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 TiO
2




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 TiO
2

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 TiO
2

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 TiO
2

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 TiO
2
có tính
chất hiệu quả hơn bản thân TiO

2
và tìm ra những phƣơng pháp sử dụng hiệu quả TiO
2

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 TiO
2
;
- Các dạng thiết bị phản ứng đang đƣợc sử dụng cho xử lý môi trƣờng bằng TiO
2
;
- 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 TiO
2
;
- 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 TiO
2
là các phép đo vật lý đƣợc dùng để kiểm tra tính chất và đặc
điểm lớp màng TiO
2

đƣợc tạo ra, bao gồm nhƣ BET, XRD, SEM, UV-Vis.
Nghiên cứu xử lý nƣớc nhiễm phenol bằng màng mỏng TiO
2

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 TiO
2

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 TiO
2
18
2.3.2 Ứng dụng của TiO
2
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 TiO
2

từ alkoxide (phƣơng pháp sol-gel): 25
2.4.5 Điều chế TiO
2
bằng pha hơi ở nhiệt độ thấp 26
2.4.6 Sản xuất TiO
2
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 TiO
2

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 TiO
2

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 TIO
2

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 TiO
2
-SiO

2
, 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 TIO
2

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 TIO
2
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 TiO
2
73
6.3 Thí nghiệm xử lý phân hủy phenol bằng màng mỏng TiO
2
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 TiO
2


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 S
BET
(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 TiO
2

ix

DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 2.1 – Mô tả các quá trình oxi hóa quang xúc tác xảy ra trong TiO
2
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 TiO
2
21
Hình 2.6 – Những lĩnh vực ứng dụng chính của xúc tác quang TiO
2
22
Hình 2.7 – Kiếng chống bám sƣơng 23
Bảng 3.1 – Đặc tính thiết bị phản ứng khi sử dụng TiO
2
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 TiO
2
-SiO
2

bằng phƣơng pháp sol-gel. 49
Hình 5.2. Quy trình thí nghiệm điều chế bột TiO
2
-SiO
2
. 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 TiO
2
-SiO
2
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 TiO
2
-SiO
2
lên chất mang. 54
Nghiên cứu xử lý nƣớc nhiễm phenol bằng màng mỏng TiO
2

x

Hình 5.8 – Quy trình nhúng 56
Hình 5.9 – Sơ đồ thiết bị phản ứng đánh giá hiệu quả xử lý phenol dùng đèn UV 57
Hình 5.10 – Sơ đồ thiết bị phản ứng đánh giá hiệu quả xử lý phenol dùng ánh sáng mặt trời
tự nhiên 58
Hình 5.11 – Mô hình thí nghiệm xử lý phenol trong nƣớc bằng các vật liệu xúc tác quang
phủ trên sợi thủy tinh. 58

Hình 5.12 – Mô hình thí nghiệm xử lý phenol trong nƣớc bằng các vật liệu xúc tác quang phủ
trên hạt bead ceramic. 58
Hình 5.13 Phổ ánh sáng của đèn UV-A (Philips). 59
Hình 5.14 Phổ ánh sáng của ánh sáng mặt trời tự nhiên 59
Hình 6.1 – Dung dịch sol-gel trƣớc và sau khi thủy phân nhiệt 62
Hình 6.2 – Ảnh chụp FE-SEM các mẫu vật liệu 63
Hình 6.3 – Giản đồ XRD các mẫu vật liệu TiO
2
khi bổ sung thêm các thành phần khác nhau. 64
Hình 6.4 – Phổ hấp thu UV-Vis của các mẫu TiO
2
có bổ sung các thành phần khác nhau. 65
Hình 6.5 – Hình ảnh bề mặt sợi thuỷ tinh trƣớc và sau khi phủ vật liệu xúc tác. 68
Hình 6.6 – Hình ảnh bề mặt sợi thuỷ tinh trƣớc và sau khi phủ vật liệu xúc tác 69
Hình 6.7 – Bề mặt và mặt cắt hạt bead ceramic sau khi phủ 70
Hình 6.8 – Hình ảnh bề mặt của hạt alummino silicate 72
Hình 6.9 – Hiệu quả xử lý của màng TiO2 phủ trên hạt bead ceramic dƣới tác nhân quang hóa
là ánh sáng mặt trời. 75
Hình 6.10 – Hiệu quả xử lý phenol của các mẫu vật liệu phủ trên sợi thuỷ tinh trong điều kiện
chiếu tia UV-A. 76
Hình 6.11 – Hiệu quả xử lý phenol của các mẫu vật liệu phủ trên sợi thuỷ tinh trong điều kiện
sử dụng ánh sáng mặt trời tự nhiên. 77
Hình 6.12 – Hiệu quả xử lý phenol của các mẫu vật liệu phủ trên hạt bead ceramic trong điều
kiện sử dụng UV-A. 78
Hình 6.13 – Hiệu quả xử lý phenol của các mẫu vật liệu phủ trên hạt bead ceramic trong điều
kiện sử dụng ánh sáng mặt trời tự nhiên. 79
Hình 6.14 – Hiệu quả xử lý phenol của các mẫu vật liệu nhúng phủ trên hạt alummino
silicate trong điều kiện sử dụng ánh sáng mặt trời. 80
Hình 6.15 – Hiệu quả xử lý phenol của các mẫu vật liệu phun phủ trên hạt alummino silicate
trong điều kiện sử dụng ánh sáng mặt trời. 81

