Luận án chế tạo hệ quang xúc tác TiO2-SiO2 xử lý phenol - Hồ Thị Ngọc Sương
Luận án tiến sĩ nghiên cứu chế tạo hệ quang xúc tác TiO2-SiO2 trên monolith nhằm xử lý hiệu quả dư lượng phenol trong nước.
Kỹ thuật Hóa học
Luan An
Luận án tiến sĩ
Năm xuất bản
Số trang
234
Thời gian đọc
36 phút
Lượt xem
0
Lượt tải
0
Phí lưu trữ
50 Point
Mục lục chi tiết
Tóm tắt nội dung
I.Cải thiện quang xúc tác TiO2 Nâng cao hiệu quả xử lý phenol
Xử lý phenol trong nước là một thách thức lớn trong công nghiệp và môi trường. TiO2 từ lâu đã được công nhận là vật liệu quang xúc tác đầy hứa hẹn. Đặc tính ưu việt của TiO2 bao gồm hoạt tính quang xúc tác cao, chi phí sản xuất thấp, và tính thân thiện môi trường. Tuy nhiên, TiO2 nguyên chất vẫn còn tồn tại những hạn chế đáng kể. Những hạn chế này làm giảm hiệu quả ứng dụng thực tế. Nghiên cứu này tập trung vào việc giải quyết các nhược điểm đó. Mục tiêu là tạo ra một hệ quang xúc tác TiO2-SiO2 cải tiến. Hệ thống này sẽ tối ưu hóa khả năng xử lý dư lượng phenol trong nước. Việc biến tính cấu trúc vật liệu là giải pháp trọng tâm. Nó nhằm mục đích tăng cường hoạt tính, cải thiện khả năng thu hồi. Đồng thời, hệ thống mới phải đảm bảo tính bền vững cho ứng dụng lâu dài. Sự kết hợp các phương pháp biến tính hứa hẹn mang lại hiệu quả vượt trội. Đây là bước tiến quan trọng trong công nghệ xử lý nước thải.
Nghiên cứu này đi sâu vào việc biến tính TiO2. Mục tiêu chính là khắc phục các nhược điểm cố hữu của vật liệu. Cấu trúc vi mô của TiO2 được thay đổi một cách có chủ đích. Việc bổ sung SiO2 nhằm mục đích tăng đáng kể diện tích bề mặt riêng của xúc tác. Điều này cung cấp nhiều vị trí hoạt động hơn cho phản ứng quang xúc tác. Tiếp theo, bạc (Ag) được pha tạp vào vật liệu. Mục tiêu của việc pha tạp Ag là thu hẹp năng lượng vùng cấm của TiO2. Điều này cho phép xúc tác hấp thụ phổ ánh sáng rộng hơn, bao gồm cả ánh sáng nhìn thấy, tăng cường hoạt tính dưới ánh sáng tự nhiên. Cuối cùng, hệ xúc tác được phủ lên cấu trúc monolith. Lớp phủ này giải quyết vấn đề khó thu hồi hạt nano. Monolith giúp vật liệu dễ dàng tách khỏi nước sau xử lý. Khả năng tái sử dụng cũng được cải thiện đáng kể. Toàn bộ quá trình biến tính nhằm mục đích tạo ra một hệ quang xúc tác mạnh mẽ, bền vững và hiệu quả hơn trong việc xử lý ô nhiễm phenol.
1.1. Hạn chế của TiO2 nguyên chất trong xử lý nước
TiO2 là một chất quang xúc tác được sử dụng rộng rãi. Vật liệu này xử lý hiệu quả các chất ô nhiễm hữu cơ trong nước. Hoạt tính quang xúc tác cao là một ưu điểm. Chi phí sản xuất thấp cũng là lợi thế. TiO2 thân thiện với môi trường. Tuy nhiên, tồn tại nhiều hạn chế cần cải thiện. Diện tích bề mặt riêng của TiO2 tương đối thấp, chỉ khoảng 50 m2/g. Năng lượng vùng cấm của vật liệu này khá rộng, ở mức 3,2 eV. Kích thước hạt nano gây khó khăn trong quá trình thu hồi và tái sử dụng. Những nhược điểm này làm giảm hiệu quả tổng thể và tính bền vững của ứng dụng TiO2. Việc khắc phục những vấn đề này là cần thiết để tối ưu hóa khả năng xử lý phenol và các chất ô nhiễm khác trong nước. Nghiên cứu này nhằm mục đích giải quyết những thách thức đó, tạo ra một giải pháp xử lý nước tiên tiến hơn.
1.2. Mục tiêu biến tính TiO2 Tăng cường hoạt tính và thu hồi
Nghiên cứu đặt mục tiêu rõ ràng trong việc cải thiện hiệu quả của TiO2. Biến tính vật liệu này là giải pháp chính. Cấu trúc vi mô của TiO2 được thay đổi một cách có chủ đích. Việc bổ sung SiO2 nhằm mục đích tăng đáng kể diện tích bề mặt riêng của xúc tác. Điều này cung cấp nhiều vị trí hoạt động hơn cho phản ứng quang xúc tác. Tiếp theo, bạc (Ag) được pha tạp vào vật liệu. Mục tiêu của việc pha tạp Ag là thu hẹp năng lượng vùng cấm của TiO2. Điều này cho phép xúc tác hấp thụ phổ ánh sáng rộng hơn, bao gồm cả ánh sáng nhìn thấy, tăng cường hoạt tính dưới ánh sáng tự nhiên. Cuối cùng, hệ xúc tác được phủ lên cấu trúc monolith. Lớp phủ này giải quyết vấn đề khó thu hồi hạt nano. Monolith giúp vật liệu dễ dàng tách khỏi nước sau xử lý. Khả năng tái sử dụng cũng được cải thiện đáng kể. Toàn bộ quá trình biến tính nhằm mục đích tạo ra một hệ quang xúc tác mạnh mẽ, bền vững và hiệu quả hơn trong việc xử lý ô nhiễm phenol.
