Tóm tắt luận án Tiến sĩ Hóa học: Nghiên cứu tổng hợp, đặc trưng cấu trúc và tính chất của vật liệu Nanocomposit trên cơ sở TiO2 ứng dụng xử lý một số tác nhân ô nhiễm trong không khí

Chia sẻ: Lê Thị Hồng Nhung | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:26

Thêm vào BST

Báo xấu

72
lượt xem 4
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu của luận án là chế tạo hai loại vật liệu Nano TiO2 pha tạp nitơ phủ trên sợi nhôm oxit kim loại (N-TiO2/Al2O3) ứng dụng làm màng lọc cho máy lọc khí và nanocomposit hydroxyl apatit phủ trên TiO2 pha tạp nitơ (HA/N-TiO2) phủ trên tường để xử lý toluen, vi khuẩn và vi nấm ô nhiễm trong không khí.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Tóm tắt luận án Tiến sĩ Hóa học: Nghiên cứu tổng hợp, đặc trưng cấu trúc và tính chất của vật liệu Nanocomposit trên cơ sở TiO2 ứng dụng xử lý một số tác nhân ô nhiễm trong không khí

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ --------------------------- MÃ THỊ ANH THƯ NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP, ĐẶC TRƯNG CẤU TRÚC VÀ TÍNH CHẤT CỦA VẬT LIỆU NANOCOMPOSIT TRÊN CƠ SỞ TiO2 ỨNG DỤNG XỬ LÝ MỘT SỐ TÁC NHÂN Ô NHIỄM TRONG KHÔNG KHÍ Chuyên ngành : Hóa lý thuyết và hóa lý Mã số : 62 44 01 19 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ HÓA HỌC Hà Nội - 2017
Công trình được hoàn thành tại Học viện Khoa học và Công nghệ, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS. Nguyễn Thị Huệ Phản biện 1: … Phản biện 2: … Phản biện 3: … Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án tiến sĩ, họp tại Học viện Khoa học và Công nghệ - Viện hàn lâm khoa học và công nghệ Việt Nam vào hồi … giờ ….’, ngày…. tháng …. năm 201…. Có thể tìm hiểu luận án tại: - Thư viện Học viện Khoa học và Công nghệ - Thư viện Quốc gia Việt Nam
1 GIỚI THIỆU LUẬN ÁN 1. Tính cấp thiết của luận án Các hoạt động của giao thông vận tải, công nghiệp, làng nghề v.v. phát thải vào không khí nhiều hợp chất có độc tính cao và các vi khuẩn có hại cho sức khỏe con người. Vì vậy, xử lý ô nhiễm không khí là vấn đề cấp bách cần được quan tâm nghiên cứu giải quyết. Để xử lý các tác nhân ô nhiễm trong không khí, người ta thường sử dụng nhiều phương pháp như màng lọc, hấp phụ bằng than hoạt tính, khử trùng nhiệt động, ion hóa, ozon hóa, xúc tác quang hóa, chiếu xạ tia cực tím v.v. Trong đó, phương pháp xúc tác quang hóa với chất xúc tác là titan dioxit (TiO2) có nhiều ưu điểm nổi trội như xử lý hoàn toàn các chất độc thành cacbon dioxit, nước, và các muối, không sinh ra các chất phụ, thực hiện trong điều kiện nhiệt độ và áp suất thường, vật liệu dễ kiếm và rẻ tiền. Tuy nhiên, TiO2 có nhược điểm là độ rộng vùng cấm lớn (Eg 3,2eV), phản ứng chỉ xảy ra khi bức xạ nằm trong vùng tử ngoại, tốc độ tái kết hợp của cặp điện tử - lỗ trống cao, dẫn đến hiệu suất lượng tử quang hóa kém và hiệu quả xúc tác quang hóa thấp. Vì vậy, người ta thường pha tạp (doping) các kim loại hoặc phi kim vào cấu trúc mạng tinh thể của TiO2 để thu được chất xúc tác hoạt động trong vùng ánh sáng khả kiến. Trong số các nguyên tố pha tạp, nitơ được sử dụng nhiều hơn cả, do cách pha tạp nitơ thường đơn giản nhưng mang