Nghiên cứu xử lý nƣớc nhiễm phenol bằng màng mỏng TiO
2

xi

Hình 6.16 – Hiệu quả xử lý phenol của mẫu vật liệu N-TiO
2
-SiO
2
phủ trên hạt bead ceramic,
hạt alummino silicate, sợi thủy tinh trong điều kiện sử dụng UV-A. 82
Hình 6.17 – Hiệu quả xử lý phenol của mẫu vật liệu N-TiO
2
-SiO
2
phủ trên hạt bead ceramic,
hạt alummino silicate, sợi thủy tinh trong điều kiện sử dụng ánh sáng mặt trời tự nhiên. 83
Hình 6.18 – Hiệu quả xử lý phenol của mẫu vật liệu TiO
2
phủ trên hạt alummino silicate
trong 240 phút. 83
Hình 6.19 – Hiệu quả xử lý phenol của mẫu vật liệu TiO
2
phủ (nhúng) trên hạt alummino
silicate trong với lƣợng xúc tác khác nhau, tác nhân quang hóa là ánh sáng mặt trời. 84
Hình 6.20 – Quan hệ khối lƣợng phenol phân hủy/1g xúc tác 85
Hình PL1 – Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của P/V(P
0
- P) theo P/P
0

91
Một số hình ảnh thiết bị 95

Nghiên cứu xử lý nƣớc nhiễm phenol bằng màng mỏng TiO
2

xii

DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 2.1 – Cơ chế tạo gốc OH* của các quá trình oxi hóa nâng cao. 10
Bảng 2.2 – Phân loại các quá trình oxi hóa nâng cao 12
Bảng 2.3 – Khả năng oxi hóa của một số tác nhân oxi hóa 13
Bảng 2.4 – Những hợp chất hữu cơ bị oxi hóa bởi gốc OH* đã đƣợc nghiên cứu 15
Bảng 2.5 – Một số tính chất vật lý của TiO
2
dạng anatase và rutile 19
Hình 3.1 – Dãy quang phổ bức xạ tử ngoại (UV radiation spectrum). 31
Bảng 6.1 – Kích thƣớc hạt các mẫu vật liệu TiO
2
bổ sung các thành phần khác nhau 63
Bảng 6.2 – S
BET
các mẫu vật liệu đƣợc điều chế trong thí nghiệm 65
Bảng 6.3 – Năng lƣợng vùng cấm của các mẫu vật liệu đƣợc điều chế 66
Bảng 6.4 – Quy hoạch số lƣợng mẫu thí nghiệm đƣợc thực hiện trong luận văn 66
Bảng 6.5 – Xác định khối lƣợng vật liệu xúc tác đƣợc phủ trên sợi thuỷ tinh 67
Bảng 6.6 – Xác định khối lƣợng vật liệu xúc tác đƣợc phủ trên hạt bead ceramic bằng phƣơng
pháp phun. 70
Bảng 6.7 – Xác định khối lƣợng vật liệu xúc tác đƣợc phủ trên hạt alummino silicate bằng
phƣơng pháp phun. 71

Bảng 6.8 – Xác định khối lƣợng vật liệu xúc tác đƣợc phủ trên hạt alummino silicate bằng
phƣơng pháp nhúng. 71
Bảng 6.9 – Tỷ lệ thất thoát khối lƣợng vật liệu xúc tác trên sợi thuỷ tinh sau các lần thí
nghiệm 74

Chƣơng 1: MỞ ĐẦU
1






CHƢƠNG 1
MỞ ĐẦU

Chƣơng 1: MỞ ĐẦU
2

ÁNH SÁNG TỰ LÀM SẠCH - LIGHT CLEANING
Giống nhƣ nƣớc và không khí, ánh sáng cũng cần cho cuộc sống. Ánh sáng là 1
dạng năng lƣợng sóng. Ánh sáng khả kiến có bƣớc sóng từ 400 – 700 nm nhƣng chỉ
chiếm một phần nhỏ trong dãy quang phổ. Chúng ta nhận đƣợc nhiều lợi ích từ ánh
sáng, bất cứ nơi đâu, bất cứ khi nào. Ánh sáng giúp sinh vật phát triển, ánh sáng giúp
con ngƣời nhìn rõ đƣợc mọi vật xung quanh… Không có ánh sáng, sự sống sẽ không
tồn tại. Công nghệ xúc tác quang ra đời dựa trên nền tảng và nhu cầu sử dụng năng
lƣợng ánh sáng một cách hiệu quả và toàn diện hơn.
Việc phát triển công nghệ xúc tác quang thay đổi quan niệm con ngƣời vể việc
“làm sạch”. Điều đó dự đoán cho sự phát triển một khái niệm mới trong tƣơng lai gần,
khái niệm “làm sạch bằng ánh sáng” – light cleaning – cleaning with light. Hai yếu tố

