400-1000oC; tuỳ
thuộc vào điều kiện và thiết bị phản ứng.

Hình 2.2. Cấu trúc tinh thể pha Anatase.

Brookite: có hoạt tính quang hố rất yếu. Brookite có mức năng lượng miền
cấm là 3,4 eV, khối lượng riêng 4,1 g/cm3 (Hình 2.3).

Hình 2.3. Cấu trúc tinh thể pha Brookite.
Trong thực tế, pha tinh thể brookite của TiO2 rất ít gặp nền thường ít được đề
cập trong các nghiên cứu và ứng dụng.

7


Chương 2. Tổng Quan Về Vật Liệu Xúc Tác Quang TiO2

Bảng 1.1. Một số tính chất vật lý của TiO2 dạng anatase và rutile
TT

Tính chất vật lý

Anatase

Rutile

Tứ phương

Tứ phương

1

Cấu trúc tinh thể

2

Nhiệt độ nóng chảy (0C)

1800

1850

3

Khối lượng riêng (g/cm3)

3.84

4.20

4

Độ cứng Mohs

5.5-6.0

6.0-7.0

5

Chỉ số khúc xạ

2.54

2.75

6

Hằng số điện môi

31

114

7

Nhiệt dung riêng (cal/mol.0C)

12.96

13.2

8

Mức năng lượng vùng cấm (eV)

3.25

3.05

TiO2 ở dạng có kích thước micromet rất bền về hố học, khơng tan trong các
acid. Tuy nhiên, khi đưa TiO2 về dạng kích thước nanomet, TiO2 có thể tham gia một
số phản ứng với axit và kiềm mạnh.
Các dạng oxit, hydroxit và các hợp chất của Ti(IV) đều có tính lưỡng tính.
TiO2 có một số tính chất ưu việt thích hợp dùng làm chất xúc tác quang:
• Hấp thụ ánh sáng trong vùng tử ngoại, cho ánh sáng trong vùng hồng
ngoại và khả kiến truyền qua.
• Là vật liệu có độ xốp cao vì vậy tăng cường khả năng xúc tác bề mặt.
• Ái lực bề mặt TiO2 đối với các phân tử rất cao do đó dễ dàng phủ lớp
TiO2 lên các loại đế với độ bám dính rất tốt.
• Giá thành thấp, dễ sản xuất với số lượng lớn, trơ hố học, khơng độc,
thân thiện với mơi trường và có khả năng tương hợp sinh học cao.
Gần đây các nhà khoa học phát hiện thêm một tính chất tuyệt vời của TiO2 là bề
mặt TiO2 sẽ trở nên siêu thấm ướt khi được chiếu sáng UV. Như vậy khi có ánh sáng
tác động TiO2 thể hiện đồng thời 2 tính chất nhưng chúng có bản chất khác nhau: tính
siêu thấm ướt và khả năng xúc tác quang. Hai tính chất này được áp dụng rộng rãi
trong ngành sản xuất kính tạo ra sản phẩm vừa có khả năng tự làm sạch vừa có khả
năng chống mờ, chống tạo sương.
8


Chương 2. Tổng Quan Về Vật Liệu Xúc Tác Quang TiO2

2.2.

CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ QUÁ TRÌNH QUANG XÚC TÁC TRÊN TiO2

2.2.1. Giới thiệu về gốc tự do Hydroxyl @OH
Hiện nay, trong công nghệ xử lý môi trường, người ta ứng dụng ngày càng
nhiều các q trình oxy hố nâng cao (Advanced Oxidation Processes - AOP); bản
chất của quá trình là tạo ra các gốc tự do @OH để oxy hố các chất hữu cơ trong mơi
trường nước. Gốc tự do @OH là một tác nhân oxy hoá rất mạnh, khơng chọn lọc và có
khả năng oxy hố nhanh chóng hầu hết các chất hữu cơ. Thế oxy hoá của gốc tự do

@OH được so sánh với thế oxy hoá của các chất oxy hoá truyền thống thường sử dụng
trong lĩnh vực môi trường tại bảng 2.1.
Bảng 2.1. Thế oxy hoá của một số chất oxy hoá [21, 22, 23]
Chất oxy hoá

Thế oxy hoá (V)

Iod

0,54

Brom

1,09

Clo

1,36

Hypoiodic axit

1,45

Hypocloric axit

1,49

Clo dioxyt

1,57

Permanganat

1,68

Gốc tự do pehydroxyl HO2.

1,70

Hydro peroxyt

1,78

Ozon

2,07

Oxy nguyên tử

2,42

Gốc tự do .OH

2,80

Lỗ trống mang điện tích dương trên TiO2 (h+)

3,20

Qua bảng 2.1 cho thấy gốc tự do @OH có thế oxy hố rất cao. Hơn thế nữa, gốc
tự do @OH có khả năng phản ứng với các chất hữu cơ với tốc độ nhanh hơn từ hàng
triệu tới hàng chục tỷ lần so với các chất oxy hoá vẫn được coi là mạnh nhất trong
công nghệ xử lý nước như Ozon (Bảng 2.2).

9


Chương 2. Tổng Quan Về Vật Liệu Xúc Tác Quang TiO2

Bảng 2.2. Hằng số tốc độ phản ứng của @OH và O3 đối với một số hợp chất hữu cơ
trong môi trường nước [24]
Hằng số tốc độ phản ứng, M-1s-1

Hợp chất hữu cơ

.

O3

OH

103-104

109-1011

10-1,6x103

109-1010

103

109-1010

Hợp chất chứa N

10-102

108-1010

Hợp chất chứa nhân thơm

1-102

108-1010

1

109-1010

Alcohol

10-2-1

108-1010

Aldehyt

10

109

Các ankan

10-2

106-109

Anken chứa clo
Chất hữu cơ chứa S
Phenol

Xeton

Do có thế oxy hoá cao nên một khi được tạo thành, gốc @OH sẽ khơi mào cho
một phản ứng dây chuyền. Dạng phản ứng phổ biến của @OH với chất hữu cơ là sự
tách nguyên tử hydro để bắt đầu chuỗi phản ứng oxy hoá [24]
@

RH + @OH

→

H2 O + R

(2.1)

2 @OH

→

H2 O2

(2.2)

@

→

ROH + OH

@

→

ROO

→

ROOH + R

R + H2 O2
R + O2
@

ROO + RH

@

@

(2.3)
(2.4)

@

(2.5)

Vì vậy, với sự hiện diện của oxy, sự tấn công của gốc tự do @OH sẽ khơi mào
cho một chuỗi phản ứng oxy hố, dẫn đến sự vơ cơ hố các hợp chất hữu cơ mà con
đường chính xác của các phản ứng oxy hoá này vẫn chưa được làm sáng tỏ. Chẳng hạn,
các hợp chất hữu cơ chứa clo trước tiên sẽ bị oxy hoá mạnh thành các sản phẩm trung
gian như aldehyt và axit carboxylic và cuối cùng thành CO2, H2O và ion clo. Nitơ
trong hợp chất hữu cơ thường bị oxy hoá thành nitrat hoặc N2, lưu huỳnh bị oxy hoá
thành sulfat [24]…

10