Đánh giá khả năng xử lý hợp chất hữu cơ dễ bay hơi (VOCs) bằng vật liệu nano xúc tác quang hóa Iridium biến tính TiO2

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:4

Thêm vào BST

Báo xấu

20
lượt xem 3
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài viết Đánh giá khả năng xử lý hợp chất hữu cơ dễ bay hơi (VOCs) bằng vật liệu nano xúc tác quang hóa Iridium biến tính TiO2 tổng hợp và xây dựng được quy trình tổng hợp vật liệu xúc tác quang kích thước nano mới TiO2 biến tính Iridium với các tỷ lệ Iridium lần lượt là 0,5%; 1,0% và 1,5% bằng phương pháp thủy nhiệt một giai đoạn dùng dung môi nước và không sử dụng thêm chất hoạt động bề mặt nào khác.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Đánh giá khả năng xử lý hợp chất hữu cơ dễ bay hơi (VOCs) bằng vật liệu nano xúc tác quang hóa Iridium biến tính TiO2

ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG XỬ LÝ HỢP CHẤT HỮU CƠ DỄ BAY HƠI (VOCs) BẰNG VẬT LIỆU NANO XÚC TÁC QUANG HÓA IRIDIUM BIẾN TÍNH TIO2 PGS. TS. Hồ Thị Thanh Vân 1 TÓM TẮT Nghiên cứu đã tổng hợp và xây dựng được quy trình tổng hợp vật liệu xúc tác quang kích thước nano mới TiO2 biến tính Iridium với các tỷ lệ Iridium lần lượt là 0,5%; 1,0% và 1,5% bằng phương pháp thủy nhiệt một giai đoạn dùng dung môi nước và không sử dụng thêm chất hoạt động bề mặt nào khác. Các kết quả phân tích cho thấy, vật liệu Ir-doped TiO2 có cấu trúc hình thái nano kích thước khoảng 15 - 20 nm hình giống cubic, pha anatase chiếm chủ yếu và diện tích bề mặt riêng đạt lớn hơn 150 m2/g, giá trị bandgap trong khoảng 2,4 - 2,7 eV so với undoped-TiO2 là 3,2 eV. Nghiên cứu cũng đã thiết kế hệ thống xử lý toluen/n-hexan bằng vật liệu xúc tác quang mới nano Ir-doped TiO2 ở quy mô phòng thí nghiệm và lắp đặt quy trình vận hành thử nghiệm hệ thống, từ đó tiến hành khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất phân hủy toluen và n-hexan như: tỷ lệ biến tính Ir, lưu lượng khí, nhiệt độ phản ứng, độ ẩm môi trường, độ bền xúc tác. Các kết quả này cao hơn các nghiên cứu trong và ngoài nước về khả năng xử lý n-hexan và toluen của Ir-doped TiO2 do bandgap của Ir-doped TiO2 sau khi biến tính bằng Ir giảm còn 2.4 - 2.7 eV khá thấp, ngoài ra ion của kim loại biến tính Ir ảnh hưởng lên độ hoạt hóa trong phản ứng quang của TiO2 bằng cách đóng vai trò như là “bẫy” electron hoặc lỗ và thay đổi tốc độ tái tổ hợp e-/h+ (electron/lỗ trống) từ đó tăng hiệu suất xử lý và giảm khả năng tái tổ hợp e-lỗ trống. Nghiên cứu cũng tiến hành thử nghiệm khả năng xử lý VOCs của vật liệu xúc tác quang Ir-doped TiO2 tại trạm xăng dầu và cho hiệu quả xử lý cao. Từ khóa: Vật liệu xúc tác quang, hợp chất, TiO2. Nhận bài: 15/5/2022; Sửa chữa: 27/5/2022; Duyệt đăng: 29/5/2022. 