Đánh giá khả năng quang xúc tác phân hủy p, p’ DDT sử dụng TiO₂ phủ trên hạt silica gel
Tạp chí phân tích Hóa, Lý và Sinh học - Tập 25, Số 2/2020
ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG QUANG XÚC TÁC PHÂN HỦY p, p’ DDT
SỬ DỤNG TiO2 PHỦ TRÊN HẠT SILICA GEL
Đến tòa soạn 5-2-2020
Nguyễn Thị Huệ
Viện Công nghệ môi trường, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam
Trường Đại học Khoa học và Công nghệ Hà Nội
Hà Thanh Hòa
Khoa Khoa học tự nhiên, Trường Đại học Điện lực
Nguyễn Mạnh Nghĩa
Khoa Vật lý, Trường Đại học Sư Phạm Hà Nội
SUMMARY
DETERMINATION THE PHOTOCATALYTIC ACTIVITY IN DEGRADATION p, p’
DDT USING TiO2 IMMOBILIZED ON SILICA GEL BEADS
The photocatalytic degradation of p, p’ DDT was carried out on TiO2 immobilized on silica gel beads
(TiO2/SiO2) under light irradiation in sollution. The photocatalytic activity and adsorption efficiency in
p, p’ DDT degradation have been studied. The results demonstrated that the supported silicagel has
increased the p, p’ DDT adsorption capacity. The effect of doped Co in TiO2 crystal on the
photoactivity of TiO2/SiO2 was also discussed. In addition, the intermediates products of oxidation p, p’
DDT process was find out. These findings are of much interest for applications to water treatment
using heterogeneous photocatalysis .
Keywords: Silica gel supported; Co doped TiO2; photocatalysis; adsorption.
1. GIỚI THIỆU
Nghệ An, Thanh Hóa, Quảng Bình [1].
DDT đã bị cấm sử dụng trong hoạt động sản
xuất nông nghiệp trên toàn thế giới theo Công
ước Stockholm. Tại Việt Nam, tuy đã bị cấm
sản xuất nhưng lượng DDT trong môi trường còn
nhiều là do chúng đã thoát ra từ các kho chứa
chưa được xử lý, trong sản xuất nông nghiệp và
trong y tế để diệt muỗi và sâu bọ. Tính tới thời
điểm 6/2013, Việt Nam có 1652 điểm nghi ngờ
ô nhiễm do hóa chất bảo vệ thực vật
(HCBVTV) tồn dư trong đó có DDT [1]. Các
điểm ô nhiễm hầu hết đang hoặc từng là kho
chứa HCBVTV để sử dụng trong nông nghiệp
và y tế. Theo báo cáo hiện trạng ô nhiễm môi
trường do HCBVTV tồn lưu thuộc nhóm hữu
cơ khó phân hủy tại Việt Nam, các tỉnh có
nhiều điểm chứa nguy cơ ô nhiễm DDT cao là
Hiện nay, các phương pháp oxy hóa nâng cao
(AOP) để xử lý nước thải và nước ngầm ô
nhiễm DDT được nhiều nhóm nghiên cứu tiến
hành. [2-5]. Chất xúc tác quang hóa là những
chất có khả năng biến thành chất oxi hóa mạnh
khi có sự chiếu sáng của ánh sáng có năng
lượng lớn hơn năng lượng vùng cấm của chất
đó. Những chất xúc tác quang đa số là các oxit
của các kim loại chuyển tiếp trong đó TiO2 là
chất có khả năng xúc tác quang hóa mạnh nhất
và được quan tâm nghiên cứu ứng dụng nhiều
nhất. Ưu điểm của phương pháp quang xúc tác
trong xử lý HCBVTV là có thể oxy hóa được
nhiều hoạt chất thuộc nhóm khó phân hủy độc
hại thành CO2 và H2O trong điều kiện bình
thường (như nhiệt độ phòng, áp suất khí
198
quyển) với giá thành rẻ và thân thiện với môi
trường.
nhiễm và thu hồi hạt, nhưng thiếu ứng dụng ở
quy mô lớn hơn. Do đó, cần thiết kế một
nguyên mẫu để thuận tiện cho việc phân huỷ
xúc tác các chất ô nhiễm hữu cơ và thu hồi xúc
tác để nó có thể được áp dụng trong thực tế.
