(Luận văn thạc sĩ) nghiên cứu tổng hợp vật liệu composite g c3n4 bivo4 làm chất xúc tác quang phân hủy các hợp chất hữu cơ ô nhiễm trong môi trường nước

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUY NHƠN BÙI THỊ NGỌC TRÚC NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP VẬT LIỆU COMPOSITE g-C3N4/BiVO4 LÀM CHẤT XÚC TÁC QUANG h PHÂN HỦY CÁC HỢP CHẤT HỮU CƠ Ô NHIỄM TRONG MÔI TRƯỜNG NƯỚC Chun ngành: Hố Vơ Cơ Mã số: 8440113 Người hướng dẫn: TS Trần Thị Thu Phương PGS.TS Nguyễn Thị Diệu Cẩm LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan cơng trình kết nghiên cứu riêng Các số liệu, kết nêu luận văn hoàn toàn trung thực chưa cơng bố cơng trình nghiên cứu Tác giả luận văn Bùi Thị Ngọc Trúc h LỜI CẢM ƠN Em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc gửi lời cảm ơn chân thành đến TS Trần Thị Thu Phương PGS.TS Nguyễn Thị Diệu Cẩm – người tận tình hướng dẫn, giúp đỡ, quan tâm tạo điều kiện cho em hoàn thành tốt luận văn Em xin bày tỏ lịng biết ơn chân thành đến Q Thầy, Cơ Khoa Khoa học Tự nhiên Khu thí nghiệm thực hành A6 – Trường Đại học Quy Nhơn giúp đỡ, tạo điều kiện cho em thực luận văn Em xin chân thành cảm ơn gia đình, bạn bè tập thể lớp Cao học Hố Vơ Cơ K21 ln động viên, khích lệ tinh thần suốt trình học tập nghiên cứu khoa học Mặc dù cố gắng thời gian thực luận vănnhưng cịn h hạn chế kiến thức thời gian, kinh nghiệm nghiên cứu nên không tránh khỏi thiếu sót Em mong nhận thơng cảm ý kiến đóng góp q báu từ q Thầy, Cơ để luận văn hồn thiện Em xin chân thành cảm ơn! Tác giả luận văn Bùi Thị Ngọc Trúc MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN LỜI CẢM ƠN DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT DANH MỤC BẢNG BIỂU DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ MỞ ĐẦU 1.Lý chọn đề tài Mục tiêu nghiên cứu đề tài 3 Đối tượng phạm vi nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu Nội dung nghiên cứu h Cấu trúc luận văn Chương TỔNG QUAN LÝ THUYẾT 1.1 Giới thiệu vật liệu xúc tác quang tiềm ứng dụng 1.2 Giới thiệu bismuth orthovanadate 14 1.2.1 Đặc điểm cấu tạo đặc tính BiVO4 14 1.2.2 Các phương pháp tổng hợp BiVO4 17 1.2.3 Cơ chế xúc tác quang vật liệu BiVO4 21 1.2.4 Ứng dụng BiVO4 22 1.3 Giới thiệu graphit cacbon nitrua 22 1.3.1 Đặc điểm cấu tạo 22 1.3.2 Phương pháp tổng hợp 23 1.3.3 Giới thiệu nguồn vật liệu urea dùng để tổng hợp g-C3N4 25 1.4 Giới thiệu vật liệu composite g-C3N4/BiVO4 26 1.5 Giới thiệu chất kháng sinh tetracycline hydrochloride (TC) 28 Chương TỔNG QUAN THỰC NGHIỆM 31 2.1 Hóa chất, dụng cụ thiết bị 31 2.1.1 Hóa chất 31 2.1.2 Dụng cụ 31 2.2 Tổng hợp vật liệu xúc tác quang 32 2.2.1 Tổng hợp vật liệu BiVO4 phương pháp thủy nhiệt 32 2.2.2 Tổng hợp vật liệu g-C3N4 từ Urea 32 2.2.3 Tổng hợp vật liệu composite g-C3N4/BiVO4 phương pháp nhiệt pha rắn 32 2.3 Các phương pháp đặc trưng vật liệu 33 2.3.1 Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD) 33 2.3.2 Phương pháp hiển vi điện tử quét (SEM) 35 2.3.3 Phương pháp phổ hồng ngoại (IR) 35 2.3.4 Phương pháp phổ phản xạ khuếch tán tử ngoại – khả kiến (UV-Vis) 36 h 2.3.5 