Đồ án Nghiên cứu chế tạo vật liệu TiO2/sợi SiO2 để xử lý aldehyt trong môi trường không khí

Hiện nay trên thế giới đã có rất nhiều công trình nghiên cứu tạo màng mỏng titan dioxit theo phương pháp sol - gel trên đế mang là các vật liệu trơ như thủy tinh hoặc vật liệu hấp phụ như laterit, các oxit kim loại. Các công trình nghiên cứu này hầu hết cho kết quả rất khả quan trong xử lý chất hữu cơ khó phân hủy sinh học. Sử dụng TiO theo phương pháp này có ưu điểm là không cần công đoạn tách và thu hồi, tiện lợi cho sử dụng; tuy vậy nhược điểm là kỹ thuật gắn chất xúc tác trên đế mang dưới dạng màng mỏng phức tạp. Hơn nữa, màng xúc tác có xu hướng bị bong trôi theo thời gian sử dụng nên phải tái tạo định kỳ.

doc58 trang | Chia sẻ: netpro | Ngày: 16/04/2013 | Lượt xem: 1039 | Lượt tải: 9download
Tóm tắt tài liệu Đồ án Nghiên cứu chế tạo vật liệu TiO2/sợi SiO2 để xử lý aldehyt trong môi trường không khí, để xem tài liệu hoàn chỉnh bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên
Tokyo tổ chức tại Hà Nội 01/2003 về “Khoa học và ứng dụng của nano TiO2 cho môi trường bền vững" đã đánh dấu bước phát triển của Việt Nam về công nghệ nano. Những kết quả nghiên cứu về tính chất quang xúc tác và khả năng ứng dụng cho xử lý ô nhiễm môi trường của nano TiO2 trong đề tài cấp Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam (2002-2003) của Viện Công nghệ Môi trường và Viện Vật lý Ứng dụng đã cho thấy tính khả thi của những chế phẩm từ nano TiO2 [11]. Màng TiO2 phủ lên vải than hoạt tính, vải thủy tinh đã cho hiệu quả diệt khuẩn và khử mùi khá tốt (kết quả đã được kiểm nghiệm tại Viện Vệ sinh Dịch tễ Trung Ương). TiO2 phủ lên các đế mang tạo ra các bộ lọc chủ động quang xúc tác trong mẫu thiết bị khử mùi, đã được công bố trong đề tài hợp tác quốc tế với Malaysia năm 2005 [12]. Chế tạo bộ lọc chủ động quang xúc tác nano TiO2 đã được áp dụng trong máy thở cho bệnh nhân nhiễm H5N1 của Viện Công nghệ, Bộ Khoa học Công nghệ [13]. CHƯƠNG 2: VẬT LIỆU NANO TiO2 VÀ HIỆU ỨNG QUANG XÚC TÁC 2.1. Vật liệu nano TiO2 Cấu trúc TiO2 và tính chất vật lý Titandioxide (TiO2) là một loại vật liệu rất phổ biến trong cuộc sống hàng ngày của chúng ta. Chúng được sử dụng nhiều trong việc pha chế tạo màu sơn, màu men, mỹ phẩm và cả trong thực phẩm. Ngày nay lượng TiO2 được tiêu thụ hàng năm lên tới hơn 3 triệu tấn. TiO2 còn được biết đến trong vai trò của một chất xúc tác quang hóa. TiO2 tồn tại ở dạng bột, thường có màu trắng tuyết ở điều kiện thường, khi nung nóng có màu vàng. Khối lượng phân tử là 79,87 g/mol, trọng lượng riêng từ 4,13 - 4,25 g/cm3; nóng chảy ở nhiệt độ cao 18700C; không tan trong nước; không tan trong các axit như axit sunfuric, clohydric... ngay cả khi đun nóng. Tuy nhiên, với kích thước nanomet, TiO2 có thể tham gia một số phản ứng với axit và kiềm mạnh. Các dạng oxit, hydroxit và các hợp chất của Ti (IV) đều có tính bán dẫn. Bảng 2.1. Thông số vật lý của Anatase và Rutile Tính chất Anatase Rutile Hệ tinh thể Tetragonal Tetragonal Nhóm không gian I4/amd P4/mnm Thông số mạng a 3,78A 4,58A Thông số mạng c 9,49A 2,95A Khối lượng riêng 3,895g/cm 4,25 Độ khúc xạ 2,52 2,71 Độ cứng (thang Mox) 5,5 ÷ 6,0 6,0 ÷ 7,0 Hằng số điện môi 31 114 Nhiệt độ nóng chảy Nhiệt độ cao chuyển thành rutile 