1.3. Vai trò của SiO2 và Ag trong hệ quang xúc tác
SiO2 đóng vai trò then chốt trong việc tối ưu hóa cấu trúc vật liệu. Chức năng chính của nó là tăng cường diện tích bề mặt riêng của TiO2. Sự kết hợp này tạo ra vật liệu TiO2-SiO2 composite. Tỉ lệ mol Ti:Si được nghiên cứu và tối ưu hóa ở mức 95:5. Với tỉ lệ này, vật liệu đạt diện tích bề mặt riêng ấn tượng 170,9 m2/g. Con số này cao hơn nhiều so với TiO2 nguyên chất. Diện tích bề mặt lớn hơn cung cấp nhiều vị trí phản ứng hơn. Điều này tăng cường hiệu quả hấp phụ và phân hủy chất ô nhiễm. Ag được đưa vào để cải thiện tính chất quang học của xúc tác. Bạc giúp thu hẹp năng lượng vùng cấm của vật liệu. Tỉ lệ mol Ag/Ti được xác định là 3%. Với sự pha tạp này, năng lượng vùng cấm giảm xuống 2,93 eV. Năng lượng vùng cấm hẹp hơn cho phép xúc tác hấp thụ ánh sáng hiệu quả hơn. Đặc biệt, nó có thể tận dụng tốt hơn phổ ánh sáng nhìn thấy. Sự kết hợp giữa SiO2 và Ag mang lại một hệ quang xúc tác mạnh mẽ. Hệ thống này có cả diện tích bề mặt lớn và khả năng hấp thụ ánh sáng cải thiện.
II.Thiết kế vật liệu TiO2 SiO2 Ag Monolith tối ưu xử lý nước
Việc chế tạo hệ quang xúc tác hiệu quả đòi hỏi một chiến lược thiết kế vật liệu toàn diện. Nghiên cứu này tập trung vào việc kết hợp các ưu điểm của TiO2 với các biến tính thông minh. Mục tiêu là tạo ra một vật liệu có khả năng xử lý phenol vượt trội. Đầu tiên, TiO2 được biến tính với SiO2. Điều này nhằm giải quyết vấn đề diện tích bề mặt thấp của TiO2 nguyên chất. Sau đó, bạc (Ag) được pha tạp để điều chỉnh năng lượng vùng cấm. Việc này mở rộng khả năng hấp thụ ánh sáng của vật liệu. Một yếu tố quan trọng khác là chất mang xúc tác. Monolith được lựa chọn vì những ưu điểm về tỉ lệ bề mặt/thể tích và khả năng truyền khối. Tuy nhiên, monolith cũng có những hạn chế riêng. Để tối ưu hóa, một lớp lót SiO2 được phủ lên monolith. Lớp lót này giúp tăng diện tích bề mặt và cải thiện khả năng bám dính của xúc tác. Cuối cùng, việc tích hợp sợi quang vào các kênh monolith là một đổi mới. Nó giải quyết vấn đề chiếu sáng kém bên trong cấu trúc. Tổng thể, thiết kế này tạo ra một hệ thống quang xúc tác hiệu quả và bền vững. Hệ thống có thể ứng dụng trong xử lý nước thải quy mô lớn. Các bước này đảm bảo vật liệu có hoạt tính cao, dễ thu hồi và tái sử dụng.
2.1. Biến tính TiO2 với SiO2 và pha tạp Ag để tăng hiệu quả
Việc biến tính TiO2 là một quá trình được thiết kế kỹ lưỡng nhằm nâng cao hiệu suất xử lý phenol. Đầu tiên, SiO2 được kết hợp vào cấu trúc của TiO2. Mục tiêu chính của việc này là tăng cường đáng kể diện tích bề mặt riêng của vật liệu. Một diện tích bề mặt lớn hơn cung cấp nhiều trung tâm hoạt động hơn cho các phản ứng quang xúc tác. Đồng thời, nó tăng khả năng hấp phụ của vật liệu đối với các chất ô nhiễm. Tiếp theo, nguyên tố bạc (Ag) được pha tạp vào vật liệu composite TiO2-SiO2. Ag đóng vai trò quan trọng trong việc điều chỉnh tính chất điện tử của xúc tác. Bạc giúp thu hẹp năng lượng vùng cấm của vật liệu. Điều này cho phép xúc tác hấp thụ ánh sáng hiệu quả hơn, đặc biệt là trong vùng ánh sáng nhìn thấy. Kết quả là tạo ra vật liệu Ag-TiO2-SiO2. Vật liệu này có hoạt tính quang xúc tác vượt trội so với TiO2 nguyên chất. Quá trình biến tính này là chìa khóa để tạo ra một hệ xúc tác mạnh mẽ và hiệu quả hơn.
