Nghiên cứu phân hủy chất kháng sinh sử dụng vật liệu xúc tác quang hóa Cu TiO2 dưới ánh sáng nhìn thấy.pdf

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự - Hạnh phúc Đơn vị chủ trì: Trường Đại học Nguyễn Tất Thành BÁO CÁO TÓNG KẾT ĐÈ TÀI NCKH DÀNH CHO CÁN Bộ• - GIẢNG VIÊN 2019 Tên đề tài: NGHIÊN CỨU PHÂN HỦY CHẤT KHÁNG SINH SỬ DỤNG VẬT LIỆU xúc TÁC QUANG HÓA Cu/TiCh DUỚI Ánh sáng nhìn thấy số hợp đồng: 2019.01.21/HĐ-KHCN Chủ nhiệm đề tài: TS Nguyền Duy Trinh Đơn vị công tác: Phịng Khoa học Cơng nghệ Thời gian thực : 06 tháng (Từ tháng 01/2019 đến tháng 06/2019) TP Hồ Chi Minh, ngày 31 tháng năm 2019 Bộ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC NGUYỄN TẤT THÀNH Đơn vị chủ trì: Trường Đại học Nguyễn Tất Thành BÁO CÁO TỐNG KẾT ĐỀ TÀI NCKH DÀNH CHO CÁN Bộ - GIẢNG VIÊN 2019 Tên đề tài: NGHIÊN CỨU PHÂN HỦY CHẤT KHÁNG SINH sử DỤNG VẬT LIỆU XÚC TÁC QUANG HĨA Cu/TiCh DƯỚI ÁNH SÁNG NHÌN THẤY số hợp đồng : 2019.01.21 /HĐ-KHCN Chủ nhiệm đề tài: TS Nguyền Duy Trinh Đơn vị cơng tác: Phịng Khoa học Công nghệ Thời gian thực : 06 tháng (Từ tháng 01/2019 đến tháng 06/2019) Các thành viên phối hợp cộng tác: STT Họ tên Chuyên ngành Cơ quan cơng tác TS Nguyễn Kỳ thuật Hóa học Duy Trinh Th.s Nguyễn Vật liệu Polymer Phòng Khoa học Công nghệ Viện kỳ thuật CNC Hừu Vinh Th.s Nguyền Khoa học & Quản Viện kỳ thuật CNC Thị Thương Th.s Trần Văn lý Môi trường Hóa học Viện kỳ thuật CNC Thuận Ký tên MỤC LỤC Trang DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỪ VIẾT TẮT i DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỪ VIẾT TẮT iii DANH MỤC CÁC BẢNG BIÉU, sơ Đồ, HÌNH ẢNH iv MỚ ĐẦU CHƯƠNG TÓNG QUAN 2.1 Tổng quan vật liệu xúc tác quang hóa .2 2.1.1 Khái niệm vật liệu xúc tác quang hóa 2.1.2 Nguyên lý phản ứng xúc tác quang hóa dị thể 2.2 Tổng quan vật liệu TĨƠ2 2.2.1 Đặc diêm cấu trúc tính chất 2.2.2 Cơ chế xúc tác quang hóa TĨƠ2 2.2.3 Phuơng pháp tổng họp 2.2.4 Tình hình nghiên cứu xúc tác quang hóa nuớc 2.2.5 Các nghiên cứu vật liệu TĨƠ2 biến tính kim loại CHƯƠNG MỤC TIÊU VÀ NỘI DUNG NGHIÊN cứu 10 3.1 Mục tiêu nghiên cứu 10 3.2 Nội dung nghiên cứu 10 3.3 Dụng cụ hóa chất 10 3.4 Quy trình tổng họp vật liệu Cu/TiƠ2 phuơng pháp thủy nhiệt 11 3.5 Phương pháp đánh giá cấu trúc vật liệu 12 3.6 Phương pháp đánh giá hoạt tính xúc tác quang hóa 12 CHƯƠNG KẾT QUẢ NGHIÊN cứu VÀ BÀN LUẬN 15 4.1 Anh hưởng tỷ lệ pha tạp kim loại Cu lên TĨƠ2 15 4.2 KÉT ỌUẢ XRD 15 4.3 Ket đánh giá hoạt tính xúc tác quang hóa vật liệu 17 CHƯƠNG KÉT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ 20 5.1 Kết luận .20 5.2 Khuyến nghị 20 TÀI LIỆU THAM KHAO 21 PHỤ LỤC 3: DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CỊNG Bố 26 PHỤ LỤC 4: (HỢP ĐÒNG, THUYẾT MINH ĐÈ CƯƠNG) 33 ii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHŨ VIẾT TẮT Chữ viết tắt Tên Tiếng anh Tên Tiếng Việt AR Analytical reagent Hóa chất cho phân tích MB Methylene blue Thuốc nhuộm methyl xanh CB Conduction band Vùng dần Eg Energy band-gap Năng lượng vùng cấm SEM Scanning electron Kính hiến vi điện từ quét microscope uv Ultraviolet Tia cực tím UV-Vis Ultraviolet-Visible Tử ngoại - khả kiến SMX Sulfamethazine Sulfamethazine UV-Vis- Ultraviolet-Visible diffuse Phổ phản xạ khuếch tán tử DRS reflectance spectroscopy ngoại-khả kiến 10 VB Valence band Vùng hóa trị 11 XRD X-ray diffraction Nhiễu xạ tia X iii DANH MỤC CÁC BẢNG BIÉU, sơ ĐỊ, HÌNH ẢNH Hình 1-1 Sơ đồ nguyên lý khả xúc tác quang hóa vật liệu Hình 1-2 Cấu trúc pha tinh thể TĨƠ2 [19] Hình 1-3 Sơ đồ nguyên lý khả xúc tác quang hóa TiO? Hình 2-1 Quy trình tong họp vật liệu NÌ/BÌVO4 phuơng pháp thủy nhiệt 11 Hình 2-2 Sơ đồ ngun lí nhiễu xạ tia X tinh the 12 Hình 2-3 Cấu tạo phân tử Sulfamethazine 13 Hình 2-4 Quy trình thí nghiệm đánh giá hoạt tính xúc tác quang củavật liệu chất màu 13 MB Hình 3-1 Ảnh mầu vật liệu T1O2 pha tạp Cu thay đổi tỉ lệ 15 Hình 3-2 Phổ XRD cùa mẫu T1O2 pha tạp Cu 17 Hình 3-3 Hoạt tính quang xúc mẫu Cu pha tạp T1O2 tỉ lệ khác 18 Hình 3-4 Hoạt tính quang xúc tác cùa mẫu Cu pha tạp T1O2 tỉ lệ 4% với khối lượng vật liệu khác 18 Hình 3-5 Sự thay đổi phổ UV-Vis mẫu T1O2 theo thời gian: (a) T1O2, (b) CT_2%, (c) CT_4%, (d) CT_6% 19 Bảng 2.1 Hóa chất sử dụng 10 Bảng 2.2 Danh sách quan hỗ trợ phối họp thực đề tàiError! Bookmark not defined Bảng 2.3 Thời gian lấy mẫu trình đánh giá hoạt tính xúc tác quang 14 Bảng 3.1 Vật liệu T1O2 pha tạp Cu thay đổi tỉ lệ 15 Bảng 3.2 Các đặc trưng cấu trúc tinh thể cùa mẫu T1O2 pha tạp Cu 16 IV TÓM TẮT KỂT QUẢ ĐỀ TÀI Sản phấm thực đạt Sản phân đăng ký thuyêt minh 01 báo tạp chí KH&CN NTT 01 báo tạp chí KH&CN NTT Vật liệu đạt tiêu chuẩn có khối lượng 1,0 Vật liệu đạt tiêu chuẩn có khối lượng 1,0 g g 01 Quy trình tổng hợp vật liệu CU-TĨƠ2 01 Quy trình tổng hợp vật liệu CU-T1O2 01 Báo cáo đánh giá hoạt tính quang xúc 01 Báo cáo đánh giá hoạt tính quang xúc tác phân hủy chất hữu độc hại Cu- tác phân hủy chất hữu độc hại Ni- TÌO2 B1VO4 Thòi gian đăng ký: từ ngày 01/2019 đến ngày 07/2019 Thòi gian nộp báo cáo: ngày V MỞ ĐẦU Hiện nay, việc sử dụng chất kháng sinh trở lên phổ biến kỹ thuật phân tích tiên tiến phát triển tồn chất môi trường sinh thái trở thành moi quan tâm nhà khoa học [1] Vì chất kháng sinh hợp chất có độ bền tính ổn định tương đối cao nên việc áp dụng phương pháp xử lý sinh học đê loại bỏ họp chất dường không khả thi [2] Sự diện chất kháng sinh môi trường