1858C Tinh thể TiO2 có nhiều dạng thù hình trong đó có 2 dạng thù hình chính là: Anatase và Rutile. Cấu trúc của chúng được thể hiện trong hình 2.1. Hình 2.1 Cấu trúc của rutile và anatase Cấu trúc của dạng tinh thể anatase và rutile thuộc hệ tinh thể tetragonal Cả 2 dạng tinh thể trên đều được tạo nên từ các đa diện phối trí TiO6 cấu trúc theo kiểu bát diện (hình vẽ), các đa diện phối trí này sắp xếp khác nhau trong không gian. Tuy nhiên trong tinh thể Anatase các đa diện phối trí 8 mặt bị biến dạng mạnh hơn so với Rutile, khoảng cách Ti-Ti ngắn hơn và khoảng cách Ti-O dài hơn. Điều này ảnh hưởng đến cấu trúc điện tử của hai dạng tinh thể, kéo theo sự khác nhau về các tính chất vật lý và hóa học. Trong tự nhiên dạng tinh thể Anatase và Rutile thường phổ biến hơn các dạng khác. Quá trình phản ứng xúc tác của vật liệu phủ TiO2 xảy ra khi có các nguồn chiếu sáng tự nhiên và nhân tạo cụ thể [14]. - Nguồn ánh sáng nhân tạo Các vật liệu mang tẩm phủ TiO2 sử dụng nguồn UV nhân tạo của ánh sáng huỳnh quang có hiệu quả chuyển điện năng thành photon ánh sáng cao. Loại đèn này chuyển phần lớn điện năng thành nhiệt và ánh sáng khả kiến, giá thành cao và thời gian sử dụng thấp, khoảng 1000 giờ so với đèn UV huỳnh quang có hiệu suất chuyển hóa điện năng thành photon cao và thời gian sử dụng từ 4000 đến 14000 giờ. - Nguồn ánh sáng tự nhiên Ánh sáng toả ra từ mặt trời là nguồn sáng có phổ đa sắc, bước sóng trải dài từ miền tử ngoại đến hồng ngoại với cường độ bức xạ cực đại khoảng 580Wm-2 ở bước sóng 400-800 nm, là vùng ánh sáng trông thấy (VIS). Đặc trưng của phổ ánh nắng mặt trời trong ngày không mây được trình bày trong bảng 2.2. Bảng 2.2. Đặc trưng của phổ ánh nắng mặt trời (trong ngày không mây) Dải Bước sóng, nm Cường độ, Wm-2 Tỷ lệ, % UV C < 280 0 0 UV B 280 -320 5 0,5 UC A 320 – 360 27 2,4 UV A2 360 – 400 36 3,2 VIS 400 – 800 580 51,8 IR A 800 – 1400 329 29,4 IR B 1400 – 3000 143 12,7 IR C > 3000 - - Tổng cộng 1120 100 Nguồn năng lượng thiên nhiên này là vô tận và đặc biệt phong phú quanh năm đối với những nước vùng nhiệt đới như Việt Nam. Tuy phần bức xạ tương ứng với bước sóng UV không lớn, khoảng 5% trong tổng số bức xạ của ánh nắng mặt trời nhưng hoàn toàn có thể và cần tận dụng nguồn UV thiên nhiên này để thực hiện các quá trình quang hoá học, đặc biệt các quá trình oxi hoá quang hoá học nâng cao. Với những nước nằm giữa 35o độ vĩ bắc và 35o độ vĩ nam, bức xạ UV của mặt trời nói chung > 0,015 mW cm-1, năng lượng này đủ để thực hiện quá trình quang xúc tác [15]. Trong phổ các dải năng lượng mặt trời có dải UV – A tương ứng với bước sóng dưới 400nm, tương ứng với mức năng lượng lớn hơn 3.2eV, phù hợp với mức năng lượng cần thiết để thực hiện quá trình quang xúc tác trên TiO2. UV – B có bước sóng 280 – 315nm. UV – C có bước sóng từ 200 – 315nm, UV – C thường được đặc trưng bởi bước sóng 254nm. Các thiết bị sử dụng nguồn UV nhân tạo được chế tạo tùy theo trạng thái chất xúc tác sử dụng. Như vậy, với vật liệu phủ TiO2 có thể sử dụng được cả hai nguồn chiếu sáng nhân tạo và tự nhiên. Việt Nam thuộc vùng nhiệt đới gió mùa nên việc ứng dụng các sản phẩm phủ TiO2 sẽ tận dụng được nguồn năng lượng có sẵn, đồng thời hạn chế được vi sinh vật gây bệnh trong môi trường không khí. 