2.2. Lựa chọn monolith và lớp lót SiO2 làm chất mang xúc tác
Lựa chọn monolith làm chất mang cho xúc tác là một quyết định chiến lược. Monolith sở hữu nhiều ưu điểm nổi bật. Nó có tỉ lệ bề mặt trên thể tích lớn, giúp tối ưu hóa không gian phản ứng. Khả năng truyền khối của monolith cũng rất tốt, đảm bảo sự tiếp xúc hiệu quả giữa chất ô nhiễm và xúc tác. Thêm vào đó, hệ thống monolith có tiềm năng mở rộng lên quy mô công nghiệp. Tuy nhiên, monolith cũng có những hạn chế cố hữu. Diện tích bề mặt riêng của monolith tương đối thấp. Sự chiếu sáng vào bên trong các kênh monolith thường kém. Những yếu tố này có thể làm giảm hiệu quả tổng thể. Để khắc phục nhược điểm, một lớp lót SiO2 được phủ lên monolith trước khi phủ xúc tác chính. Lớp lót SiO2 này có chức năng tăng đáng kể diện tích bề mặt riêng của monolith. Điều này tạo ra một bề mặt tốt hơn để xúc tác bám dính. Nó cũng cải thiện khả năng tiếp xúc giữa xúc tác và các chất phản ứng. Việc sử dụng lớp lót SiO2 là một giải pháp thông minh. Nó giúp tối ưu hóa hiệu suất của hệ quang xúc tác phủ trên monolith.
2.3. Tích hợp sợi quang Cải thiện truyền sáng trong monolith
Một trong những thách thức lớn khi sử dụng monolith là sự hạn chế trong việc truyền sáng. Ánh sáng không dễ dàng xuyên sâu vào tất cả các kênh bên trong cấu trúc monolith. Điều này dẫn đến việc chỉ một phần nhỏ của lớp xúc tác nhận đủ ánh sáng để hoạt động hiệu quả. Để giải quyết vấn đề này, một cải tiến quan trọng đã được áp dụng. Sợi quang được tích hợp trực tiếp vào các kênh của monolith. Vai trò của sợi quang là truyền và phân tán ánh sáng một cách hiệu quả hơn. Chúng giúp đưa ánh sáng đến những khu vực sâu hơn trong monolith. Điều này đảm bảo rằng toàn bộ lớp xúc tác nhận được đủ năng lượng quang. Kết quả là sự phân phối ánh sáng đồng đều hơn. Hiệu quả sử dụng năng lượng ánh sáng được tối ưu hóa. Điều này trực tiếp làm tăng hiệu suất quang xúc tác. Khả năng phân hủy phenol được cải thiện đáng kể. Việc kết hợp sợi quang là một bước tiến quan trọng. Nó biến monolith thành một hệ thống quang xúc tác hiệu quả hơn.
III.Phân tích cấu trúc hệ quang xúc tác tiên tiến để xử lý phenol
Việc xác định cấu trúc và tính chất của vật liệu là bước then chốt. Nó giúp hiểu rõ cơ chế hoạt động và tối ưu hóa hiệu suất. Luận án này đã sử dụng một loạt các phương pháp phân tích tiên tiến. Các phương pháp này đảm bảo tính chính xác và toàn diện. Chúng giúp xác nhận thành công của quá trình chế tạo vật liệu. Kết quả phân tích cung cấp thông tin chi tiết về cấu trúc tinh thể. Nó cũng cho biết hình thái bề mặt, thành phần nguyên tố. Đồng thời, các tính chất quang điện tử cũng được đánh giá. Đặc biệt, việc xác nhận sự hình thành pha anatase của TiO2 là quan trọng. Đây là pha có hoạt tính quang xúc tác cao nhất. Sự pha tạp Ag và lớp phủ trên monolith cũng được kiểm tra kỹ lưỡng. Các phân tích này khẳng định vật liệu được chế tạo đúng theo thiết kế. Nó có tiềm năng xử lý phenol hiệu quả. Thông tin này là cơ sở để đánh giá hiệu suất xử lý thực tế của hệ quang xúc tác. Các kỹ thuật phân tích tiên tiến này đảm bảo chất lượng của vật liệu. Chúng giúp tối ưu hóa ứng dụng trong xử lý nước thải ô nhiễm phenol.
3.1. Phương pháp phân tích vật liệu quang xúc tác chính
Vật liệu chế tạo được phân tích kỹ lưỡng. Nhiều phương pháp hiện đại được sử dụng. Nhiễu xạ tia X (XRD) xác định cấu trúc tinh thể. Kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) và quét (SEM) quan sát hình thái. Ánh xạ EDX (EDX-mapping) xác định phân bố nguyên tố. Đẳng nhiệt hấp phụ-giải hấp N2 (BET) đo diện tích bề mặt. Phổ phản xạ khuếch tán UV-Vis (DRS) xác định năng lượng vùng cấm. Khối phổ (ICP-MS) đo nồng độ kim loại. Quang phổ phát quang (PL) đánh giá hiệu quả tách electron-lỗ trống. Phổ Raman xác nhận pha tinh thể. Các phương pháp này cung cấp cái nhìn toàn diện về vật liệu.