1. Giới thiệu lượng, nhất là chỉ tiêu liên quan đến các hợp chất dễ bay hơi độc hại. Ngoài ra, dựa trên những thí nghiệm Trong xăng thương mại hiện nay chứa một số hợp chất hữu cơ dễ bay hơi độc hại (chẳng hạn như n-hexan trên động vật, Tổ chức Nghiên cứu Ung thư Quốc tế đã hay toluen) có tác động bất lợi tới sức khỏe của con xếp xăng dầu vào nhóm 2B, nhóm có khả năng gây ung người. Xăng thương mại là hỗn hợp của rất nhiều hợp thư cho con người. phần với các chức năng đặc trưng được kết hợp với Đặc biệt, chỉ số octan (RON) được xem là một nhau nhằm tối ưu hóa cả chất lượng lẫn tính kinh tế thước đo quyết định chất lượng nhiên liệu. Trên thực của sản phẩm. Về cơ bản, xăng thương mại bao gồm tế, để cải thiện chỉ số octan của xăng dầu, các chất phụ xăng nền và chất phụ gia. Trong đó, xăng nền là hỗn gia “tăng cường octan” (điển hình như toluen) thường hợp phức tạp gồm các hydrocacbon có khoảng nhiệt được thêm vào hỗn hợp xăng. Thông thường, chỉ cần độ sôi từ 0 hoặc 30oC (tùy vùng khí hậu) đến không một lượng tương đối nhỏ toluen được thêm vào xăng quá 200oC từ quá trình lọc dầu. Tùy nguồn dầu sẵn có dầu sẽ làm tăng đáng kế chỉ số octan của nhiên liệu. và công nghệ của nhà máy, chúng chủ yếu bao gồm Nồng độ toluen thấp nhất con người có thể cảm nhận hydrocacbon từ C5 - C10 và đôi khi có thêm butan. Chất trong không khí là 0,64 đến 139 mg/m3 [2]. Ngưỡng phụ gia bao gồm chất chống kích nổ, chất chống oxy mùi trong nước là 0,024 - 0,17 mg/lít. Ngưỡng có thể hóa, chất chống đóng băng và chất màu [1]. Ở Việt cảm nhận được mùi vị là 0,04 đến 0,12 mg/lít [3]. Bên Nam hiện nay có hai loại xăng phổ biến trên thị trường cạnh đó, n-hexan cũng được sử dụng rộng rãi làm là xăng không chì RON 92 và RON 95. Theo Quy chuẩn dung môi, pha loãng sơn hay làm môi trường phản Quốc gia QCVN 1:2015/BKHCN về xăng, các loại xăng ứng polymer hóa [4]. Trong xăng thương mại, sự xuất lưu hành trên thị trường cần đáp ứng các chỉ tiêu chất hiện của n-hexan chủ yếu là do dư lượng n-hexan trong 1 Trường Đại học Tài nguyên và Môi trường TP. Hồ Chí Minh 84 Chuyên đề II, tháng 6 năm 2022
TRAO ĐỔI - THẢO LUẬN xăng nền từ phân đoạn naptha nhẹ trong quá trình lọc- không độc hại. Tuy nhiên, năng lượng vùng cấm tương chưng dầu [5]. Theo các kết quả thống kê, quá trình đối lớn (> 3.20 eV) và khả năng hấp phụ kém ánh sáng bay hơi của n-hexan và toluen tại các trạm cung cấp nhìn thấy là những hạn chế của vật liệu TiO2. Vì thế, xăng dầu tương đối lớn so với quá trình phát thải của việc doping nguyên tố thứ hai vào cấu trúc TiO2 được một số ngành công nghiệp có sử dụng đến n-hexan và xem như phương pháp hiệu quả để giải quyết các hạn toluen. Năm 2008, nhóm nghiên cứu của Isabel [6] đã chế trên. Kim loại Iridi (Ir) được biết như một xúc tác tiến hành nghiên cứu về khả năng bay hơi và khuyếch hiệu quả do cấu trúc điện tử và khả năng phản ứng tốt tán của n-hexan từ trạm xăng dầu La Fica ở thành từ vùng tia cực tím tới ánh sáng khả kiến. Do đó, sau phố Murcia ra các khu vực xung quanh. Kết quả cho khi doping kim loại Ir vào cấu trúc TiO2 thì band-gap thấy rằng lượng n-hexan phát thải có thể đạt giá trị lên có thể giảm hơn 25% so với band-gap của vật liệu xúc đến ~100 µg/m3 và có thể khuyếch tán ra xung quanh tác quang