2.2. Phản ứng quang xúc tác TiO2 Cơ chế xúc tác quang của TiO2. Khi Titandioxyt TiO2 ở dạng tinh thể Anatase được hoạt hóa bởi ánh sáng có bước sóng (lamda) thích hợp thì xảy ra sự chuyển điện tử từ vùng hóa trị lên vùng dẫn, tại vùng hóa trị có sự hình thành các gốc OH* và RX+: Tại vùng dẫn có sự hình thành của các gốc O2-, HO2*: Như vậy, sự hấp thụ photon làm sinh ra electron và lỗ trống chính là yếu tố then chốt của quá trình xúc tác quang hóa. Tuy nhiên, có một quá trình khác cũng xảy ra trên bề mặt chất xúc tác, đối lập với sự kích thích quang làm sinh ra cặp electron-lỗ trống. Đó là sự tái kết hợp của electron và lỗ trống. Đây là yếu tố chính làm hạn chế hiệu quả của quá trình xúc tác quang hóa và gây lãng phí năng lượng cung cấp bởi các photon. Phương trình mô tả sự tái kết hợp có thể coi là ngược lại với phương trình : e- + h+ à (SC) + E Trong đó (SC) là tâm bán dẫn trung hoà và E là năng lượng được giải phóng ra dưới dạng một photon (bức xạ ánh sáng) hoặc phonon (nhiệt). Quá trình này có thể diễn ra dưới hình thức tái kết hợp bề mặt hoặc tái kết hợp thể tích. Hình 2.2 Minh họa quá trình kích thích trong xúc tác quang hóa (A) Tái kết hợp bề mặt; (B) Tái kết hợp thể tích (C) Quá trình khử; (D) Quá trình oxy hóa Vậy sự khác biệt là do dạng anatase có khả năng khử O2 thành O2 (trừ) còn rutile thì không (thực tế vì dạng anatase có tính xúc tác mạnh hơn nên khi nghiên cứu về tính chất này đều tập trung về dạng anatase nên rutil bị coi nhẹ. Thực tế thì hệ photo-catalyst được dùng nhiều nhất trong công nghiệp hiện nay có 80% anatase và 20% rutile, là P25 (DEGUSTA). Khi trộn anatase với rutile có thể tăng độ bền của hệ và thậm chí còn có thể tăng hoạt tính nữa.) Do đó anatase có khả năng nhận đồng thời oxy và hơi nước từ không khí cùng ánh sáng tử ngoại để phân hủy các hợp chất hữu cơ. Tinh thể Anatase dưới tác dụng của ánh sáng tử ngoại đóng vai trò như một cầu nối trung chuyển điện tử từ H2O sang O2, chuyển hai chất này thành dạng O2 (trừ) và OH* là hai dạng có hoạt tính oxy hóa cao có khả năng phân hủy chất hữu cơ thành H2O và CO2. Hình 2.3. Minh họa cơ chế xúc tác quang hóa của TiO2 Song song với tính chất quang xúc tác, khi được chiếu ánh sáng tử ngoại dạng TiO2-anatase còn thể hiện một tính chất nữa cũng rất đặc biệt, đó là tính chất siêu thấm ướt. Tính chất này được dùng để chế tạo các vật liệu tự làm sạch như: Kính tự làm sạch, vật liệu xử lý nước, vật liệu dùng trong y học... 2.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến tốc độ của phản ứng quang xúc tác 2.3.1. Chất xúc tác Đối với cả hai hệ xúc tác quang hóa (huyền phù và cố định), tốc độ tối đa của phản ứng đều tỉ lệ thuận với khối lượng xúc tác. Tuy nhiên có một giá trị mmax mà tại đó nếu tiếp tục thay đổi khối lượng chất xúc tác thì tốc độ của phản ứng không thay đổi. Khối lượng mmax phụ thuộc vào 2 yếu tố: - Dạng hình học của vật liệu. - Điều kiện tiến hành của thiết bị phản ứng quang hóa Mmax: - xấp xỉ 1,3 mg TiO2/cm2 đối với hệ cố định - 2,5g TiO2/l đối với hệ huyền phù Với điều kiện thực hiện là phòng thí nghiệm thì nồng độ tốt nhất là TiO2: 0,25g/l (thực hiện trong bình cố định, còn trong một hệ thống tuần hoàn dung dịch chỉ cần TiO2 là 0,2g/l). 