lại hiệu quả cao. TiO2 có khả năng oxi hóa - khử mạnh nhưng tính hấp phụ kém, trong khi đó hydroxyl apatit (HA) là chất hấp phụ rất tốt nhưng tính oxi hóa - khử yếu. Việc kết hợp hai vật liệu HA với TiO2 để tạo ra vật liệu hỗn hợp (composit HA/TiO2) vừa có khả năng quang xúc tác cao vừa có tính chất hấp phụ tốt đã được nghiên cứu. Bên cạnh đó, HA được phủ lên trên bề mặt TiO2 sẽ tạo ra một khoảng không gian giúp cho TiO2 vẫn thực hiện phản ứng xúc tác quang mà không phá
2 hủy các vật liệu khác. Đặc biệt, composit HA/TiO2 được phân tán dưới dạng huyền phù trong dung môi nước nên khi sử dụng càng mang tính thân thiện với môi trường. Tuy nhiên, do TiO2 có cấu trúc dạng hạt đặc, không có vi xốp nên việc ổn định dung dịch huyền phù không bị sa lắng theo thời gian là vấn đề rất khó khăn cần nghiên cứu. TiO2 phủ trên sợi oxit nhôm kim loại (TiO2/Al2O3) và HA phủ trên hạt nano titan dioxit (HA/TiO2) là các vật liệu rất có triển vọng để xử lý một số chất ô nhiễm như VOCs, CxHy, NOx, CO, vi khuẩn trong môi trường không khí. Hai vật liệu trên nếu được pha tạp nitơ sẽ xử lý hiệu quả tác nhân ô nhiễm không khí trong vùng ánh sáng nhìn thấy, từ đó làm tăng tính ứng dụng của vật liệu trong thực tế. Nano N-TiO2 dạng thanh có diện tích bề mặt riêng lớn hơn dạng hạt, do đó vật liệu nanocomposit HA/N-TiO2 được tổng hợp từ N-TiO2 dạng thanh cho hiệu quả xử lý cao hơn và dễ dàng ổn định trạng thái huyền phù hơn so với vật liệu tổng hợp từ N-TiO2 dạng hạt. Với những lý do trên, luận án “Nghiên cứu tổng hợp, đặc trưng cấu trúc và tính chất của vật liệu nanocomposit trên cơ sở TiO2, ứng dụng xử lý một số tác nhân ô nhiễm trong không khí” được đặt ra. Đề tài có ý nghĩa thực tiễn, góp phần giảm thiểu ô nhiễm không khí do hóa chất và vi khuẩn gây ra. 2. Mục tiêu nghiên cứu của luận án Mục tiêu của luận án là chế tạo hai loại vật liệu: Nano TiO2 pha tạp nitơ phủ trên sợi nhôm oxit kim loại (N-TiO2/Al2O3) ứng dụng làm màng lọc cho máy lọc khí và nanocomposit hydroxyl apatit phủ trên TiO2 pha tạp nitơ (HA/N-TiO2) phủ trên tường để xử lý toluen, vi khuẩn và vi nấm ô nhiễm trong không khí. 3. Các nội dung nghiên cứu chính của luận án - Nghiên cứu tổng hợp được hai vật liệu xúc tác quang TiO2 có cấu trúc nano pha tạp nitơ (N-TiO2/Al2O3 và HA/N-TiO2).
3 - Đánh giá đặc trưng cấu trúc, tính chất và thành phần của các vật liệu N-TiO2/Al2O3 và HA/N-TiO2 bằng các phương pháp XRD, SEM, ICP-MS, EDX, IR, BET. - Khảo sát đánh giá hoạt tính xúc tác của vật liệu qua xử lý khí toluen, các vi khuẩn B.cereus, S. areus, E. coli, B. cepacia và vi nấm Candida albicans. 4. Bố cục của luận án Luận án gồm 117 trang với 28 bảng, 77 hình, 117 tài liệu tham khảo và 3 phụ lục. Luận án gồm các phần như sau: mở đầu (2 trang); chương 1: Tổng quan (39 trang); chương 2: Phương pháp nghiên cứu (22 trang); chương 3: Kết quả và thảo luận (52 trang); kết luận (2 trang). CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN 1.1 Một số tác nhân ô nhiễm không khí và phương pháp xử lý 1.2 Vật liệu nano TiO2 1.3 Vật liệu nano TiO2 phủ trên sợi nhôm oxit 1.4 Vật liệu nanocomposit HA/TiO2 1.5 Đánh giá hoạt tính xúc tác quang của vật liệu CHƯƠNG 2. THỰC NGHIỆM VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 Hóa chất, dụng cụ và thiết bị 2.2 Tổng hợp các vật liệu 2.2.1 Tổng hợp vật liệu N-TiO2/Al2O3 Vật liệu N-TiO2/Al2O3 được tổng hợp bằng phương pháp sol – gel đi từ alkoxit kim loại qua 2 giai đoạn bao gồm: giai đoạn chế tạo dung dịch sol N-TiO2 và giai đoạn tạo màng nano N-TiO2 trên sợi nhôm oxit. 2.2.2 Tổng hợp vật liệu nanocomposit HA/N-TiO2