quan trọng của light cleaning là nguồn UV và chất xúc tác quang, điển hình là TiO
2
.
Những nghiên cứu khoa học về vật liệu nano TiO
2
với vai trò là một chất xúc tác
quang đã đƣợc bắt đầu hơn ba thập kỷ nay từ một phát minh của hai nhà khoa học
ngƣời Nhật, Fujishima và Honda vào năm 1972 trong việc phân hủy nƣớc bằng
phƣơng pháp điện hóa quang với chất xúc tác TiO
2
[8]. Sau khi phát minh này đƣợc
công bố trên tạp chí khoa học danh tiếng Nature, hàng loạt những công trình khoa học
về việc sử dụng chất xúc tác quang trong việc phân hủy nƣớc tạo khí hydro và xử lý ô
nhiễm môi trƣờng đã đƣợc công bố.
Hiện nay những lĩnh vực nghiên cứu và ứng dụng chính của vật liệu TiO
2
với vai
trò 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 không khí, xử lý nƣớc nhiễm bẩn, chống tạo
sƣơng mù trên lớp kính và tiêu diệt những tế bào ung thƣ [9]. Nhật Bản, Hàn Quốc,
các nƣớc EU, Mỹ đã tiến hành thƣơng mại hóa TiO
2
và các sản phẩm ứng dụng của
TiO
2
từ lâu. Những sản phẩm ứng dụng vật liệu nano TiO
2
ở dạng lớp phim mỏng
đƣợc phủ trên các chất mang đã đƣợc thƣơng mại hóa hiện nay là: tấm kính xây dựng
tự làm sạch và chống sƣơng mù, đèn chiếu sáng công cộng tự làm sạch, gạch ceramic

lót nền tự làm sạch, phòng kín đƣợc phủ lớp phim mỏng TiO
2
có khả năng diệt khuẩn
cao, các tấm bạt bằng nhựa tự làm sạch, v.v…Đây là một ngành đầy hấp dẫn và tiềm
năng nhƣng điểm hạn chế làm cản trở làm phát triển công nghiệp TiO
2
là các quốc gia
này phần lớn nằm tại vùng ôn đới, lƣợng chiếu sáng của mặt trời hàng năm rất thấp và
phải sử dụng nguồn sáng nhân tạo thay nguồn sáng tự nhiên.
Khác với những nƣớc đã thƣơng mại hóa vật liệu xúc tác quang TiO
2
, Việt Nam
nằm trong vùng nhiệt đới cận xích đạo với thời lƣợng chiếu sáng hàng năm của mặt
trời rất cao (khoảng hơn 2 lần so với các nƣớc kể trên) nên tiềm năng ứng dụng vật
liệu xúc tác quang TiO
2
ở nƣớc ta là rất lớn. Tuy nhiên, do sự quan tâm và đầu tƣ
Chƣơng 1: MỞ ĐẦU
3

nghiên cứu của những nhà khoa học Việt Nam vào lĩnh vực này còn chƣa đủ lớn để có
thể đƣa công nghệ ứng dụng vật liệu nano TiO
2
vào thực tiễn. Phần lớn những đề tài
nghiên cứu và một số ứng dụng thực tế của vật liệu TiO
2
chỉ dừng lại ở việc sử dụng
vật liệu TiO
2
dạng bột đƣợc sản xuất ở nƣớc ngoài. Đây chính là một trong những

nguyên nhân chính làm hạn chế việc thƣơng mại hóa công nghệ ứng dụng vật liệu
nano TiO
2
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 tạo ra các lớp phim mỏng
chứa TiO
2
có hoạt tính quang cao trên các chất mang khác nhau, hƣớng tới việc cố
định vật liệu xúc tác quang trên các giá thể nhằm tiết kiện chi phí xử lý, tôi đã mạnh
dạn lựa chọn đề tài nghiên cứu “Xử lý nước nhiễm phenol bằng màng mỏng TiO
2
”
1.1 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU
- Điều chế vật liệu xúc tác chứa thành phần chính TiO
2
bằng phƣơng pháp sol-gel.
- Đánh giá khả năng xử lý phenol trong nƣớc nhờ quá trình xúc tác quang sử dụng
các vật liệu xúc tác chứa thành phần chính TiO
2
ở dạng lớp phim mỏng phủ trên hạt
bead ceramic, hạt alummino silicate và sợi thủy tinh trong điều kiện chiếu tia UV và
ánh sáng mặt trời tự nhiên.
1.2 ĐỐI TƢỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU
1.2.1 Đối tƣợng nghiên cứu
Đối tƣợng nghiên cứu của luận văn bao gồm:
- Nghiên cứu quy trình điều chế các dung dịch nhũ tƣơng chứa thành phần chính
TiO
2
.
- Nghiên cứu quá trình phủ lớp phim mỏng chứa thành phần chính TiO

2
trên hạt
bead ceramic, hạt alummino silicate, sợi thủy tinh và đặc tính của lớp phim mỏng
- Nghiên cứu hoạt tính xúc tác quang của các vật liệu chứa thành phần chính TiO
2