2.3.2. Bước sóng của đèn Tốc độ phản ứng phụ thuộc vào bước sóng của đèn, đối với TiO2 khoảng cách giữa vùng dẫn và vùng hóa trị có năng lượng E =3,2eV tương ứng với bước sóng 380 nm. 2.3.3. Nồng độ C0 ban đầu Ảnh hưởng của nồng độ tuân theo mô hình động học Langmuir- Hinshelwood. 2.3.4. Nhiệt độ Do phản ứng quang hóa nên không đòi hỏi về nhiệt độ( có thể tiến hành ở điều kiện nhiệt độ thường). Nói chung điều kiện phản ứng 20 -800C. Vì trong khoảng đó năng lượng hoạt hóa của các quá trình quang hóa sẽ nhỏ nhất (khoảng 1- 2kJ/mol). Nếu nhiệt độ thấp quá (dưới 00C) Ea sẽ tăng lên. Nếu nhiệt độ lớn hoan 800C sẽ không tốt cho quá trình hấp phụ các chất lên bề mặt xúc tác do đó tốc độ của phản ứng sẽ giảm. 2.3.5. Dòng photon Vận tốc phản ứng tỉ lệ bậc nhất với dòng photon (γ). Dòng γ càng lớn thì cặp e tự do- lỗ trống càng nhiều do đó tốc độ phản ứng sẽ tăng. Tuy nhiên, trong điều kiện phòng thí nghiệm thì dòng γ giới hạn khoảng 25mW/cm2 tốc độ phản ứng sẽ tỉ lệ với γ 1/2. 2.3.6. Hiệu suất lượng tử Hiệu suất lượng tử: được định nghĩa là tỉ lệ giữa tốc độ phản ứng quang hóa (mol.s-1) và tốc độ dòng photon. Vì vậy trên thực tế với các phản ứng quang hóa xúc tác phân hủy các chất hữu cơ thì luôn tồn tại các giai đoạn phản ứng trung gian nên hiệu suất lượng tử thường nhỏ hơn 1. 2.4. Điều kiện của phản ứng quang xúc tác Phản ứng quang xúc tác chỉ xảy ra khi có các yếu tố sau: - Vật liệu có tính xúc tác - Ánh sáng - Chất ô nhiễm Bản chất của phản ứng quang xúc tác là quá trình tái tạo lại khả năng oxi hóa của vật liệu. Nó chuyển đổi năng lượng của ánh sáng thành hóa năng vì thế nguyên tắc làm việc là vô tận. Tuy nhiên, trên thực tế thì thời gian làm việc của vật liệu cũng có hạn, tuy nhiên lớn hơn rất nhiều lần so với các phương pháp khác. TiO2 có hoạt tính tốt và có nhiều ưu điểm hơn so với các loại vật liệu bán dẫn khác: - Oxi hóa hoàn toàn các chất độc (VOC và Bicarosol) thành CO2 và H2O. - Ứng dụng cho nhiều chất hữu cơ và hiệu suất cao. - Các sản phẩm phụ, sản phẩm cuối cùng không gây hại tới môi trường. - Có thể sử dụng nguồn UV nhân tạo hoặc tận dụng nguồn ánh sáng tự nhiên nên có thể tiết kiệm năng lượng. - Thực hiện ở trong cả điều kiện nhiệt độ và áp suất bình thường, thậm chí cả điều kiện độ ẩm cao. - Bảo dưỡng rẻ và dễ dàng. - Thời gian làm việc của sản phẩm lâu. Một số ứng dụng của vật liệu nano TiO2 được trình bày trong bảng 2.3. Bảng 2.3. Các ứng dụng của xúc tác quang hóa TiO2 [12. Kaneko M., Okura I. (2002), Photocatalysis: Science and Technology, Springer-Verlag Berlin Heidelberg New York, Japan]. Đặc tính Phạm vi Ứng dụng Tự làm sạch Vật liệu nhà ở và văn phòng Gạch ngoại thất, linh kiện nhà bếp và phòng tắm, đồ đạc nội thất, bề mặt đồ nhựa, đá xây dựng, màn cửa,… Đèn chiếu sáng trong nhà và ngoài trời Chụp đèn trong suốt, vật liệu phủ lên bóng đèn huỳnh quang và đèn cao áp Vật liệu công trình giao thông Vật liệu phủ đường hầm, đèn tín hiệu, gương phản xạ Khác Vật liệu làm lều, quần áo bệnh viện, đồng phục, sơn xe Làm sạch không khí Trong nhà Máy điều hòa không khí kết hợp xúc tác quang hóa, xử lý khí độc trong nhà Ngoài trời Bê tông làm đường, gạch lát vỉa hè, tường hầm, tường nhà Làm sạch nước Nước uống Xử lý nước mặt, nước ngầm, làm bể chứa nước Khác Bể cá, cống thoát nước Chống khối u Điều trị ung