Đang tải... (xem toàn văn)
kerngrkmegiq3jgnalfngvoqrihngonsalnvgqeojgngerkhbjgrbujbgrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrerodgfffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffff
Quang xúc tác phân hủy chất ô nhiễm khơng khí nước Viện MT&TN Nguyễn Văn Phước Khái qt Vai trò kích hoạt quang, chuyển giao hấp phụ điện tử Thuật ngữ xúc tác quang liên quan đến photon chất xúc tác Trong phần quan tâm đến chất xúc tác dị thể quang bán dẫn TiO2 NGUYÊN LÝ QUÁ TRÌNH QUANG HOÁ XÚC TÁC TRÊN TiO2 Chất bán dẫn: chất rắn có độ dẫn điện nằm chất dẫn điện & chất cách điện Chất bán dẫn có cấu trúc vùng lượng (2 vùng): Vùng hoá trị lượng thấp (VB) Vùng dẫn lượng cao (CB) Khoảng cách mức lượng vùng nhỏ & tạo thành phổ liên tục Khoảng cách lượng vùng dẫn & vùng hoá trị gọi vùng cấm khe lượng (Eg) NGUYÊN LÝ Q TRÌNH QUANG HỐ XÚC TÁC TRÊN TiO2 Ngun lý Khi hạt bán dẫn chiếu lượng (h ν) lớn vùng cấm điện tử vùng hố trị kích thích đủ lượng để nhảy lên mức lượng cao vùng dẫn để lại lỗ trống vùng hố trị Tuy nhiên, điện tử có khuynh hướng nhảy lại vùng hoá trị để tái hợp với lỗ trống giải phóng lượng (photon nhiệt) tham gia vào PƯ oxi hoá khử với chất dung dịch NGUN LÝ Q TRÌNH QUANG HỐ XÚC TÁC TRÊN TiO2 Để kích hoạt chất xúc tác bán dẫn, xạ phải có bước sóng λ ≤ Eg Phương trình Planck: hc λ = Eg Eg: Năng lượng vùng cấm h: Hằng số Planck c: Tốc độ ánh sáng Để phản ứng oxi hoá xảy trực tiếp bề mặt bán dẫn, biên lượng vùng hoá trị VB xúc tác bán dẫn phải oxi hoá cao oxi hoá chất phản ứng NGUN LÝ Q TRÌNH QUANG HỐ XÚC TÁC TRÊN TiO2 Đặc tính TiO2: Eg= 3,2eV Hấp phụ xạ tử ngoại (λ< 387,5nm) Thế oxi hoá khử VB & CB: +3,1 & -0,1V Cơ chế trình quang hố xúc tác TiO2: TiO2 + hν(photon) → TiO2(e- + h+) (chất nhận electron) (Chất cho e-) Aads + e- → A-ads Dads + h+(lổ trống) → D+ads (1) (2) (3) Sự kích thích quang (1) khơi mào tồn q trình quang hố xúc tác Các ion tạo thành khử chất hữu Sơ đồ đơn giản minh họa tọa độ không gian -năng lượng, photogeneration, lổ trống bề mặt tái tổ hợp, phản ứng với phân tử oxygen, ion hydroxit, nước chất ô nhiễm nhường điện tử, hạt mang điện chất bán dẫn TiO NGUN LÝ Q TRÌNH QUANG HỐ XÚC TÁC TRÊN TiO2 hν _ Sự tái hợp bề mặt _ ++ A A _ C + + _ B _ ++ A Aads + e- → A-ads CB hν VB D D + + Sự tái hợp thể tích Dads + h+ → D+ads D Hình thành OH H2O2 * NGUN LÝ Q TRÌNH QUANG HỐ XÚC TÁC TRÊN TiO2 Trên bề mặt TiO2, xảy phản ứng sau: TiO2(h+) + Rads → TiO2 + Rads●+ (4) TiO2(h+) + H2Oads → TiO2 + ●OHads + H+ (5) TiO2(h+) + OH-ads → TiO2 + ●OHads (6) Giải pháp tăng oxi Tạo điều kiện cho O2 (khơng khí) dễ dàng tiếp cận bề mặt TiO2 Nói cách khác, tốc độ chuyển khí vào chất lỏng đến chất rắn phải