Đề tài Nghiên cứu xứ lý nước nhiễm phenol bằng màng mỏng Tio2

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA MÔI TRƢỜNG LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC NGHIÊN CỨU XỨ LÝ NƢỚC NHIỄM PHENOL BẰNG MÀNG MỎNG TiO2 GVHD: TS. NGUYỄN THẾ VINH SVTH: PHAN VŨ AN MSSV: 90300017 THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH, 01/2008 Nghiên cứu xử lý nƣớc nhiễm phenol bằng màng mỏng TiO2 ii Đại Học Quốc Gia Tp.HCM CỘNG HÕA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc Lập – Tự Do – Hạnh Phúc ------------ ---------------- Số : -----------------/BKĐT NHIỆM VỤ LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP KHOA: MÔI TRƢỜNG CHÚ Ý: SV phải dán tờ này vào trang thứ nhất của bản thuyết trình BỘ MÔN : KỸ THUẬT MÔI TRƢỜNG HỌ VÀ TÊN : PHAN VŨ AN MSSV : 90300017 NGÀNH : KỸ THUẬT MÔI TRƢỜNG LỚP : MO03KMT1 1. Đầu đề luận án: NGHIÊN CỨU XỬ LÝ NƢỚC NHIỄM PHENOL BẰNG MÀNG MỎNG TiO2 2. Nhiệm vụ (yêu cầu về nội dung số liệu ban đầu): ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------ 3. Ngày giao nhiệm vụ luận án: 31/08/2007 4. Ngày hoàn thành nhiệm vụ: 31/12/2007 5. Họ tên ngƣời hƣớng dẫn: Phần hƣớng dẫn: 1/ TS. NGUYỄN THẾ VINH Toàn bộ 2/ -------------------------------------------------- -------------------------------------------- 3/ -------------------------------------------------- -------------------------------------------- Nội dung và yêu cầu LATN đã đƣợc thông qua Bộ môn. Ngày tháng năm 2007 CHỦ NHIỆM BỘ MÔN NGƢỜI HƢỚNG DẪN CHÍNH (Ký và ghi rõ họ tên) (Ký và ghi rõ họ tên) PHẦN DÀNH CHO KHOA, BỘ MÔN : Ngƣời duyệt (chấm sơ bộ): ----------------------------------------------- Đơn vị: ----------------------------------------------------------------------- Ngày bảo vệ: ---------------------------------------------------------------- Điểm tổng kết: -------------------------------------------------------------- Nơi lƣu trữ luận án: ------------------------------------------------------- Nghiên cứu xử lý nƣớc nhiễm phenol bằng màng mỏng TiO2 iii LỜI NÓI ĐẦU Chân thành cảm ơn cha mẹ đã sinh ra con và nuôi con ăn học đến ngày hôm nay. Chân thành cảm ơn thầy Nguyễn Thế Vinh đã tận tình hƣớng dẫn, hỗ trợ em hoàn thành luận văn này cũng nhƣ giúp em khơi mở những kiến thức mới của ngành Kỹ thuật môi trƣờng. Chân thành cảm ơn anh Nguyễn Việt Cƣờng, nhóm bạn Nguyễn Trà Mi, Nguyễn Thanh Tân, Lê Thị Xinh đã cùng tôi thực hiện đề tài và hỗ trợ nhau trong quá trình thực hiện luận văn. Chân thành cảm ơn hai em Ngô Minh Thọ và Trần Nhật Tân đã hỗ trợ tôi rất nhiều trong quá trình thực luận văn. Chân thành cảm ơn thầy Nguyễn Thanh Lộc; các anh chị trong phòng thí nghiệm Ăn mòn và xử lý bề mặt, bộ môn Cơ sở khoa học vật liệu, khoa Công nghệ vật liệu; phòng thí nghiệm Nano – Đại học Quốc gia TPHCM; phòng thí nghiệm khoa Môi trƣờng đã hỗ trợ tôi trong quá trình thực hiện luận văn này. Chân thành cảm ơn quý thầy, cô khoa Môi trƣờng đã truyền thụ cho em kiến thức, dẫn em đi những bƣớc đầu tiên để bƣớc vào xã hội mới. Chân thành cảm ơn trƣờng Đại học Bách khoa đã đào tạo tôi thành ngƣời có ích cho xã hội. Chân thành cảm ơn bà con, anh, chị, em những vùng đất tôi đã đặt chân đến trong những chuyến đi thực tập, trong những chiến dịch tình nguyện, giúp tôi hiểu đƣợc tình nghĩa của cuộc sống. Thời gian tôi học tập tại Đại học Bách khoa là một thời gian rèn luyện thật sự, để mai đây, tôi có thể trở thành một ngƣời có ích cho xã hội. Luận văn tốt nghiệp này thể hiện thành quả học tập và rèn luyện trong suốt 4,5 năm vừa qua với mong muốn trở thành một ngƣời kỹ sƣ giỏi. Đây chỉ là bƣớc khởi đầu cho mọi hành trình. Xin chân thành cám ơn những bàn tay đã nâng bƣớc tôi ngày hôm nay. Thành phố Hồ Chí Minh, 12.2007 Phan Vũ An Nghiên cứu xử lý nƣớc nhiễm phenol bằng màng mỏng TiO2 iv TÓM TẮT NỘI DUNG LUẬN VĂN Titanium dioxide, dạng vật liệu ở kích thƣớc nano, ngày càng đƣợc nghiên cứu và ứng dụng trong nhiều lĩnh vực, đặc biệt là xử lý môi trƣờng. Hiện nay, các nghiên cứu tập trung nhiều vào