đƣợc điều chế ở dạng lớp phim mỏng phủ trên hạt bead ceramic, hạt alummino silicate
và sợi thủy tinh trong các thí nghiệm xử lý phenol trong điều kiện chiếu tia UV-A và
sử dụng ánh sáng mặt trời tự nhiên.
1.2.2 Phạm vi nghiên cứu
i. Điều chế đƣợc dung dịch sol-gel có độ phân tán tốt sau quá trình thủy phân
nhiệt. Kiểm tra xác định đúng tính chất dung dịch chứa hợp chất chính TiO
2
bằng các
phƣơng pháp vật lý
 Diện tích bề mặt riêng.
 Độ tinh thể hoá và kích thƣớc hạt tính từ phƣơng pháp nhiễu xạ tia X (XRD).
Chƣơng 1: MỞ ĐẦU
4

 Phổ hấp thu ánh sáng tử ngoại – khả kiến (UV-Vis) và mức năng lƣợng miền
cấm.
 Hình thái bề mặt.
ii. Đối với quá trình phủ lớp phim mỏng chứa thành phần chính TiO
2
trên hạt bead
ceramic, hạt alummino silicate, sợi thủy tinh có các thông số thuộc phạm vi nghiên
cứu:
 Khả năng bám dính.
 Hình thái bề mặt.

 Độ tổn thất về khối lƣợng.
iii. Đối với quá trình xử lý phenol trong nƣớc sử dụng vật liệu xúc tác ở dạng phủ
lớp phim mỏng TiO
2
trên hạt bead ceramic, hạt alummino silicate và sợi thủy tinh,
phạm vi nghiên cứu và đánh giá:
 Hiệu quả xử lý theo thời gian.
 Nguồn chiếu sáng.
1.3 PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
1.3.1 Phƣơng pháp hồi cứu
Trong quá trình thực hiện đề tài, chúng tôi sẽ tiến hành thu thập, sƣu tầm các
thông tin, tài liệu, số liệu về đối tƣợng nghiên cứu trên tất cả các nguồn nhƣ: sách báo,
giáo trình, tạp chí, internet… Những tài liệu, số liệu này sẽ đƣợc lựa chọn, phân tích,
tổng hợp làm cơ sở cho việc định hƣớng và thực hiện nghiên cứu.
1.3.2 Các phƣơng pháp thí nghiệm và phân tích
Các phƣơng pháp thí nghiệm đƣợc áp dụng bao gồm:
- Phƣơng pháp điều chế dung dịch nhũ tƣơng chứa thành phần chính TiO
2
.
- Phƣơng pháp phủ lớp phim mỏng chứa thành phần chính TiO
2
trên hạt bead
ceramic và hạt alummino silicate.
Các phƣơng pháp phân tích đƣợc sử dụng bao gồm:
- Các phƣơng pháp phân tích tính chất hoá lý của lớp phim mỏng TiO
2
và TiO
2
-
SiO

2
trên sợi thủy tinh: Diện tích bề mặt riêng, độ tinh thể hoá, hình thái bề mặt SEM.
- Các phƣơng pháp phân tích chỉ tiêu phenol trong nƣớc.
Chƣơng 1: MỞ ĐẦU
5

1.3.3 Phƣơng pháp nghiên cứu mô hình
Thiết kế, chế tạo và ứng dụng các mô hình ở quy mô phòng thí nghiệm (lab-
scale) để nghiên cứu hiệu quả xử lý phenol trong nƣớc thông qua quá trình xúc tác
quang bằng vật liệu xúc tác dạng lớp phim mỏng phủ trên hạt bead ceramic, hạt
alummino silicate và sợi thủy tinh.
1.3.4 Phƣơng pháp xử lý số liệu
Sử dụng các phƣơng pháp quy hoạch thực nghiệm để phân tích và tối ƣu hoá quá
trình thí nghiệm. Đồng thời sử dụng các phƣơng pháp thống kê toán học để xử lý số
liệu nghiên cứu.