3.2. Kết quả cấu trúc TiO2 SiO2 và pha tạp Ag tối ưu
Kết quả phân tích cho thấy sự thành công của quá trình chế tạo. Vật liệu TiO2-SiO2 composite có tỉ lệ mol Ti:Si là 95:5. Vật liệu này đạt diện tích bề mặt riêng 170,9 m2/g. Nó chỉ có một pha TiO2 duy nhất: anatase. Pha anatase nổi tiếng với hoạt tính quang xúc tác cao. Sau khi biến tính với Ag, năng lượng vùng cấm thay đổi. Tỉ lệ mol Ag/Ti là 3%. Năng lượng vùng cấm giảm xuống 2,93 eV. Kết quả EDX-mapping xác nhận Ag được pha tạp vào cấu trúc. Ag phân bố đồng đều trong vật liệu TiO2-SiO2 composite. Những đặc tính này là lý do cho hiệu quả cao của vật liệu.
3.3. Xác nhận lớp phủ xúc tác trên bề mặt monolith
Phổ Raman cho thấy lớp xúc tác Ag(3%)-TiO2-SiO2 phủ trên monolith. Nó chỉ có một pha TiO2 duy nhất là anatase. Điều này đảm bảo hoạt tính cao của lớp phủ. Ảnh SEM cung cấp bằng chứng trực quan. Ảnh SEM bề mặt và mặt cắt của monolith được chụp. Chúng chứng minh xúc tác Ag(3%)-TiO2-SiO2 phủ thành công. Lớp phủ bám chắc trên bề mặt monolith. Kết quả EDX-mapping cũng xác nhận điều này. Nguyên tố Ag được kết hợp trong chất xúc tác quang. Ag lắng đọng đồng đều trên bề mặt TiO2-SiO2/SiO2/Monolith. Các bằng chứng này khẳng định chất lượng của hệ xúc tác.
IV.Đánh giá hiệu suất xử lý phenol bằng quang xúc tác TiO2 SiO2
Hiệu suất xử lý phenol là thước đo quan trọng nhất của hệ quang xúc tác. Nghiên cứu này đã tiến hành đánh giá chi tiết cả vật liệu dạng bột và dạng lớp phủ trên monolith. Mục tiêu là xác định khả năng phân hủy phenol dưới các điều kiện chiếu sáng khác nhau. Đầu tiên, hiệu suất của vật liệu dạng bột được kiểm tra. Việc này thiết lập một cơ sở để so sánh. Sau đó, hệ thống monolith với lớp phủ xúc tác và sợi quang được thử nghiệm. Điều này mô phỏng các điều kiện ứng dụng thực tế. Một yếu tố quan trọng khác là việc sử dụng chất oxy hóa bổ trợ. Potassium monopersulfate được thêm vào để nâng cao hiệu suất. Kết quả cho thấy vật liệu biến tính Ag(3%)-TiO2-SiO2 luôn cho hiệu suất cao hơn. Sự kết hợp các yếu tố tối ưu đã dẫn đến khả năng xử lý phenol vượt trội. Đặc biệt, hiệu suất đạt gần 100% trong một số trường hợp. Điều này khẳng định tiềm năng lớn của hệ quang xúc tác TiO2-SiO2. Nó có thể ứng dụng trong các hệ thống xử lý nước thải công nghiệp. Các thử nghiệm được thực hiện dưới các điều kiện kiểm soát chặt chẽ. Điều này đảm bảo tính tin cậy của kết quả. Hiệu suất cao đạt được là minh chứng cho sự thành công của quá trình chế tạo vật liệu.
4.1. Hiệu suất phân hủy phenol với vật liệu dạng bột
Hiệu suất quang xúc tác xử lý phenol được đánh giá. Hai vật liệu dạng bột được kiểm tra. Đó là TiO2-SiO2 (tỉ lệ mol Ti:Si 95:5) và Ag(3%)-TiO2-SiO2. Thử nghiệm sử dụng đèn compact 26 W. Đèn này mô phỏng ánh sáng tự nhiên. Điều kiện xử lý giống nhau cho cả hai. Nồng độ phenol ban đầu là 10 ppm. Liều lượng xúc tác là 1,0 g/L. Thời gian chiếu sáng là 4 giờ. Vật liệu TiO2-SiO2 đạt hiệu suất 91,5%. Vật liệu Ag(3%)-TiO2-SiO2 đạt hiệu suất cao hơn, 97,4%. Sự pha tạp Ag cải thiện rõ rệt hiệu suất. Kết quả này chứng minh tiềm năng của vật liệu biến tính.
4.2. Hiệu suất xử lý phenol với lớp phủ monolith và sợi quang
Hiệu suất xử lý phenol cũng được đánh giá với lớp phủ. Vật liệu TiO2-SiO2 và Ag(3%)-TiO2-SiO2 dạng lớp phủ trên monolith tổ ong. Đèn LED 100 W phát bức xạ UVA (λ = 395 nm) được sử dụng. Điều kiện xử lý tương tự như trên. Thêm vào đó, có sự kết hợp của sợi quang. Với lớp phủ TiO2-SiO2/SiO2/monolith, hiệu suất là 39,2%. Với lớp phủ Ag(3%)-TiO2-SiO2/SiO2/monolith, hiệu suất là 49,5%. Hiệu suất này thấp hơn vật liệu dạng bột. Tuy nhiên, đây là bước tiến lớn cho hệ thống tái sử dụng. Nó cho thấy tiềm năng trong môi trường thực tế.
