Mạ và Đặc Trưng Vật Liệu Cát và Silica Khói Quang Hấp Phụ Thông Qua Phương Pháp Sol-Gel Để Khôi Phục Môi Trường

Sameena Kamaruddin1, Dietmar Stephan1
1Department of Civil Engineering, Technische Universität Berlin, Berlin, Germany

Tóm tắt

Bài báo này báo cáo về việc sửa đổi cát và silica khói bằng titan dioxide nhằm tạo ra một vật liệu hoạt động quang xúc tác cho việc phân hủy các chất ô nhiễm. Quy trình mạ được thực hiện dựa trên phương pháp sol-gel. Tetra-n-propyltitanate được sử dụng làm tiền chất titan dioxide để áp dụng một lớp nano lên các hạt cát. Đối với silica khói, quy trình mạ đã được thay đổi. Nhiều lượng khác nhau của tetra-n-propyltitanate đã được sử dụng để đạt được độ dày lớp mạ khác nhau và xác định lượng tối đa titan dioxide có thể được nạp trên vật liệu. Tất cả các mẫu đều cho thấy hiệu suất quang học cao trong việc phân hủy nitơ monoxide mặc dù lượng titan dioxide thấp, được xác định thông qua phân tích huỳnh quang tia X. Một số mẫu cho thấy hiệu suất quang học cao hơn cả Degussa P25 thương mại. Do phương pháp chế tạo, việc nung nóng các hợp chất cát không cần thiết để tạo ra một lớp mạ tinh thể chịu trách nhiệm cho hoạt động quang xúc tác cao. Tuy nhiên, các hợp chất silica khói phải được nung nóng có thể do sự biến đổi trong phương pháp chế tạo. Hình ảnh điện tử quét đã tiết lộ hình thái cấu trúc của tất cả các mẫu vật. Phân tích tia X tán xạ năng lượng xác định các hạt titan dioxide ở quy mô nano trên bề mặt cát mà chỉ có thể được quan sát qua SEM. Kết quả nghiên cứu này đặc biệt thú vị cho các ứng dụng quy mô lớn của các chất quang xúc tác. Do cát và silica khói công nghiệp được sử dụng là vật liệu giá rẻ, loại quang xúc tác mới này có thể được áp dụng với số lượng lớn hơn và phân phối lên các khu vực rộng lớn hơn, trong khi vẫn tiết kiệm chi phí.

Từ khóa

#quang xúc tác #cát #silica khói #titan dioxide #vi môi trường

Tài liệu tham khảo

Bahnemann, W., Muneer, M., & Haque, M. M. (2007). Titanium dioxide-mediated photocatalysed degradation of few selected organic pollutants in aqueous suspensions. Catalysis Today, 124(3–4), 133–148.

Ballari, M., & Brouwers, H. (2013). Full scale demonstration of air-purifying pavement. Journal of Hazardous Materials. doi:10.1016/j.jhazmat.2013.02.012.

Ballari, M., Yu, Q., & Brouwers, H. (2011). Experimental study of the NO and NO2 degradation by photocatalytically active concrete. Catalysis Today. doi:10.1016/j.cattod.2010.09.028.

Beevers, S. D., Westmoreland, E., de Jong, M. C., Williams, M. L., & Carslaw, D. C. (2012). Trends in NOx and NO2 emissions from road traffic in Great Britain. Atmospheric Environment. doi:10.1016/j.atmosenv.2012.02.028.

de_Richter R., Caillol S. (2011) Fighting global warming: the potential of photocatalysis against CO2, CH4, N2O, CFCs, tropospheric O3, BC and other major contributors to climate change. Journal of Photochemistry and Photobiology C: Photochemistry Reviews. doi: 10.1016/j.jphotochemrev.2011.05.002.

Fang, S., & Chen, H. (1996). Air quality and pollution control in Taiwan. Atmospheric Environment, 30(5), 735–741.

Fu, M., Ge, Y., Wang, X., Tan, J., Yu, L., & Liang, B. (2013). NOx emissions from Euro IV busses with SCR systems associated with urban, suburban and freeway driving patterns. Science of the Total Environment. doi:10.1016/j.scitotenv.2013.02.076.

Fujishima, A., Rao, T. N., & Tryk, D. A. (2000). Titanium dioxide photocatalysis. Journal of Photochemistry and Photobiology C: Photochemistry, 1(1), 1–21.

Gurr, J., Wang, A. S., Chen, C., & Jan, K. (2005). Ultrafine titanium dioxide particles in the absence of photoactivation can induce oxidative damage to human bronchial epithelial cells. Toxicology. doi:10.1016/j.tox.2005.05.007.

Han, S., Sun, J. B., Xiang, W., Guo, S. Y., Wang, F. L., Jiang, L., et al. (2011). Study on the photocatalyst degradation of methylene blue by using nanometer-sized TiO2/quartz sand. Advanced Material Research. doi:10.4028/www.scientific.net/AMR.183-185.1803.

