luận văn thạc sĩ nghiên cứu tổng hợp đặc trưng cấu trúc vật liệu sét chống titan cấy thêm lantan và ứng dụng làm xúc tác cho quá trình xử lý màu trong nước thải dệt nhuộm

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN - NGUYỄN VĂN VINH NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP, ĐẶC TRƢNG CẤU TRÚC VẬT LIỆU SÉT CHỐNG TITAN CẤY THÊM LANTAN VÀ ỨNG DỤNG LÀM XÚC TÁC CHO QUÁ TRÌNH XỬ LÝ MÀU TRONG NƢỚC THẢI DỆT NHUỘM LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội – Năm 2013 z ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN - NGUYỄN VĂN VINH NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP, ĐẶC TRƢNG CẤU TRÚC VẬT LIỆU SÉT CHỐNG TITAN CẤY THÊM LANTAN VÀ ỨNG DỤNG LÀM XÚC TÁC CHO QUÁ TRÌNH XỬ LÝ MÀU TRONG NƢỚC THẢI DỆT NHUỘM Chun ngành: Hóa mơi trường Mã số: 60440120 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS TS Nguyễn Văn Nội Hà Nội – Năm 2013 z LỜI CẢM ƠN Với giúp đỡ thầy giáo cô giáo, anh chị bạn học viên, sau thời gian học tập thực nghiệm em hoàn thành luận văn Thơng qua luận văn, với lịng biết ơn sâu sắc em xin chân thành cảm ơn thầy giáo PGS.TS Nguyễn Văn Nội, người trực tiếp giảng dạy, hướng dẫn nghiên cứu khoa học suốt trình em học đại học, học cao học, làm luận văn tận tình Đồng thời em xin chân thành cảm ơn thầy phịng thí nghiệm Hóa mơi trường, khoa Hóa học, trường ĐHKHTN NCS Nguyễn Thị Hạnh hướng dẫn nhiệt tình trình em làm luận văn Hà Nội, ngày 28/11/2013 HVCH Nguyễn Văn Vinh z MỤC LỤC MỞ ĐẦU Chương 1: TỔNG QUAN 1.1 Vật liệu nano TiO2 nano TiO2 biến tính 1.1.1 Vật liệu nano TiO2 1.1.2 Vật liệu nano TiO2 biến tính 1.1.3 Phương pháp Sol-gel điều chế nano TiO2 biến tính 11 1.1.4 Cơ chế quang hóa nano TiO2 xử lý chất nhiễm 12 1.2 Giới thiệu Bentonite Bentonite chống Titan cấy thêm Lantan 15 1.2.1 Bentonite 15 1.2.2 Bentonite chống kim loại 19 1.2.3 Vật liệu bentonite chống Titan cấy thêm Lantan 23 1.3.Thuốc nhuộm màu hữu dệt nhuộm 23 1.3.1 Phân loại thuốc nhuộm 24 1.3.2 Xử lý nước thải dệt nhuộm 28 Chương 2: THỰC NGHIỆM 29 2.1 Hóa chất dụng cụ, trang thiết bị thí nghiệm 29 2.1.1 Hóa chất 29 2.1.2 Dụng cụ trang thiết bị 29 2.2 Tổng hợp vật liệu 30 2.2.1 Tổng hợp nano TiO2 30 2.2.2 Tổng hợp nano TiO2 pha tạp La 31 2.3 Xác định số tính chất bentonit-Na tổng hợp bentonite chống Ti pha tạp La 31 2.3.1 Xác định dung lượng trao đổi cation ( CEC) 31 2.3.2 Xác định độ trương nở 32 2.3.3 Tổng hợp vật liệu bentonite chống Ti pha tạp La 32 2.4 Các phương pháp nghiên cứu cấu trúc vật liệu 32 2.4.1 Phương pháp nhiễu xạ Rơnghen (XRD) 32 2.4.2 Phương pháp phổ hồng ngoại (IR) 33 z 2.4.3 Phương pháp hiển vi điện tử quét (SEM) 34 