4 Vật liệu HA/N-TiO2 được tổng hợp qua hai giai đoạn bao gồm: giai đoạn chế tạo bột N-TiO2 và giai đoạn chế tạo bột HA/N-TiO2. 2.3 Đánh giá đặc trưng của vật liệu Sử dụng các phương pháp phân tích nhiệt (TGA), nhiễu xạ tia X (XRD), quang phổ hồng ngoại (IR), tán sắc năng lượng tia X (EDX), phổ Plasma ghép nối khối phổ (ICP – MS) để xác định cấu trúc, tính chất và thành phần nguyên tố của mẫu N-TiO2/Al2O3 và HA/N-TiO2. Hình thái học và diện tích bề mặt riêng của mẫu được xác định bằng phương pháp hiển vi điện tử quét (SEM) và hấp phụ đẳng nhiệt N2 (BET). Bước sóng hấp thụ tới hạn của vật liệu được xác định bằng phương pháp phổ hấp thụ (UV-Vis). 2.4 Phương pháp nghiên cứu hoạt tính xúc tác 2.4.1 Thử nghiệm vật liệu N-TiO2/Al2O3 xử lý toluen Buồng thử nghiệm có dung tích 1m3 thực hiện các thí nghiệm đánh giá hiệu quả xử lý toluen tương ứng với căn phòng thực tế nhưng ở quy mô nhỏ. Vật liệu N-TiO2/Al2O3 được làm màng lọc cho máy lọc khí, kích thước 370×100×6 mm/màng lọc, mẫu so sánh là TiO2/Al2O3 không pha tạp. Luận án đã tiến hành khảo sát ảnh hưởng của nguồn sáng, khối lượng vật liệu, nồng độ toluen ban đầu, động học của quá trình oxi hóa toluen, độ bền hoạt tính quang xúc tác và khả năng hấp phụ của vật liệu thông qua phản ứng phân hủy toluen. 2.4.2 Thử nghiệm vật liệu HA/N-TiO2 xử lý toluen Vật liệu HA/N-TiO2 được phủ lên bề mặt gạch có kích thước 40cm  40cm, sử dụng 4 tấm gạch/1 thí nghiệm/buồng 1m3. Mẫu so sánh là TiO2-P25 và HA/TiO2-P25. Các yếu tố được khảo sát là vai trò của HA trong vật liệu HA/N-TiO2, ảnh hưởng của hàm lượng HA/N-TiO2 trong dung dịch huyền phù, khối lượng vật liệu HA/N- TiO2, mật độ công suất ánh sáng, nồng độ toluen ban đầu, động học quá trình oxi hóa toluen và độ bền xúc tác của vật liệu. 2.4.3 Phương pháp phân tích nồng độ toluen
5 Nồng độ toluen được phân tích trên thiết bị sắc ký khí GC-FID Shimadzu 2010, Nhật Bản. Giới hạn định lượng của phương pháp xác định toluen là 3,33 µg/m3. 2.4.4 Thử nghiệm khả năng diệt khuẩn của vật liệu HA/N-TiO2 Vật liệu HA/N-TiO2 được phủ trên gạch kích thước 10 × 10cm. Thử nghiệm với 4 chủng khuẩn là B.cereus, S. areus, E.coli, B.cepacia và 1 chủng nấm là Candida. CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1 Vật liệu N-TiO2/Al2O3 3.1.1 Tổng hợp vật liệu N-TiO2/Al2O3 Ký hiệu các dung dịch sol và các mẫu vật liệu N-TiO2/Al2O3 tương ứng là Sa-b. Trong đó a là số mol của TTIP, b là số mol của DEA. Bảng 3.1 Thành phần các dung dịch sol N-TiO2 TT Ký hiệu Tỷ lệ thành phần các chất (mol) TTIP DEA EtOH 1 S1-1 1 1 34 2 S1-2 1 2 34 3 S2-1 2 1 34 4 S2-2 2 2 34 5 S3-1 3 1 34 6 S3-2 3 2 34 Bảng 3.2 Mẫu N-TiO2/Al2O3 khảo sát ảnh hưởng của thời gian TT Ký hiệu Thời gian Số lần Thời gian Nhiệt độ nhúng nhúng nung (giờ) nung (ºC) 1 S1-1-30’ 30 phút 1- 10 3 470 2 S1-1-60’ 60 phút 1- 10 3 470 3 S1-1-90’ 90 phút 1- 10 3 470 4 S1-1-120’ 120 phút 1- 10 3 470 5 S1-1-24h 24 giờ 1- 10 3 470
6 Bảng 3.3 Mẫu N-TiO2/Al2O3 khảo sát ảnh hưởng của nồng độ TT Ký hiệu Thời gian Số lần Thời gian Nhiệt độ nhúng (phút) nhúng nung (giờ) nung (ºC) 1 S1-2 60 5 3 470 2 S2-1 60 5 3 470 3 S2-2 60 5 3 470 4 S3-1 60 5 3 470 5 S3-2 60 5 3 470 3.1.2 Đặc trưng cấu trúc, tính chất của vật liệu N-TiO2/Al2O3 3.1.2.1 Ảnh hưởng của thời gian và số lần nhúng phủ 2000 Al(200) Al(202) 1500 A(101) A(004) A(200) A(105) 1000 A(211) Cps S 1-1-24h S 1-1-120' 500 S 1-1-90' S 1-1-60' S 1-1-30' 0 20 25 30 35 40 45 50 55 60 2 –Theta-Scale Hình 3.2 Giản đồ XRD của các mẫu N-TiO2/Al2O3 30 phút-24 giờ. Hình 3.3 Ảnh SEM của sợi Al2O3 trước khi phủ và sau khi phủ N-TiO2
7 Hình 3.2 cho thấy, tất cả các mẫu đều xuất hiện hai đỉnh phổ rất lớn Al(200) và Al(202) là của vật liệu mang. Các đỉnh nhiễu xạ xuất hiện tại các vị trí góc 2θ  25,3°(101); 37,8°(004); 48°(200), 54º(105); 55°(211) đều là pha anatas của TiO2, trong đó pic A(101) vị trí 2θ  25,3° có cường độ mạnh nhất. Các đỉnh phổ nhỏ chỉ ra rằng giản đồ của mẫu nhúng 60 phút cường độ lớn nhất, điều này chứng tỏ mẫu nhúng 60 phút có độ kết tinh cao hơn so với các mẫu còn lại. Như vậy, thời gian nhúng sợi Al2O3 trong dung dịch sol N- TiO2 tốt nhất là 60 phút. Bề mặt của sợi Al2O3 ban đầu gồ ghề giống như vảy cá. Sau 5 lần nhúng phủ - ủ nhiệt, bề mặt của sợi Al2O3 đã trở nên gần như bằng phẳng bởi lớp N-TiO2 được tạo thành và xuất hiện một số dấu hiệu chứng tỏ xảy ra sự rạn nứt của lớp N-TiO2 (hình 3.3). Như vậy, số lần nhúng phủ tốt nhất là 5 lần. 3.1.2.2 Ảnh hưởng của nồng độ dung dịch sol N-TiO2 Tinh thể N-TiO2 đều có dạng hạt ở tất cả các mẫu (hình 3.5). Kích thước hạt N-TiO2 tăng dần theo chiều tăng số mol TTIP (theo cột từ trên xuống dưới). Khi các mẫu có cùng tỷ lệ TTIP (theo hàng từ trái sang phải), mẫu có tỷ lệ DEA là 2mol có kích thước hạt đồng đều hơn so với mẫu có tỷ lệ DEA là 1mol. Nhận định này được làm sáng tỏ khi phân tích phổ XRD (hình 3.6). Cường độ đỉnh nhiễu xạ tia X của các mẫu tăng theo chiều tăng của nồng độ TTIP từ 1-3 mol. Từ bán độ rộng của đỉnh nhiễu xạ ở vị trí góc 2θ  25,3º mặt (101) mô tả trên hình 3.6A, theo công thức Scherrer tính được kích thước hạt N-TiO2 trung bình của các mẫu trong khoảng 12 - 33nm. Kích thước hạt N-TiO2 tăng nhanh (8-12nm) khi tăng số mol TTIP lên 1 đơn vị và giảm chậm (1-2nm) khi tăng DEA từ 1 mol lên 2 mol (hình 3.6B). Độ sắc nét của các đỉnh phổ cũng có sự khác nhau giữa các mẫu, đặc biệt những đỉnh phổ nhỏ như A(004) tại góc 2θ  37,8° dễ quan sát thấy trong mẫu S1-2 nhưng rất khó nhận ra ở các mẫu còn lại. Như vậy, mẫu S1-2 có độ kết tinh cao nhất.
8 S1-1 S1-2 S2-1 S2-2 S3-1 S3-2 Hình 3.5 Ảnh SEM của các mẫu N-TiO2/Al2O3 với nồng độ sol khác nhau. Kích thước hạt (nm) (A) 40 30 (B) 1 DEA S 3-2 20 2 DEA S3-1 10 S 2-2 0 S2- 1 0 1 2 3 S1-2 Nồng độ TTIP S1-1 (mol) 23 24 25 26 27 28 Cps A(004) S 3-2 S 3-1 S 2-2 S 2-1 S 1-2 S 1-1 20 25 30 35 40 45 50 55 60 2 - Theta - Scale Hình 3.6 Giản đồ XRD của các mẫu N-TiO2/Al2O3 với các nồng độ sol khác nhau.
