Điều chế quang xúc tác TiO2 pha tạp Gadolini trên chất mang Bentonite để xử lí các chất hữu cơ trong nước thải kênh Nhiêu Lộc – Thị Nghè và diệt nấm mốc, vi khuẩn

ABSTRACT

In this study, we report photocatalytic activity under visible light irradiation of

gadolinium-doped TiO2 nanoparticles on bentonite prepared by sol–gel method. Using this

preparation, we performed the decomposition for organic chemicals in sewage of Nhieu

Loc – Thi Nghe channel. The number of Aspergillus niger and E. coli bacteria were killed

up to 100%.

pdf10 trang | Chuyên mục: Xúc Tác và Ứng Dụng | Chia sẻ: yen2110 | Lượt xem: 205 | Lượt tải: 0download
Tóm tắt nội dung Điều chế quang xúc tác TiO2 pha tạp Gadolini trên chất mang Bentonite để xử lí các chất hữu cơ trong nước thải kênh Nhiêu Lộc – Thị Nghè và diệt nấm mốc, vi khuẩn, để xem tài liệu hoàn chỉnh bạn click vào nút "TẢI VỀ" ở trên
phân hủy 
COD cũng b ng 0% chứng tỏ TiO2 kích 
thước nanomet không biến tính không 
quang hoạt dưới ánh sáng khả kiến. 
Trong trường hợp có dư bentonite (ở 
các tỉ lệ từ 1 : 5 đến 1 : ), khả năng hấp 
phụ tăng dần do số l xốp trống của 
bentonite tăng. 
3.3. K ảo sát ản ưởng củ tỉ lệ p 
tạp Gd/ iO2 đến iệu suất p ân ủy COD 
củ vật liệu 
Thí nghiệm nghiên cứu ảnh hưởng của 
tỉ lệ pha tạp Gd/TiO2 được tiến hành trong 
điều kiện: các mẫu pha tạp các tỉ lệ 
Gd/TiO2 (mol/mol) là: 0,3%; 0,5%; 0,7% 
và 1,0%, các điều kiện thí nghiệm khác 
được giữ như ở trên. Kết quả của hiệu suất 
phân hủy COD theo tỉ lệ pha tạp Gd/TiO2 
được trình bày ở hình 2. 
Hình 2. H ệu suấ p â ủ COD e ỉ lệ p a ạp Gd/T O2 ủa vậ l ệu 
Từ hình có thể thấy r ng: 
 Khi tăng tỉ lệ % pha tạp Gd: TiO2 
(mol/mol) từ 0,3% lên 0,5%, hiệu suất 
quang xúc tác tăng do số tâm hoạt động 
tăng trên bề mặt xúc tác. 
 Nếu tiếp tục tăng tỉ lệ % pha tạp Gd: 
TiO2 (mol/mol) từ 0,5% lên 1,0%, hiệu suất 
quang xúc tác lại giảm do có sự chồng lắp 
các tâm hoạt động lên nhau. 
 Tỉ lệ % pha tạp Gd : TiO2 (mol/mol) phù 
hợp nhất là 0,5% với hiệu suất quang xúc 
tác đạt 9 ,50%. 
3.4. Khảo sát sự tạo thành và phân hủy 
gel TiO2 – Gd bằng giản đồ phân tích nhiệt 
trọng lượng (TGA) để điều chế vật liệu 
Mẫu gel TiO2 pha tạp ở tỉ lệ Gd/TiO2 
(mol/mol) là 0,5%, sấy ở 800C cho tới khô 
hoàn toàn, nghiền thành bột mịn rồi được 
phân tích nhiệt TGA với kết quả ở hình 3: 
17 
Hình 3. G ả đồ p â í ệ ọ lượ (TGA) 
Từ giản đồ phân tích nhiệt trọng lượng 
(TGA) ở hình 3 cho thấy quá trình phân 
hủy gel như sau: 
 Khi tăng nhiệt độ nung gel TiO2 lên 
150
0C, ở giản đồ TGA có sự mất 9,149% 
khối lượng do gel bị mất nước ở bên ngoài. 
Điều này có nghĩa việc lựa chọn nhiệt độ 
sấy dưới 1500C (cụ thể là 800C) là phù hợp 
để không ảnh hưởng đến cấu trúc của gel. 
