Nghiên cứu đánh giá hiệu quả xúc tác quang hóa của hệ xúc tác UV S2O8 TiO2 và UV H2O2 TiO2 trong phản ứng phân hủy các chất kháng sinh.pdf

NTTU-NCKH-04 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 TỎNG KÉT ĐÈ TÀI NCKH DÀNH CHO CÁN Bộ• - GIẢNG VIÊN 2019 Tên đề tài: NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ xúc TÁC QUANG HÓA CỦA HỆ xúc TÁC UV/S2Os/TiO2 VÀ UV/H2O2/TÌO2 TRONG PHẢN ÚNG PHÂN HỦY CÁC CHẤT KHÁNG SINH số hợp đồng: 2019.01,23/HĐKHCN Chủ nhiệm đề tài: CN Nguyễn Hừu Vinh Đơn vị công tác: Viện Kỹ Thuật Công nghệ cao NTT Thời gian thực hiện: 06 thảng (Từ tháng 01/2019 đến tháng 06/2019) TP Hồ Chỉ Minh, ngày thảng 07 năm 2019 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 TỔNG KÉT ĐÈ TÀI NCKH DÀNH CHO CÁN Bộ - GIẢNG VIÊN 2019 Tên đề tài: NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ xúc TÁC QUANG HÓA CỦA HỆ xúc TÁC UV/S2O8/TÌO2 VÀ UV/H2O2/TÌO2 TRONG PHẢN ÚNG PHÂN HỦY CÁC CHẤT KHÁNG SINH số hợp đồng : 2019.01,23/HĐKHCN Chủ nhiệm đề tài: CN Nguyễn Hữu Vinh Đơn vị công tác: Viện Kỳ Thuật Công nghệ cao NTT Thời gian thực hiện: 06 tháng (Từ tháng 01/2019 đến tháng 06/2019) Các thành viên phối hợp cộng tác: STT Họ tên CN Nguyễn Hữu Vinh TS Nguyễn Duy Trinh Th.s Trần Văn Thuận Th.s Nguyễn Thị Thuơng Chuyên ngành Vật liệu Hóa học Hóa học Vật liệu Cơ quan công tác ĐH NTT ĐH NTT ĐH NTT ĐH NTT Ký tên MỤC LỤC Trang DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỪ VIẾT TẤT V DANH MỤC CÁC BIÉ, sơ ĐĨ, HÌNH ẢNH vi TÓM TẮT KÉT QUẢ NGHIÊN cứu vii MỞ ĐẦU .1 CHƯƠNG 1: TỐNG QUAN 1.1 Vật liệu quang xúc tác TĨƠ2 .4 1.1.1 Giới thiệu 1.1.2 Nguyên lý quang xúc tác 1.2 ứng dụng 1.3 Phương pháp tổng hợp 1.3.1 Phương pháp pha khí 1.3.2 Phương pháp pha lỏng 1.4 Các hướng nghiên cứu gần sử dụng TĨƠ2 đe xừ lý kháng sinh nước CHƯƠNG MỤC TIÊU VÀ NỘI DUNG NGHIÊN cứu 10 2.1 Mục tiêu nghiên cứu 10 2.2 Nội dung nghiên cứu 10 2.3 Hóa chất 10 2.4 Phương pháp tổng hợp vật liệu 10 2.5 Phương pháp đánh giá cấu trúc vật liệu 11 2.5.1 Kính hiển vi điện tử quét (Scanning Electron Microscope, SEM) 12 2.5.2 Nhiều xạ tia X (X-ray diffraction, XRD) 12 2.5.3 Phổ từ ngoại-khả kiến (Ultra Violet-Visible, UV-Vis) 12 2.6 Phương pháp đánh giá hoạt tính quang hóa 13 2.7 Phương pháp đánh giá hiệu quang xúc tác diện H2O2 S2Ơ82- 14 2.8 Phương pháp đánh giá ảnh hưởng cation anion đến hiệu quang xúc tác hệ ƯV/H2O2/T1O2 UV/S2Ơ827TĨƠ2 14 CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 15 3.1 Ket đặc trưng cấu trúc 15 3.1.1 Nhiễu xạ tiaX(XRD) 15 3.1.2 Ảnh SEM 16 3.2 Hoạt tính quang xúc tác 17 3.2.1 Hoạt tính quang xúc tác phân hủy SMX mẫu T1O2 tổng họp điều kiện khác 17 3.2.2 Hoạt tính quang xúc tác phân