Nhóm nghiên cứu của chúng tôi đã chế tạo
thành công vật liệu TiO2 và TiO2 pha Fe, Co,
Ni gắn trên hạt silica gel có hoạt xúc tác tốt
trong khi xử lý các chất hữu cơ như
Methylence Xanh, Methylence da cam,
Paraquat. Trong bài báo này, chúng tôi nghiên
cứu khả năng hấp phụ/quang xúc tác của vật
liệu TiO2 và TiO2 pha Co gắn trên hạt silica gel
khi phân hủy p, p’ DDT trong môi trường nước
khi sử dụng ánh sáng kích thích có bước sóng
khác nhau.
Mặc dù đã có rất nhiều nghiên cứu đã khắc
phục hoặc giảm bớt những nhược điểm trên và
mở rộng việc sử dụng TiO2 làm chất xúc tác
nhưng các nghiên cứu về TiO2 vẫn cần được
tiến hành theo các hướng:
1. Tăng cường sự ổn định hóa học và tính bền
vững của các hạt TiO2 pha tạp phi kim.
2. Chế tạo chất xúc tác đa chức năng kết hợp
các đặc tính quang xúc tác dùng ánh sáng khả
kiến, khả năng hấp thụ cao, tính ổn định cao và
có khả năng tách rời từ tính.
3. Sự phân hủy hoàn toàn một số hợp chất
POPs bởi quá trình quang xúc tác vẫn còn khó
thực hiện. Vì vậy, các nghiên cứu với mục đích
tăng cường độ hoạt tính quang xúc tác vẫn cần
được tiến hành. Ngoài ra, các sản phẩm cuối
cùng hoặc trung gian của phản ứng quang xúc
tác có thể không phải là các chất vô hại. Các
sản phẩm có thể nguy hiểm hơn hợp chất gốc.
Các sản phẩm phụ hại có thể làm giảm tốc độ
phản ứng và gây ô nhiễm thứ cấp. Hiện tại, có
rất ít nghiên cứu về độc tính của chất xúc tác
quang TiO2 hoặc quá trình xúc tác và đặc biệt
là đối với chất xúc tác quang TiO2 biến tính.
Chính vì vậy, cần có các nghiên cứu về đặc
tính cơ bản, định lượng quá trình phản ứng,
độc tính của các chất xúc tác.
2. THỰC NGHIỆM
2.1. Vật liệu
Tinh thể TiO2 hoặc TiO2 pha Co được chế tạo
bằng phương pháp sol-gel. Sol được tạo thành
từ Co(NO3)3.6H2O, ACAC, TTIP và Etanol với
tỉ lệ số mol phân tử là x : 1 : 1 – x : 34 với x =
0, 00; 0.09 khuấy đều trong 60 phút. Sau đó,
cho hạt silica – gel vào sol, ngâm trong 1 giờ.
Sấy hạt silica –gel ở 75oC trong tủ sấy đến khi
khô sau đó nung ở 500oC trong 5giờ. Quá trình
ngâm, sấy, nung được lặp lại 8 lần để được vật
liệu cuối cùng TiO2/SiO2 và mẫu TiO2 pha 9%
Co-ban phủ trên hạt silica gel (9Co-TiO2/SiO2)
10 nm; diện tích bề mặt riêng của silica gel,
TiO2/SiO2, 9Co-TiO2/SiO2 lần lượt là 192, 143
và 129 m2/g [6].
4. Tìm kiếm khả năng kết hợp các công nghệ
dựa trên TiO2 với các công nghệ khác để mở
rộng phạm vi áp dụng.
5. Phản ứng quang xúc tác TiO2 là quá trình
oxy hóa không chọn lọc vì nó dựa trên hoạt
động của các gốc tự do. Sự chọn lọc kém cũng
có nghĩa là chất xúc tác không phân biệt giữa
chất gây ô nhiễm có tính độc hại cao và các
chất gây ô nhiễm có độc tính thấp. Các chất
gây ô nhiễm độc tính thấp có thể dễ dàng bị
phân hủy bằng các phương pháp sinh học
nhưng nhiều chất nguy hiểm cao không phân
hủy được. Do đó, cần thiết phải phát triển hệ
quang xúc tác có thể phân hủy các chất ô
nhiễm một cách có chọn lọc bằng cách sử dụng
ánh sáng khả kiến hoặc ánh sáng Mặt trời, hoạt
động hỗ trợ cho phương pháp sinh học.
2.2. Hệ thử nghiệm
Khả năng quang xúc tác của vật liệu khi phân
hủy thuốc trừ sâu DDT được thực hiện trên hệ
thử nghiệm trong phòng thí nghiệm có sơ đồ
như hình 2.1.