TiO2. Hơn nữa, trong số các kim loại thuộc trong bán kính 100 m. Nhóm nghiên cứu của Farhad nhóm Pt, Ir có một số tính chất độc đáo không được Esmaelnejad và cộng sự [7] tiến hành khảo sát nồng độ tìm thấy trong những kim loại chuyển tiếp. của các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi như benzen, toluen, 2. Phương pháp nghiên cứu ethylbenzen, xylen vào mùa hè và mùa đông tại 10 trạm 2.1. Tổng hợp vật liệu xúc tác quang nano nhiên liệu (2 trạm khí đốt tự nhiên và 8 trạm xăng dầu) và các điểm cách nhau 50, 150 và 250 nm tại Iran vào Vật liệu Ir-doped TiO2 được tổng hợp bằng phương năm 2013. Kết quả khảo sát cho thấy lượng hợp chất pháp thủy nhiệt một giai đoạn, không sử dụng thêm hữu cơ độc hại phát thải vào không khí vào mùa hè cao bất kì chất hoạt động bề mặt hay chất ổn định nào theo hơn đáng kể so với mùa đông. Điều này có thể được như quy trình được trình bày trong nghiên cứu trước giải thích do nhiệt độ cao vào mùa hè dẫn tới khả năng của tác giả At Van Nguyen và cộng sự [8]. Đầu tiên, khuyếch tán dễ dàng hơn của các hợp chất dễ bay hơi một lượng muối tương ứng với các tỉ lệ 0,5%; 1,0% và độc hại vào không khí so với mùa đông. 1,5% IrCl3.xH2O được hòa tan vào 50 ml nước cất và khuấy trên bếp từ, gia nhiệt đến 70oC trong 30 - 40 phút Những năm gần đây, việc sử dụng vật liệu xúc tác đến khi lượng muối tan hoàn toàn. Do TiCl4 dễ bị thủy quang được xem như phương pháp thay thế tiềm năng phân ngay tại nhiệt độ thường nên cần điều chỉnh pH do một số ưu điểm nhất định như có thể xử lý đồng thời thấp để hạn chế thủy phân bằng dung dịch acid HCl. hỗn hợp các chất ô nhiễm khác nhau, hiệu suất phân Cho dung dịch đã được chỉnh pH vào chậu đá làm hủy cao, dễ vận hành và bảo trì, tiết kiệm năng lượng để lạnh trong 20 phút. Sau khi đã được làm lạnh, dùng phân hủy các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi, do đó có thể micropipet nhỏ vào dung dịch 220 μL TiCl4. Mẫu dung cải thiện được chất lượng không khí. Từ tổng quan tình dịch sau đó được chuyển vào autoclave bọc teflon, vỏ hình nghiên cứu trong và ngoài nước, vật liệu xúc tác làm bằng thép không gỉ, có bề dày chịu được áp suất quang M-doped TiO2 chủ yếu được sử dụng để xử lý lớn. Phản ứng thủy nhiệt xảy ra tại nhiệt độ ToC và thời các chất khí như aceton, ethylbenzen, xylen. Ngoài ra, gian t (giờ) khảo sát, sau đó để nguội trong không khí ở hiệu quả xử lý các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi của vật nhiệt độ phòng. Sau phản ứng, huyền phù được ly tâm, liệu xúc tác quang M-doped TiO2 còn tương đối thấp lọc lấy chất rắn và rửa nhiều lần với nước cất đến khi do năng lượng vùng cấm sau khi doped không giảm pH trung hòa (khoảng 5 - 6 lần). Sau đó, kết tủa được đáng kể (Eg < 3.0 eV) so với vật liệu xúc tác quang hóa sấy ở 80oC rồi nghiền mịn để tạo mẫu xúc tác mong truyền thống TiO2 (Eg ~ 3.20 eV) và diện tích bề mặt muốn. Các mẫu sau khi tổng hợp xong được cho vào riêng tương đối thấp (< 100 m2/g) do sử dụng phương các lọ thủy