hủy SMX mầu TiO2-solvothermal diện H2O2 S2Ơ82' 19 3.2.3 Hoạt tính quang xúc tác phân hủy SMX mầu TiO2-solvothermal diện S2Ơ82’dưới ảnh hưởng anion cation khác nhau.21 CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 24 4.1 Kết luận 24 4.2 Kiến nghị 24 PHỤ LỤC 2: ẢNH SẢN PHẨM 27 PHỤ LỤC 3: DANH MỤC CÁC CỊNG TRÌNH ĐÀ CÔNG Bố 28 PHỤ LỤC 4: (HỢP ĐỒNG, THUYẾT MINH ĐỀ CƯƠNG) 35 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT Ký hiệu/chữ viết tắt Chữ viết tắt đầy đủ/tiếng Anh Ý nghĩa tương ứng AR Analytical reagent Hóa chất cho phân tích BET Brunauer, Emmett, Teller Brunauer, Emmett, Teller BSE Back-scattered electron CB Conduction band Điện tử tán xạ ngược Vùng dần e cb Negative-electron in conduction Electron mang điện tích âm vùng dần band Eg EG FTIR Energy band-gap Năng lượng vùng cấm Ethylene glycol Ethylene glycol Fourier infrared Pho ke hồng ngoại biến đối transform Fourier spectroscopy LỒ mang điện tích h+vb IR Positive-hole in valence band dương vùng hóa trị Phố hồng ngoại Infrared spectroscopy Liên minh quốc tế hóa học IUPAC International Union of pure and applied chemistry túy hóa học ứng dụng SE Secondary electron Điện tử thứ cấp SEM Scanning electron microscope Kính hiến vi điện tử quét SMX Sulfamethoxazole Sulfamethoxazole TTIP Titanium (IV) isopropoxide Titanium (IV) isopropoxide TiƠ2 Titanium dioxide Titanium dioxide ưv Ultraviolet Tia cực tím ƯV-Vis Ultraviolet-Visible Từ ngoại - khả kiến VB Valence band Vùng hóa trị XRD X-ray diffraction Nhiễu xạ tia X V DANH MỤC CÁC BIẾ, so ĐỒ, HÌNH ẢNH Trang Hình 1.1 Cấu trúc pha tinh thể dạng (a) rutile, (b) anatase (c) brookite T1O2 (trái: T13O building-block; phải: TiOó polyhera).[ ] Hình 1.2 Nguyên lý xúc tác quang hóa T1O2 tác dụng ánh.[2] Hình 1.3 Sơ đồ minh họa chế quang xúc tác phân hủy vi khuẩn E.coli sử dung TiC>2-[6] Hình 3.1 Giản đồ XRD mầu T1O2 với điều kiện tổng hợp khác 16 Hình 3.2 Anh SEM mầu T1O2 với điều kiện tổng hợp khác nhau: (a) solvothermal, (b) microwave, (c) sol-gel 16 Hình 3.3 Hiệu loại bó SMX mẫu T1O2: giảm nồng độ SMX theo thời gian (A), đồ thị ln(Co/Ct) theo t (B) thay đổi hấp thu ƯVvis cùa SMX theo thời gian chiếu sáng có diện TiCh-Solvothermal 18 (C) Hình 3.4 Hiệu loại bỏ SMX mầu TiO2-solvothermal diện H2O2 S2Ơ82’: giảm nồng độ SMX theo thời gian (A), đồ thị ln(Co/Ct) theo t (B) thay đoi phố hấp thu UV-vis cùa SMX theo thời gian chiếu sáng có diện TiO2-Solvothermal/S2O82’ (C) 20 Hình 3.5 Hiệu loại bỏ SMX mầu TiCh-solvothermal diện S2Ơ82' ảnh hưởng anion khác nhau: giảm nồng độ SMX theo thời gian (A), đồ thị ln(Co/Ct) theo t (B) thay đổi phổ hấp thu ƯV-vis cùa SMX theo thời gian chiếu sáng có diện