1
2
8
7
4
5
6
3
Hình 2.1. Hệ thử nghiệm quang xúc tác trong
phòng thí nghiệm
6. Các nghiên cứu trước đã tập trung chủ yếu
vào kiểu phản ứng theo mẻ để phân hủy quang
xúc tác, tách bằng từ trường để loại bỏ chất ô
199
Ghi chú:
1: Hệ đèn UV
2: Van 01
5: Bơm nhu động
6: Lưu lượng kế
7: Van 02
3: Van lấy mẫu
4: Bể chứa
8: Ống chứa vật liệu
Dung dịch cần xử lý được tập trung tại bể chứa
(4). Từ bể chứa (4), dung dịch được bơm qua
lưu lượng kế (6) và qua van nước (7) vào ống
chứa vật liệu. Tại đây dung dịch cần xử lý
được chảy qua ống chứa các loại vật liệu dưới
tác dụng của đèn huỳnh quang hoặc đèn UV.
Dung dịch sau khi được xử lý tại máng chứa
vật liệu (8) được chảy về bể chứa (4) thông qua
van nước số 01 (2). Dung dịch tại bể chứa (4)
được kiểm tra định kỳ bằng cách lấy mẫu phân
tích tại van lấy mẫu (3) sau khoảng thời gian
bằng nhau t (=10 phút, 30 phút, 60 phút) định
trước để xác định sự phụ thuộc của nồng độ
còn lại của các chất thử theo thời gian. Máy
bơm nhu động (5) duy trì tốc độ dòng 100
mL/phút. Ống vật liệu (8) là ống thủy tinh dài
20 cm, đường kính 1 cm được cho ánh sáng
UVA (365 nm) truyền qua.
Hình 3.1. Khả năng xử lý DDT của TiO2/SiO2
trong điều kiện bóng tối (1) và chiếu UV
365nm (2).
Mô hình động học Langmuir – Hinshelwood
được sử dụng để mô tả động học quá trình hấp
phụ và quang xúc tác. Trong đó, tốc độ phản
ứng dị thể được viết dưới dạng:
Với
C: Nồng độ p, p’ DDT (mg/L).
Kr: Hằng số tốc độ phản ứng (mg/L.phút)
K: Hệ số hấp phụ p, p’ DDT trên vật liệu
(L/mg).
Khi KC<<1, ta có phương trình dạng
. Với k là hằng số
Đèn (1) dùng trong thử nghiệm quang xúc tác
là đèn UV 365nm/18 W hoặc đèn huỳnh quang
18W được đặt sát ống chứa vật liệu. Cường độ
sáng đo được của đèn UV 365nm/18 W tại nơi
đặt ống chứa thủy tinh là 5,6 mW/cm2. Như
vậy, cường độ và bước sóng do đèn tử ngoại
chiếu tới vật liệu tương đương với thành phần
UVA trong ánh sáng Mặt trời [7]. Nồng độ
DDT còn lại trong bể (4) được xác định bằng
sắc ký khí (GC-ECD).
tốc độ biểu kiến cho quá trình hấp phụ/quang
xúc tác. Kết quả thí nghiệm cho thấy, trong
điều kiện đặt vật liệu TiO2/SiO2 trong điều kiện
bóng tối và điều kiện chiếu UV 365nm thì
hằng số tốc độ biểu kiến k lần lượt là. 0,0158
và 0,0296 phút-1.
3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
Như vậy, nồng độ p, p’ DDT giảm mạnh hơn
trong điều kiện chiếu UV. Nguyên nhân của
hiện tượng này có thể giải thích là: (i) vật liệu
mang hạt silica gel thể hiện khả năng hấp phụ
tốt p, p’ DDT do có tương tác điện dẫn tới
nồng độ p, p’ DDT giảm theo quy luật hàm mũ
trong cả điều kiện có và không có UV; (ii)
TiO2 có khả năng quang xúc tác phân hủy p, p’
DDT [8] nên trong khoảng thời gian đầu của
thí nghiệm có cả hai hiện tượng hấp phụ và
quang xúc tác đồng thời xảy ra làm cho nồng
độ p, p’ DDT giảm nhanh hơn khi có UV
365nm.