 Khi tăng nhiệt độ nung lên khoảng 
258
0C, ở giản đồ TGA có sự mất thêm 
3,589% khối lượng. Tại nhiệt độ này nước 
ở cầu ngoại đã mất hoàn toàn và bắt đầu 
chuyển qua giai đoạn phân hủy gel để hình 
thành TiO2. 
 Khi tăng nhiệt độ nung lên 000C, ở 
giản đồ TGA có sự mất thêm 9, 3% khối 
lượng. Đây là thời điểm kết thúc việc phân 
hủy gel để hình thành TiO2. Từ 00
0C trở 
đi, khối lượng không đổi, có nghĩa là sự 
hình thành TiO2 đã hoàn toàn. 
Do đó, nhiệt độ nung phù hợp là bé 
hơn hoặc b ng 000C. Nếu nung ở nhiệt độ 
cao hơn 000C sẽ làm hao tốn nhiên liệu 
đồng thời các hạt TiO2 – Gd có xu hướng 
kết tụ thành đám sẽ làm giảm diện tích bề 
mặt riêng hoặc TiO2 sẽ có xu hướng dễ 
chuyển sang dạng rutile nhiều hơn cũng 
làm giảm hiệu suất phân hủy các chất hữu 
cơ có trong nước thải nên đều không có lợi. 
3.5. K ảo sát ản ưởng n iệt độ 
nung mẫu đến iệu suất p ân ủy COD 
củ vật liệu 
Các thí nghiệm nghiên cứu ảnh hưởng 
của nhiệt độ nung đến vật liệu TiO2 pha tạp 
Gd được thay đổi từ 400oC, 500oC, 600oC 
đến 00oC, các điều kiện thí nghiệm khác 
được giữ như ở trên. Kết quả được trình 
bày ở hình 4: 
18 
Hình 4. H ệu suấ p â ủ COD e ệ độ u vậ l ệu 
Từ hình 4 có thể thấy r ng, nhiệt độ 
nung tối ưu là 5000C. Hiệu suất phân hủy 
COD đạt 100% sau 0 phút. 
3.6. K ảo sát àm lượng c ất xúc tác 
đến iệu suất p ân ủy COD củ vật liệu 
Các thí nghiệm nh m tìm ra hàm lượng 
xúc tác tối ưu được thay đổi từ 0,005; 0,01; 
0,0 0(g/ml) nước thải, các điều kiện thí 
nghiệm khác được giữ như ở trên. Kết quả 
được trình bày ở hình 5: 
Hình 5. H ệu suấ p â ủ COD e m lượ ấ x 
Từ hình 5 có thể thấy r ng, hàm lượng 
xúc tác tối ưu là: 0,0 0(g/ml) nước thải. 
Hiệu suất phân hủy COD đạt 100% sau 0 
phút. 
3.7. K ảo sát t ời gi n xử lí c ất ữu 
cơ trong nước t ải và ả năng tái sử 
dụng củ xúc tác đến iệu suất p ân ủy 
COD củ vật liệu 
Kết quả cho thấy r ng, ở lần sử dụng 
đầu tiên, thời gian xúc tác tối ưu là 0 phút, 
19 
hiệu suất phân hủy COD đạt 100%. Khi tái 
sử dụng xúc tác ở lần , chỉ còn 8 ,5% và 
lần 3 chỉ còn 5% sau 180 phút. Điều này 
cho thấy cần có nghiên cứu tiếp theo để 
hoạt hóa vật liệu xúc tác TiO2 – Gd nếu 
muốn nâng hiệu suất phân hủy COD lên 
hơn nữa ở những lần sau. 
3.8. Khảo sát khả năng phân hủy 
metylen xanh của vật liệu TiO2 và TiO2 – Gd 
Để đánh giá và so sánh khả năng quang 
xúc tác của vật liệu TiO2 và TiO2 – Gd cần 
khảo sát độ chuyển hóa (khả năng phân 
hủy) metylen xanh của chúng. Kết quả cho 
thấy mẫu TiO2 pha tạp Gd có khả năng xúc 
tác quang hóa cao hơn nhiều so với TiO2 
không pha tạp. Mẫu TiO2 – Gd 0,5% về số 
mol cũng đã chứng tỏ có độ chuyển hóa cao 
nhất, chỉ cẩn được chiếu sáng b ng đèn 