thư Các thiết bị nội soi Khử trùng Bệnh viện Gạch lát nền và tường phòng mổ, ống silicone thông tiểu, quần áo bệnh viện Khác Gạch lát nhà tắm, phòng nuôi động vật 2.5. Tổng quan về phương pháp sol- gel Phương pháp sol-gel là một phương pháp tổng hợp vật liệu hiện đại, nhờ khả năng điều khiển tính chất sản phẩm thông qua tác động vào bước tạo sol hoặc gel, nên sol-gel là một phương pháp tỏ ra rất ưu việt để tổng hợp những vật liệu có kích cỡ nano hay những màng siêu mỏng. Bản chất của phương pháp sol - gel là dựa trên các phản ứng thủy phân và ngưng tụ của các tiền chất bằng cách điều chỉnh tốc độ của hai phản ứng thủy phân và ngưng tụ chúng ta sẽ đạt được vật liệu mong muốn. Từ dung dịch bao gồm các chất đưa vào phản ứng được hòa tan với nhau, qua các phản ứng thủy phân và ngưng tụ ta thu được gel. Quá trình sol - gel có thể cho ta gel chứa toàn bộ các chất tham gia phản ứng và dung môi ban đầu, hoặc kết tủa gel tách khỏi dung môi và có khi là cả các chất sau phản ứng. Với đa số các phản ứng thì tốc độ phản ứng thủy phân thường lớn hơn tốc độ phản ứng ngưng tụ. Vì vậy cần nghiên cứu về động học phản ứng để điều chỉnh tốc độ của hai phản ứng đó xảy ra thích hợp với tính chất sản phẩm cuối. Quá trình sol - gel thực chất xảy ra qua hai giai đoạn sau: - Thủy phân tạo sol (kích thước hạt keo nằm trong vùng kích thước từ 1nm - 100nm). Phản ứng chung xảy ra như sau: Dung môi hữu cơ M(OH) + xHO M(OH)(OR) + xROH - - Ngưng tụ tạo gel: Quá trình hình thành gel là quá trình trùng ngưng để loại nước và ROH, đồng thời ngưng tụ các alcolat bị thủy phân để tạo thàcác liên kết kim loại - oxi. Ta có thể biểu quá trình gel hóa qua các giai đoạn như sau: * Ngưng tụ các monome Alcolat để hình thành các hạt polime -M-OH- + HO-M- -M-O-M- + HO -M-OH- + RO-M- -M-O-M- + ROH * Các hạt polyme phát triển dần lên về kích thước. Các hạt nhỏ liên kết thành mạch, sau đó hình thành mạng không gian đến một lúc nào đó độ nhớt tăng lên đột ngột và toàn bộ hệ biến thành gel. Dung môi sẽ nằm trong các lỗ trống của gel. Quá trình thủy phân và ngưng tụ thường được điều khiển bằng cách thêm axit, bazơ để điều chỉnh pH. Điều chỉnh tốc độ thủy phân nhờ việc thay đổi pH, thêm bớt H2O, thêm dung môi hoặc thêm các phối tử tạo phức càng như axetylaxeton, axit acetic. Hai quá trình trên càng xảy ra chậm thì kích thước hạt càng nhỏ phối tử tạo phức càng như axetyl axeton, axit axetic.... Việc tìm ra một dung môi thích hợp để có thể điều khiển được quá trình thủy phân và ngưng tụ là vấn đề hết sức cần thiết khi ta tiến hành điều chế các hạt có kích thước cỡ nano theo phương pháp sol - gel, bản chất của dung môi sẽ quyết định phần lớn đến sản phẩm hình thành. Khi đã hình thành gel ta chỉ mới thu được một loại sản phẩm mà trong đó các nguyên tử kim loại và oxy liên kết với nhau thành mạng không gian (không phải là mạng tinh thể) và ở giữa các khoảng trống của mạng không gian sẽ chứa các phân tử dung môi. Gel được hình thành như vậy sẽ có dạng một khối mềm, cấu trúc đó dễ dàng bị phá vỡ khi tác động bởi lực bên ngoài. Để thu được cấu trúc bền thì gel hình thành phải được xử lí qua giai đoạn sau: - Làm khô: Là quá trình làm bay hơi nước và dung môi để tạo thành bộ khung xerogel. Xerogel vẫn chưa là cấu trúc cuối cùng, nó vẫn