Chƣơng 2: TỔNG QUAN VỀ XÚC TÁC QUANG
6





CHƢƠNG 2
TỔNG QUAN VỀ
XÚC TÁC QUANG


Chƣơng 2: TỔNG QUAN VỀ XÚC TÁC QUANG
7


2.1 TÔNG QUAN VỀ CÁC QUÁ TRÌNH OXI HÓA BẬC CAO
(ADVANCED OXIDATION PROCESSES – AOP)
2.1.1 Sự cần thiết của các công nghệ cao - Những thách thức trƣớc các yêu cầu mới
a. Yêu cầu mở rộng thêm danh mục các chất ô nhiễm, độc hại và thắt chặt
giới hạn nồng độ cho phép của các chất ô nhiễm.
Hóa chất bảo vệ thực vật bao gồm thuốc trừ sâu, thuốc diệt cỏ dại, thuốc trừ nấm
bệnh là những hóa chất độc hại, có loại rất bền vững, khó phân hủy trong điều kiện tự
nhiên theo thời gian. Tại những nƣớc sản xuất nông nghiệp lúc nƣớc, nhƣ Việt Nam,
lƣợng hóa chất bảo vệ thực vật sử dụng ngày càng tăng, trung bình khoảng 4-5
kg/ha.năm, nên lƣợng hóa chất bảo vệ thực vật tan trong nƣớc, ngấm vào đất, xâm
nhập vào nguồn nƣớc mặt, sông ngòi, ao hồ và lan truyền trong các mạch nƣớc ngầm,
tích lũy ngày càng nhiều. Trong số này, đáng chú ý nhiều nhất là những chất ô nhiễm
hữu cơ bền vững (Persistant Organic Pollutants – POPs), là những chất không bị phân
hủy trong môi trƣờng theo thời gian, có thể di chuyển từ vùng này đến vùng khác, lan
truyền rất xa mà không bị thay đổi tính chất. Những chất này gây ảnh hƣởng rất lớn
đối với sức khỏe con ngƣời và hệ sinh thái, gây ung thƣ, tổn thƣơng hệ thần kinh, rối
loạn sinh sản, quái thai, phả hủy hệ miễn dịch, dẫn đến tử vong. Những chất này là đối
tƣợng của Công ước quốc tế Stockholm đã đƣợc 51 nƣớc kí kết, trong đó có Việt Nam,
cam kết xử lý triệt để, tiêu hủy, không sử dụng, không sản xuất và tàng trữ. Công ƣớc
Stockholm nêu đích danh 12 nhóm chất sau đây:
- Aldrin và dieldrin – họ thuốc trừ sâu đƣợc sử dụng cho cây trồng, chủ yếu ngũ
cốc, cây bông vải và trừ mối.
- Clordane – họ thuốc trừ sâu đƣợc sử dụng cho cây trồng, râu quả, khoai tây, mía,
cây ăn trái, củ, cây bông vải. Ngoài ra còn củng nhiều trong trừ mối.
- DDT – họ thuốc trừ sâu đƣợc sử dụng cho cây trồng, đặc biệt là bông vải và diệt
côn trùng gây dịch sốt rét và thƣơng hàn.
- Endrine – họ thuốc trừ sâu đƣợc sử dụng cho cây trồng, đặc biệt là cũng bông vải,
cây có hạt cũng nhƣ dùng để diệt chuột.
- Mirex – họ thuốc trừ sâu và các loại côn trùng. Ngoài ra còn đƣợc sử dụng làm

chất chống cháy cho chất dẻo, cao su.
- Heptachlor – là họ thuốc trừ sâu chủ yếu diệt các loại sâu bệnh trong đất, mối
hay còn dùng để diệt muỗi gây bệnh sốt rét.
- Hexachlorbenzel – là họ thuốc trừ nấm trong hạt ngũ cốc.
Chƣơng 2: TỔNG QUAN VỀ XÚC TÁC QUANG
8

- Polychlordiphenyl (PCB) – là hóa chất đƣợc sử dụng nhiều trong ngành sản xuất
nông nghiệp, chủ yếu trong sản xuất biến thế điện, tụ điện, làm chất lỏng trao đổi nhiệt,
phụ gia cho sơn, trong sản xuất giấy than và chất hóa dẻo. PCB cũng sinh ra trong cac
quá trình thiêu đốt một số chất hữu cơ.
- Dioxine và furan – những chất chủ yếu sinh ra trong quá trình thiêu đốt các chất
hữu cơ, chủ yếu từ các lò đốt rác thải sinh hoạt, rác công nghiệp, rác y tế. Ngoài ra còn
tồn tại dạng vết trong một số thuốc trừ sâu, thuốc bảo quản và PCB.
Do tác hại và hậu quả của các chất ô nhiểm hữu cơ nói chung ảnh hƣởng đến môi
trƣờng sống và sức khỏe của cộng đồng cũng nhƣ qua thực tiễn kiểm chứng nên ngày
nay, danh mục các chất ô nhiễm đƣợc mở rộng thêm (chủ yếu là các chất hữu cơ khó
phân hủy) mà giới hạn nồng độ trong tiêu chuản cho phép lại rất thấp.
b. Yêu cầu về khử trùng triệt để nƣớc uống và nƣớc sinh hoạt: Loại bỏ các
sản phẩm phụ trong quá trình khử trùng và loại bỏ những vi khuẩn, kén
nhộng bền vững.
Nƣớc trong tự nhiên, ngoài các chất hữu cơ khó phân hủy cà có độc tính đƣợc kể
trên, luôn tồn tại các chất hữu cơ tự nhiên (NOM – Natural Organic Matter) nhƣ các
acid humic, acid hữu cơ hòa tan, protein, lipid, hydrocarbon, amino acid. Các thành
phần này có mặt trong nguồn nƣớc thiên nhiên thay đổi theo từng nguồn nƣớc, theo
vùng lãnh thổ, theo từng mùa. Những chất hữu cơ thiên nhiên này sẽ kết hợp với chlor
trong quá trình xử lý nguồn nƣớc mặt hạy nƣớc ngầm để sản xuất nƣớc sạch cho sinh
hoạt và các nhu cầu khác của đời sống. Kết quả là bên cạnh nhu cầu nƣớc sạch đáp
ứng nhu cầu đời sống thỏa mãn tiêu chuẩn nƣớc cho sinh hoạt, còn có các sản phẩm
phụ khác, chủ yếu là các chất hửu cơ chứa chlor, nhƣ trihalomethane (THM), bao gồm