nước gây nhiều mối đe dọa mơi trường Do đó, việc loại bỏ họp chất nước thải đạt đến tiêu chuẩn cho phép trước vào hệ thống nước cần thiết Cho đến nay, có nhiều cơng nghệ phát triển để lồi bỏ chất kháng sinh môi trường nước kỹ thuật điện phân, màng lọc, phương pháp kết tủa keo tụ, phương pháp oxy hóa bậc cao (advanced oxidation processes, AOPs) [3]—[6] Tuy nhiên việc áp dụng công nghệ bị hạn chết số trở ngại Việc phát triển công nghệ loại bỏ họp chất kháng sinh mơi trường nước đạt hiệu cao phải có chi phí họp lý cần quan tâm nghiên cứu Trong nhiều năm qua nhà nghiên cứu tìm số loại vật liệu bán dẫn có khả xúc tác quang hóa hiệu quà như: TĨƠ2, ZnO, WƠ3, ZnS, V2O5, Nb2Ơ5 SnƠ2 Trong T1O2 nhận nhiều quan tâm chi phí chế tạo thấp, sử dụng ánh sáng mặt trời trình phản ứng, thân thiện với môi trường, sản phẩm phân hủy thành CO2, nước ion vô độc hại hơn, có khả kháng khuân, phân hủy khí thải từ phương tiện giao thơng nhiều ứng dụng khác Tuy nhiên T1O2 có vùng cam Eg = 3,2 eV sử dụng tia uv trình phản ứng Việc sử dụng tia uv từ ánh sáng mặt trời chưa tận dụng triệt để nguồn lượng mặt trời tia uv chiếm - 5% lượng xạ mặt trời ánh sáng nhìn thấy lại chiếm đen 43% Nhiều nghiên cứu tiến hành nhằm tìm phương pháp biến tính T1O2 với xu hướng nghiên cứu nghiên cứu chế tạo với chi phí thấp, quy trình đơn giản, thân thiện với mơi trường, làm giảm độ rộng vùng cấm, cải thiện hoạt tính quang xúc tác cùa phương pháp biến tính ion kim loại chuyển tiếp khả thi có tìm phát triển CHƯƠNG TÓNG QUAN 2.1 Tổng quan vật liệu xúc tác quang hóa 2.1.1 Khái niệm vật liệu xúc tác quang hóa Xúc tác quang thường sử dụng đe mơ tả quy trình mà ánh sáng sử dụng để kích hoạt loại chất, gọi chất xúc tác quang, chất có tác dụng thay đổi tốc độ phản ứng hóa học mà khơng tham gia vào q trình biến đối hóa học [7], Theo IUPAC, quang xúc tác phản ứng xúc tác liên quan đến hấp thụ ánh sáng chất Hay cách khác, quang xúc tác phản ứng xảy có ánh sáng chất xúc tác Khi có kích thích ánh sáng có bước sóng thích hợp, electron từ vùng hóa trị bị kích thích di chuyển lên vùng đầu, tạo cặp electron -lỗ trống quang sinh Phản ứng xúc tác quang hóa cơng nghệ nối bậc úng dụng rộng rãi nhiều lĩnh vực, bao gom phân hủy họp chất hừu chất màu, kháng khuấn tạo nhiên liệu thông qua việc phân tách nước khử cacbon dioxide [7], Những chất xúc tác quang truyền thống, đa số vật liệu bán dẫn, chúng oxide kim loại chuyển tiếp như: T1O2, ZnO, WO3, FeTiO? SrTiOỉ Trong T1O2 chất có khả xúc tác quang hóa mạnh quan tâm nghiên cứu sâu rộng năm tháng gần lý như: (1) Có chi phí chế tạo rẻ, khơng độc hại, bền nhiệt thân thiện với môi trường; (2) Có khả phát huy tác dụng xúc tác quang hóa nhanh