9 Hình 3.7 Phổ UV-Vis của N-TiO2 trong vật liệu N-TiO2/Al2O3. (a) TiO2 - P25, (b) N-TiO2 mẫu S1-2 , (c) N-TiO2 mẫu S1-1. Qua phân tích ICP-MS và UV-Vis, hàm lượng TiO2 chiếm khoảng 6,1 - 6,8% khối lượng vật liệu N-TiO2/Al2O3, bờ hấp thụ ánh sáng của các mẫu N-TiO2 dịch chuyển về phía bước sóng khả kiến khoảng 40nm so với mẫu TiO2-P25 (hình 3.7). Như vậy, phản ứng xúc tác quang khi dùng vật liệu N-TiO2/Al2O3 có thể hoạt động hiệu quả với ánh sáng nhìn thấy. 3.1.3 Kết quả thử nghiệm khả năng xúc tác quang của vật liệu N- TiO2/Al2O3 3.1.3.1 Khảo sát khả năng hấp phụ của vật liệu N-TiO2/Al2O3 Nguồn sáng được sử dụng từ hai loại đèn: đèn huỳnh quang daylight công suất 10w và đèn UV365nm công suất 8w. Trong mỗi thí nghiệm, tạo khí toluen với nồng độ ban đầu C° ≈ 400μg/m3, khối lượng xúc tác mxt ≈ 10g, thời gian thử nghiệm t = 8 giờ. Kết quả thử nghiệm cho thấy các vật liệu nano TiO2/Al2O3 có pha tạp nitơ cũng như không pha tạp đều hấp phụ toluen yếu. 3.1.3.2 Ảnh hưởng của nguồn sáng Khi kích hoạt bằng đèn huỳnh quang (hình 3.8), các mẫu N- TiO2/Al2O3 cho tổng hiệu suất tương đối cao, 68% đối với mẫu S1-1 và 72% với mẫu S1-2, trong khi đó mẫu không pha tạp chỉ đạt hiệu suất rất thấp 14%. Khi chiếu sáng bằng đèn UV 365nm (hình 3.9), hiệu suất xử lý toluen đạt 85,50% với mẫu S1-1 và 86,29% với mẫu S1-2.
10 Nguồn sáng huỳnh quang Nguồn sáng UV365nm Hiệu suất xử lý toluen, (%) 80 Hiệu suất xử lý toluen, (%) S1-1 100 70 S1-2 80 60 50 Không pha tạp S1-1 60 40 S1-2 40 30 Không pha tạp 20 20 10 0 0 2 4 6 8 2 4 6 8 Thời gian, (giờ) Thời gian, (giờ) Hình 3.8 Hiệu suất xử lý toluen Hình 3.9 Hiệu suất xử lý toluen của N-TiO2/Al2O3 và nguồn sáng của N-TiO2/Al2O3 và nguồn huỳnh quang. sáng UV365nm. 3.1.3.3 Ảnh hưởng của khối lượng xúc tác quang Thử nghiệm với các lượng xúc tác N-TiO2/Al2O3 khác nhau từ 10-60g. Các điều kiện thí nghiệm: C° ≈ 400μg/m3, đèn huỳnh quang, t = 8 giờ. Kết quả chỉ ra trên hình 3.10 cho thấy khối lượng N- TiO2/Al2O3 tốt nhất là khoảng 40g đối với cả hai mẫu S1-1 và S1-2. 100 1000 Hiệu suất, (%) 100µg/m3 800 C, (µg/m ) 300ug/m3 3 S1-1 600 50 500µg/m3 S1-2 400 700µg/m3 200 0 900µg/m3 0 10 20 30 40 50 60 0 2 4 6 8 Khối lượng vật liệu, (g) Thời gian, (giờ) Hình 3.10 Hiệu suất phân hủy Hình 3.11 Mối tương quan giữa toluen của N-TiO2/Al2O3 với các C0 với khả năng xúc tác quang khối lượng khác nhau hóa của vật liệu N-TiO2/Al2O3 3.1.3.4 Ảnh hưởng của nồng độ toluen ban đầu Trong khoảng nồng độ toluen ban đầu từ 100 - 500µg/m3, khi C0 tăng thì tần số va chạm giữa các gốc tự do và phân tử toluen lớn, do đó tỷ lệ phân hủy toluen tăng (hình 3.11). Khi nồng độ
11 toluen ban đầu khoảng 700 - 900µg/m3, ánh sáng có thể bị hấp thụ bởi toluen trong khí làm giảm mật độ sáng trên bề mặt các hạt TiO2, dẫn tới việc giảm hiệu quả phân hủy toluen. 3.1.3.5 Động học quá trình oxi hóa toluen bằng vật liệu N- TiO2/Al2O3 Bảng 3.11 Hằng số tốc độ biểu 3,5 kiến (kobs) và tốc độ đầu (r0) của 3,0 3 1/r0, phút.µg/m 2,5 phản ứng phân hủy toluen bằng 2,0 N-TiO2/Al2O3 1,5 y = 269,49x + 0,1972 2 1,0 R = 0,9373 C0 kobs r0 0,5 (µg/m3) (phút-1) (µg/m3phút-1) 0,0 0 0,005 0,01 0,015 100 0,0026 2,354118 3 1/C0, µg/m 300 0,0025 1,766800 500 0,0018 0,904428 Hình 3.13 Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc 1/r0 vào 1/C0 trong 700 0,0044 1,338744 phản ứng phân hủy toluen bằng 900 0,0034 0,343808 N-TiO2/Al2O3. Hình 3.13 chỉ ra rằng, động học của phản ứng phân hủy toluen bằng xúc tác quang N-TiO2/Al2O3 tuân theo mô hình động học Langmuir-Hinshelwood. Giá trị (0,1972) chính là giá trị của k-1, và giá trị hệ số góc (269,49) là giá trị của k-1K-1L-H. Như vậy, hằng số tốc độ phản ứng là k = 5,0710 (phút-1.μg/m3) và hằng số hấp phụ là KL-H=7,32×10-4 (μg/m3). 3.1.3.5 Độ bền hoạt tính xúc tác quang của vật liệu N-TiO2/Al2O3 Kết quả khảo sát đối với mẫu thử nghiệm, sau 2 - 6 tháng sử dụng hiệu suất xử lý toluen của vật liệu N-TiO2/Al2O3 là tương đối ổn định đạt trên 80% (mẫu S1-1) và trên 90% (mẫu S1-2). Sau 12 - 24 tháng hiệu suất giảm dần xuống còn 60 - 70% và 70 - 80%, lần lượt với mẫu S1-1 và S1-2.