T1O2- Solvothermal/S2O827CT (C) 22 Hình 3.6 Hiệu loại bỏ SMX mầu TiCh-solvothermal diện S2O82 ảnh hưởng cùa cation khác nhau: giảm nồng độ SMX theo thời gian (A), đồ thị ln(Co/Ct) theo t (B) thay đổi phổ hấp thu UV-vis SMX theo thời gian chiếu sáng có diện T1O2Solvothermal/S2C>827Na+ (C) 23 vi TÓM TẮT KẾT QUẢ NGHIÊN cứu Sản phẩm thực đạt Sán phẩn đăng ký thuyết minh -Vật liệu T1O2 - Vật liệu T1O2 - Quy trình tong họp vật liệu T1O2 - Quy trình tong hợp vật liệu T1O2 -Báo cáo đánh giá hoạt tính quang xúc tác phân hủy họp chất hừu co độc hại - Báo cáo đánh giá hoạt tính quang xúc tác phân hủy chất kháng sinh của T1O2 TiO2 - báo tạp chí KH&CN NT - báo ngồi nước Thịi gian đăng ký : từ ngày 01/2019 đến ngày 06/2019 Thời gian nộp báo cáo: ngày 31/07/2019 vii MỞĐẰƯ Hiện nay, việc sử dụng chất kháng sinh trở nên phổ biến kỳ thuật phân tích tiên tiến phát trien tồn cùa chất môi trường sinh thái trở thành mối quan tâm nhà khoa học Vì chất kháng sinh hợp chất có độ bền tính ổn định tương đoi cao nên diện chất kháng sinh môi trường nước gây nhiều mối đe dọa mơi trường Do đó, việc loại bỏ hợp chất nước thải đạt đến tiêu chuẩn cho phép trước vào hệ thống nước cần thiết Cho đến nay, có nhiều công nghệ phát triển để loải bỏ chất kháng sinh môi trường nước kỳ thuật điện phân, màng lọc, phương pháp kết tủa keo tụ, phương pháp oxy hóa bậc cao (advanced oxidation processes, AOPs) 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 Q trình oxy hóa bậc cao (AOPs) trở lên quan trọng phương pháp đầy hứa hẹn việc loại bỏ triệt đe chất kháng sinh môi trường nước ưu điểm xử lý chất hữu bền không bị phân hủy sinh học bản, AOPs có the phân chia q trình sau: ozone hóa, sóng siêu âm, oxi hóa thể, ƯV, q trình Fenton xúc tác quang hóa sử dụng vật liệu bán dần, phân hủy phóng xạ, phương pháp điện điện hóa Trong so kỳ thuật này, trình xúc tác quang hóa sử dụng vật liệu bán dần đánh giá cao ưu điểm xây dựng vận hành dễ dàng nhiệt độ phịng Ngồi cịn biết đến q trình hiệu khống hóa chất kháng sinh thơng qua việc hình thành OH* gốc tự thành họp chất trung gian bền, CƠ2 H2O hướng nghiên cứu vật liệu bán dẫn T1O2 biết đến rộng rãi có the phân hủy thuốc kháng sinh với độ bền cao thân thiện với mơi trường TÌO2 sở hữu lượng vùng cấm lớn Eg = 3.2 eV Khi chiếu xạ uv lên bề mặt T1O2, TÌO2 bị kích thích hình thành cặp electron (e‘) lồ (h+) cần thiết cho q trình xúc tác quang hóa oxy hóa khử Electron (e‘) lồ trống (h+) có the phản ứng hiệu với phân tử nước oxy hấp phụ bề mặt T1O2 đe tạo gốc tự Tuy nhiên, trình trình tái tổ họp electron (e‘) lồ trống (h+) i diễn ra, hoạt tính quang hóa q trình bị hạn chế Đe ngăn chặn trình tái tố hợp này, việc sử dụng