tinh chứa mẫu được đánh dấu kí hiệu mẫu pháp sol-gel kết hợp với xử lý nhiệt tại nhiệt độ cao (> riêng biệt. 500oC). Hiện nay, việc tổng hợp vật liệu xúc tác quang M-doped TiO2 để xử lý các hợp chất hữu cơ, chẳng hạn 2.2. Xây dựng hệ thống xử lý khí trong phòng thí như n-hexan hoặc toluen, trong môi trường ô nhiễm nghiệm thực tế vẫn chưa hoặc có rất ít nghiên cứu. Trong nghiên cứu này, chúng tôi tiếp cận để giải quyết các vấn đề còn tồn tại đã nêu trên của vật liệu xúc tác quang TiO2 cũng như kế thừa và phát triển những kết quả đã đạt được của nhóm nghiên cứu trong thời gian qua bằng việc tổng hợp vật liệu nano cấu trúc mới Ir-doped TiO2 ứng dụng làm vật liệu xúc tác quang hiệu quả để phân hủy các hợp chất n-hexan và toluen 1 - Nắp cao su; 2 - Bông thủy tinh; 3 - Silicagel; 4 - mà chưa được nghiên cứu trước đây. Vật liệu xúc tác Than hoạt tính; 5 - Đèn cồn; 6 - Giọt mẫu; 7 - Ống thủy quang TiO2 được lựa chọn vì nó được sử dụng rộng tinh; 8 - Quạt tản nhiệt; 9 - Túi chứa khí mẫu vào; 10 rãi trong nhiều lĩnh vực do độ bền cao, giá thành rẻ và - Ống chứa xúc tác; 11 - Vật liệu xúc tác; 12 - Đèn UV; 13 - Túi chứa khí mẫu ra. Chuyên đề II, tháng 6 năm 2022 85
P1: Bơm không khí vào; P2: Bơm hút khí ra; F1: Lưu Các kết quả này cao hơn các nghiên cứu trong và lượng kế khí vào; F2: Lưu lượng kế khí đi qua vật liệu ngoài nước về khả năng xử lý n-hexan và toluen của xúc tác. Ir-doped TiO2 do bandgap của Ir-doped TiO2 sau khi 3. Kết quả và bàn luận biến tính bằng Ir giảm còn 2.4 - 2.7 eV khá thấp, ngoài ra ion của kim loại biến tính Ir ảnh hưởng lên độ hoạt Kết quả Nghiên cứu cho thấy vật liệu xúc tác quang hóa trong phản ứng quang của TiO2 bằng cách đóng kích thước nano mới TiO2 biến tính Iridium với các tỷ vai trò như là “bẫy” electron hoặc lỗ và thay đổi tốc độ lệ Iridium lần lượt là 0,5%; 1,0% và 1,5% bằng phương tái tổ hợp e-/h+ (electron/lỗ trống) từ đó tăng hiệu suất pháp thủy nhiệt một giai đoạn dùng dung môi nước và xử lý và giảm khả năng tái tổ hợp e-lỗ trống (Hình 1). không sử dụng thêm chất hoạt động bề mặt nào khác. Nghiên cứu cũng tiến hành khảo sát và tìm ra được điều kiện tổng hợp vật liệu Ir-doped TiO2 tối ưu là tại pH = 1,5, nhiệt độ 210oC trong thời gian 8 giờ. Vật liệu xúc tác được phân tích về cấu trúc, hình dạng, tính chất quang của vật liệu xúc tác quang Ir-doped TiO2 với các tỷ lệ Iridium lần lượt là 0,5%; 1,0% và 1,5%. Các kết quả phân tích cho thấy, vật liệu Ir-doped TiO2 có cấu trúc hình thái nano kích thước khoảng 15 - 20 nm hình giống cubic, pha anatase chiếm chủ yếu và diện tích bề mặt riêng đạt lớn hơn 150 m2/g, giá trị bandgap trong khoảng 2,4 - 2,7 eV so với undoped- TiO2 là 3,2 eV. Nghiên cứu cũng đã thiết kế hệ thống xử lý toluen/n-hexan bằng vật liệu xúc tác quang mới nano Ir-doped TiO2 ở quy mô phòng thí nghiệm và lắp đặt quy trình vận hành thử nghiệm hệ thống, từ đó tiến hành khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất phân hủy toluen và n-hexan như: tỷ lệ biến tính Ir, lưu lượng