là trạng thái vô định hình được hình thành bởi mạng bao gồm các liên kết kim loại và oxi, các phân tử dung môi bay hơi hết. - Nung: Gel sau khi đã được làm khô vẫn giữ nguyên trạng thái vô định hình, để chuyển thành dạng tinh thể cần phải trải qua giai đoạn nung, đây là giai đoạn hết sức quan trọng có vai trò quyết định đến trạng thái và kích cỡ hạt hình thành, đồng thời khi nung sẽ phân hủy các chất hữu cơ còn lại và dung môi còn dư từ các lỗ trống của mạng không gian, phá vỡ khung để hình thành các hạt có kích cỡ nano, và định hình lại cấu trúc của vật liệu để thu được sản phẩm cuối cùng. Quá trình phân hủy và bay hơi của dung môi sẽ hình thành nên các hạt nhỏ hơn từ các hạt ban đầu, kích cỡ của chúng đạt tới kích thước vài chục nanomet tùy thuộc vào điều kiện hình thành gel ban đầu và điều kiện nung. [3] Những ưu điểm của phương pháp sol - gel - Có thể tạo ra sự liên kết vững chắc giữa chất nền kim loại và lớp phủ phía trên - Có thể tạo ra những màng với độ dày nhất định có khả năng ngăn chặn sự ăn mòn - Phương pháp sol - gel là phương pháp có thể trộn lẫn ở qui mô nguyên tử, tính đồng nhất của sản phẩm cao, độ tinh khiết hóa học cao, các giai đoạn phản ứng có thể điều khiển được để tạo được sản phẩm mong muốn, không gây ô nhiễm môi trường. - Nhiệt độ thiêu kết thấp, thường 200C - 600C - Cách làm đơn giản, rẻ tiền, phương pháp đạt hiệu quả chất lượng cao. Nhược điểm của phương pháp sol - gel - Độ tinh khiết của sản phẩm dễ bị ảnh hưởng. Sản phẩm cuối cùng tổng hợp bằng phương pháp này rất dễ bị lẫn các tạp chất có thể do các chất đưa vào ban đầu chưa phản ứng triệt để hoặc do tạp chất là sản phẩm của quá trình phản ứng phụ. - Độ dày tối đa có thể tạo được là 5µm, khi đó khả năng rạn nứt là không thể tránh khỏi. - Sự kết tủa không mong muốn trong bất kỳ giai đoạn nào của quá trình tổng hợp này sẽ dẫn đến sự thay đổi về thành phần cũng như tính chất của vật liệu. - Khả năng ứng dụng vào sản xuất công nghiệp còn hạn chế do điều kiện phản ứng đặc biệt. Phân loại các quá trình sol - gel Dựa vào vật liệu ban đầu để sử dụng cho quá trình tổng hợp người ta có thể chia phương pháp sol - gel thành ba dạng chính: - Sol -gel đi từ thủy phân muối trong dung dịch nước - Sol - gel đi từ thủy phân phức chất - Sol - gel đi từ thủy phân alkoxide kim loại Quá trình sol - gel đi từ thủy phân muối: quá trình sol - gel đi từ thủy phân muối trong dung dịch nước thường sử dụng các muối của axit nitric hoặc axit clohydric, do các muối này dễ tan trong nước. Ưu điểm của phương pháp này là các muối được sử dụng thường rẻ tiền do đó giá thành sản phẩm rất rẻ so với các phương pháp khác. Phương pháp này đã được sử dụng trong thực tế để sản xuất Fe2O3, Al2O3, SiO2 . Tuy nhiên, do các muối nitrat hay clorua thường là các chất điện giải mạnh, tương tác ion sau phản ứng dễ xúc tác quá trình lớn lên của mầm, vì vậy khó điều chỉnh để có hạt có kích thước nanomet. Quá trình sol - gel đi từ thủy phân phức chất: phức chất thường được dùng ở đây là phức của cation kim loại với các phối tử hữu cơ. Các phối tử hữu cơ đã được sử dụng thường là các axit cacboxylic như axit citric, axit tartric, axit oleic, axit naphtanic. Các hướng dẫn sử dụng phương pháp này để tổng hợp vật liệu bao gồm: gốm siêu dẫn chất