Đang tải... (xem toàn văn)
TỔNG LIÊN ĐOÀN LAO ĐỘNG VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÔN ĐỨC THẮNG KHOA KHOA HỌC ỨNG DỤNG BÁO CÁO CUỐI KỲ MÔN HỌC CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ PHÂN TÍCH CẤU TRÚC VẬT LIỆU VÔ CƠ Đề tài Vật liệu Fe3O4 Zeol.
TỔNG LIÊN ĐOÀN LAO ĐỘNG VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÔN ĐỨC THẮNG KHOA KHOA HỌC ỨNG DỤNG BÁO CÁO CUỐI KỲ MÔN HỌC: CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ PHÂN TÍCH CẤU TRÚC VẬT LIỆU VƠ CƠ Đề tài: Vật liệu Fe3O4/ Zeolite A ứng dụng xử lý chất ô nhiễm hữu nước thải dệt nhuộm q trình Fenton quang hóa Mã mơn: 604045 Nhóm: 01 GVHD: TS Võ Nguyễn Xuân Phương Sinh viên thực hiện: Đinh Hoàng Kim Cương MSSV: 61900723 HK2 2021 - 2022 I TỔNG QUAN Giới thiệu Ngày nay, nguồn nước giới ngày khan đòi hỏi khoa học phải nghiên cứu kế hoạch bảo tồn nước phát minh công nghệ lọc nước Trong đó, giải pháp đưa sử dụng q trình oxy hóa tiên tiến (AOPs) để phân hủy chất ô nhiễm nước thải Trong q trình này, chất nhiễm trải qua q trình khống hóa thành hợp chất vơ khác muối, CO nước chúng chuyển đổi thành phân tử hữu nhỏ dễ phân hủy thời gian xử lý tối ưu hóa Đặc điểm hóa học điển hình kết nối AOPs hình thành gốc hydroxyl (•OH) Nghiên cứu thực phân hủy quang xúc tác chất gây ô nhiễm nước thải ngành công nghiệp dệt may Chất gây ô nhiễm điển hình nghiên cứu Methylene Blue (MB) xử lý q trình Fenton quang hóa (photo-Fenton) sử dụng vật liệu Zeolite A tẩm Fe3O4 Methylene Blue Hình 1: Cấu trúc phân tử Methylene Blue Methylene Blue (MB/ Xanh methylene) thuốc nhuộm dị vịng thơm có trọng lượng phân tử 319,85 g/ mol Nó sử dụng ngành cơng nghiệp dệt may cho nhiều mục đích khác giấy màu, nhuộm bông, len, lụa, da lớp phủ cho giấy MB gây bỏng mắt, gây thương tích vĩnh viễn cho mắt người động vật sống nước Nó có tác hại làm tăng nhịp tim, nôn mửa, tiêu chảy, kích thích đường tiêu hóa kèm theo triệu chứng buồn nôn, sốc, tinh thần lú lẫn hấp thụ vào thể Nó gây kích ứng da tiếp xúc trực tiếp Nói chung, thuốc nhuộm cation MB có mức độ độc hại cao thuốc nhuộm anion Do đó, việc loại bỏ MB khỏi nước thải công nghiệp trở thành mối quan tâm lớn môi trường Zeolite A tẩm Fe3O4 Zeolite (còn gọi rây phân tử) khống chất silicate nhơm hay cịn gọi aluminosilicate số kim loại có hệ thống mao quản đồng chứa cation nhóm I II Cơng thức hố học biểu diễn sau: Mx/n[(AlO2)x(SiO2)y].zH2O đó, M: kim loại hố trị n y/x: tỉ số nguyên tử Si/ Al, tỉ số thay đổi tuỳ theo loại zeolite z: số phân tử H2O kết tinh zeolite Vì Zeolite tạo thành nhơm thay số nguyên tử silic mạng lưới tinh thể SiO4 kết tinh, nên mạng lưới tinh thể zeolite mang điện tích âm để đảm bảo tính trung hịa điện tích, zeolite cần có ion dương (cation) để bù trừ điện tích âm dư Trong thiên nhiên hay dạng tổng hợp ban đầu cation thường cation kim loại kiềm (Na +, K+…) hay kiềm thổ (Mg2+, Ca2+…) Những cation nằm mạng lưới tinh thể zeolite dễ dàng tham gia vào trình trao đổi ion với cation khác Chính nhờ đặc tính mà người ta biến tính zeolite mang đến cho tính chất ứng dụng trình hấp phụ xúc tác Đối với zeolite giàu nhôm Zeolite A, lực tĩnh điện chiếm ưu thế, dẫn đến hấp phụ tốt chất có moment lưỡng cực lớn (như NH3 H2O) moment cực N2 Phương pháp tẩm sắt vào zeolite A dễ nhiều có tiềm việc phát triển lĩnh vực