khí, nhiệt độ phản ứng, độ ẩm môi trường, độ bền xúc tác. Kết quả so sánh chỉ ra, vật liệu xúc tác quang Ir- doped TiO2 trong nghiên cứu này có hiệu suất xử lý ▲Hình 2. Kết quả thử nghiệm khả năng xử lý VOCs của vật liệu xúc tác quang Ir-doped TiO2 tại trạm xăng dầu với 4 chỉ toluen và n-hexan cao hơn các nghiên cứu trước đó tiêu toluen, n-hexan, benzene và IPA đặc biệt là đối với toluen đạt đến gần 98% cao hơn các nghiên cứu trước đó. Kết quả sau khi thực hiện thí nghiệm và xác định nồng độ toluen trong mẫu bằng Nghiên cứu cũng tiến hành thử nghiệm khả năng phương pháp sắc kí khí cho thấy, điều kiện tối ưu cho xử lý VOCs của vật liệu xúc tác quang Ir-doped TiO2 phản ứng phân hủy toluen là xúc tác Ir-doped TiO2 với tại trạm xăng dầu. Kết quả phân tích cho thấy, có 4 chỉ tỷ lệ 1,5% Iridium, lưu lượng khí thổi qua xúc tác là tiêu toluen, n-hexan, benzene và IPA trong mẫu thực 350 mL/phút và độ ẩm tương đối 70% cho hiệu suất tế tại trạm xăng dầu. Sau khi qua hệ thống xử lý bằng phân hủy cao đạt gần 98%; đối với phản ứng phân hủy xúc tác quang Ir-doped TiO2 thì hiệu quả xử lý toluen n-hexan là xúc tác 0,5% Ir-doped TiO2, lưu lượng khí trung bình đạt gần 80% và hiệu quả xử lý n-hexan hơn thổi qua xúc tác là 350 mL/phút cho hiệu suất phân hủy 50% cho mẫu xử lý thật, kết quả này phù hợp với kết đạt hơn 60%. quả xử lý mẫu tinh khiết toluen và n-hexan. Đối với chỉ tiêu benzene và IPA, kết quả phân tích cho thấy hiệu suất xử lý đạt trung bình khoảng 70% khi qua hệ thống xử lý xúc tác quang Ir-doped TiO2. Các mẫu khí ngoài trạm xăng sau khi qua xử lý 4 chỉ tiêu toluen, n-hexan, benzene và IPA đều đạt tiêu chuẩn QCVN 19:2009/ BTNMT (Hình 2). 4. Kết luận Nghiên cứu mang tính thực tiễn rất cao và cấp bách trong thực trạng ô nhiễm khí VOVs, ô nhiễm môi trường ngày càng nghiêm trọng. Những kết quả trên ▲Hình 1. Cơ chế đề xuất phân hủy hợp chất hữu cơ độc hại sử dụng vật liệu xúc tác quang kích thước nano Ir-doped TiO2 cho thấy, vật liệu xúc tác quang kích thước nano mới 86 Chuyên đề II, tháng 6 năm 2022
TRAO ĐỔI - THẢO LUẬN TiO2 biến tính Iridium là một xúc tác tiềm năng và có Lời cảm ơn: Nghiên cứu được hỗ trợ từ đề tài NCKH thể ứng dụng rộng rãi trong xử lý các hợp chất hữu cơ cấp Sở Khoa học công nghệ TP. Hồ Chí Minh (2019/ dễ bay hơi độc hại toluen và n-hexan nói riêng và các HÐ-QPTKHCN) và các cộng sự PGS.TS Nguyễn hợp chất VOCs nói chung. Trường Sơn, Nguyễn Thị Thanh Ngân, Châu Hùng Dũng■ TÀI LIỆU THAM KHẢO 6. Jinhan Mo, Yinping Zhang, Qiujian Xu, Jennifer Joaquin 1. Chương trình Không khí sạch Việt Nam - Thụy Sỹ, 2007. Lamson, Rongyi Zhao (2009). Photocatalytic purification of volatile organic compounds in indoor air: A literature 2. Fujishima, A., & Honda, K. (1972). Electrochemical review. Atmospheric environment, 43(14), 2229 - 2246. photolysis of water at a semiconductor electrode. nature, 238(5358), 37 - 38. 