việc tìm kiếm những hợp chất chứa chất chính là TiO2 có tính chất hiệu quả hơn bản thân TiO2 và tìm ra những phƣơng pháp sử dụng hiệu quả TiO2 với quy mô lớn. Nội dung của luận văn này tập trung vào các vấn đề sau: - Tìm hiểu tổng quan về các quá trình oxi hóa nâng cao và phản ứng của xúc tác quang; - Phƣơng pháp sol-gel điều chế TiO2; - Các dạng thiết bị phản ứng đang đƣợc sử dụng cho xử lý môi trƣờng bằng TiO2; - Một số phƣơng pháp phủ bề mặt chất mang tạo màng hiện nay đang đƣợc sử dụng trên thế giới; - Thí nghiệm điều chế các hỗn hợp chứa chất chính là TiO2; - Thí nghiệm phủ lên bề mặt các đối tƣợng chất mang đƣợc lựa chọn có tính chất khác nhau bằng phƣơng pháp phun (spray coating) và phƣơng pháp nhúng (dip coating), các đối tƣợng đƣợc chọn là hạt bead ceramic, hạt alummino silicate và sợi thủy tinh; - Thí nghiệm xử lý môi trƣờng, phân hủy nƣớc nhiễm phenol. Các thí nghiệm đƣợc tiến hành ở quy mô phòng thí nghiệm. Bên cạnh việc tạo ra lớp màng mỏng TiO2 là các phép đo vật lý đƣợc dùng để kiểm tra tính chất và đặc điểm lớp màng TiO2 đƣợc tạo ra, bao gồm nhƣ BET, XRD, SEM, UV-Vis. Nghiên cứu xử lý nƣớc nhiễm phenol bằng màng mỏng TiO2 v MỤC LỤC TRANG BÌA ....................................................................................................................i NHIỆM VỤ LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ................................................................... ii LỜI NÓI ĐẦU .............................................................................................................. iii TÓM TẮT NỘI DUNG LUẬN VĂN ..........................................................................iv MỤC LỤC ...................................................................................................................... v DANH MỤC HÌNH VẼ ................................................................................................ix DANH MỤC BẢNG BIỂU ........................................................................................ xii CHƢƠNG 1: MỞ ĐẦU ................................................................................................. 1 ÁNH SÁNG TỰ LÀM SẠCH - LIGHT CLEANING .............................................. 2 1.1 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU .............................................................................. 3 1.2 ĐỐI TƢỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU ................................................... 3 1.2.1 Đối tƣợng nghiên cứu ................................................................................... 3 1.2.2 Phạm vi nghiên cứu ....................................................................................... 3 1.3 PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ..................................................................... 4 1.3.1 Phƣơng pháp hồi cứu .................................................................................... 4 1.3.2 Các phƣơng pháp thí nghiệm và phân tích ................................................... 4 1.3.3 Phƣơng pháp nghiên cứu mô hình ................................................................ 5 1.3.4 Phƣơng pháp xử lý số liệu............................................................................. 5 CHƢƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ XÚC TÁC QUANG ............................................... 6 2.1 TÔNG QUAN VỀ CÁC QUÁ TRÌNH OXI HÓA BẬC CAO (ADVANCED OXIDATION PROCESSES – AOP) ................................................................. 7 2.1.1 Sự cần thiết của các công nghệ cao - Những thách thức trƣớc các yêu cầu mới ................................................................................................................ 7 2.1.2 Công nghệ phân hủy khoáng hóa các chất ô nhiễm hữu cơ bằng các quá trình oxy hóa nâng cao (Advanced Oxidation Processes – AOP). ................ 9 2.1.3 Các quá trình tạo ra gốc hydroxyl OH* ...................................................... 