3.1. Khả năng xử lý DDT của vật liệu
TiO2/SiO2
Để đánh giá khả năng hấp phụ/quang xúc tác
TiO2/SiO2 khi xử lý thuốc trừ sâu p, p’ DDT
với nồng độ ban đầu 1 ppm, khối lượng vật
liệu sử dụng là 10g. Hình 3.1 biểu diễn sự phụ
thuộc nồng độ p, p’ DDT theo thời gian trong
điều kiện bóng tối và chiếu tia UV 365 nm. Kết
quả cho thấy nồng độ p, p’ DDT đều bị giảm
mạnh trong cả hai điều kiện thí nghiệm. Sau 1
giờ, hiệu suất xử lý p, p’ DDT của TiO2/SiO2
đạt 78% trong điều kiện bóng tối và 97% trong
điều kiện chiếu UV 365nm.
Thông tin về sản phẩm trung gian trong quá
trình quang xúc tác khi xử lý DDT được xác
200
định thông qua sắc đồ như trên hình 3.2. Sắc
đồ cho thấy sự tồn tại của hai đỉnh tại thời gian
lưu 12,1 phút và 12,7 phút tương ứng hai hợp
chất là chlorobenzene và chlorophenol. Do đó,
có thể cho rằng ngoài lượng hấp phụ trong vật
liệu thì DDT cũng bị phân hủy do quá trình
quang xúc tác tạo ra hai sản phẩm đặc trưng là
chlorobenzene và chlorophenol.
3.2. Khả năng xử lý DDT của vật liệu
TiO2/SiO2 pha Co
Ảnh hưởng của sự pha tạp tới khả năng xử lý
thuốc trừ sâu p, p’ DDT được thử nghiệm với
mẫu TiO2 pha 9% Co-ban phủ trên hạt silica
gel. Trong đó, điều kiện thí nghiệm: nồng độ p,
p’ DDT ban đầu là 1 ppm, khối lượng vật liệu
sử dụng là 1 g.
Ảnh hưởng của quá trình pha tạp Co tới khả
năng hấp phụ p, p’ DDT của vật liệu được
khảo sát thông qua theo sự phụ thuộc nồng độ
theo thời gian như hình 3.4. Kết quả thể hiện
silica gel, TiO2/SiO2 hoặc 9Co-TiO2/SiO2 đều
thể hiện khả năng hấp phụ tốt p, p’ DDT với
hằng số tốc độ biểu kiến k lần lượt là 0,3108;
0,2342; 0,0918 giờ-1.
Hình 3. 2. Sắc đồ của p, p’ DDT trong mẫu
nước sau khi chiếu UV 60 phút
TiO2 phủ trên hạt silica gel thể hiện khả năng
xử lý tốt p, p’ DDT trong môi trường nước khi
dùng nguồn UV 365nm kích hoạt. Nồng độ p,
p’ DDT trong dung dịch giảm do cả hai quá
trình hấp phụ và quang xúc tác như được minh
họa trên hình 3.3 Trong đó, silica gel hấp phụ
mạnh p, p’ DDT làm giảm nồng độ của nó
trong dung dịch đồng thời đưa chất ô nhiễm lại
gần tinh thể TiO2. Tinh thể TiO2 khi được kích
thích bởi ánh sáng có năng lượng lớn hơn bề
rộng vùng cấm hiệu dụng sinh ra cặp
electron/lỗ trống. Các electron/lỗ trống này tạo
Hình 3.4. Khả năng hấp phụ p, p’ DDT khi sử
dụng hạt silica gel, TiO2/SiO2 và 9Co-
TiO2/SiO2.
Như vậy, silica gel thể hiện khả năng hấp phụ
mạnh nhất p, p’ DDT và việc đưa xúc tác lên
silica gel làm cho khả năng hấp phụ p, p’ DDT
của vật liệu này giảm. Nguyên nhân có thể là
khi đưa TiO2 hoặc TiO2 pha Co trên vật liệu
mang silica gel làm cho diện tích bề mặt riêng
giảm dẫn tới giảm khả năng hấp phụ [6].
ra nhóm OH và O2 có khả năng bẻ gãy các
liên kết trong phân tử paraquat để tạo ra các
sản phẩm của quá trình xúc tác quang hóa.
Để xác định ảnh hưởng của việc pha tạp Co tới
khả năng quang xúc tác phân hủy p, p’ DDT
của vật liệu TiO2 phủ trên hạt silica gel, nồng
độ p, p’ DDT phụ thuộc thời gian khảo sát
trong chiếu sáng ánh sáng khả kiến bởi đèn
huỳnh quang và không chiếu sáng (tối). Hình
3.5 thể hiện khả năng quang xúc tác của vật
liệu silica gel, TiO2/SiO2 và cả 9Co-TiO2/SiO2.