International Standard ISO 22197–1 (2007). Fine ceramics (advanced ceramics, advanced technical ceramics)—test method for air-purification performance of semiconducting photocatalytic materials, Part 1—removal of nitric oxide. http://www.iso.org.

Kamaruddin, S., & Stephan, D. (2013). Quartz—titania composites for the photocatalytical modification of construction materials. Cement and Concrete Composites. doi:10.1016/j.cemconcomp.2012.08.007.

Kandiel, T. A., Dillert, R., Feldhoff, A., & Bahnemann, D. W. (2010). Direct synthesis of photocatalytically active rutile TiO2 nanorods partly decorated with anatase nanoparticles. Journal of Physical Chemistry C. doi:10.1021/jp912008k.

Krishnan, P., Zhang, M., Cheng, Y., Riang, D. T., & Yu, L. E. (2013a). Photocatalytic degradation of SO2 using TiO2-containing silicate as a building coating material. Construction and Building Materials. doi:10.1016/j.conbuildmat.2013.02.012.

Krishnan, P., Zhang, M., Yu, L., & Feng, H. (2013b). Photocatalytic degradation of particulate pollutants and self-cleaning performance of TiO2-containing silicate coating and mortar. Construction and Building Materials. doi:10.1016/j.conbuildmat.2013.03.009.

Kurvits, T., & Martab, T. (1998). Agricultural NH, and NO, emissions in Canada. Environmental Pollution, 102(S1), 187–194.

Lasek, J., Yu, Y., & Wu, J. C. (2013). Removal of NOx by photocatalytic processes. Journal of Photochemistry and Photobiology C: Photochemistry Reviews. doi:10.1016/j.jphotochemrev.2012.08.002.

Luo, M., Bowden, D., & Brimblecombe, P. (2009). Preparation of black sand-based magnetic photocatalysts for photocatalytic oxidation of aqueous phenol. Applied Catalysis B: Environmental. doi:10.1016/j.apcatb.2008.09.002.

Matthews, R. W. (1991). Photooxidative degradation of coloured organics in water using supported catalysts. TiO2 on sand. Water Research, 25(10), 1169–1176.

Márquez-Ramírez, S. G., Delgado-Buenrostro, N. L., Chirino, Y. I., Iglesias, G. G., & López-Marure, R. (2012). Titanium dioxide nanoparticles inhibit proliferation and induce morphological changes and apoptosis in glial cells. Toxicology. doi:10.1016/j.tox.2012.09.005.

Senff, L., Hotza, D., Lucas, S., Ferreira, V., & Labrincha, J. (2012). Effect of nano-SiO2 and nano-TiO2 addition on the rheological behavior and the hardened properties of cement mortars. Materials Science and Engineering: A. doi:10.1016/j.msea.2011.10.102.

Senff, L., Tobaldi, D., Lucas, S., Hotza, D., Ferreira, V., & Labrincha, J. (2013). Formulation of mortars with nano-SiO2 and nano-TiO2 for degradation of pollutants in buildings. Composites Part B: Engineering, 44, 40–47. doi:10.1016/j.compositesb.2012.07.022.

Sonar, S. K., Wagh, R. V., Niphadkar, P. S., Joshi, P. N., Deshpande, S. S., & Awate, S. V. (2013). Enhanced dual-effect of adsorption and photodegradation of SiO2 embedded TiO2 hybrid catalyst for improved decolourization of methylene blue. Water Air and Soil Pollution. doi:10.1007/s11270-013-1726-7.

Stathopoulos, A., & Argyrakos, G. (1993). Control strategies for reducing environmental pollution from road traffic. Science of the Total Environment. doi:10.1016/0048-9697(93)90361-9.

Sun, Y., Wang, L., Wang, Y., Quan, L., & Zirui, L. (2011). In situ measurements of SO2, NOx, NOx, and O3 in Beijing, China during August 2008. Science of the Total Environment. doi:10.1016/j.scitotenv.2010.11.007.

Tokarský, J., Matějka, V., Neuwirthová, L., Vontorová, J., Mamulová, K. K., Kukutschová, J., et al. (2013). A low-cost photoactive composite quartz sand/TiO2. Chemical Engineering Journal. doi:10.1016/j.cej.2013.02.056.

Vorontsov, A. V., & Savinov, E. N. (1997). Quantitative studies on the heterogeneous gas-phase photooxidation of CO and simple VOCs by air over TiO2. Catalysis Today, 39(3), 207–218.

Winiwarter, W., & Klimont, Z. (2011). The role of N-gases (N2O, NOx, NH3) in cost-effective strategies to reduce greenhouse gas emissions and air pollution in Europe. Current Opinion in Environmental Sustainability. doi:10.1016/j.cosust.2011.08.003.