xúc tác Việc sử dụng chất xúc tác dị thể cách tiềm để khử màu thuốc nhuộm nước thải đầu Một số xúc tác oxide sắt thường sử dụng không nghiên cứu mà cịn cơng nghiệp α -Fe2O3, α -FeOOH, β -FeOOH, γ -Fe2O3, Fe3O4,… Do phong phú, lành tính với mơi trường hiệu tạo thành gốc hydroxyl, cấu trúc nano oxide sắt phổ biến vai trò chất xúc tác dị thể Fenton, đặc biệt magnetite (Fe3O4) Magnetite có số ưu điểm giá thành tương đối thấp, độ bền tốt hơn, khả lưu trữ dồi dễ dàng thu hồi Cấu trúc nano Fe3O4 rẻ có tính chất hóa lý tốt, hoạt động chất xúc tác để phân hủy nhiều loại chất ô nhiễm thuốc nhuộm hữu II QUÁ TRÌNH FENTON QUANG HĨA (PHOTO-FENTON) Tổng quan Như biết, phương pháp Fenton phương pháp phổ biến để tạo gốc hydroxyl cách hiệu Hơn kỷ trước, Fenton chứng minh hỗn hợp H2O2 Fe (II) môi trường acid có tính oxy hóa mạnh Cơ chế cổ điển phản ứng oxy hóa- khử đơn giản, Fe (II) bị oxy hóa thành Fe (III) H2O2 bị khử thành ion hydroxide gốc hydroxyl: Fe2+aq + H2O2 → Fe3+aq + •OH + OH- (1) Đối với phân hủy phân tử hữu cơ, pH tối ưu cho phản ứng Fenton thường nằm khoảng pH 3-4 tỷ lệ khối lượng tối ưu chất xúc tác (như sắt) so với H 2O2 1,5 Trong phản ứng Fenton thông thường thực điều kiện thiếu ánh sáng, ion sắt tạo phản ứng (1) bị khử trở lại thành ion sắt (III) phân tử hydro peroxide thứ hai: Fe3+aq + H2O2 + H2O → Fe2+aq + H3O+ + HO2•- (2) Tuy nhiên, giảm nhiệt (phản ứng 2) chậm nhiều so với bước ban đầu (phản ứng 1) Do đó, hiệu mặt hóa học để loại bỏ chất ô nhiễm hữu cơ, phản ứng Fenton chậm lại đáng kể sau chuyển đổi ban đầu Fe (II) thành Fe (III) yêu cầu bổ sung lượng tương đối lớn Fe (II) để làm suy giảm chất ô nhiễm quan tâm Một hạn chế quan trọng khác phản ứng Fenton hình thành chất trung gian có tính kiềm ức chế q trình khống hóa hồn tồn Khoảng hai thập kỷ trước, người ta nhận thấy chiếu xạ hệ thống phản ứng Fenton với tia cực tím/ ánh sáng khả kiến làm tăng mạnh tốc độ phân hủy nhiều loại chất ô nhiễm Điều xảy chiếu xạ chủ yếu khử quang hóa Fe (III) trở lại Fe (II), mà phản ứng thực viết là: Fe3+aq + H2O ℎ→v Fe2+aq + •OH + H+ (3) Phản ứng Fenton quang hóa có số ưu điểm hoạt động môi trường Các lớp hợp chất hữu dễ bị phân hủy quang thông qua phản ứng Fenton Q trình photo-Fenton khơng tạo chất nhiễm cần lượng nhỏ muối sắt Khi kết thúc phản ứng, cần, Fe (III) dư kết tủa dạng hydroxide sắt cách tăng pH Bất kỳ lượng H 2O2 dư khơng tiêu thụ q trình tự động phân hủy thành nước oxy phân tử đó, thân thuốc thử “sạch” nước thải cơng nghiệp Ví dụ ban đầu ứng dụng quy mơ cơng nghiệp quy trình photo-Fenton khử nhiễm lô 500 L nước thải cơng nghiệp có chứa 2,4-dimethylaniline lị phản ứng quang hóa lắp đèn thủy ngân trung áp 10 kW Fenton đồng thể Fenton dị thể Quá trình oxy hóa photo-Fenton chứng minh có hiệu cao phương pháp điều trị thuốc nhuộm Tuy nhiên, công nghệ photo-Fenton đồng thể thể hạn chế chất xúc tác, cặn sắt lớn, tạo bùn trình sau xử lý, khoảng pH hạn chế, thải sắt môi trường nhiều khó thu hồi ion sắt Để khắc phục nhược điểm này, chiến lược tiềm sử dụng chất xúc tác quang Fenton không đồng thể (dị thể) Những nhược điểm đồng thời làm cho q trình Fenton quang hóa dị thể trở nên vượt trội Trong pha dị thể, trình vật lý ngồi biến đổi hóa học diễn bề mặt chất xúc tác vị trí hoạt động, nơi xảy hấp phụ hạn chế chuyển khối phân tử chất