4.3. Nâng cao hiệu suất bằng chất oxy hóa Potassium monopersulfate
Hiệu suất xử lý phenol với lớp phủ được cải thiện. Sự hỗ trợ của chất oxy hóa Potassium monopersulfate (PMS) được thêm vào. Nồng độ PMS là 1,0 mM. Với sự kết hợp này, hiệu suất tăng đáng kể. Lớp phủ TiO2-SiO2/SiO2/monolith đạt 94,8%. Lớp phủ Ag(3%)-TiO2-SiO2/SiO2/monolith đạt 99,5%. Hiệu suất này tương đương hoặc cao hơn vật liệu dạng bột. Việc sử dụng chất oxy hóa bổ trợ là rất hiệu quả. Nó giải quyết vấn đề truyền sáng kém của monolith. Đây là một giải pháp tối ưu hóa hiệu suất. Điều này mở ra hướng đi mới cho các ứng dụng thực tiễn.
V.Ứng dụng thực tiễn tái sử dụng hệ xúc tác TiO2 SiO2 monolith
Khả năng tái sử dụng là một yếu tố then chốt quyết định tính bền vững của bất kỳ công nghệ xử lý nào. Đối với hệ quang xúc tác, việc có thể sử dụng vật liệu qua nhiều chu kỳ mà không mất đi hiệu quả là vô cùng quan trọng. Nghiên cứu này đã đặc biệt chú trọng đến khía cạnh này. Vật liệu dạng lớp phủ trên monolith được đánh giá nghiêm ngặt về độ bền và khả năng duy trì hoạt tính. Kết quả cho thấy hệ xúc tác duy trì hiệu suất ổn định sau nhiều lần sử dụng. Điều này khẳng định tiềm năng ứng dụng thực tiễn của nó. Một quy trình tái hoạt hóa đơn giản cũng đã được phát triển. Quy trình này đảm bảo vật liệu có thể nhanh chóng trở lại trạng thái tối ưu cho chu kỳ xử lý tiếp theo. Sự kết hợp giữa hiệu suất cao, khả năng tái sử dụng và quy trình vận hành đơn giản làm cho hệ quang xúc tác TiO2-SiO2/monolith trở thành một giải pháp hấp dẫn. Nó có thể được triển khai rộng rãi trong các hệ thống xử lý nước thải công nghiệp. Các tính năng này giảm chi phí vận hành và tối thiểu hóa tác động môi trường. Đây là một lợi thế cạnh tranh lớn so với các phương pháp xử lý truyền thống. Vật liệu này cung cấp một giải pháp bền vững cho vấn đề ô nhiễm phenol. Việc này đóng góp vào mục tiêu phát triển bền vững.
5.1. Khẳng định khả năng tái sử dụng ổn định của vật liệu
Khả năng tái sử dụng của vật liệu quang xúc tác là một yếu tố cực kỳ quan trọng đối với các ứng dụng thực tiễn. Nghiên cứu đã tập trung vào việc đánh giá tính ổn định của hệ vật liệu dạng lớp phủ trên monolith. Kết quả cho thấy hiệu suất xử lý phenol trong nước vẫn được duy trì ổn định. Điều này được chứng minh rõ ràng sau khi vật liệu trải qua 4 chu kỳ sử dụng liên tiếp. Sự ổn định này khẳng định độ bền và tính hiệu quả lâu dài của hệ xúc tác. Khả năng tái sử dụng cao giúp giảm đáng kể chi phí vận hành và thay thế vật liệu. Đồng thời, nó tăng cường tính bền vững và thân thiện môi trường của công nghệ xử lý nước. Đây là một ưu điểm nổi bật, mở ra tiềm năng lớn cho việc triển khai hệ quang xúc tác TiO2-SiO2/monolith trong các ứng dụng xử lý nước thải công nghiệp.
5.2. Quy trình tái hoạt hóa đơn giản cho hệ xúc tác
Để đảm bảo khả năng tái sử dụng hiệu quả và duy trì hoạt tính cao, một quy trình tái hoạt hóa đơn giản đã được phát triển cho hệ xúc tác. Sau mỗi chu kỳ xử lý, ống monolith tổ ong với lớp phủ vật liệu sẽ được thu hồi. Đầu tiên, chúng được rửa sạch kỹ lưỡng. Bước này loại bỏ các chất ô nhiễm còn sót lại trên bề mặt xúc tác. Tiếp theo, vật liệu được sấy khô hoàn toàn. Cuối cùng, chúng được nung hoạt hóa. Nhiệt độ nung được thiết lập ở 300 °C. Thời gian nung là 2 giờ. Quá trình nung này giúp loại bỏ hoàn toàn các chất hữu cơ bám dính. Nó cũng khôi phục cấu trúc và các vị trí hoạt động của xúc tác. Quy trình tái hoạt hóa này đơn giản, dễ thực hiện và tiết kiệm chi phí. Điều này rất quan trọng cho việc triển khai ở quy mô lớn. Nó đảm bảo hiệu suất xử lý ổn định qua nhiều chu kỳ.