điều kiện mềm; (3) Có khả oxy hóa hợp chất hữu với sản phẩm cuối CO2, H2O ion vô độc hại; (4) Có khả chống mốc, diệt khuẩn khả tự làm sạch; (5) Có khả phân hủy khí thải độc từ động ô tô, xe máy NOx thành N2; (6) Có khả phân hủy quang điện hóa xúc tác H2O thành H2 O2 tạo lượng mới; (7) Ngồi có khả khử quang xúc tác khí gây hiệu ứng nhà kín CO2 thành nhiên liệu [8] Tuy nhiên, loại vật liệu (T1O2) lại có lượng vùng cấm lớn (3.2 eV) tái to họp cặp electron lồ trống sinh quang nhanh dần đến hiệu quang hóa Vì vậy, thách thức nhà khoa học lĩnh vực nghiên cứu xúc tác quang làm tăng mức độ nhạy ánh sáng cùa xúc tác quang hóa vùng ánh sáng nhìn thấy Vùng ánh sáng nhìn thấy chiếm phần lón xạ mặt trời Đe khắc phục nhuợc điểm vật liệu quang xúc tác truyền thống nhà nghiên cứu tiến hành nhiều phuơng pháp biến tính khác nhằm nâng cao khả quang hóa TiƠ2 2.1.2 Nguyên lý phản ứng xúc tác quang hóa dị Q trình xúc tác quang dị thể đuợc tiến hành pha khí pha lỏng Cũng nhu trình xúc tác dị khác, trình xúc tác quang dị the đuợc chia thành giai đoạn sau [3, 4]: (1) Quá trình khuếch tán chất tham gia phản ứng từ pha lỏng khí đến bề mặt xúc tác (2) Chất tham gia phản ứng hấp phụ lên bề mặt chất xúc tác thông qua hấp phụ vật lý hấp phụ hóa học (3) Vật liệu quang xúc tác hấp thụ photon ánh sáng phân tử chuyển từ trạng thái sang trạng thái kích thích với chuyển mức lượng electron (4) Phản ứng quang hóa xảy ra, chia làm giai đoạn nhỏ: + Phản ứng quang hóa sơ cấp: phân tử chất bán dần bị kích thích tham trực tiếp vào phản ứng với chất bị hấp phụ + Phản ứng quang hóa thứ cấp: cịn gọi giai đoạn phản ứng “tối” hay phản ứng nhiệt, giai đoạn phản ứng sản phẩm thuộc giai đoạn sơ cấp (5) Nhả hấp phụ sản phẩm khỏi chất xúc tác (6) Khuếch tán sản phẩm phản ứng vào pha khí lỏng [3, 4], Phản ứng xúc tác quang hóa với phản ứng xúc tác truyền thống cách hoạt hóa xúc tác giai đoạn Đối với phản ứng xúc tác truyền thống, xúc tác hoạt hóa lượng nhiệt cịn phản ứng quang xúc tác, xúc tác hoạt hấp thụ quang ánh sáng [1, 3, 4] Cụ the giai đoạn trình quang xúc tác diễn Hình ... TIÊU VÀ NỘI DUNG NGHIÊN cứu 3.1 Mục tiêu nghiên cứu Nghiên cứu phân hủy chất kháng sinh sử dụng vật liệu xúc tác quang hóa dị pha hệ Cu/ TiO2 duới ánh sáng nhìn thấy nhằm góp phần giảm thiểu vấn... the Cu/ TiOa ? ?ánh giá phương pháp XRD Nội dung 4: Nghiên cứu khả phân hủy quang hóa họp chất kháng sinh sulfamethoxazole môi trưong nước sử dụng hệ xúc tác Cu/ TiCh ánh sáng nhìn thấy ánh sáng. .. Nội nghiên cứu ? ?ánh giá khả xúc tác quang hóa B1VO4 ứng dụng sử lý thuốc trừ sâu Nhìn chung, nhóm nghiên cứu hầu hết tập trung vào nghiên cứu tồng hợp ứng dụng T1O2 chưa có nghiên cứu sử dụng Cu