Tổng hợp và đánh giá hoạt tính xúc tác của vật liệu composite cofe2o4

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA LÊ PHẠM NGỌC MY TỔNG HỢP VÀ ĐÁNH GIÁ HOẠT TÍNH XÚC TÁC CỦA VẬT LIỆU COMPOSITE CoFe2O4/ZnO HOẠT HÓA PEROXYMONOSULFATE ỨNG DỤNG PHÂN HỦY CHẤT HỮU CƠ Chuyên ngành : Kỹ thuật Hóa học Mã số : 8520301 LUẬN VĂN THẠC SĨ TP HỒ CHÍ MINH, tháng 7, năm 2023 ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA LÊ PHẠM NGỌC MY TỔNG HỢP VÀ ĐÁNH GIÁ HOẠT TÍNH XÚC TÁC CỦA VẬT LIỆU COMPOSITE CoFe2O4/ZnO HOẠT HÓA PEROXYMONOSULFATE ỨNG DỤNG PHÂN HỦY CHẤT HỮU CƠ Chuyên ngành : Kỹ thuật Hóa học Mã số : 8520301 LUẬN VĂN THẠC SĨ TP HỒ CHÍ MINH, tháng 7, năm 2023 Cơng trình hồn thành : Trường ĐH Bách Khoa – ĐHQG TPHCM Cán hướng dẫn khoa học : PGS TS Lê Minh Viễn Cán chấm nhận xét : PGS TS Nguyễn Thái Hoàng Cán chấm nhận xét : PGS TS Đặng Tấn Hiệp Luận văn thạc sĩ bảo vệ Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp HCM ngày 15 tháng năm 2023 Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm : Chủ tịch: PGS.TS Nguyễn Đình Thành Thư ký: TS Văn Hoàng Luân Phản biện 1: PGS.TS Nguyễn Thái Hoàng Phản biện 2: PGS.TS Đặng Tấn Hiệp Ủy viên: PGS.TS Lê Minh Viễn Xác nhận Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau luận văn sửa chữa (nếu có) CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT HÓA HỌC PGS TS Nguyễn Đình Thành ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự - Hạnh phúc NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên : Lê Phạm Ngọc My Ngày, tháng, năm sinh : 02/10/1999 MSHV : 2170986 Nơi sinh : Bình Dương Chuyên ngành : Kỹ thuật Hóa học Mã số : 8520301 I TÊN ĐỀ TÀI : Tiếng Việt : Tổng hợp đánh giá hoạt tính xúc tác vật liệu composite CoFe 2O4/ZnO hoạt hóa peroxymonosulfate ứng dụng phân hủy chất hữu Tiếng Anh : Fabrication and investigation the catalytic activity of CoFe2O4/ZnO in peroxymonosulfate activation for wastewater remediation II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG : ‒ Đề xuất quy trình điều chế vật liệu CoFe2O4 đơn pha ‒ Đề xuất thành phần tỉ lệ CoFe2O4 ZnO thích hợp để tạo hệ composite cải thiện hoạt tính xúc tác kích hoạt PMS phân hủy bisphenol-A ‒ Đánh giá hoạt tính xúc tác hoạt hóa PMS phân hủy chất hữu vật liệu CoFe 2O4 CoFe2O4@ZnO ‒ Đánh giá yếu tố ảnh hưởng đến trình phân hủy ‒ Khảo sát vai trị gốc tự tham gia vào trình phân hủy bisphenol-A III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 05/09/2022 IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : 07/07/2023 V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN : PGS TS Lê Minh Viễn CÁN BỘ HƯỚNG DẪN (Họ tên chữ ký) PGS TS Lê Minh Viễn Tp HCM, ngày 08 tháng năm 2023 CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO (Họ tên chữ ký) PGS TS Lê Minh Viễn TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT HÓA HỌC (Họ tên chữ ký) LỜI CẢM ƠN Trải qua khoảng thời gian học tập nghiên cứu trường Đại học Bách Khoa TPHCM, em khơng thể hồn thành chương trình học tập khơng có giúp đỡ hỗ trợ kịp thời từ thầy cô, bạn bè, người thân Đầu tiên, em xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành đến PGS TS Lê Minh Viễn – giảng viên hướng dẫn đồng hành em từ đại học Sự hướng dẫn tận tình quan tâm sát thầy động lực để em hồn