12 3.2 Vật liệu nanocomposit HA/N-TiO2 3.2.1 Tổng hợp vật liệu nanocomposit HA/ N-TiO2 3.2.1.1. Kết quả chế tạo bột TiO2 pha tạp nitơ Phân tích SEM và XRD cho thấy, bột TiO2 thương mại ban đầu có dạng hạt, kích thước lớn hơn 100nm, cấu trúc TiO2 đơn pha anatas. Sau quá trình thủy nhiệt và nung ở 800ºC thu được TiO2 dạng thanh kích thước cỡ 5x10nm, dài khoảng 10 - 500nm, hai pha anatas và rutil, tỷ lệ anatas/rutil khoảng 80/20. F a cu lty o f C h e m istry, H U S , VN U , D8 A DV A NC E-Bru ke r - Sa m p le B 80 0 70 0 d=3.505 60 0 50 0 Lin (Cps) 40 0 30 0 d=1.889 20 0 d=2.372 d=1.698 d=1.664 d=1.479 d=2.327 d=2.425 10 0 d=1.363 d=1.491 0 10 20 30 40 50 60 70 2-T heta - S c ale F ile : T hu M T m au B.r aw - T yp e: 2 T h/T h loc k ed - S tart: 1 0.0 00 ° - E nd : 7 0 .00 0 ° - S tep : 0.0 30 ° - S te p ti me : 0 .8 s - T em p.: 25 °C ( R o o m ) - T ime Sta rte d: 1 4 s - 2 -T h e ta : 10 .00 0 ° - T he ta: 5 .0 0 0 ° - C h i: 0.0 0 ° - 01 -0 78 -2 4 86 (C ) - An ata s e , sy n - T iO 2 - Y : 7 7.1 7 % - d x by : 1 . - W L : 1.5 40 6 - T etr ag on a l - a 3 .78 4 50 - b 3 .78 45 0 - c 9.5 14 3 0 - a lp ha 90 .00 0 - be ta 9 0.0 00 - g am m a 90 .00 0 - B o dy - c en ter ed - I41 /am d ( 14 1) - Hình 3.15 Ảnh SEM của Hình 3.16 XRD của TiO2 thương TiO2 thương mại mại 1500 A A A A R A 1000 R RA A R R 2,0 Cps 1,0 500 0,5 0,25 TiO 2 0 20 25 30 35 40 45 50 55 60 2 - Theta - Scale Hình 3.20 Ảnh SEM của Hình 3.21 XRD của TiO2 sau khi TiO2 sau thủy nhiệt và pha tạp nitơ nung ở 800ºC Các mẫu TiO2 sau khi pha tạp nitơ vẫn tồn tại cấu trúc hai pha hai pha anatas và rutil. Qua phân tích EDX và UV-Vis cho thấy rằng tỷ lệ N chiếm trên 2% khối lượng của N-TiO2, bước sóng tới hạn của các mẫu N-TiO2 khoảng 410 – 460nm, trong đó mẫu có tỷ lệ mTiO2 : mure = 1:1 hấp thụ ánh sáng vùng nhìn thấy tốt nhất.
13 3.2.1.2. Kết quả tổng hợp vật liệu HA/N-TiO2 Bảng 3.12 Các mẫu vật liệu HA/N-TiO2 khảo sát ảnh hưởng của thời gian TT Ký hiệu Thời gian ngâm bột Nồng độ Nồng độ 2+ N-TiO2 (giờ) Ca PO43- (mmol/L) (mmol/L) 1 HA/N-TiO2 1h 1 25 10 2 HA/N-TiO2 3h 3 25 10 3 HA/N-TiO2 6h 6 25 10 4 HA/N-TiO2 12h 12 25 10 5 HA/N-TiO2 24h 24 25 10 Bảng 3.13 Các mẫu vật liệu HA/N-TiO2 khảo sát ảnh hưởng của nồng độ TT Ký hiệu Thời gian ngâm Nồng độ Nồng độ 2+ bột N-TiO2 (giờ) Ca PO43- (mmol/L) (mmol/L) 1 S5 3 12,5 5 2 S7 3 17,5 7 3 S10 3 25 10 4 S15 3 37,5 15 3.2.2 Đặc trưng của vật liệu HA/N-TiO2 3.2.2.1 Ảnh hưởng của thời gian ngâm bột N-TiO2 trong dung dịch gốc Hình 3.24 là kết quả phân tích XRD của các mẫu HA/N-TiO2 ở các thời gian hình thành HA khác nhau. Các đỉnh nhiễu xạ tương ứng với các pha anatas và rutil của TiO2 xuất hiện trong tất cả các mẫu. Một đỉnh nhiễu xạ nhỏ nhưng có thể nhìn thấy rõ ràng ở 2θ  31,6o là của mặt (211) của các tinh thể HA. Đỉnh này thể hiện HA có kích thước tinh thể nhỏ. Cường độ đỉnh nhiễu xạ của HA tăng mạnh từ mẫu 1h đến mẫu 6h, sau đó các mẫu 12h và 24h cường độ hầu như không tăng.