tối đa Biện pháp: (1) sục khơng khí nước, (2) tạo dòng chảy rối nước tiếp xúc với khơng khí, (3) hạn chế độ dày màng nước bề mặt TiO2 ví dụ sử dụng đĩa quay tráng TiO2 phủ hạt TiO2 ống nhỏ mặt nước Ảnh hưởng H2O2 Thêm H2O2 vào nước xử lý quang xúc tác xem cách để làm tăng nồng độ oxi bề mặt TiO2 H2O2 phân hủy thành H2O O2 nhiều UVchiếu xạ TiO2 Tuy nhiên, gốc hydroxyl phản ứng với H2O2 thêm vào thay phản ứng với chất nhiễm hữu Do đó, ảnh hưởng thực phụ thuộc vào loại nước, TiO2, điều kiện thực nghiệm khác Ảnh hưởng O3 Thêm ozone vào oxy khơng khí hiệu quả: nâng cao tốc độ quang hóa phân hủy khống hóa chất nhiễm hữu khơng khí nước Tác động đáng kể khác biệt oxi hóa O3 (2,1 eV) O2 (0,44 eV) Do đó, diện ozone, electron bắt dễ dàng cách trực tiếp or gián tiếp: Các gốc O3*- ổn định so với O3 phân ly dễ dàng bề mặt TiO2: Ngồi ra, phản ứng với nước hấp thụ bề mặt TiO2 Hơn nữa, gia tăng tốc độ nhặt electron diện ozone nên giảm tỷ lệ tái tổ hợp electron lỗ trống, làm tăng tốc độ hình thành gốc hydroxyl từ nhóm OH bề mặt phân tử nước hấp phụ Tuy nhiên, tương tự H2O2, O3 lấy gốc hydroxyl Ví dụ phân hủy phản ứng sau đề xuất cho quang phân gốc alkyl béo (bởi *OH) Ví dụ Để giải thích cho hình thành NH3 NH4+ từ nhóm amin (nghĩa khơng có thay đổi số lượng N q trình oxy hóa ), phản ứng sau đề nghị Ảnh hưởng anion vô xử lý nước quang xúc tác Ion vơ ảnh hưởng đáng kể xử lý quang đến bề mặt quang Vị trí phụ thuộc vào lực hóa học ion đ/v TiO2 điểm đẳng điện (PZC) Ở pH lớn PZC (từ đến 6.5), bề mặt TiO2 tích điện âm ion âm đẩy lùi Tại giá trị pH PZC, nồng độ anion dư thừa bề mặt cao dung dịch đáng kể tỷ lệ thuận với bình phương mật độ điện tích bề mặt, khả hấp phụ anion: Ảnh hưởng pH Các chất nhiễm hữu khơng tích điện, xử lý quang phân không thuận lợi môi trường axit, đ/k khác thuận lợi Tại giá trị pH gần trung tính, ảnh hưởng với độ pH không đáng kể Ngay giá trị pH cực đoan ảnh hưởng đến tốc độ quang phân so với q trình khác sinh học, H2O2/Fe2 +, H2O2/UV, O3/UV, O3/H2O2 Cạnh tranh chất ô nhiễm Cạnh tranh chất nhiễm hữu ảnh hưởng đến tốc độ quang phân chất, trình bị hạn chế chiếu xạ tổng số chất hữu (COD) Các yếu tố can thiệp nồng độ, hệ số phân vùng giai đoạn pha lỏng giai đoạn hấp phụ, độ hoạt động chất Do đó, tác động can thiệp khơng Ảnh hưởng axit Humic axit humic có tác dụng ức chế nồng độ nước tự nhiên chủ yếu do: Hấp thụ tia cực tím cạnh tranh với hấp thụ tia cực tím TiO2 Tuy nhiên, nồng độ thấp, tác động tiêu cực bù trừ lập phân tử chất ô nhiễm vi-môi trường tạo vùng lân cận bề mặt TiO2 axit humic hấp phụ Ảnh hưởng nước lên quang xúc tác xử lý khơng khí áp suất riêng phần nước khác so với chất gây ô nhiễm