trichloromethane (chloroform), dibromochloromethane, bromodichloromethane và
tribromomethane (bromoform). Những hợp chất này, đặc biệt là chloroform, khi vào
cơ thể sẽ gây các tổn hại đến gan, thận và đã đƣợc chứng mình là có liên quan đến
nguyên nhân gây ung thƣ (thuộc nhóm B trong các chất gây ung thƣ). Vì thế, để tránh
nguy hiểm cho sức khỏe ngƣời dùng nƣớc, gần đây, nhiều quốc gia trên thế giới đã
đƣa ra quy định kiểm soát lƣợng THM và lƣợng HAA (haloacetic acid) trong nƣớc
uống, nƣớc sinh hoạt, nƣớc hồ bơi, quy định hàm lƣợng của chúng phải dƣới 80 g/L.
Điều này buộc phải hạn chế chlor trong xử lý nƣớc thiên nhiên cũng nhƣ trong công
nghệ xử lý truyền thống, cần phải đƣa thêm giai đoạn phân hủy các NOMs trƣớc khi
châm chlor để khử trùng.
Mặt khác, các nhà khoa học đã phát hiện nguyên nhân các trận dịch lớn trên thế
giới là do các kén Giardia và các Cryptosporodium vần tồn tại trong nƣớc sau khi khử
Chƣơng 2: TỔNG QUAN VỀ XÚC TÁC QUANG
9

trùng bằng chlor. Phát hiện đó là công nghệ khử trùng bằng chlor phải đƣợc xem xét
lại và tìm cách thay thế bằng các công nghệ khác, mạnh hơn, an toàn hơn.
c. Yêu cầu về tái sử dụng nƣớc
Theo dự báo của các nhà khoa học về nƣớc trên thế giới, thế giới năm 2030 sẽ
thiếu nƣớc. Vì thế, một vấn đề đƣợc đặt ra là cần có những công nghệ hữu hiệu xử lý
triệt để chất ô nhiễm trong nƣớc, đặc biệt là các POPs và NOMs, để có thể thu hồi lại
đƣợc nƣớc sạch từ các nguồn thải khác nhau, quay về cho sinh hoạt và sản xuất.
Cơ hội xuất hiện các công nghệ cao trong công nghệ xử lý nƣớc và nƣớc thải
Các công nghệ truyền thống không đủ giải quyết các vấn đề đƣợc đặt ở trên. Vì
thế, đó chính là cơ hội và thách thức cho các nhà nghiên cứ tiến hành các hƣớng
nghiên cứu để tìm ra các công nghệ cao (Advanced Technologies) để hỗ trợ các công
nghệ truyền thống trong việc giải quyết các vần đề bức xức đó.
Các công nghệ cao xuất hiện trong những thập kỷ gần đây đã đƣợc ứng dụng
trong công nghệ xử lý nƣớc và nƣớc thải. Trong đó, nổi bật là:
- Công nghệ lọc màng (Membrane Filtration Technologies).

- Công nghệ khử trùng bằng bức xạ tử ngoại (Ultraviolet Irradiation
Disinfection).
- Công nghệ phân hủy khoáng hóa các chất ô nhiễm hữu cơ bằng các quá trình
oxy hóa nâng cao. (Advanced Oxidation Processes – AOPs)
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).
Một trong những công nghệ cao nổi lên trong thời gian gần đây là công nghệ
khoáng hóa chất ô nhiễm hữu cơ trong nƣớc cả nƣớc thải dự các quá trình oxi hóa
nâng cao. Các quá trình oxi hóa nâng cao đƣợc định nghĩa là những quá trình
phân hủy oxi hóa dựa vào gốc tự do hoạt động hydroxyl OH* đƣợc tạo ra tại chỗ
(in situ) ngay trong quá trình xử lý. Gốc hydroxyl là một trong những tác nhân oxi
hóa mạnh nhất đƣợc biết từ trƣớc đến nay, có khả năng phân hủy không chọn lựa mọi
hợp chất hữu cơ, dù là loại khó phân hủy nhất, biến chúng thành các hợp chất vô cơ
(còn gọi là khoáng hóa) không độc hại nhƣ CO
2
, H
2
O, các acid vô cơ… Từ các tác
nhân oxi hóa thông thƣờng nhƣ hydrogen peroxide, ozone… có thể nâng cao khả năng
oxi hóa của chúng bằng các phản ứng khác nhau để tạo ra gốc hydroxyl, thực hiện quá
trình oxi hóa gián tiếp thông qua gốc hydroxyl. Vì vậy các quá trình này đƣợc gọi là
các quá trình oxi hóa nâng cao, Advanced Oxidation Processes – AOPs.
Chƣơng 2: TỔNG QUAN VỀ XÚC TÁC QUANG
10

Các quá trình oxi hóa nâng cao nổi lên nhƣ một loại công nghệ tiên tiến có vai trò
quan trọng trong việc đẩy mạnh quá trình oxi hóa, giúp phân hủy nhiều loại chất hữu
cơ ô nhiễm khác trong nƣớc và không khí. Các quá trình oxi hóa nâng cao rất thích
hợp và đạt hiệu quả cao trong để phân hủy các chất ô nhiễm hữu cơ khó phân hủy
(POPs), hydrocarbon halogen hóa (trihalomethane, trichloroethane,

trichloroethylene…), hydrocarbon aromatic (benzene, toluene, ethylbenzene, xylen…),
PCBs, nitrophenol, các hóa chất bảo vệ thực vật, dioxine và furans, thuốc nhuộm, chất
hoạt động bề mặt…
Ngoài ra, do tác dung oxi hóa cực mạnh của chúng so với các tác nhân diệt khuẩn
truyền thống (các hợp chất chlor) nên các gốc hydroxyl ngoài khả năng tiêu diệt triệt
để các vi khuẩn thông thƣờng nhƣ Escherrichia Coli, Coliform còn diệt đƣợc các tế
bào vi khuẩn và virus gây bệnh mà chlor không thể diệt đƣợc nhƣ Campylobater,
Tersina, Mycobacteria, Legionella, Cryptosporidium… Mặt khác, khử trùng bằng gốc
hydroxyl OH* rất an toàn so cới khử trùng bằng chlor vì không sinh ra các sản phẩm
phụ gây ung thƣ và các chất hữu cơ chứ chlor nhƣ trihalomethane (THM).
Vì tầm quan trọng của công nghệ xử lý nƣớc thải dựa vào các quá trình oxi hóa
nâng cao sẽ tập trung vào những vấn đề này.
2.1.3 Các quá trình tạo ra gốc hydroxyl OH*
Do gốc hydroxyl OH* có khả năng oxi hóa rất mạnh, tốc độ phản ứng oxi hóa
rất nhanh và không chọn lựa khi phản ứng với các hợp chất khác nhau, nhiều công
trình nghiên cứu trong nhiều năm qua là tìm kiếm các tạo ra gốc OH* trên cơ sở các
tác nhân oxi hóa thông thƣờng nhƣ hydrogen peroxide thông qua phản ứng hóa học
(H
2
O
2
/Fe
2+
, O
3
/H
2
O
2
, O

3
/xúc tác), hay nhờ năng lƣợng bức xạ tia UV (O
3
/UV,
H
2
O
2
/UV, O
3
+H
2
O
2
/UV, TiO
2
/UV) và các nguồn năng lƣợng cao (siêu âm, tia gamma,
tia X, chùm electron).
Bảng 2.1 – Cơ chế tạo gốc OH* của các quá trình oxi hóa nâng cao.[1]
STT
Tác nhân phản ứng
Phản ứng đặc trƣng
Tên quá trình
1
H
2
O
2
/Fe
2+


23
22
*H O Fe Fe OH OH
  
   

Fenton (Fenton
Process)
2
H
2
O
2
/Fe
2+
(ion) và
năng lƣợng photon
UV
32
2
( ) *
h
Fe ion H O Fe H OH

  
   

23
22

*H O Fe Fe OH OH
  
   

Quang Fenton
(Photo-fenton
process)
3
H
2
O
2
/Fe
3+
(phức) và
năng lƣợng photon
UV
Fe
3+
(phức)
h


Fe
3+
+ gốc (phức)
23
22
*H O Fe OH OH Fe
  

   
(phức)
Quang fenton biến
thể (Modified
Photo-Fenton)
Chƣơng 2: TỔNG QUAN VỀ XÚC TÁC QUANG
11


= 300 – 500 nm
Process)
4
H
2
O với anode Fe và
năng lƣợng điện hóa
22
1
2*
2
nang luong dien hoa
O H O OH 

Fenton điện hóa
(Electrchemical
Fenton Process)
5
O
3
/H

2
O
2

2 2 3 2
2 2 * 3H O O OH O  

Peroxone Process
6
O
3
và chất xúc tác
3 2 2
3 2 * 4
chat xuc tac
O H O OH O  

(xúc tác đồng thể và dị thể)
Catazone Process
7
H
2
O và năng lƣợng
điện hóa
2
**
nang luong dien hoa
H O OH H 

Oxi hóa điện hóa

(Eclectrochemical
Oxidation
Process)
8
H
2
O và năng lƣợng
siêu âm
2
**
nang luong sieu am
H O OH H 

(20 – 40kHz)
Quá trình siêu âm
(Ultrasound
process)
9
H
2
O và năng lƣợng
cao (tia , tia X, chùm
electron)
2
**
nang luong cao
H O OH H 

(1 – 10 MeV)
Quá trình bức xạ

năng lƣợng cao
(tia , tia X, chùm
electron) (High-
energy radiation
process:

-ray
process, X-ray
process, e-beam
process)
10
H
2
O
2
và năng lƣợng
photon UV
22
2*
h
H O OH



(

= 220 nm)
UV/oxi hóa
(UV/Oxdation
process)

11
O
3
và năng lƣợng
photon UV
3 2 2 2
2*
h
O H O OH O

  

(

= 253,7 nm)
UV/oxi hóa
(UV/Oxdation
process)
12
H
2
O
2
/ O
3
và năng
lƣợng photon UV
2 2 3 2 2
4*
h