Tải xuống file đầy đủ để xem toàn bộ nội dung
Tải đầy đủ (234 trang)Trích đoạn nội dung luận án
Tải xuống để đọc toàn bộĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HỒ THỊ NGỌC SƯƠNG CHẾ TẠO HỆ QUANG XÚC TÁC TiO2 – SiO2 TRÊN MONOLITH ĐỂ XỬ LÝ DƯ LƯỢNG PHENOL TRONG NƯỚC LUẬN ÁN TIẾN SĨ TP. HỒ CHÍ MINH - NĂM 2024 VIET NAM NATIONAL UNIVERSITY-HO CHI MINH CITY HO CHI MINH CITY UNIVERSITY OF TECHNOLOGY HO THI NGOC SUONG PREPARATION OF TiO2-SiO2/MONOLITH PHOTOCATALYST FOR TREATMENT OF PHENOL RESIDUES IN AQUEOUS SOLUTIONS PhD THESIS HO CHI MINH CITY - 2024 ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HỒ THỊ NGỌC SƯƠNG CHẾ TẠO HỆ QUANG XÚC TÁC TiO2 – SiO2 TRÊN MONOLITH ĐỂ XỬ LÝ DƯ LƯỢNG PHENOL TRONG NƯỚC Chuyên ngành: KỸ THUẬT HÓA HỌC Mã số chuyên ngành: 9520301 Phản biện độc lập: PGS.
Nguyễn Đình Thành Phản biện độc lập: PGS. Nguyễn Thị Trúc Linh Phản biện: PGS. Phạm Nguyễn Kim Tuyến Phản biện: PGS. Huỳnh Kỳ Phương Hạ Phản biện: PGS.
Hoàng Thị Kim Dung NGƯỜI HƯỚNG DẪN: 1. Lê Minh Viễn 2. Ngô Mạnh Thắng LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân tôi. Các kết quả nghiên cứu và các kết luận trong luận án này là trung thực, và không sao chép từ bất kỳ một nguồn nào và dưới bất kỳ hình thức nào.
Việc tham khảo các nguồn tài liệu đã được thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định. Tác giả luận án Hồ Thị Ngọc Sương i TÓM TẮT LUẬN ÁN TiO2 là một chất xúc tác quang thường được sử dụng để xử lý các chất ô nhiễm hữu cơ trong nước vì có những ưu điểm như hoạt tính quang xúc tác cao, chi phí thấp và thân thiện với môi trường. Tuy nhiên bên cạnh ưu điểm, TiO2 còn có nhược điểm như diện tích bề mặt riêng tương đối thấp (50 m2/g), năng lượng vùng cấm rộng (3,2 eV) và kích thước hạt nano khó thu hồi. Do đó trong luận án TiO2 được biến tính, thay đổi cấu trúc vi mô với SiO2 nhằm mục đích cải thiện bề mặt riêng, sau đó pha tạp Ag nhằm thu hẹp năng lượng vùng cấm, cuối cùng phủ xúc tác lên monolith để cải thiện khả năng thu hồi và tái sử dụng.
Monolith được chọn làm chất mang xúc tác với ưu điểm về tỉ lệ bề mặt/thể tích lớn, khả năng truyền khối tốt và có thể thực hiện ở quy mô lớn. Tuy nhiên, đi kèm với ưu điểm này là nhược điểm về diện tích bề mặt riêng thấp và sự chiếu sáng bên trong các kênh monolith kém. Để cải thiện vấn đề trên, monolith được phủ lót một lớp SiO2 để tăng diện tích bề mặt riêng trước khi thực hiện phủ xúc tác. Khi thực nghiệm xử lý phenol, các kênh monolith được tích hợp thêm các sợi quang để cải thiện sự truyền sáng.
Vật liệu chế tạo trong luận án này được phân tích bởi các phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD), kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM), kính hiển vi điện tử quét (SEM), ánh xạ EDX (EDX-mapping), đẳng nhiệt hấp phụ-giải hấp N2 (BET), phổ phản xạ khuếch tán UV-Vis (DRS), khối phổ (ICP-MS), quang phổ phát quang (PL) và Raman. Kết quả cho thấy vật liệu TiO2-SiO2 composite với tỉ lệ mol Ti:Si là 95:5 có diện tích bề mặt riêng 170,9 m2/g và có một pha TiO2 duy nhất – anatase. Vật liệu này sau khi được biến tính với Ag (tỉ lệ mol Ag/Ti là 3%) có năng lượng vùng cấm là 2,93 eV. Kết quả EDX-mapping cho thấy nguyên tố Ag được pha tạp vào cấu trúc của vật liệu TiO2-SiO2 composite.
Phổ Raman cho thấy lớp xúc tác Ag(3%)-TiO2-SiO2 phủ trên monolith có một pha TiO2 duy nhất là anatase. Ảnh SEM bề mặt và mặt cắt của các vật liệu monolith chứng minh xúc tác Ag(3%)-TiO2-SiO2 đã được phủ thành công lên trên bề mặt monolith. Kết quả EDX-mapping cũng đã chỉ ra nguyên tố Ag đã được kết hợp trong chất xúc tác quang và lắng đọng đồng đều trên bề mặt TiO2-SiO2/SiO2/Monolith. ii Hiệu suất quang xúc tác xử lý phenol trong nước của cả hai vật liệu dạng bột TiO2-SiO2 (tỉ lệ mol Ti:Si là 95:5) và Ag(3%)-TiO2-SiO2 đã được đánh giá với đèn compact 26 W – mô phỏng ánh sáng tự nhiên.