Phương pháp phổ lượng tia X (Energy Dispersive X-ray) 37 2.3.6 Phương pháp phổ huỳnh quang (PL – Photoluminescence) 38 2.4 Phân tích định lượng tetracycline hydrochloride(TC) 39 2.4.1 Nguyên tắc 39 2.4.2 Xây dựng đường chuẩn xác định nồng độ TC 40 2.5 Khảo sát hoạt tính quang xúc tác vật liệu 41 2.5.1 Khảo sát thời gian đạt cân hấp phụ TC 41 2.5.2 Khảo sát hoạt tính quang xúc tác vật liệu theo thời gian với dung dịch TC 41 2.5.3 Khảo sát ảnh hưởng pH đến hoạt tính quang xúc tác vật liệu 42 2.5.4 Khảo sát khả xúc tác quang xử lý nước thải nuôi tôm vật liệu 42 2.6 Động học quang xúc tác 46 Chương KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 47 3.1 Đặc trưng vật liệu khảo sát hoạt tính quang xúc tác g-C3N4 47 3.1.1 Đặc trưng vật liệu g-C3N4 47 3.1.2 Khảo sát hoạt tính quang xúc tác vật liệu g-C3N4 50 3.2 Đặc trưng vật liệu khảo sát hoạt tính quang xúc tác vật liệu BiVO4 52 3.2.1 Đặc trưng vật liệu BiVO4 52 3.2.2 Khảo sát hoạt tính quang xúc tác vật liệu BiVO4 56 3.3 Đặc trưng vật liệu khảo sát hoạt tính quang xúc tác vật liệu composite g-C3N4/BiVO4 theo tỉ lệ khối lượng tiền chất khác 58 3.3.1 Đặc trưng vật liệu composite g-C3N4/BiVO4 tỉ lệ khối lượng tiền chất khác 58 3.3.2 Khảo sát hoạt tính quang xúc tác vật liệu composite gC3N4/BiVO4 tỉ lệ khối lượng tiền chất khác TC 63 3.4 Động học phản ứng quang xúc tác phân huỷ TC vật liệu composite h GB-x 67 3.5 Đặc trưng vật liệu khảo sát hoạt tính quang xúc tác vật liệu composite GB-10 nhiệt độ nung khác 69 3.5.1 Đặc trưng vật liệu composite GB-10 nhiệt độ nung 69 3.5.2 Khảo sát hoạt tính quang xúc tác vật liệu composite GB-10-T với dung dịch TC 74 3.6 Khảo sát ảnh hưởng chất dập tắt gốc tự 76 3.7 Ảnh hưởng pH đến hoạt tính quang xúc tác vật liệu GB-10-530 79 3.8 Khảo sát khả xử lý nước thải nuôi tôm vật liệu composite GB-10-530 81 3.9 Tái sử dụng chất xúc tác 82 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 84 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 86 PHỤ LỤC QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN THẠC SĨ (BẢN SAO) DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT GB g-C3N4/BiVO4 EDTA Ethylene Diamine Tetraacetic Acid BQ 1,4-Benzoquinone DMSO Dimethyl sulfoxide EDX X-ray energy scattering spectrum (Phổ tán xạ lượng tia X) Band gap energy (Năng lượng vùng cấm) IR Infrared spectrum(Phổ hồng ngoại) PVP Polyvinylpyrrolidone PL Fluorescent spectrum (Phổ huỳnh quang) TC Tetracycline hydrochloride TBA Tert-butyl alcohol SEM Scanning electron microscopy method (Phương pháp h Eg kính hiển vi điện tử quét) XRD X-Ray Diffraction (Nhiễu xạ tia X) UV-Vis-DRS Visible diffuse reflectance spectrum (Phổ phản xạ VB khuếch tán tử ngoại khả kiến) Valance Band (Vùng hóa trị) DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1 Thế khử chuẩn số tác nhân oxi hoá mạnh Bảng Độ dài liên kết Bi-O V-O BiVO4 dạng cấu trúc đơn tà 15 Bảng Tính chất vật lý thông số cấu trúc BiVO4dạng đơn tà 15 Bảng Danh mục hoá chất 31 Bảng 2 Danh mục Dụng cụ - Thiết bị 31 Bảng Sự phụ thuộc mật độ quang A vào nồng độ TC 40 Bảng Kết xây dựng đường chuẩn