Một mặt, nước cạnh tranh hấp phụ với chất ô nhiễm hữu cơ, đặc biệt chất có cấu trúc tương tự, chẳng hạn rượu Mặt khác, nước hoạt động chất phản ứng số bước phân hủy chất hữu và, đặc biệt, hạn chế hình thành sản phẩm ức chế hoạt tính quang Nước nguồn gốc hình thành gốc hydroxyl, nhiên, tầm quan trọng gốc tự phản ứng quang xúc tác pha khí tranh luận Kết luận: độ ẩm cần thiết cho hoạt động tối ưu quang xúc tác pha khí Khử khuẩn TiO2 /UV- hiệu khử khuẩn nước cao so với tia UV Màng tế bào DNA bị phá hủy TiO2 quang xúc tác có khả phá hủy gần tất loại chất hữu cơ, bao gồm polymer Khử trùng bằngTiO2 hứa hẹn cho xử lý nước khơng khí xúc tác quang TiO2 ý đồng thời khử trùng, phân hủy chất ô nhiễm hữu số cation kim loại độc hại khử bị oxy hóa Hoạt động diệt khuẩn tăng cường cách phun dung dịch ion bạc lớp phủ TiO2 trình điều chế nó, chiếu xạ tia cực tím, cation khử đến Ag, có đặc tính khử khuẩn Hậu xử lý Một số sản phẩm hóa học tạo q trình quang phân chưa khống hồn tồn độc hại chất ô nhiễm hữu ban đầu Đây vấn đề chung cho phương pháp oxy hóa, bao gồm pp thường sử dụng Để an tồn, giai đoạn hấp phụ than hoạt tính kết hợp sau quang phân quang xúc tác sử dụng tiền xử lý để loại bỏ chất nhiễm bền sinh học, ví dụ, khử hợp chất clo khác Vấn đề phải xác định thời gian tối ưu quang phân xúc tác để đạt hiệu tổng thể tốt Ngồi ra, quang xúc tác kết hợp pp khác siêu âm, ví dụ phá hủy hợp chất kỵ nước với mạch hydrocacbon dài, tương tác với TiO2 nước Kết luận Đ/v xử lý nước không khí, quang xúc tác TiO kỹ thuật đơn giản, mạnh mẽ, dễ dàng tự động linh hoạt Nó linh hoạt chất ô nhiễm hữu cơ, số chất ô nhiễm vô cơ, vi sinh vật đồng thời loại bỏ bất hoạt. Trong nước, số ion chuyển đổi Chi phí hoạt động chủ yếu thay đèn tia cực tím tiêu thụ điện Chi phí giảm đáng kể cách sử dụng xạ lượng mặt trời Lọc nước quang xúc tác phù hợp với cộng đồng bị lập, đặc biệt khơng có sẵn lực lượng lao động Kết luận Xúc tác quang kỹ thuật thú vị xử lý mùi hợp chất có ngưỡng khứu giác khoảng ppbv Do suất nên việc áp dụng xử lý khí thải nước thải cơng nghiệp u cầu kích thước thiết bị phản ứng phải lớn khó thực ... kích hoạt quang, chuyển giao hấp phụ điện tử Thuật ngữ xúc tác quang liên quan đến photon chất xúc tác Trong phần quan tâm đến chất xúc tác dị thể quang bán dẫn TiO2 NGUYÊN LÝ QUÁ TRÌNH QUANG HOÁ... ứng (13), (14) làm giảm hoạt tính quang xúc tác bán dẫn → giảm hiệu suất lượng tử trình quang hố NGUN LÝ Q TRÌNH QUANG HỐ XÚC TÁC TRÊN TiO2 PP tăng hoạt tính quang xúc tác bán dẫn: Thêm chất oxi... TiO2: Quá trình quang phân cloroform nước: 11nm PƯ oxy quang hố pha khí tricloroetylen: 7nm Đối với PƯ quang hố mơi trường nước: kích thước