Nghiên cứu sử dụng xúc tác quang hóa trên cơ sở hydroxit lớp đôi ZnBi2O4 GRAPHIT VÀ ZnBi2O4 Bi2S3 định hướng xử lý chất màu hữu cơ.pdf

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ - NGUYỄN THỊ MAI THƠ NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG XÚC TÁC QUANG HÓA TRÊN CƠ SỞ HYDROXIT LỚP ĐÔI ZnBi2O4/GRAPHIT VÀ ZnBi2O4/Bi2S3 ĐỊNH HƯỚNG XỬ LÝ CHẤT MÀU HỮU CƠ LUẬN ÁN TIẾN SỸ HÓA HỌC Hà Nội-2021 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ - NGUYỄN THỊ MAI THƠ NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG XÚC TÁC QUANG HÓA TRÊN CƠ SỞ HYDROXIT LỚP ĐÔI ZnBi2O4/GRAPHIT VÀ ZnBi2O4/Bi2S3 ĐỊNH HƯỚNG XỬ LÝ CHẤT MÀU HỮU CƠ Chun ngành: Hóa vơ Mã số: 9440113 LUẬN ÁN TIẾN SỸ HÓA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS Nguyễn Thị Kim Phượng TS Bùi Thế Huy Hà Nội-2021 i LỜI CAM ĐOAN Tác giả xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng tác giả Các kết quả nghiên cứu trình bày luận án trung thực, khách quan chưa công bố bất kỳ công trình khác Các tài liệu tham khảo trích dẫn trung thực ii LỜI CÁM ƠN Luận án thực hoàn thành Trường Đại học Cơng nghiệp Thành phớ Hồ Chí Minh, Khoa Hoá học Trường Đại học Quốc gia Changwon (Hàn Quốc), Viện Địa lý Tài nguyên thành phố Hồ Chí Minh Viện Khoa học Vật liệu Ứng dụng – Học viện Khoa học Cơng nghệ Xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc nhất tới PGS.TS Nguyễn Thị Kim Phượng TS Bùi Thế Huy những người định hướng hướng dẫn khoa học, tận tình giúp đỡ tơi trưởng thành cơng tác nghiên cứu hồn thành Luận án Trân trọng cảm ơn Học viện Khoa học Công Nghệ -Viện Hàn Lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam, Viện Khoa học Vật liệu Ứng dụng, Khoa Cơng Nghệ Hóa học Đại học Cơng nghiệp Thành phớ Hồ Chí Minh, Viện Địa lý Tài ngun Thành phố Hồ Chí Minh, Trường Đại học Quốc gia Changwon tạo điều kiện thuận lợi, giúp đỡ cho tơi thực hồn tất kế hoạch nghiên cứu Chân thành cảm ơn Thầy Cô Khoa Cơng nghệ Hóa học trường Đại học Cơng nghiệp thành phớ Hồ Chí Minh gia đình đợng viên, chia sẽ, hỗ trợ để tơi hồn thành Luận án iii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ TỪ VIẾT TẮT AOPs: Advanced Oxidation Process (Q trình oxi hóa nâng cao) BET: Brunauer - Emmet- Teller CB: Conductance band ( vùng dẫn) CNTs: Cacbon Nanotube Eg: Band gap energy (Năng lượng vùng cấm) IC: Thuốc nhuộm Indigo carmine IR: Infrared (Hồng ngoại) JCPDS: Joint Committee on Powder Diffraction Standards LDHs: Layer double hydroxides (Hydroxit lớp đôi) MMO: Hỗn hợp oxit RhB: Thuốc nhuộm Rhodamine B SEM: Scanning Điện tử Microscopy (Kính hiển vi điện tử quét) SC: Semiconductor (Chất bán dẫn) TEM: Transmission Điện tử Microscopy (Kính hiển vi điện tử truyền qua) TOC: Total Organic Carbon (Tổng hàm lượng chất hữu cơ) KTX: không xúc tác (Phân hủy quang) VB: Valance band ( vùng hóa trị) UV-Vis: Ultraviolet–Visible (Tử ngoại –khả kiến) UV-VisDRS: Ultraviolet–Visible diffuse reflectance spectroscopy XRD: X–ray Diffraction (Nhiễu xạ tia X) XPS: X-ray Photoelectron Spectroscopy (Phổ quang điện tử tia X) iv MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CÁM ƠN ii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ TỪ VIẾT TẮT iii MỤC LỤC iv DANH MỤC BẢNG viii DANH MỤC HÌNH xi MỞ ĐẦU CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan ô nhiễm nước thải dệt nhuộm 1.1.1 Giới thiệu thuốc nhuộm 1.1.1.1 Thuốc nhuộm Indigo carmine 1.1.1.2 Thuốc nhuộm Rhodamine B 1.1.1.3 Qúa trình oxi hóa nâng cao xử lý nước thải dệt nhuộm 1.2 Tổng quan xúc tác quang hóa 1.2.1 Các chất xúc tác quang bán dẫn 1.2.2 Chất xúc tác quang bán dẫn biến tính 11 1.2.3 Phương trình đợng học q trình xúc tác 13 1.2.4 Phản ứng bẫy gớc tự q trình xúc tác 15 1.3 Xúc tác quang hỗn hợp oxit dẫn xuất từ LDHs 18 1.3.1 Giới thiệu tính chất đặc điểm hydorxit lớp đôi (LDHs) 18 1.3.2 Điều chế ứng dụng 21 1.3.2.1 Điều chế 21 1.3.2.2 Ứng dụng 21 1.4 Xúc tác quang hóa biến tính LDHs dẫn xuất oxit 22 1.4.1 Xúc tác quang hóa biến tính LDHs dẫn xuất oxit 22 1.4.2 Tình hình nghiên cứu nước 25 CHƯƠNG NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 28 v 2.1 Hóa chất thiết bị dụng cụ 28 2.1.1 Hóa chất 28 2.1.2 Thiết bị dụng cụ 28 2.2 Nội dung nghiên cứu 29 2.2.1 Điều chế vật liệu ZnBi2O4/x.0Graphit 29 2.2.2 Điều chế vật liệu ZnBi2O4/x.0Bi2S3 31 2.2.3 Đánh giá hoạt tính xúc tác vật liệu ZnBi2O4/x.0Graphit ZnBi2O4/x.0 Bi2S3 32 2.2.3.1 Đánh giá hoạt tính xúc tác vật liệu ZnBi2O4/x.0Graphit phân hủy RhB IC ánh sáng nhìn thấy 33 2.2.3.1 Đánh giá hoạt tính xúc tác vật liệu ZnBi2O4/x.0Bi2S3 phân hủy RhB IC ánh sáng nhìn thấy 34 Nghiên cứu đợng học q trình phân hủy thuốc nhuộm 35 Xác dịnh điểm đẳng điện vật liệu 35 2.3 Các phương pháp phân tích hóa lý 36 2.3.1 Các phương pháp phân tích hóa lý 36 2.3.2 Xác định nồng độ thuốc nhuộm 37 2.3.3 Phân tích tổng lượng cacbon hữu (TOC) 38 CHƯƠNG KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 39 3.1 Hệ xúc tác ZnBi2O4/x.0Graphit 39 3.1.1 Đặc trưng xúc tác ZnBi2O4/x.0Graphit 39 3.1.1.1 Giản đồ XRD 39 3.1.1.2 Phổ FT-IR 