Compac 40W độ chuyển hóa đã đạt ,0 % 
sau 10 phút và đạt 90,0 % sau 40 phút. 
3.9. K ảo sát ả năng diệt vi uẩn 
E.coli và nấm mốc Aspergillus niger củ 
vật liệu 
Tính chất diệt vi khuẩn, nấm mốc của 
TiO2 nano được kiểm nghiệm b ng phương 
pháp đếm số khuẩn lạc trên đĩa petri. Toàn 
bộ quá trình thử khả năng xúc tác quang 
hóa của TiO2 nano lên vi khuẩn, nấm mốc 
được thực hiện trong tủ cấy vô trùng. Kết 
quả cho thấy dưới tác dụng của đèn 
Compac 40W, vật liệu TiO2 – Gd có khả 
năng diệt vi khuẩn .Coli và nấm mốc 
Aspergillus niger rất tốt, lượng vi khuẩn và 
nâm mốc sống sót (sau 1,5 ngày) trên đĩa 
petri có phủ TiO2 – Gd là rất ít, thậm chí 
không còn tồn tại. Những thí nghiệm này 
cho thấy vi khuẩn và nấm mốc đã bị phân 
hủy trên bề mặt do tính oxi hóa mạnh của 
TiO2 quang xúc tác. 
3.10. Khảo sát kích thước hạt của vật 
liệu TiO2 pha tạp Gd và TiO2 pha tạp Gd 
gắn vào chất mang bentonite bằng ảnh SEM 
Kết quả ảnh S M cho thấy TiO2 pha 
tạp Gd có dạng hạt, có kích thước từ 
khoảng ,14 đến 11 nm và phân bố đồng 
đều, ít bị kết tụ thành đám do đó sẽ có diện 
tích bề mặt riêng lớn nên là chất xúc tác 
tốt. Ảnh S M cũng cho thấy khi gắn TiO2 
lên bentonite xuất hiện các hạt có kích 
thước nanomet rất đều bên cạnh các hạt 
bentonite có kích thước lớn hơn nhiều. 
Điều này chứng tỏ TiO2 đã được gắn vào 
nền bentonite. 
3.11. K ảo sát t àn p ần ọc 
củ vật liệu iO2 – Gd bằng n iễu xạ ti 
X (XRD) 
Các thí nghiệm tiếp theo nh m tìm ra 
thời gian xúc tác tối ưu của lần , lần 3 
được thay đổi theo thời gian chiếu sáng: 
60; 120; 180 (phút). 
Kết quả được trình bày ở hình : 
20 
Hình 6a. Giản đồ n iễu xạ ti X củ vật liệu iO2 
Hình 6b. Giản đồ n iễu xạ ti X củ vật liệu iO2 – Gd 
So sánh hai giản đồ nhiễu xạ tia X của 
vật liệu TiO2 và TiO2 - Gd ở hình a và b 
có thể cho một số nhận xét: 
 Hầu hết các pic ở giản đồ nhiễu xạ 
tia X của vật liệu TiO2 ở hình a đều có ở 
giản đồ nhiễu xạ tia X của vật liệu TiO2 – 
Gd ở hình b, đặc biệt là pic tại góc 
0 0
2 25,36 27,46   có d 3,51 vì đây 
là pic đặc trưng của TiO2. 
 Sự pha tạp của Gd vào vật liệu đã 
thành công được chứng minh qua một số 
điểm khác nhau ở hai giản đồ trên như sau: 
- Tuy hầu hết các pic ở giản đồ nhiễu 
xạ tia X của vật liệu TiO2 ở hình a đều có 
ở giản đồ nhiễu xạ tia X của vật liệu TiO2 – 
Gd ở hình b nhưng giá trị d của các pic ở 
 giản đồ có sự chênh lệch dù khá nhỏ. 
- Giản đồ nhiễu xạ tia X của vật liệu 
TiO2 – Gd ở hình b không có pic có d = 
3, 44 9 và d = 1, 48 như giản đồ nhiễu 
21 
xạ tia X của vật liệu TiO2 ở hình a. 
- Giản đồ nhiễu xạ tia X của vật liệu 
TiO2 – Gd ở hình b có thêm pic có 
d = 1, 43019.4 mà giản đồ nhiễu xạ tia X 
của vật liệu TiO2 ở hình a không có. 
4. KẾT LUẬN 