phản ứng Khi kết thúc phản ứng, phân tử sản phẩm khử hấp thụ để lại vị trí hoạt động cho tập hợp phân tử chất phản ứng bám vào bề mặt phản ứng Những ưu điểm quy trình dị thể sản xuất sắt hơn, thân thiện với mơi trường, dễ dàng tách chất xúc tác khỏi dung dịch Xúc tác Cho đến nay, số oxide sắt hydroxide sắt sử dụng làm chất xúc tác quang Fenton, chẳng hạn Fe 3O4, α-Fe2O3, α-FeOOH, β-Fe2O3, sử dụng để xúc tác phân hủy loại phân tử thuốc nhuộm chúng có tính xúc tác quang tốt, hoạt động, cấu trúc ổn định Hoạt tính xúc tác oxide kim loại liên quan chặt chẽ đến định hướng tinh thể, độ kết tinh, cấu trúc nano, hình thái, kích thước hạt đặc tính bề mặt vật liệu Để nâng cao hoạt tính xúc tác chúng, số vật liệu có kích thước nanomet điều chế công nghệ nano Các kim loại chuyển tiếp khác đưa vào để cải thiện hoạt tính xúc tác chúng Gần đây, oxide sắt vật liệu tổng hợp carbon sử dụng để phân hủy thuốc nhuộm hữu cách hiệu Việc tách tái sử dụng ion sắt sau phản ứng khó khăn Do đó, chất xúc tác dị thể sử dụng q trình Photo-Fenton dễ tách sau phản ứng chất xúc tác đồng thể Ngồi ra, quy trình mà titanium dioxide (TiO2) xếp chất xúc tác quang AOP thường sử dụng việc xử lý mơi trường nước khơng khí Ngồi ra, sử dụng lượng từ nguồn sáng trình Photo-Fenton TiO ứng dụng phổ biến chất xúc tác quang nhiều ứng dụng khác độc tính thấp, hoạt độ quang cao, tính ổn định hóa học, khả tự làm sạch, độ rộng vùng cấm hẹp giá thành rẻ Phản ứng hấp phụ phản ứng quang xúc tác tạo thành chế phản ứng q trình quang xúc tác Vì vậy, TiO2 chất xúc tác hỗ trợ để tăng tốc độ hấp phụ có lợi cho trình quang xúc tác tổng thể Trong số nghiên cứu, nhà nghiên cứu báo cáo chiến lược liên quan đến trình oxy hóa Fenton quang hóa Rhodamine B (RhB) chất xúc tác kaolin– FeOOH (K– Fe) với hỗ trợ acid oxalic Người ta nhận thấy phức hợp sắt– oxalate tạo thành acid oxalic đưa vào hệ xúc tác K – Fe nhờ khả chelate hóa oxalate Nhờ độ nhạy sáng cao phức hợp sắt- oxalate, hệ thống ánh sáng khả kiến K– Fe/ acid oxalic/ H2O2 thể hoạt tính xúc tác tuyệt vời phân hủy RhB điều kiện phản ứng tối ưu hóa… Ngoài ra, xúc tác FeOOH xem giải pháp thay đầy hứa hẹn việc phân hủy chất nhiễm hữu tính ổn định đáng ý, giảm độc tính chi phí thấp, cung cấp nguyên liệu thô thuận tiện hiệu chi phí III KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU Hình 2: Ảnh chụp SEM (A, a) Fe3O4/Zeolite A (B, b) Zeolite A Hình (A, a) (B, b) ảnh SEM vật liệu xúc tác hỗn hợp Fe3O4/ zeolite A zeolit A Trong Hình 3: Phổ XRD Zeolite A and Fe3O4/Zeolite A hạt khối có kích thước khoảng μm quan sát thấy rõ ràng zeolite A, hình dạng không quan sát trường hợp vật liệu Fe3O4/ zeolite A Ngoài ra, hạt Fe3O4/ zeolite A nhỏ Như hình 2A, 2a, kích thước hạt Fe 3O4/ zeolite A nằm khoảng 100 - 400 nm Do đó, hạt zeolite bị phá vỡ thành hạt có kích thước nhỏ độ kết tinh zeolite thấp Kết mẫu XRD Hình hỗ trợ quan sát SEM Các đỉnh XRD cho thấy diện zeolite A giảm đáng kể đỉnh nhiễu xạ Fe 3O4 (ở 2θ ≈ 37o) quan sát rõ ràng Hình 4: Phổ chuẩn Zeolite A (International Zeolite Association) Đối chiếu với kết chụp XRD tác giả (Hình 3) với phổ chuẩn Zeolite A lấy từ trang web International Zeolite Association (Hình 4), thấy peak xuất 2θ ≈ 7.14o, 10.24o, 12.52o, 16o, 21.72o, 23.9o, 27.2o, 29.8o, 34.24o… tương tự hình 3, peak xuất khoảng 2θ từ 7o đến 35o Từ so sánh kết luận phần diễn giải nhóm tác giả tồn zeolite A tồn Fe3O4 sản phẩm thu phù hợp Tức trình chuẩn bị xúc tác, cấu trúc zeolite A bị thay đổi đáng kể, hạt zeolite trở nên nhỏ Các hạt zeolite hoạt động chất phân tán để phân tán neo giữ Fe3O4 nghiên cứu IV ĐỀ XUẤT Ngồi phương pháp phân tích tài liệu tham khảo mà tác giả sử dụng SEM XRD, sử dụng phương pháp phân tích sau để làm rõ thơng tin đối tượng vật liệu zeolite có tẩm Fe3O4: - Phân tích quang phổ hồng ngoại chuyển đổi FT-IR: Nhằm xác định đặc điểm vật liệu chưa biết màng, chất rắn, bột chất lỏng nhận biết nhiễm bẩn vật liệu, chẳng hạn hạt, sợi, bột chất lỏng Với phương pháp này, cấu trúc hóa học vật liệu phân tích cách kiểm tra liên kết hóa học thành phần Kỹ thuật FTIR hữu ích cho vật liệu hữu vơ Ngồi ra, với phương pháp này, cặp liên kết cộng hóa trị nhóm chức vật liệu xác định - Kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM): TEM cung cấp thông tin có giá trị cấu trúc bên mẫu, chẳng hạn cấu trúc tinh thể, hình thái thơng tin trạng thái ứng suất qua hình ảnh 2D - Phương pháp phân tích nhiệt vi sai (DTA): Ứng dụng phương pháp để nghiên cứu giản đồ pha nhiệt độ chuyển tiếp - Đường hấp phụ - giải hấp Nitơ đẳng nhiệt (BET): Dùng phương pháp để xác định thông số cấu trúc vật liệu bề mặt riêng, thể tích mao quản, phân bố kích thước mao quản TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Anh [1] Thomas, Nishanth et al “Heterogeneous Fenton catalysts: A review of recent advances.” Journal of hazardous materials vol 404, Pt B (2021): 124082 [2] Khan, I et al “Review on Methylene Blue: Its Properties, Uses, Toxicity and Photodegradation” Water 2022, 14, 242 [3] Amilcar Machulek et al “Fundamental Mechanistic Studies of the PhotoFenton Reaction for the Degradation of Organic Pollutants” February 2012 DOI: 10.5772/30995 [4] Pongsert Sriproma, Witthaya Krobthongb, Pornsawan Assawasaengrat “Investigation of important parameters for Photo-Fenton degradation of methyl orange over Fe/TiO2 catalyst” [5] Chun Xiao, Su Li, Fuhao Yi, Bo Zhang, Dan Chen, Yang Zhang, Hongxin Chen, Yueli Huang “Enhancement of photo-Fenton catalytic activity with the assistance of oxalic acid on the kaolin– FeOOH system for the degradation of organic dyes” (2020) [6] Sreeja P H, Sosamony K J “A Comparative Study of Homogeneous and Heterogeneous Photo-Fenton Process for Textile Wastewater Treatment” (2015) [7] Ho Gia Quynh et al “Removal of aqueous organic pollutant by photoFenton process using low-cost Fe3O4/ zeolite A” IOP Conf Ser.: Earth Environ Sci 947 012013 (2021) Tiếng Việt [1] Thầy Ngô Xuân Quỳnh, “HỆ XÚC TÁC FENTON DỊ THỂ XỬ LÍ NƯỚC THẢI DỆT NHUỘM – Kỳ I” (2011) ... Ảnh chụp SEM (A, a) Fe3O4/ Zeolite A (B, b) Zeolite A Hình (A, a) (B, b) ảnh SEM vật liệu xúc tác hỗn hợp Fe3O4/ zeolite A zeolit A Trong Hình 3: Phổ XRD Zeolite A and Fe3O4/ Zeolite A hạt khối có... “sạch” nước thải cơng nghiệp Ví dụ ban đầu ứng dụng quy mơ cơng nghiệp quy trình photo -Fenton khử nhiễm lô 500 L nước thải công nghiệp có ch? ?a 2,4-dimethylaniline lị phản ứng quang h? ?a lắp đèn... liên quan đến trình oxy h? ?a Fenton quang h? ?a Rhodamine B (RhB) chất xúc tác kaolin– FeOOH (K– Fe) với hỗ trợ acid oxalic Người ta nhận thấy phức hợp sắt– oxalate tạo thành acid oxalic đ? ?a vào