14 2000 A A 1500 A AA R R HA RA A R R 24 h R Cps 1000 12 h 6h 500 3h 1h N - TiO 2 0 20 25 30 35 40 45 50 55 60 2 - Theta - Scale Hình 3.24 Giản đồ XRD các mẫu HA/N- TiO2 1-24 giờ. N-TiO2 HA/N-TiO2 – 1h HA/N-TiO2 – 3h HA/N-TiO2 – 6h HA/N-TiO2 – 12h HA/N-TiO2 – 24h Hình 3.25 Ảnh SEM các mẫu HA/N- TiO2 1-24 giờ.
15 Khi chưa phủ HA, mẫu bột N-TiO2 ban đầu tồn tại các khe rộng giữa các thanh. Khi được phủ HA lên bề mặt, kích thước thanh N- TiO2 ở các mẫu HA/N-TiO2 dường như không lớn hơn so với kích thước N-TiO2 của mẫu ban đầu (hình 3.25). Mẫu 1h bắt đầu xuất hiện nhiều tinh thể HA nhỏ nằm ở bên cạnh và trên bề mặt N-TiO2. Ở các mẫu 3h và 6h ta nhìn thấy bề mặt mẫu trở nên bông mịn, HA phủ lên bề mặt N-TiO2 rất đồng đều. Tuy nhiên, mẫu 6h bắt đầu xuất hiện sự kết khối giữa các thanh N-TiO2 lại với nhau qua tinh thể HA, hiện tượng này tăng dần ở các mẫu sau 6h. Đây chính là yếu tố cản trở sự phân tán đồng đều của vật liệu khi pha chế huyền phù HA/N-TiO2. trong dung môi nước. Như vậy thời gian HA kết tinh tốt nhất trong khoảng 3 - 6 giờ. 3.2.2.2 Ảnh hưởng của nồng độ các ion Ca2+ và PO43- trong dung dịch gốc. 2000 A A 1500 A A A R RA A R Cps HA R R 1000 S-15 S-10 500 S-7 S-5 0 20 25 30 35 40 45 50 55 60 2 - Theta - Scale
16 Hình 3.26 Giản đồ XRD của các mẫu HA/N-TiO2 từ S5-S15. Hình 3.26 cho thấy tại 2θ  31,6o cường độ đỉnh nhiễu xạ của HA tăng dần theo chiều tăng nồng độ của Ca2+ và PO43- chứng tỏ khi nồng độ của Ca2+ và PO43- trong dung dịch gốc càng tăng thì tỷ lệ HA trong nanocomposit càng lớn. Qua phân tích EDX, ICP-MS, IR và SEM cho thấy mẫu S10 có độ tinh khiết cao nhất. Trong thành phần mẫu HA/N-TiO2 ngoài các nguyên tố Ti, Ca, P, O, N còn xuất hiện các nguyên tố Mg, Na cũng như xuất hiện các vạch phổ của nhóm OH-, PO43- và CO32-. Hàm lượng HA chiếm khoảng 30% khối lượng HA/N-TiO2. Như vậy, HA được hình thành không hoàn toàn tinh khiết như công thức phân tử Ca10(PO4)6(OH)2, có thể đề nghị công thức hóa học gần đúng của HA mà luận án tổng hợp là (Ca,Mg,Na)10(PO4,CO3)6(OH)2. Hình 3.33 Phổ UV-Vis của HA/N-TiO2 và HA/TiO2 – P25. Khả năng hấp thụ ánh sáng vùng khả kiến của mẫu HA/N-TiO2- 3h tốt hơn so với mẫu 6h (hình 3.33). Bước sóng tới hạn của mẫu HA/N-TiO2 giảm xuống khoảng 34-37nm so với mẫu N-TiO2 chưa phủ HA. Qua phân tích BET, các mẫu N-TiO2 trước và sau khi phủ HA đều có diện tích bề mặt lớn so với TiO2–P25. Cụ thể, mẫu N- TiO2 có diện tích bề mặt là 231m2/g, mẫu HA/N-TiO2-3h và 6h có