COD (mg/L) 44 Bảng Giá trị dung lượng hấp phụ thay đổi theo thời gian vật liệu g-C3N4 51 Bảng Giá trị dung lượng hấp phụ TC theo thời gian vật liệu BiVO4 56 h Bảng 3 Năng lượng vùng cấm vật liệu g-C3N4, BiVO4 composite GB-x 62 Bảng Sự thay đổi nồng độ TC theo thời gian vật liệu g-C3N4, BiVO4 composite GB-x 64 Bảng Hằng số tốc độ k phân huỷ TC theo mơ hình Langmuir Hinshelwood 68 Bảng Năng lượng vùng cấm vật liệu g-C3N4, BiVO4 composite GB-10-530 71 Bảng Sự thay đổi nồng độ TC theo thời gian vật liệu GB-10-T 74 Bảng Giá trị COD nước thải hồ nuôi tôm ban đầu sau xử lý vật liệu composite GB-10-530 thời gian 180 phút 81 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1 Mơ q trình xúc tác quang Hình Quá trình quang xúc tác tách nước vật liệu xúc tác Hình Cơ chế xúc tác quang vật liệu g-C3N4/NiFe2O4 11 Hình Cơ chế xúc tác quang vật liệu SnO2/g-C3N4 12 Hình Cấu trúc tinh thể BiVO4 dạng monoclinic-scheelite (a) cấu trúc đa diện BiVO4 (b) 15 Hình Bột bismuth orthovanadate 16 Hình Độ rộng vùng cấm BiVO4 17 Hình Quá trình xúc tác quang xảy vật liệu BiVO4 21 Hình Triazin (a) mơ hình kết nối tảng tri-s-triazin (b) dạng thù hình g-C3N4 23 Hình 10 Sơ đồ điều chế g-C3N4 cách ngưng tụ NH(NH2)2 24 h Hình 11 Cấu trúc phân tử urea 25 Hình 12 Ảnh chụp TEM vật liệu BiVO4/g-C3N4 27 Hình 13 Cơ chế hoạt động hệ xúc tác quang BiVO4/g-C3N4 27 Hình 1.14 Cơng thức cấu tạo tetracycline hydrochloride tinh thể tetracycline hydrochloride 28 Hình Sự phản xạ bề mặt tinh thể 34 Hình 2 Sơ đồ nguyên lý kính hiển vi điện tử quét 35 Hình Sơ đồ nguyên lý phổ EDX 38 Hình Sơ đồ chuyển mức Jablonskii 39 Hình Đồ thị đường chuẩn TC 40 Hình Đồ thị đường chuẩn COD 45 Hình Ảnh chụp urea (a) vật liệu g-C3N4 (b) 47 Hình Giản đồ nhiễu xạ tia X vật liệu g-C3N4 48 Hình 3 Phổ hồng ngoại vật liệu g-C3N4 49 Hình Phổ UV-Vis mẫu rắn (a) đồ thị phụ thuộc hàm KubelkaMunk theo lượng ánh sáng bị hấp thụ vật liệu g-C3N4(b) 50 Hình Ảnh SEM vật liệu g-C3N4 50 Hình Đồ thị biểu diễn phụ thuộc dung lượng hấp phụ vào thời gian vật liệu g-C3N4 51 Hình Sự thay đổi nồng độ TC theo thời gian phản ứng vật liệu 52 Hình Hình ảnh vật liệu BiVO4 53 Hình Giản đồ XRD vật liệu BiVO4 54 Hình 10 Phổ UV-Vis mẫu rắn BiVO4 (a) đồ thị phụ thuộc hàm Kubelka-Munk theo lượng ánh sáng bị hấp thụ 54 Hình 11 Phổ hồng ngoại vật liệu BiVO4 55 Hình 12 Ảnh SEM vật liệu BiVO4 55 Hình 13 Sự thay đổi dung lượng hấp phụ TCtheo thời gian vật liệu BiVO4 56 h Hình 14 Sự thay đổi nồng độ TC theo thời gian phản ứng vật liệu BiVO4 57 Hình 15 Hình ảnh mẫu vật liệu composite GB-x 58 Hình 16 Giản đồ nhiễu xạ tia X vật liệu g-C3N4; BiVO4 composite GB-x 59 Hình 17 Phổ UV-Vis mẫu rắn vật liệu g-C3N4; BiVO4 composite GB-x 60 Hình 18 Đồ thị phụ thuộc hàm Kubelka-Munk theo lượng ánh sáng bị hấp thụ vật liệu composite GB-x 61 Hình 19 Phổ huỳnh quang vật liệu BiVO4 composite GB-x 63 Hình 21 Sự phụ thuộc dung lượng hấp phụ TC theo thời gian vật liệu composite GB-x 65 Hình 22 Sự thay đổi nồng độ TC theo thời gian phản ứng mẫu vật liệu g-C3N4, BiVO4 composite GB-x 66 Hình 23 Đồ thị biểu diễn hiệu suất xúc tác quang 66