10 2.1.4 Phân loại các quá trình oxi hóa nâng cao: ................................................... 12 2.1.5 Những ƣu việt của quá trình phân hủy oxi hóa bằng gốc tự do hydroxyl OH* ............................................................................................................. 13 Nghiên cứu xử lý nƣớc nhiễm phenol bằng màng mỏng TiO2 vi 2.2 GIỚI THIỆU VỀ QUÁ TRÌNH XÚC TÁC QUANG BÁN DẪN (SEMICONDUCTOR PHOTOCATALYSIS PROCESS) ................................... 15 2.2.1 Giới thiệu chung .......................................................................................... 15 2.2.2 Cơ chế quá trình xúc tác quang ................................................................... 16 2.3 XÚC TÁC QUANG BÁN DẪN TITANIUMIUM DIOXIDE ........................ 18 2.3.1 Tổng quan về vật liệu TiO2 ......................................................................... 18 2.3.2 Ứng dụng của TiO2 ..................................................................................... 22 2.4 GIỚI THIỆU VỀ CÁC PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ TITANIUM DIOXIDE 24 2.4.1 Phƣơng pháp cổ điển ................................................................................... 24 2.4.2 Phƣơng pháp tổng hợp ngọn lửa ................................................................. 24 2.4.3 Phân huỷ quặng tinh Ilmenite: .................................................................... 25 2.4.4 Tổng hợp TiO2 từ alkoxide (phƣơng pháp sol-gel): .................................... 25 2.4.5 Điều chế TiO2 bằng pha hơi ở nhiệt độ thấp ............................................... 26 2.4.6 Sản xuất TiO2 bằng phƣơng pháp plasma ................................................... 26 2.4.7 Phƣơng pháp vi nhũ tƣơng .......................................................................... 26 2.4.8 Phƣơng pháp tẩm ........................................................................................ 26 CHƢƠNG 3: THIẾT BỊ PHẢN ỨNG VÀ CÁC PHƢƠNG PHÁP PHỦ BỀ MẶT ....................................................................................................................................... 28 3.1 CÁC DẠNG THIẾT BỊ PHẢN ỨNG ĐỂ THỰC HIỆN CHO QUÁ TRÌNH QUANG XÚC TÁC BÁN DẪN ..................................................................... 29 3.1.1 Phân loại theo trạng thái chất xúc tác khi sử dụng: .................................... 29 3.1.2 Phân loại theo nguồn năng lƣợng sử dụng: ................................................. 31 3.2 CÁC PHƢƠNG PHÁP PHỦ BỀ MẶT ........................................................... 34 3.2.1 Kỹ thuật nhúng (dip coating) ...................................................................... 35 3.2.2 Kỹ thuật phun phủ (spray coating) ............................................................. 36 3.2.3 Kỹ thuật rót (flow coating) .......................................................................... 37 3.2.4 Kỹ thuật phủ quay (spin coating) ................................................................ 37 3.2.5 Kỹ thuật phủ Capillary (Capillary Coating) ............................................... 39 3.2.6 Kỹ thuật in phủ (print coating) ................................................................... 40 3.2.7 Kỹ thuật phủ hóa học (chemical coating) ................................................... 41 3.2.8 Kỹ thuật phủ Sputtering .............................................................................. 41 CHƢƠNG 4: TỔNG QUAN VỀ PHENOL .............................................................. 42 4.1 TỔNG QUAN VỀ PHENOL VÀ TÌNH TRẠNG Ô NHIỄM PHENOL TRONG NƢỚC ............................................................................................................ 43 4.1.1 Giới thiệu về phenol .................................................................................... 43 Nghiên cứu xử lý nƣớc nhiễm phenol bằng màng mỏng TiO2 vii 4.1.2 Nguồn gốc ô nhiễm phenol trong nƣớc ...................................................... 