Ở cùng điều kiện xử lý – nồng độ phenol ban đầu 10 ppm, liều lượng xúc tác 1,0 g/L và thời gian chiếu sáng 4 giờ – hiệu suất phân huỷ phenol đạt 91,5% với vật liệu TiO2-SiO2 và 97,4% với vật liệu Ag(3%)-TiO2-SiO2. Hiệu suất quang xúc tác xử lý phenol trong nước của cả hai vật liệu TiO2-SiO2 (tỉ lệ mol Ti:Si là 95:5) và Ag(3%)-TiO2-SiO2 dạng lớp phủ trên bề mặt monolith tổ ong đã được đánh giá với đèn LED 100 W – phát bức xạ UVA (λ = 395 nm). Ở cùng điều kiện xử lý như trên, với sự kết hợp của sợi quang, hiệu suất phân huỷ phenol đạt 39,2% với lớp phủ TiO2-SiO2/SiO2/monolith và 49,5% với lớp phủ Ag(3%)-TiO2- SiO2/SiO2/monolith. Các hiệu suất này được cải thiện nâng cao hơn hẳn với sự hỗ trợ của chất oxy hóa Potassium monopersulfate (1,0 mM), đạt 94,8% với lớp phủ TiO2-SiO2/SiO2/monolith và 99,5% với lớp phủ Ag(3%)-TiO2-SiO2/SiO2/monolith.
Khả năng tái sử dụng vật liệu dạng lớp phủ được khẳng định với hiệu suất xử lý phenol trong nước ổn định sau 4 chu kỳ. Ống monolith tổ ong với lớp phủ vật liệu được rửa, sấy và nung hoạt hóa ở 300 °C trong 2 giờ trước khi tái sử dụng. iii ABSTRACT TiO2, a commonly utilized photocatalyst, finds application in the treatment of organic pollutants in water due to its advantages such as high photocatalytic activity, cost- effectiveness, and environmental compatibility. However, alongside its advantages, TiO2 exhibits drawbacks, including a relatively low specific surface area (50 m2/g), a wide bandgap (3.2 eV), and challenges in recovering nano-sized particles.
Therefore, within the scope of this thesis, TiO2 is modified by microstructural alterations with SiO2 to enhance its specific surface area. Subsequently, the additional doping Ag serves to narrow the composite’s bandgap, and coating onto a monolith serves to improve its recovery and reusability. The monolith is selected as a catalyst carrier due to its advantageous high surface area- to-volume ratio, effective mass transfer, and scalability. However, alongside its advantages, monolith exhibits drawbacks related to a low specific surface area and insufficient illumination within the monolith channels.
To address these issues, within the scope of the thesis, a SiO2 intermediate layer is applied to the monolith before catalyst coating to augment the specific surface area. Moreover, optical fibres are integrated into the monolith channels to enhance light transmission. The synthesized composites were characterized by X-ray diffraction (XRD), transmission electron microscopy (TEM), scanning electron microscopy (SEM), EDX-mapping, N2 adsorption-desorption isotherms (BET), UV-Vis diffuse reflectance spectra, Inductively coupled plasma mass spectroscopy (ICP-MS), photoluminescence spectroscopy (PL) and Raman analysis methods. The results show that the TiO2-SiO2 composite material with a Ti:Si molar ratio of 95:5 has a specific surface area of 170.9 m2/g and exhibits a single TiO2 phase – anatase.
Its doping by Ag (ratio Ag/Ti 3%) resulted the Ag(3%)-TiO2-SiO2 material with a bandgap energy of 2. The EDX-mapping results indicated the presence of Ag elements doped into the TiO2-SiO2 composite structure. The Raman spectroscopy reveals that the Ag(3%)-TiO2-SiO2 catalyst layer coated on the monolith has a single TiO2 phase – anatase. iv The surface and cross-section SEM images of monolith materials proved that Ag(3%)-TiO2-SiO2 were successfully coated on the monolith surface.
The EDX-mapping results also demonstrated that the Ag element had been effectively integrated into the structure and uniformly distributed on the surface of the TiO2-SiO2/SiO2/monolith. The synthesized TiO2-SiO2 (with Ti:Si molar ratio 95:5) and Ag(3%)-TiO2-SiO2 powders were tested for photocatalytic treatment of phenol in water using a 26 W compact lamp, simulating natural light. Under the same treatment conditions – initial phenol concentration 10 ppm, catalyst dosage 1.0 g/L, and 4 hours illumination time – the phenol removal efficiency achieved with TiO2-SiO2 and Ag(3%)-TiO2-SiO2 materials were 91. The honeycomb monoliths coated by the synthesized TiO2-SiO2 (with Ti:Si molar ratio 95:5) or Ag(3%)-TiO2-SiO2 were tested for photocatalytic treatment of phenol in water using a LED 100 W lamp, illuminating UVA (λ = 395 nm).