thành luận văn cao học cách tốt Song song với việc trau dồi tư học thuật, chia sẻ góp ý khía cạnh sống thầy rèn luyện em trở thành phiên trưởng thành Em trân trọng hội thầy dành cho em để phát huy lực tiếp xúc với mơi trường khác ngồi nước Thầy đồng hành em từ lúc em chưa biết nghiên cứu vật liệu, mang đến cho em góc nhìn tiếp thêm động lực để em ngày phát triển thân không mặt học thuật Ngoài ra, em gửi lời cảm ơn đến TS Văn Hoàng Luân TS Đặng Bảo Trọng góp ý tích cực giúp đỡ em q trình nghiên cứu Để hồn thành luận văn, không nhắc đến hướng dẫn hỗ trợ PGS TS Suresh Sagadevan, GS TS Mohd Rafie Bin Johan tất nhân viên viện NANOCAT, trường Đại học Malaya, Malaysia Khoảng thời gian NANOCAT mang đến nhiều trải nghiệm mới, tầm nhìn bổ trợ cho phát triển em tương lai Em biết ơn tạo điều kiện góp ý thầy Suresh góp phần hồn thiện luận văn Bên cạnh đó, em trân trọng khoảng thời gian làm việc phịng thí nghiệm 213 B2 anh chị bạn sinh viên Môi trường làm việc thân thiện, người giúp đỡ, chia sẻ trao đổi học thuật hỗ trợ vấn đề động lực không nhỏ giúp em có tinh thần nghiên cứu Cuối cùng, dành lời cảm ơn gửi đến gia đình, người ln dành cho tình thương u làm hậu phương vững chãi để đạt ngày hôm i Một lần nữa, Ngọc My trân quý mối quan hệ, kỷ niệm Bách Khoa TPHCM, ngày 06 tháng 07 năm 2023 Học viên Lê Phạm Ngọc My ii TÓM TẮT Luận văn nghiên cứu điều chế hệ nanocomposite spinel CoFe2O4/ZnO (CFZ) phương pháp thủy nhiệt, làm tác nhân kích hoạt peroxymonosulfate (PMS) hiệu để phân hủy chất ô nhiễm hữu Kết thí nghiệm cho thấy CFZ 1:1 có hiệu phân hủy BPA cao so sánh với CFO hay ZnO nguyên hỗn hợp bột (CFO + ZnO) Ở điều kiện 0,5 g.L -1 xúc tác ; 0,2 g.L-1 PMS pH tự nhiên dung dịch BPA, hệ xúc tác CFZ :1/PMS loại bỏ 95 % BPA (20 mg.L-1) vòng 20 phút tốc độ phân hủy 0,219 phút -1, cao lần so với tốc độ phân hủy CFO Hiệu trình phân hủy không thay đổi dải rộng vùng pH (từ pH5 đến pH9) bị ảnh hưởng anion vô phổ biến nước Sự diện anion Cl‒ đẩy nhanh tốc độ loại bỏ BPA, cho thấy hệ CFZ :1/PMS hoạt động tốt điều kiện nước mặn Thí nghiệm đánh giá gốc tự cho thấy singlet oxygen 1O2 gốc SO4•‒ giữ vai trị then chốt q trình phân hủy BPA, chứng tỏ trình phân hủy diễn theo hai chế gốc tự (radical) phi gốc tự (non-radical) Ngoài ra, CFZ :1/PMS thể tính thích ứng cao có khả phân hủy loại chất ô nhiễm khác (MB, MO, RhB, SMX, TC), chí phân hủy hỗn hợp đạt hiệu cao Sự hịa tan cation cobalt cải thiện thơng qua việc kết hợp CFO với ZnO, chứng minh tính ổn định cao hệ Nhìn chung, nghiên cứu mở hướng tiếp cận việc thiết kế phát triển chất xúc tác hoạt hóa PMS hướng tới việc loại bỏ chất ô nhiễm khó phân hủy thực tiễn iii ABSTRACT This study report the construction of ZnO supported spinel CoFe 2O4 (CFO) nanocomposites, i.e CFZ, by a facile hydrothermal method, as an effective peroxymonosulfate (PMS) activator for the degradation of organic pollutants The optimized hybrid catalyst CFZ 1:1, which 1:1 is the weight ratio of CFO and ZnO, depicted the excellent enhancing in efficiency towards BPA decontamination as compared to the single metal oxides alone and the mixed powder of CFO and ZnO Under the conditions of 0.5 g.L-1 catalyst, 0.2 g.L-1 PMS, and non-adjusted pH, the CFZ 1:1/PMS system demonstrated an impressive