điện môi và các dạng vật liệu có cấu trúc perovskite. Liên kết giữa các phối tử trong phức chất là các liên kết phối trí, năng lượng liên kết phối trí thường nhỏ hơn năng lượng liên kết ion, tính phân cực giảm do vậy dễ đạt được sự hòa trộn phân tử giữa các thành phần phản ứng, vì vậy sản phẩm phản ứng phân bố đều và kích thước hạt nhỏ. Quá trình sol - gel đi từ thủy phân alkoxide kim loại: đây là phương pháp sử dụng vật liệu ban đầu là các alkoxide, nhưng sản phẩm cuối cùng thu được thường có chất lượng cao, do từ tiền chất (precusor) có thể thực hiện đồng thời hai quá trình phân li (thủy phân) và kết tụ (ngưng tụ) tạo mạch và lưới hóa. Do đó phương pháp này được nghiên cứu rộng rãi trong những năm gần đây. Phương trình tổng quát của phản ứng thủy phân và ngưng tụ các alkoxide kim loại có thể viết như sau: M(OH) + xOH [M(OR)(OX)] + xROH Trong đó X có thể là nguyên tử hydro đối với phản ứng thủy phân, là nguyên tử kim loại đối với phản ứng ngưng tụ và thậm chí là các phối tử vô cơ hoặc hữu cơ đối với phản ứng tạo phức. Những phản ứng này xảy ra theo cơ chế thế nucleophin lưỡng phân tử (S2) như sau: H R \ / H—O: + M—OR O:M—OR HO—M—O M—OH + ROH | / \ H (a) H (b) (c) H (d) Bước 1: (a) đưa tác nhân ái nhân (HO) vào nguyên tử kim loại mang điện dương dẫn đến trạng thái chuyển tiếp (b), ở trạng thái này số phối tử của M tăng thêm một. Bước 2: là bước chuyển proton trong (b) dẫn đến trạng thái trung gian trung gian (c). Proton từ phân tử nước được chuyển tới oxi tích điện âm của nhóm OR. Bước 3: là quá trình tách nhóm mang tính dương điện nhất ở trạng thái (c) để chuyển đến trạng thái (d). Cả hai phản ứng thủy phân và ngưng tụ đều tham gia vào sự biến đổi alkoxide thành khung oxit, do đó cấu trúc hình thái học của các oxit thu được phụ thuộc rất nhiều vào khả năng phản ứng của hai phản ứng này. Hiện nay trên thế giới đã có rất nhiều công trình nghiên cứu tạo màng mỏng titan dioxit theo phương pháp sol - gel trên đế mang là các vật liệu trơ như thủy tinh hoặc vật liệu hấp phụ như laterit, các oxit kim loại... Các công trình nghiên cứu này hầu hết cho kết quả rất khả quan trong xử lý chất hữu cơ khó phân hủy sinh học. Sử dụng TiOtheo phương pháp này có ưu điểm là không cần công đoạn tách và thu hồi, tiện lợi cho sử dụng; tuy vậy nhược điểm là kỹ thuật gắn chất xúc tác trên đế mang dưới dạng màng mỏng phức tạp. Hơn nữa, màng xúc tác có xu hướng bị bong trôi theo thời gian sử dụng nên phải tái tạo định kỳ. CHƯƠNG 3: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 3.1. Phương pháp thu thập Thu thập, nghiên cứu và phân tích, kế thừa các tài liệu đã có trên thế giới và Việt Nam về phương pháp chế tạo vật liệu nano TiO2, cách phủ dung dịch sol TiO2 lên bông thạch anh và ứng dụng của chúng trong xử lí khí thải aldehyt (HCHO) trong môi trường không khí. Tiến hành thu thập tài liệu từ các nguồn sau: + Từ Viện Công nghệ môi trường - Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam. + Liên hệ với các thầy cô trong bộ môn cũng như trong nhà trường thu thập thêm các tài liệu có liên quan đến nơi thực tập và phục vụ cho việc viết đồ án. + Tìm kiếm các thông tin và các tài liệu qua các phương tiện báo trí, sách báo và internet… + Ngoài ra các tài liệu còn được thu thập từ các bạn