7. Wonyong Choi, Andreas Termin, and Michael R. Hoffmann (2002). The role of metal ion dopants in quantum-sized 3. Jenny Schneider, Masaya Matsuoka, Masato Takeuchi, TiO2: correlation between photoreactivity and charge Jinlong Zhang, Yu Horiuchi, Masakazu Anpo and Detlef W. carrier recombination dynamics. The Journal of Physical Bahnemann (2014). Understanding TiO2 photocatalysis: Chemistry, 98(51), 13669 - 13679. mechanisms and materials. Chemical reviews, 114(19), 9919 - 9986. 8. Van Nguyen, Tai Thien Huynh, Hau Quoc Pham, Vi Thuy Thi Phan, Son Truong Nguyen, Van Thi Thanh Ho 4. Stephen, Tiruchirappalli, Tamil Nadu (2020). Titanium (2019). Novel nanorod Ti0,7Ir0,3O2 prepared by facile dioxide versatile solid crystalline: An overview. Assorted hydrothermal process: A promising non-carbon support for Dimensional Reconfigurable Materials. Pt in PEMFCs. International Journal of Hydrogen Energy, 5. Ollis, D. F. (2000). Photocatalytic purification and remediation 44(4), 2361 - 2371. of contaminated air and water. Comptes Rendus de l'Académie des Sciences-Series IIC-Chemistry, 3(6), 405 - 411. EVALUATION OF THE ABILITY TO TREAT VOLATILE ORGANIC COMPOUNDS (VOCs) BY TIO2 DENATURED IRIDIUM PHOTOCATALYST NANOMATERIALS Assoc. Prof. Dr. Ho Thi Thanh Van Ho Chi Minh City University of Natural Resources and Environment ABSTRACT The research has synthesized and developed a process to synthesize new TiO2 denatured Iridium nanoscale photocatalyst materials with Iridium ratios of 0.5%; 1.0% and 1.5% respectively by single-stage hydrothermal method using water solvent and no other surfactants were added. The analytical results show that the Ir-doped TiO2 material has a nanomorphological structure of about 15 - 20 nm in the shape of a cubic shape, the anatase phase dominates and the specific surface area is greater than 150 m2/g with the bandgap values in the range of 2.4 - 2.7 eV compared to undoped-TiO2 of 3.2 eV. The research also designed a toluen/n-hexane treatment system with a new nano Ir-doped TiO2 photocatalyst material at a laboratory scale and set up a pilot operating procedure for the system, from which to conduct a survey of the factors affecting the decomposition efficiency of toluene and n-hexane such as: Ir denaturation rate, gas flow rate, reaction temperature, environmental humidity, and catalyst stability. These results are higher than domestic and foreign researches on the ability to treat n-hexan and toluen of Ir-doped TiO2 because the bandgap of Ir-doped TiO2 after Ir-denaturation decreases to 2.4 - 2.7 eV, which is quite low. In addition, the ion of the Ir denatured metal affects the photoreactivity of TiO2 by acting as an electron "trap" or hole and changing the rate of e-/h+ (electron/hole) recombination thereby increasing treatment efficiency and reducing the possibility of e-hole recombination. The research also tested the ability to treat VOCs of Ir-doped TiO2 photocatalysts at petrol stations and gave high treatment efficiency. Key words: Photocatalyst materials, compounds, TiO2. Chuyên đề II, tháng 6 năm 2022 87