44 4.1.3 Các phƣơng pháp xử lý phenol trong nƣớc ................................................. 45 4.2 PHƢƠNG PHÁP PHÂN TÍCH PHENOL TRONG NƢỚC ............................ 45 4.2.1 Quy trình phân tích ..................................................................................... 45 4.2.2 Phƣơng pháp tính nồng độ phenol .............................................................. 46 CHƢƠNG 5: THỰC NGHIỆM.................................................................................. 47 5.1 THÍ NGHIỆM ĐIỀU CHẾ CÁC HỢP CHẦT CHỨA CHẦT CHÍNH LÀ TiO2 BằNG PHƢƠNG PHÁP SOL-GEL ................................................................ 48 5.1.1 Hóa chất thí nghiệm .................................................................................... 48 5.1.2 Dụng cụ thí nghiệm ..................................................................................... 48 5.1.3 Quy trình thí nghiệm ................................................................................... 49 5.2 THÍ NGHIỆM PHỦ LỚP PHIM MỎNG CHỨA THÀNH PHẦN CHÍNH TIO2 LÊN CHẤT MANG ........................................................................................ 51 5.2.1 Hoá chất và vật liệu thí nghiệm .................................................................. 51 5.2.2 Dụng cụ thí nghiệm ..................................................................................... 52 5.2.3 Quy trình thí nghiệm ................................................................................... 52 5.3 THÍ NGHIỆM ĐÁNH GIÁ HOẠT TÍNH XÚC TÁC QUANG CỦA MÀNG PHIM TiO2-SiO2, XỬ LÝ PHENOL TRONG NƢỚC .................................... 57 5.3.1 Hoá chất thí nghiệm .................................................................................... 57 5.3.2 Mô hình và dụng cụ thí nghiệm .................................................................. 57 5.3.3 Quy trình thí nghiệm và lấy mẫu phân tích ................................................. 60 CHƢƠNG 6: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN................................................................. 61 6.1 THÍ NGHIỆM ĐIỀU CHẾ CÁC HỢP CHẤT CHỨA CHẤT CHÍNH LÀ TIO2 BằNG PHƢƠNG PHÁP SOL-GEL ................................................................ 62 6.2 THÍ NGHIỆM PHỦ TẠO MÀNG MỎNG TRÊN BỀ MẶT CHẤT MANG VÀ ĐÁNH GIÁ HOẠT TÍNH MÀNG TIO2 ......................................................... 66 6.2.1 Khảo sát về khối lƣợng xúc tác bám trên hạt bề mặt và độ bền vững của lớp phim phủ ..................................................................................................... 67 6.2.2 Khảo sát độ bền lớp vật liệu TiO2 ............................................................... 73 6.3 Thí nghiệm xử lý phân hủy phenol bằng màng mỏng TiO2 ............................. 75 6.3.1 Sợi thủy tinh ................................................................................................ 75 6.3.2 Hạt bead ceramic ......................................................................................... 77 6.3.3 Hạt alummino silicate trong điều kiện ánh sáng mặt trời tự nhiên ............. 80 6.3.4 Một số kết quả khác .................................................................................... 81 Nghiên cứu xử lý nƣớc nhiễm phenol bằng màng mỏng TiO2 viii KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ..................................................................................... 87 TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................... 88 PHỤ LỤC: CÁC PHƢƠNG PHÁP VẬT LÝ XÁC ĐỊNH CẤU TRÖC VẬT LIỆU ....................................................................................................................................... 90 1. Phƣơng pháp đo diện tích bề mặt riêng SBET (Brunauer – Emmett – Teller) ..... 90 2. Phƣơng pháp xác định pha cấu trúc tinh thể (Nhiễu xạ tia X – X-Ray Diffraction) ..................................................................................................... 