40 3.1.1.3 Phổ UV-Vis DRS 41 3.1.1.4 Ảnh SEM, EDS TEM 44 3.1.1.5 Phổ quang điện tử tia X (XPS) 46 3.1.2 Đánh giá hoạt tính xúc tác vật liệu ZnBi2O4/x.0Graphit đến trình phân hủy RhB ánh sáng nhìn thấy 48 3.1.2.1 Ảnh hưởng lượng Graphit xúc tác ZnBi2O4/x.0Graphit 49 3.1.2.2 Ảnh hưởng lượng xúc tác ZnBi2O4/1.0Graphit 54 vi 3.1.2.3 Ảnh hưởng nồng độ RhB ban đầu 56 3.1.2.4 Ảnh hưởng pH 58 3.1.2.5 Nghiên cứu độ bền tái sử dụng hệ xúc tác ZnBi2O4/1.0Graphit 60 3.1.2.6 Thí nghiệm bẫy gớc hoạt đợng phản ứng phân hủy RhB xúc tác ZnBi2O4 /1.0Graphit 61 3.1.2.7 Đề xuất chế phản ứng phân hủy RhB xúc tác ZnBi2O4/x.0Graphit 62 3.1.2.8 Đánh giá hiệu śt khống hóa RhB xúc tác ZnBi2O4/1.0Graphit 65 3.1.3.1 Ảnh hưởng lượng Graphit xúc tác ZnBi2O4 /x.0Graphit 66 3.1.3.2 Ảnh hưởng lượng xúc tác ZnBi2O4/5.0Graphit 68 3.1.3.3 Ảnh hưởng nồng độ IC ban đầu 70 3.1.3.4 Ảnh hưởng pH 72 3.2 Hệ xúc tác ZnBi2O4/x.0Bi2S3 73 3.2.1 Đặc trưng hệ xúc tác ZnBi2O4/x.0Bi2S3 73 3.2.1.1 Giản đồ XRD 73 3.2.1.2 Phổ FT-IR 74 3.2.1.4 Ảnh SEM, EDS TEM 77 3.2.1.5 Phổ quang điện tử tia X (XPS) 79 3.2.2 Đánh giá hoạt tính xúc tác ZnBi2O4/x.0Bi2S3 đến trình phân hủy IC ánh sáng nhìn thấy 81 3.2.2.1 Ảnh hưởng lượng Bi2S3 xúc tác ZnBi2O4/x.0Bi2S3 81 3.2.2.2 Ảnh hưởng lượng xúc tác ZnBi2O4/12.0Bi2S3 85 3.2.2.3 Ảnh hưởng nồng độ IC ban đầu 87 3.2.2.4 Ảnh hưởng pH 88 3.2.2.5 Nghiên cứu độ bền tái sử dụng hệ xúc tác ZnBi2O4/12.0Bi2S3 90 3.2.2.6.Thí nghiệm bẫy gớc hoạt đợng phản ứng phân hủy IC xúc tác ZnBi2O4/12.0Bi2S3 91 3.2.2.7 Đề xuất chế phản ứng phân hủy IC xúc tác ZnBi2O4/12.0Bi2S3 93 3.2.2.8 Đánh giá hiệu śt khống hóa IC xúc tác ZnBi2O4/12.0Bi2S3 96 3.2.3 Đánh giá hoạt tính xúc tác ZnBi2O4/x.0Bi2S3 đến trình phân hủy RhB ánh sáng nhìn thấy 97 vii 3.2.3.1 Ảnh hưởng lượng Bi2S3 xúc tác ZnBi2O4/x.0Bi2S3 97 3.2.3.2 Ảnh hưởng pH 100 3.2.3.3 Ảnh hưởng lượng xúc tác ZnBi2O4/12.0Bi2S3 102 3.2.3.4 Ảnh hưởng nồng độ RhB ban đầu 103 3.2.3.5 Nghiên cứu độ bền tái sử dụng xúc tác ZnBi2O4/12.0Bi2S3 105 3.2.3.6 Thí nghiệm bẫy gớc hoạt đợng phản ứng phân hủy RhB xúc tác ZnBi2O4/12.0Bi2S3 105 3.2.3.7 Đề xuất chế phản ứng phân hủy RhB xúc tác ZnBi2O4/12.0Bi2S3 107 3.2.3.8 Đánh giá hiệu suất khống hóa RhB xúc tác ZnBi2O4/x.0Bi2S3 109 3.3 So sánh hiệu quả phân hủy IC RhB xúc tác ZnBi2O4/x.0Graphit ZnBi2O4/x.0Bi2S3 ánh sáng nhìn thấy 109 3.3.1 So sánh hiệu quả phân hủy IC RhB xúc tác ZnBi2O4/x.0Graphit 109 3.3.2 So sánh hiệu quả phân hủy IC RhB xúc tác ZnBi2O4/x.0Bi2S3 110 3.3.3 So sánh hiệu quả phân hủy RhB xúc