17 diện tích bề mặt là 298m2/g và 385m2/g. So sánh kết quả này với kết quả của một số nghiên cứu khác cho thấy, diện tích bề mặt của vật liệu nanocomposit HA/N-TiO2 do luận án tổng hợp lớn hơn khoảng 7 lần so với diện tích bề mặt của TiO2 - P25 (51,9m2/g), lớn hơn khoảng 5 lần so với diện tích bề mặt của vật liệu HA/TiO2 trong nghiên cứu của các tác giả Soysal (78,4 - 80,2m2/g), Anastasios Mitsionis (60,4 – 78,8m2/g). 3.2.3 Kết quả đánh giá hoạt tính xúc tác quang của vật liệu HA/N- TiO2 3.2.3.1 Vai trò của HA trong vật liệu HA/N-TiO2 Điều kiện thí nghiệm: mật độ phủ 10mL/tấm gạch/lần, PVC ≈ 10/1000 (g/ml), C0 ≈ 400μg/m3, đèn huỳnh quang, t = 8 giờ. Hình 3.34 cho thấy TiO2 – P25 hấp phụ không đáng kể chỉ khoảng 0,01%, HA/TiO2- P25 hấp phụ 2,88%, và HA/N-TiO2 hấp phụ 5,16%. Khả năng hấp phụ toluen của HA/N-TiO2 mạnh hơn so với các mẫu TiO2 – P25 và HA/TiO2- P25 là do diện tích bề mặt riêng của TiO2 dạng thanh lớn hơn so với dạng hạt. Nguyên nhân chính là do sự tăng các nhóm OH- trên bề mặt của TiO2 và HA dẫn tới sự tăng tâm hoạt động hấp phụ trên một đơn vị khối lượng. 100 500 T iO2 - P25 Gạch 400 Nồng độ (µg/m ) 80 Hiệu suất, (%) 3 HA/T iO2 - P25 HA/N-T iO2 Gạch + Đèn 60 300 PVC 10 40 200 PVC 25 20 100 PVC 50 PVC 75 0 0 2 4 6 8 0 0,5 2 4 6 8 Thời gian, (giờ) Thời gian (giờ) Hình 3.34 Hiệu quả xử lý toluen Hình 3.35 Ảnh hưởng của hàm của HA/N-TiO2 dưới sự chiếu xạ lượng HA/N-TiO2 đến sự phân hủy
18 bằng đèn huỳnh quang. toluen. 3.2.3.2 Ảnh hưởng của hàm lượng HA/N-TiO2 trong dung dịch huyền phù Khảo sát hàm lượng HA/N-TiO2 tối ưu bằng thử nghiệm xử lý toluen với các dung dịch huyền phù có giá trị hàm lượng rắn (viết tắt là PVC) từ 10/1000(g/ml) đến 75/1000(g/ml). Hiệu quả xúc tác quang hóa tăng từ PVC10 đến PVC25 là 74,92% - 82,84%. Sau PVC25 hiệu quả xúc tác quang giảm dần. Giá trị PVC tối ưu là 25/1000 (g/ml) trong điều kiện khảo sát (hình 3.35). 3.2.3.3 Ảnh hưởng của khối lượng vật liệu Hiệu quả xúc tác quang hóa tăng từ 82,84% đến 92,92% khi phủ 1-2 lần. Từ sau 2 lần trở đi cho hiệu quả xúc tác quang hóa giảm. Như vậy, mẫu phủ 2 lần cho kết quả tối ưu về khối lượng quang xúc tác HA/N-TiO2 khi phủ trên gạch đã có sơn lót. Từ thực nghiệm, mật độ diện tích vật liệu HA/N-TiO2 tối ưu trên bề mặt gạch tính được một cách gần đúng là 3,125 (g/m2). 3.2.3.4 Ảnh hưởng của mật độ công suất ánh sáng Hiệu quả quang xúc tác gần như không thay đổi khi mật độ công suất ánh sáng tăng từ 10 – 40w/m2. Có thể thấy rằng mật độ công suất ánh sáng không ảnh hưởng lớn đến khả năng quang xúc tác của vật liệu trong điều kiện khảo sát. 3.2.3.5 Động học quá trình oxy hóa quang xúc tác toluen bằng vật liệu HA/N-TiO2 Hình 3.38 cho thấy, trong khoảng C0 = 300 – 500μg/m3 đồ thị có độ dốc lớn, chứng tỏ sự giảm nồng độ toluen trong khoảng nồng độ này xảy ra mạnh. Ở các khoảng nồng độ thấp (100μg/m3) hoặc cao (900μg/m3) đều cho đồ thị có độ dốc thấp hơn, nồng độ to luen giảm chậm hơn. Điều này có thể lý giải là khi nồng độ toluen cao có thể sẽ dẫn tới cản trở sự di chuyển các chất phản ứng và sản phẩm từ các