91 3. Phƣơng pháp xác định phổ phản xạ khuyếch tán (UV-Vis DRS) ..................... 93 4. Phƣơng pháp xác định đặc điểm bề mặt vật liệu (Kính hiển vi điện tử quét SEM và FE-SEM – (Field Emission) Scanning Electron Microscopy) ..................... 94 5. Một số hình ảnh của các thiết bị ...................................................................... 95 Nghiên cứu xử lý nƣớc nhiễm phenol bằng màng mỏng TiO2 ix DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 2.1 – Mô tả các quá trình oxi hóa quang xúc tác xảy ra trong TiO2 .............................. 17 Hình 2.2 – Cấu trúc Rutile ...................................................................................................... 18 Hình 2.3 – Cấu trúc Anatase ................................................................................................... 19 Hình 2.4 – Cấu trúc Brookite .................................................................................................. 19 Hình 2.5 – Cơ chế xúc tác quang của TiO2 ............................................................................. 21 Hình 2.6 – Những lĩnh vực ứng dụng chính của xúc tác quang TiO2 ..................................... 22 Hình 2.7 – Kiếng chống bám sƣơng ....................................................................................... 23 Bảng 3.1 – Đặc tính thiết bị phản ứng khi sử dụng TiO2 ....................................................... 30 Hình 3.2 – Gƣơng parabol tập trung ánh sáng mặt trời – PTC – tại Almeria, PSA ............... 33 Hình 3.3 – Thiết bị phản ứng dạng ống có máng thu parabol ghép đôi .................................. 34 Hình 3.4 – Các bƣớc đƣợc thực hiện trong kỹ thuật nhúng. ................................................... 35 Hình 3.5 – Sự hình thành lớp phim trong quá trình kéo lên .................................................. 36 Hình 3.6 – Giản đồ biểu hiện độ dày của lớp màng phụ thuộc vào góc nhúng. ..................... 36 Hình 3.7 – Kỹ thuật phun phủ ................................................................................................. 36 Hình 3.8: Kỹ thuật rót ............................................................................................................. 37 Hình 3.9 – Kỹ thuật phủ quay ................................................................................................. 38 Hình 3.10 – Kỹ thuật Capillary Coating ................................................................................. 39 Hình 3.11 – Kỹ thuật in lụa .................................................................................................... 40 Hình 3.12 – Kỹ thuật phủ Sputtering ...................................................................................... 41 Hình 4.1 – Cấu tạo phân tử phenol ........................................................................................ 43 Hình 4.2 – Các mẫu phenol xây dựng đƣờng chuẩn. ............................................................. 46 Hình 5.1 – Mô hình thí nghiệm điều chế vật liệu TiO2-SiO2 bằng phƣơng pháp sol-gel. ...... 49 Hình 5.2. Quy trình thí nghiệm điều chế bột TiO2-SiO2. ........................................................ 49 Hình 5.3. Biểu đồ phân bố kích thƣớc hạt trong dung dịch sau quá trình thủy phân nhiệt. ............ 51 Hình 5.4 – Quy trình phủ TiO2-SiO2 lên sợi thủy tinh bằng phƣơng pháp phun và nhúng. ... 52 Hình 5.5 – Hạt bead ceramic ................................................................................................... 53 Hình 5.6 – Hạt alummino silicate ........................................................................................... 53 Hình 5.7 – Hệ thống phun dung dịch TiO2-SiO2 lên chất mang. ........................................... 54 Nghiên cứu xử lý nƣớc nhiễm phenol bằng màng mỏng TiO2 x Hình 5.8 – Quy trình nhúng .................................................................................................... 56 H