tác ZnBi2O4/1.0Graphit ZnBi2O4/12.0Bi2S3 111 3.3.4 So sánh hiệu quả phân hủy IC xúc tác ZnBi2O4/1.0Graphit ZnBi2O4/12.0Bi2S3 112 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 114 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ 116 TÀI LIỆU THAM KHẢO 117 PHỤ LỤC 135 viii DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1 Một số chất dùng để bẫy gốc tự do, điện tử lỗ trống quang sinh 16 Bảng 1.2 Thông kê một vài nghiên cứu xúc tác quang hóa biến tính LDHs dẫn xuất oxit những năm gầm 25 Bảng 3.1 Bước sóng cực đại giá trị Eg mẫu ZnBi2O4, Graphit, ZnBi2O4/x.0Graphit tính theo phổ UV-Vis DRS 44 Bảng 3.2 Hiệu suất phân hủy RhB vùng ánh sáng nhìn thấy vật liệu khác 54 Bảng 3.3 Phương trình tuyến tính bậc 1, hệ sớ tương quan (R2), sớ tớc đợ (k) q trình phân hủy RhB Graphit, ZnBi2O4, ZnBi2O4/x.0Graphit (x = , 2, 5, 10 20) 51 Bảng 3.4 Phương trình tuyến tính bậc 1, hệ số tương quan (R2), số tốc độ (k) trình phân hủy RhB ZnBi2O4/1.0Graphit (lượng xúc tác 0,5 – 2,0g/L) 55 Bảng 3.5 Phương trình tuyến tính bậc 1, hệ sớ tương quan (R2), sớ tớc đợ (k) q trình phân hủy RhB ZnBi2O4/1.0Graphit (nồng độ RhB ban đầu =15 – 60 mg/L) 57 Bảng 3.6 Phương trình tuyến tính bậc 1, hệ sớ tương quan (R2), sớ tớc đợ (k) q trình phân hủy RhB ZnBi2O4/1.0Graphit (pH = 2,0 – 7,0) 59 Bảng 3.7 Phương trình tuyến tính, hệ số tương quan (R2) số tốc độ động học biểu kiến bậc (k) trình phân hủy RhB có mặt chất bẫy gớc tự OH, O2– lỗ trống h+ quang sinh 62 Bảng 3.8 Giá trị vùng dẫn vùng hóa trị ZnBi2O4 63 Bảng 3.9 Lượng TOC dung dịch RhB, xúc tác ZnBi2O4/1.0Graphit trước sau chiếu ánh sáng nhìn thấy 65 Bảng 3.10 Phương trình tuyến tính bậc 1, hệ sớ tương quan (R2), sớ tớc đợ (k) q trình phân hủy IC xúc tác Graphit, ZnBi2O4 ZnBi2O4 /5.0Graphit 68 Bảng 3.11 Phương trình tuyến tính bậc 1, hệ số tương quan (R2), số tốc độ (k) trình phân hủy IC ZnBi2O4/5.0Graphit (lượng xúc tác = 0,2 – 1,0 g/L) 69 ... cứu sử dụng xúc tác quang hóa sở hydroxit lớp đôi ZnBi2O4/ Graphit ZnBi2O4/ Bi2S3 định hướng xử lý chất màu hữu cơ? ?? Đối tượng nghiên cứu Xúc tác quang bán dẫn: hỗn hợp oxit kim loại ZnBi2O4. .. có khả xử lý tốt chất ô nhiễm hữu Mục tiêu cụ thể: nghiên cứu sử dụng xúc tác quang hóa sở ZnBi2O4/ x. 0Graphit ZnBi2O4/ x. 0Bi2S3 định hướng xử lý chất màu hữu Nội dung nghiên cứu Điều... DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ - NGUYỄN THỊ MAI THƠ NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG XÚC TÁC QUANG HÓA TRÊN CƠ SỞ HYDROXIT LỚP ĐÔI ZnBi2O4/ GRAPHIT