sinh viên khác… 3.2. Phương pháp nghiên cứu Chế tạo vật liệu TiO2/SiO2 bằng phương pháp sol- gel (sol C) a, Hóa chất Tetrabutylorthotitanate - Ti(OC4H9)4 Ethanol - C2H5OH Diethanolamine - NH(C2H4OH)2 viết tắt (DEA) Tất cả các hóa chất đều có nguồn gốc từ Merck – Đức. Nước cất sử dụng trong quá trình chế tạo là nước cất hai lần. b, Thiết bị Lò nung Carbolite (Đức) có chương trình điều khiển nhiệt độ, nhiệt độ 1000oC để ủ lớp phủ TiO2 Tủ sấy Bếp gia nhiệt Jenway -1000 (Anh) có khuấy (Hotplace and Stirrer) sử dụng gia nhiệt trong quá trình chế tạo sol-gel và dùng đun dung dịch HCHO khi thí nghiệm. Cân ADAM (Mỹ) độ chính xác 10-4 mg và 10-2 mg sử dụng để cân hóa chất. - Thiết bị kiểm tra và xử lý mẫu: Máy chụp XRD (X-Ray Diffraction):  nhận diện nhanh và chính xác các pha tinh thể, đồng thời có thể sử dụng để định lượng pha tinh thể và kích thước hạt với độ tin cậy cao. Kính hiển vi điện tử quét - SEM (scanning electron microscope): xác định bề mặt mẫu vật. Kính hiển vi điện tử truyền qua - TEM (Transmission electron microscopy): Xác định cấu trúc tinh thể của vật liệu. Test box: Dùng để thí nghiệm khả năng xử lý của vật liệu chế tạo. Bơm KIMOTO – HS7 (Handy Sampler) tốc độ tối đa của máy: 2,5 l/phút và mức nhỏ nhất là 0,1 l/phút. Sử dụng trong quá trình thử nghiệm vật liệu sử dụng để hấp thụ HCHO vào trong nước cất để xác định nồng độ HCHO trong test box. Máy phân tích UV- Vis : Xác định nồng độ HCHO trong không khí. Ngoài ra các dụng cụ trong cần dùng như cốc thủy tinh, đũa, kẹp,bếp... cũng được sử dụng trong quá trình nghiên cứu. Quá trình tạo lớp phủ TiO2 trên vật liệu SiO2 (TiO2/SiO2), qua 3 công đoạn như sau: Pha chế sol TiO2 bằng phương pháp sol- gel Phun phủ vật liệu Thiêu kết ở nhiệt độ cao c, Điều chế dung dịch sol- gel Ngoài ra, để tạo được lớp phủ TiO2 nano bám dính tốt trên đế mang ta có thể đưa vào sol TiO2 một lượng bột nano TiO2 - P25 thích hợp. Để tách các cụm hạt P25 thành các hạt TiO2 riêng lẻ, hỗn hợp sol TiO2 với P25 được khuấy mạnh ở nhiệt độ phòng, sau đó rung siêu âm cho đến khi P25 phân tán đều thành dung dịch TiO2 huyền phù màu trắng sữa. Huyền phù TiO2 được dùng để phủ lên đế bông thạch anh hoặc đế kính. Sau đó mẫu được thiêu kết ở 5000-5500C trong vòng 1 giờ. Độ dày màng được xác định bằng phương pháp anpha step hoặc tính từ khối lượng riêng, diện tích và trọng lượng. Một lần phủ màng cho độ dày cỡ 0,4 micro mét đối với màng sol gel và cỡ 3 micro mét với màng từ bột TiO2-P25. Quy trình tẩm phủ TiO2 lên bông thạch anh được mô tả như hình 3.1. Ti(OC4H9)4, C2H5OH DEA C2H5OH, H2O Ti(OC4H9)4, C2H5OH, DEA, H2Os Sol TiO2 TiO2 Dung dịch huyền phù Phun phủ mỏng Thiêu kết ở 5500C trong lò Bông thạch anh tẩm phủ TiO2 Hình 3.1. Quy trình tẩm phủ nano TiO2 lên bông thạch anh Bước 1: Pha 23ml TBOT và 7,1ml DEA vào 140 ml Ethanol. Bước 2: Khuấy kĩ dung dịch trên ở nhiệt độ phòng trong thời gian 3 giờ trên máy khuấy từ, ta thu được hỗn hợp 1. Bước 3: Pha 1,3 ml H2O vào 10 ml ethanol. Bước 4: Khuấy kỹ dung dịch trên ở nhiệt độ phòng trong 15 phút ta thu được hỗn hợp 2. Bước 5: Khuấy mạnh hỗn hợp 1 trên máy khuấy từ và nhỏ giọt hỗn hợp 2 vào hỗn hợp 1. Bước 6: Khuấy mạnh du

Các file đính kèm theo tài liệu này:

  • doc73558351-bao-cao-2-6.doc
Tài liệu liên quan