 Đã xác định các điều kiện thích hợp 
để điều chế vật liệu TiO2 pha tạp Gd trên 
chất mang bentonite b ng phương pháp sol 
– gel đi từ TTIP, CH3COOH và C2H5OH 
với tỉ số mol là 
3 2 5
TTIP CH COOH C H OH
n : n : n 1: 6 :10 , 
tỉ lệ pha tạp Gd/TiO2 là 0,5% về số mol, 
thời gian muồi gel là ngày, tỉ lệ 
gel/bentonite là 1 : 4, nhiệt độ nung là 
500
oC, thời gian nung mẫu là 3 giờ. 
 Vật liệu nano TiO2 pha tạp 0,5% mol 
Gd có khả năng quang xúc tác tốt và chỉ 
cần ánh sáng khả kiến, hiệu suất phân hủy 
COD đạt 100% sau 0 phút. Trước đây vì 
sử dụng TiO2 không pha tạp nên muốn đạt 
kết quả này phải mất 180 phút và phải 
được chiếu sáng b ng tia UV. 
 Với vật liệu TiO2 – Gd nano, chỉ cần 
ánh sáng khả kiến, độ chuyển hóa của 
metylen xanh đạt ,0 % sau 10 phút và 
đạt 90,0 % sau 40 phút. Ngoài ra chúng 
còn có khả năng diệt nấm mốc, vi khuẩn 
nên có khả năng ứng dụng làm sơn quét 
tường cho các phòng mổ 
TÀI LIỆU THAM KHẢO 
1. Chuan-yi Wang, Joseph Rabani, Detlef W. Bahnemann, Jurgen K. Dohrmann (2002), 
“Photonic efficiency and quantum yield of formaldehyde formation from methanol in 
the presence of various TiO2 photocatalysts”, Journal of Photochemistry and 
photobiology A: Chemistry, Vol 148, pp.169-176. 
2. E. D. Jeong, Pramod H. Borte, J. S. Jang, J. S. Lee, Jung OK-sang, H. Chang, J. S. Jin, 
M. S. Won and H. G. Kim ( 008), “Hydrothermal synthesis of Cr and e co-doped 
TiO2 nanoparticle photocatalyst”, Journal of Ceramic processing Research, 9(3), pp. 
250-253. 
3. Hoàng Thanh Thúy (2011), N ê ứu ế í T O2 a ằ C (III) l m ấ x 
 qua óa vù s ấ , Luận văn Thạc sĩ chuyên ngành: Hóa 
Môi trường, Đại học Khoa học Tự nhiên – Đại học Quốc gia Hà Nội. 
4. Huỳnh Thị Kiều Xuân, Lê Tiến Khoa, Tăng Ngọc Bảo Thụy ( 010), “Nghiên cứu biến 
tính TiO2 anatase b ng K và khảo sát hoạt tính quang hóa trong vùng khả kiến”, Tạp 
chí P ể K a ọ v C ệ - Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh, 
tập 13 (số T1), trang – 28. 
5. Võ Quang Mai, Trần Thị Cúc Phương ( 008), “Tổng hợp xêri đioxit siêu mịn b ng 
phương pháp sol-gel từ xêri(IV) nitrat và axit tartric”, Tạp chí k a ọ Đạ ọ 
Huế (Chuyên san khoa học tự nhiên), số 48, trang 119–124. 
22 
6. Võ Văn Tân, Võ Quang Mai, Trần Dương ( 011), “Nghiên cứu chế tạo vật liệu phát 
quang floapatit pha tạp europi và neodym”, Tạp chí Hóa ọ , tập 49 (số 3A), trang 
164 –168. 
7. Võ Văn Tân, Võ Quang Mai, Nguyễn Tấn Phước ( 013), “Nghiên cứu điều chế và 
thử hoạt tính quang xúc tác TiO2 pha tạp uropi”, Tạp chí Đạ ọ S Gò , số 14, 
trang 88–98. 
* Ngày nhận bài: 1 /5/ 014. Biên tập xong: 30/ / 014. Duyệt đăng: 05/8/ 014 

File đính kèm:

  • pdfdieu_che_quang_xuc_tac_tio2_pha_tap_gadolini_tren_chat_mang.pdf