Kết quả cho thấy, khi có hoặc không có ánh
sáng khả kiến thì tốc độ suy giảm nồng độ p, p’
DDT trong dung dịch không có sự khác biệt
đối với tất cả các vật liệu được sử dụng. Như
Hình 3. 1. Giản đồ mô tả quá trình hấp
phụ/quang xúc tác của TiO2/SiO2.
201
vậy có thể cho rằng chỉ có sự hấp phụ p, p’
DDT vào các vật liệu được khảo sát. Trong đó
vật liệu pha tạp 9% Co cũng không thể hiện
khả năng quang xúc tác phân hủy p, p’ DDT
khi được kích hoạt bởi ánh sáng huỳnh quang.
xử lý chất ô nhiễm. Khi dùng vật liệu không
pha tạp TiO2/SiO2 trong điều kiện chiếu tia UV
365nm, p, p’ DDT bị ô xy hóa bởi phản ứng
quang xúc tác, phân hủy tạo ra sản phẩm trung
gian là Clophenol và Clobenzen. Khi pha tạp
Co, vật liệu 9Co-TiO2/SiO2 chỉ thể hiện khả
năng hấp phụ mà không cho thấy hoạt tính
quang xúc tác khi kích hoạt bởi ánh sáng từ
đèn huỳnh quang.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1]. Hiện trạng ô nhiễm môi trường do hóa chất
bảo vệ thực vật tồn lưu thuộc nhóm chất hữu
cơ khó phân hủy tại Việt Nam. 2015: Tổng cục
môi trường.
[2]. Belessi,D. Petridis, Modified and
nonmodified
TiO2
nanoparticles
for
environmental applications,Elsevier, 2014,
Elsevier289-330.
[3]. E. Blanco, J. M. González-Leal, M. Ramírez-
del Solar, Photocatalytic TiO2 sol–gel thin films:
Optical and morphological characterization, Solar
Energy, 2015, 122(C), 11-23.
[4]. M. N. Chong, B. Jin, C. W. Chow, C.
Saint, Recent developments in photocatalytic
water treatment technology: A review, Water
Research, 2010, 44(10), 2997-3027.
[5]. H. Dong, G. Zeng, L. Tang, C. Fan, C.
Zhang, X. He, Y. He, An overview on
limitations of TiO2-based particles for
photocatalytic
pollutants
degradation
and the
of
organic
corresponding
countermeasures, Water Research, 2015, 79,
128-46.
[6] N. M. Nghia, N. Negishi, N. T. Hue,
Enhanced Adsorption and Photocatalytic
Activities of Co-Doped TiO2 Immobilized on
Silica for Paraquat, Journal of Electronic
Materials, 2018, 47(1), 692–700.
[7]. P. R. Young, H. Tian, H. Peter, R. J.
Rutten, C. J. Nelson, Z. Huang, B. Schmieder,
G. J. M. Vissers, S. Toriumi, L. H. M. R.
van der Voort, M. S. Madjarska, S. Danilovic,
A. Berlicki, L. P. Chitta, M. C. M. Cheung, C.
Madsen, K. P. Reardon, Y. Katsukawa, P.
Heinzel, Solar Ultraviolet Bursts, Space
Science Reviews, 2018, 214(8), 120.
Hình 3.5. Khả năng xử lý DDT khi sử dụng
hạt silica gel (a), TiO2/SiO2 (b), 9Co-TiO2/SiO2
(c), trong điều kiện bóng tối và chiếu đèn
huỳnh quang.
[8]. J. Ananpattarachai,P. Kajitvichyanukul,
Photocatalytic degradation of p,p′-DDT under
UV and visible light using interstitial N-doped
TiO2, Journal of Environmental Science and
Health, Part B, 2015, 50(4), 247-260.
4. KẾT LUẬN
Vật liệu TiO2 phủ trên hạt silica gel thể hiện
khả năng xử lý tốt p, p’ DDT trong môi trường
nước. Quá trình hấp phụ p, p’ DDT vào các vật
liệu thử nghiệm luôn xảy ra trong khi tiến hành
202
5 trang
16960
Free
Bạn đang xem tài liệu "Đánh giá khả năng quang xúc tác phân hủy p, p’ DDT sử dụng TiO₂ phủ trên hạt silica gel", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên
File đính kèm:
- danh_gia_kha_nang_quang_xuc_tac_phan_huy_p_p_ddt_su_dung_tio.pdf