ion persulfate phân tủ H2O2 với vai trò bẫy điện tử nâng cao hiệu xúc tác T1O2 phân hủy hợp chất hữu đặc biệt hợp chất kháng sinh, hướng nghiên cứu này, Emad S.Elmolla Malay Chaudhuri chứng minh việc thêm H2O2 vào hệ xúc tác UV/TÌO2 cho kết phân hủy hồn tồn amoxicillin, ampicillin, cloxacillin 30 phút DOC loại bỏ, nitrate (NO3-), ammonia (NH3) sulphate (SO42-) hình thành q trình phân hủy khống hóa hợp chất hữu chứa c, N s Do dó, hệ xúc tác ƯV/H2O2/TÌO2 đánh giá hiệu cho trình phân hủy amoxicillin, ampicillin, cloxacillin mơi trường nước Bên cạnh đó, Mantzavinos đồng nghiệp báo cáo hiệu xúc tác cùa T1O2 pha tạp tungsten (W) cho phân hủy quang hóa sulfamethoxazole (SMX) với có mặt persulfate ánh sáng mặt trời mô Họ đà trình phân hủy SMX trải qua trình hình thành hàng loạt sản phẩm chuyển hóa sơ cấp thứ cấp (transformation by-products, TBPs) xác định phân tích LC-TOF-MS Ngồi ra, Ismail cộng đánh giá hiệu persulfate hệ phản ứng khác (ƯV, solar light, electron, Fe(II)) phân hủy sulfaclozine với ảnh hưởng nong độ persulfate Hệ ƯV/TĨO2/K2S2O8 cho kết hoạt tính cao tất nồng độ persulfate kháng Do có mặt tâm hoạt động ion persulfate phân tử H2O2 với vai trị tâm bat electron có the cải thiện tốc độ phân hủy hiệu trình Áp dụng phương pháp oxy hóa bậc cao gần quan tâm nhà nghiên cứu nước cho phân hủy chất kháng sinh Ví dụ, nhóm tác giả Lê Trường Giang (Viện hóa học, VAST) phát triển công nghệ phân hủy chất kháng sinh sarafloxacin sử dụng hệ xúc tác UV/H2O2 Hệ xúc tác ƯV/HOC1/C1O' thu hút quan tâm nghiên cứu Tuy nhiên nay, theo tìm hiểu nhóm nghiên cứu, nghiên cứu trước nước hầu hết chưa tập trung vào nghiên cứu đánh giá hiệu xúc tác quang hóa hệ xúc tác UV/S2O8/TÌO2 UV/H2O2/TÌO2 phản ứng phân hủy chất kháng sinh Do đó, nghiên cứu này, hiệu xúc tác quang hóa cùa hệ xúc tác UV/S2O8/TÌO2 UV/H2O2/TÌO2 phản ứng phân hủy chất kháng sinh đánh giá ảnh hưởng điều kiện khác nhau, bao gồm ảnh hưởng cùa điều kiệ tổng hợp T1O2 ảnh hưởng cation Na+, K+, Ca2+, Mg2+ anion NO3', Cl', and SƠ42' ... xúc tác quang hóa hệ xúc tác UV/ S2O8/ TÌO2 UV/ H2O2/ TÌO2 phản ứng phân hủy chất kháng sinh Do đó, nghiên cứu này, hiệu xúc tác quang hóa cùa hệ xúc tác UV/ S2O8/ TÌO2 UV/ H2O2/ TÌO2 phản ứng phân hủy. .. Bộ - GIẢNG VIÊN 2019 Tên đề tài: NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ xúc TÁC QUANG HĨA CỦA HỆ xúc TÁC UV/ S2O8/ TÌO2 VÀ UV/ H2O2/ TÌO2 TRONG PHẢN ÚNG PHÂN HỦY CÁC CHẤT KHÁNG SINH số hợp đồng : 2019.01,23/HĐKHCN... dụng hệ xúc tác UV/ H2O2 Hệ xúc tác ƯV/HOC1/C1O'' thu hút quan tâm nghiên cứu Tuy nhiên nay, theo tìm hiểu nhóm nghiên cứu, nghiên cứu trước nước hầu hết chưa tập trung vào nghiên cứu đánh giá hiệu