performance that 95 % BPA (20 mg.L-1) could be removed within 20 mins and its first order-pseudo kinetic rate is at 0.219 min-1, which is 3.17 times higher than that of CFO The catalytic decontamination process could adapt a wide pH range from weak acid to alkaline and depicted negligible influence by several common anions Interestingly, the presence of Cl- ions accelerated BPA removal rate, suggesting that CFZ 1:1/PMS system could well function in salty condition Among the active species, singlet oxygen (1O2) and sulfate radical anion (SO 4•-) played a crucial role in BPA degradation, indicating that both radical and non-radical pathway were involved in the degradation process Besides, other refractory organic pollutants including sulfamethoxazole, tetracycline, methylene orange and rhodamine B could also be degraded effectively by CFZ 1:1/PMS system The leaching toxic cobalt ions was inhibited through the synergistic effect of CFO and ZnO, illustrating that the current composite is highly stable Overall, the results enlightened a new insight for the design and develop composite catalyst towards the removal of persistent pollutants from wastewater iv TÓM TẮT BẰNG HÌNH ẢNH v LỜI CAM ĐOAN Tác giả xin cam đoan luận văn cơng trình nghiên cứu cá nhân tác giả Lê Phạm Ngọc My, hướng dẫn PGS TS Lê Minh Viễn Phịng thí nghiệm Hóa vơ cơ, trường Đại học Bách Khoa TPHCM Kết nghiên cứu luận văn hồn tồn trung thực chưa cơng bố cơng trình tác giả khác trước Các nội dung có sử dụng tài liệu tham khảo thích trích dẫn quy định danh mục tài liệu tham khảo Tác giả Lê Phạm Ngọc My vi PHỤ LỤC Phụ lục A Giản đồ nhiễu xạ tia X Hình A-1 Giản đồ nhiễu xạ tia X ZnO Hình A-2 Giản đồ nhiễu xạ tia X CFO6 65 Hình A-3 Giản đồ nhiễu xạ tia X CFO8 Hình A-4 Giản đồ nhiễu xạ tia X CFO10 Hình A-5 Giản đồ nhiễu xạ tia X CFZ 2:1 Hình A-6 Giản đồ nhiễu xạ tia X CFZ 1:1 66 Hình A-7 Giản đồ nhiễu xạ tia X CFZ 1:2 Phụ lục B Giản đồ tán xạ Raman Hình B-1 Quang phổ Raman CFO Hình B-2 Quang phổ Raman ZnO 67 Hình B-3 Quang phổ Raman CFZ 1:1 68 Phụ lục C Kết từ kế mẫu rung Hình C-1 Đường cong từ trễ CFO8 Hình C-1 Đường cong từ trễ CFZ 1:1 69 Phụ lục D Kết phân tích BET Hình D-1 Đường cong hấp phụ/giải hấp N2 CFO8 70 Hình D-2 Đường cong hấp phụ/giải hấp N2 ZnO 71 Hình D-3 Đường cong hấp phụ/giải hấp N2 CFZ 2:1 72 Hình D-4 Đường cong hấp phụ/giải hấp N2 CFZ 1:1 73 Hình D-5 Đường cong hấp phụ/giải hấp N2 CFZ 1:2 74 Phụ lục E Phổ hấp thu nguyên tử AAS 75 Phụ lục F Thế zeta Hình E-1 Thế zeta CFZ 1:1 76 Phụ lục G Tán xạ ánh sáng động Hình F-1 Kết DLS CFO8 77 Hình F-2 Kết DLS CFZ 1:1 78 LÝ LỊCH TRÍCH NGANG Bản thân Họ tên: Lê Phạm Ngọc My Giới tính: Nữ Ngày sinh: 02/10/1999 Nơi sinh: Bình Dương Địa thường trú: 497 Hòa Hảo, phường 7, quận 10, TPHCM Địa liên lạc: số nhà 67, ấp Hịa Thành, xã Minh Hịa, huyện Dầu Tiếng, tỉnh Bình Dương Số điện thoại: 0987 960 812 Email: ngocmylepham@gmail.com Quá trình đào tạo a Đại học Tốt nghiệp Trường Đại học Bách Khoa – Đại học Quốc Gia TPHCM Ngành học: Kỹ thuật Hóa học Loại hình đào tạo: Chính quy Thời gian đào tạo: từ năm 2017 đến năm 2021 Xếp loại tốt nghiệp: Giỏi b Sau đại học Học Cao học từ năm 2021 đến năm 2023 Trường Đại học Bách Khoa – Đại học Quốc Gia TPHCM Chuyên ngành: Kỹ thuật Hóa học 79