Under the same treatment conditions mentioned above, with the combination of optical fibers, the phenol removal efficiency achieved with coated layers TiO2-SiO2/SiO2/monolith and Ag(3%)-TiO2-SiO2/SiO2/monolith were 39. This phenol removal efficiency was further enhanced by addition of potassium monopersulfate oxidizing agent (1.8% for TiO2-SiO2/SiO2/monolith and 99.5% for Ag(3%)-TiO2-SiO2/SiO2/monolith, respectively. The durability of coated layers proved to be sufficient as the phenol removal efficiency remained stable after 4 cycles of regeneration. The coated monolith was washed, dried, and heated at 300 °C for 2 hours before reuse.
v LỜI CÁM ƠN Để hoàn thành luận án, tôi xin gởi lời cám ơn chân thành đến PGS.TS Lê Minh Viễn và PGS.TS Ngô Mạnh Thắng, giảng viên Trường Đại học Bách Khoa TPHCM, đã hỗ trợ và hướng dẫn tôi suốt quá trình nghiên cứu. Sự tận tâm và tâm huyết của các thầy đã giúp tôi tích lũy thêm nhiều kiến thức quý báu trong nghiên cứu khoa học và là động lực quan trọng để hoàn thành luận án. Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn đến Ban lãnh đạo Trường Đại học Bách Khoa TPHCM, đã hỗ trợ kinh phí cho bài báo và tạo điều kiện thuận lợi để tôi có thể hoàn thành luận án. Cảm ơn đội ngũ cán bộ giảng viên Bộ môn Kỹ thuật Hóa vô cơ, Khoa Kỹ thuật Hóa học, Trường Đại học Bách Khoa TPHCM, đã đóng góp ý kiến chân thành và tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình nghiên cứu và viết luận án.
Lời cảm ơn sâu sắc cũng được gửi đến TS. Nguyễn Trí và PGS.TS Nguyễn Quang Long vì những nhận xét quý báu giúp tôi hoàn thành luận án một cách đầy đủ và tốt nhất. Tôi xin trân trọng cảm ơn Ban giám hiệu, Lãnh đạo Khoa Công nghệ Hóa học, Trường Đại học Công Thương TPHCM, cũng như các đồng nghiệp đã hỗ trợ và giúp đỡ tôi suốt những năm tháng làm nghiên cứu sinh. Tôi cũng xin cảm ơn các em sinh viên cũng như các học viên trong phòng thí nghiệm 212B2 đã giúp đỡ tôi trong quá trình thực hiện nghiên cứu, tìm tài liệu cũng như trao đổi để hoàn thành luận án.
Cuối cùng, tôi xin chân thành cảm ơn đại gia đình đã luôn động viên, khuyến khích và giúp đỡ tôi trong hành trình nghiên cứu này. Xin chân thành cảm ơn tất cả! TP.HCM ngày…tháng… năm 2024 Hồ Thị Ngọc Sương vi MỤC LỤC MỤC LỤC. vii DANH MỤC HÌNH.xi DANH MỤC BẢNG. xv DANH MỤC VIẾT TẮT.
xvii MỞ ĐẦU. 1 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN .1 Khái quát về TiO2 .2 Phương pháp tổng hợp TiO2 .3 Quá trình oxy hóa khử .4 Ứng dụng của TiO2 .2 Nghiên cứu tổng hợp composite TiO2-SiO2 .1 Tổng quát về SiO2 .2 Ảnh hưởng của SiO2 trong hệ xúc tác TiO2-SiO2 .3 Tổng hợp vật liệu TiO2-SiO2 compsite .4 Biến tính vật liệu TiO2-SiO2 composite .5 Ứng dụng của TiO2-SiO2 trong xúc tác quang .6 Hạn chế của xúc tác quang dạng bột .1 Khái quát về monolith .2 Phương pháp tẩm xúc tác lên monolith .3 Lớp phủ trung gian SiO2 .4 Ứng dụng của hệ xúc tác monolith .2 Phương pháp phân hủy phenol .
Nội dung được bảo vệ bản quyền — Tải xuống đầy đủ
Câu hỏi thường gặp
Luận án "Chế tạo hệ quang xúc tác TiO2-SiO2 xử lý phenol" nghiên cứu về vấn đề gì?
Luận án tiến sĩ nghiên cứu chế tạo hệ quang xúc tác TiO2-SiO2 trên monolith nhằm xử lý hiệu quả dư lượng phenol trong nước.
Luận án "Chế tạo hệ quang xúc tác TiO2-SiO2 xử lý phenol" được bảo vệ tại trường nào?
Luận án này được bảo vệ tại Trường Đại học Bách khoa, Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh. Năm bảo vệ: 2024.
Luận án "Chế tạo hệ quang xúc tác TiO2-SiO2 xử lý phenol" thuộc chuyên ngành gì?
Luận án "Chế tạo hệ quang xúc tác TiO2-SiO2 xử lý phenol" thuộc chuyên ngành Kỹ thuật Hóa học. Danh mục: Vật Lý.
Luận án "Chế tạo hệ quang xúc tác TiO2-SiO2 xử lý phenol" có bao nhiêu trang?
Luận án "Chế tạo hệ quang xúc tác TiO2-SiO2 xử lý phenol" có 234 trang. Bạn có thể xem trước một phần tài liệu ngay trên trang web trước khi tải về.
Cách tải luận án "Chế tạo hệ quang xúc tác TiO2-SiO2 xử lý phenol" về máy như thế nào?
Để tải luận án về máy, bạn nhấn nút "Tải xuống ngay" trên trang này, sau đó hoàn tất thanh toán phí lưu trữ. File sẽ được tải xuống ngay sau khi thanh toán thành công. Hỗ trợ qua Zalo: 0559 297 239.