H O O H O OH O

   

(

= 253,7 nm)
UV/oxi hóa
(UV/Oxdation
process)
13
H
2
O và năng lƣợng
photon UV chân
không (VUV)
2
**
nang luong VUV
H O OH H 

(

< 190 nm)
VUV/oxi hóa
(VUV/Oxdation
process)
14
TiO
2

và năng lƣợng
photon UV
2
h
TiO e h


 

(

> 187,5 nm)
Quang xúc tác bán
dẫn
(Semiconductor
Chƣơng 2: TỔNG QUAN VỀ XÚC TÁC QUANG
12

2
*
h
h H O H OH


  

*
h
h OH H OH


  
  

Photocatalytic
Process)

2.1.4 Phân loại các quá trình oxi hóa nâng cao:
Theo Cơ quan bảo vệ môi trƣờng Mỹ (United State Environmental Protection
Agency – US. EPA), dựa theo đặc tính của quá trình có hay không có sử dụng nguồn
năng lƣợng bức xạ tử ngoại UV để phân loại các quá trình oxi hóa nâng cao thành 2
nhóm nhƣ sau:
- Nhóm các quá trình oxi hóa nâng cao không nhờ tác nhân ánh sáng (Advanced
Non-Photochemical Oxidation Processes – ANPOs).
- Nhóm các quá trình oxi hóa nâng cao nhờ tác nhân ánh sáng (Advanced
Photochemical Oxidation Processes – APOs).
Bảng 2.2 – Phân loại các quá trình oxi hóa nâng cao [20]
Nhóm quá trình
Quá trình
Nhóm các quá trình oxi hóa nâng cao
không nhờ tác nhân ánh sáng (Advanced
Non-Photochemical Oxidation Processes
– ANPOs)
Quá trình Fenton
Quá trình Peroxone
Quá trình Catazone
Quá trình Oxi hóa điện hóa
Quá trình Fenton điện hóa
Quá trình siêu âm
Quá trình bức xạ năng lƣợng cao
Nhóm các quá trình oxi hóa nâng cao nhờ

tác nhân ánh sáng (Advanced
Photochemical Oxidation Processes –
APOs)
Quá trình UV/ H
2
O
2

Quá trình UV/ O
3

Quá trình UV/H
2
O
2
+ O
3
Quá trình quang fenton biến thể
Quá trình quang Fenton
Quá trình VUV/oxi hóa
Quá trình quang xúc tác bán dẫn UV/TiO
2

Chƣơng 2: TỔNG QUAN VỀ XÚC TÁC QUANG
13

2.1.5 Những ƣu việt của quá trình phân hủy oxi hóa bằng gốc tự do hydroxyl
OH*
2.1.5.1 Gốc hydroxyl OH* và khả năng oxi hóa của gốc hydroxyl
Oxi hóa là quá trình trong đó electron đƣợc chuyển từ chất này sang chất khác.

Điều này tạo cho ra một thế điện cực đƣợc biểu thị bằng volt (V) dự trên hiệu thế điện
cực hydrogen bằng 0. Mỗi chất (tác nhân) oxi hóa đều có một thế oxi hóa khác nhau và
đại lƣợng này dùng để đánh giá tính oxi hóa mạnh hay yếu khác nhau của chúng. Khả
năng oxi hóa đƣợc thể hiện qua thế oxi hóa và đƣợc sắp xếp theo thứ tự trong bảng 2.3.
Bảng 2.3 – Khả năng oxi hóa của một số tác nhân oxi hóa
[Zhou, H. và Smith, D.H., 2001]
Tác nhân oxi hóa
Thế oxi hóa, V
Gốc hydroxyl, OH*
2,80
Ozone
2,07
Hydrogen peroxide
1,78
Permanganate
1,68
Acid hydrobromic
1,59
Chlor dioxide
1,57
Acid hypochloride
1,49
Acid hypoiodide
1,45
Chlor
1,36
Brom
1,09
Iod
0,54

Nhiều tác nhân oxi hóa mạnh đều là các “gốc tự do” (free radicals), trong đó, gốc
hydroxyl OH* là tác nhân oxi hóa mạnh nhất. Thế oxi hóa của gốc hydroxyl OH* là
2,80, cao nhất trong các tác nhân thƣờng gặp, gấp 2,05 lần so với chlor và 1,52 lần so
với ozone.
Đặc tính của các gốc tự do là trung hòa về điện trong khi các ion đều mang điện
tích dƣơng hay âm. Gốc tự do đƣợc tạo thành tự sự tách ra thành hai phần bằng nhau
của liên kết 2 electron, ví dụ nhƣ quang phân H
2
O
2
sẽ thu đƣợc 2 gốc OH* nhƣ sau:
: * *HO OH h OH OH

  

Mỗi gốc OH* đều không mang điện và có thể kết hợp trở lại thành HOOH cũng
không mang điện. Kí hiệu * cho biết là gốc tự do và biểu thị của 1 electron lẻ đôi. Gốc
tự do không tồn tại sẵn nhƣ các tác nhân oxi hóa thông thƣờng và chỉ đƣợc sản sinh tại