2.4.4 Phương pháp hiển vi điện tử truyền qua (TEM) 36 2.4.5 Phương pháp tán xạ lượng tia X EDX – Energy Dispersive Analysis of X-rays spectroscopy) 36 2.4.6 Phương pháp phổ hấp thụ UV-Vis 37 2.4.7 Phương pháp đẳng nhiệt hấp phụ – giải hấp phụ 38 2.5 Khảo sát khả xử lý nước thải dệt nhuộm vật liệu 42 2.5.1 Chuẩn bị dung dịch 42 2.5.2 Lập đường chuẩn xác định nồng độ phẩm nhuộm 42 2.5.3.Khảo sát khả xử lý phẩm màu vật liệu TiO2 TiO2 doping La3+ 43 2.5.4.Khảo sát khả xử lý phẩm màu vật liệu bentonite chống Ti pha tạp La 44 2.5.5 Đánh giá hiệu suất xử lý phẩm màu vật liệu 44 2.6 Nguồn sáng mô ánh sáng khả kiến 44 Chương 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 46 3.1 Kết nghiên cứu cấu trúc vật liệu nano TiO2 TiO2 pha tạp La3+ 46 3.1.1 Kết phổ nhiễu xạ tia X 46 3.1.2 Kết phổ UV-VIS 49 3.1.3 Kết phổ EDX 50 3.2 Kết đặc trưng cấu trúc vật liệu Bentonite chống Ti pha tạp La 51 3.2.1 Kết phổ nhiễu xạ tia X 51 3.2.2 Kết phổ UV-VIS 53 3.2.3 Kết ảnh qua kính hiển vi điện tử quét SEM vật liệu 54 3.2.4 Kết ảnh hiển vi điện tử truyền qua phân giải cao HRTEM 54 3.2.5 Kết phổ hồng ngoại IR 55 3.2.6 Kết phổ tán xạ lượng EDX 56 3.2.7 Kết đường hấp phụ đẳng nhiệt N2 (BET) 56 3.3 Kết khảo sát khả xử lý phẩm màu TiO2 pha tạp La Bentonite chống Ti pha tạp La 58 3.3.1 Đường chuẩn xác định nồng độ phẩm DB 71 RR 261 58 z 3.3.2 Sự ảnh hưởng pH đến khả xử lý phẩm vật liệu TiO2-La1%-450 Bent 58 3.3.3 Khả xử lý phẩm không dùng ánh sáng đèn vật liệu 61 3.3.4 Ảnh hưởng nhiệt độ nung đến hoạt tính xúc tác vật liệu 62 3.3.5 Ảnh hưởng tỷ lệ mol La: Ti đến hoạt tính xúc tác vật liệu 63 3.3.6 Ảnh hưởng hàm lượng bentonite đến hoạt tính xúc tác 65 3.3.7 Ảnh hưởng lượng vật liệu xúc tác đến khả xử lý phẩm màu 66 3.3.8 Khả khống hóa chất hữu xúc tác 67 3.3.9 Khả xử lý nước thải dệt nhuộm làng nghề Dương Nội- Hà Đơng 67 3.4 Cơ chế quang hóa TiO2 pha tạp La 68 KẾT LUẬN 71 TÀI LIỆU THAM KHẢO 72 z luan.van.thac.si.nghien.cuu.tong.hop.dac.trung.cau.truc.vat.lieu.set.chong.titan.cay.them.lantan.va.ung.dung.lam.xuc.tac.cho.qua.trinh.xu.ly.mau.trong.nuoc.thai.det.nhuomluan.van.thac.si.nghien.cuu.tong.hop.dac.trung.cau.truc.vat.lieu.set.chong.titan.cay.them.lantan.va.ung.dung.lam.xuc.tac.cho.qua.trinh.xu.ly.mau.trong.nuoc.thai.det.nhuom DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1 Một số thông số vật lý TiO2 dạng anatase rutile Bảng 1.2 Đường kính hydrat hố số cation kim loại 18 Bảng 3.1 Kích thước hạt TiO2 tỷ lệ pha A/R từ giản đồ nhiễu xạ tia X hình 3.1 47 Bảng 3.2: Kích thước hạt TiO2 tỷ lệ pha A/R từ giản đồ nhiễu xạ tia X hình 3.2 48 Bảng 3.3 Bước sóng hấp thụ cực đại lượng Ebg TiO2, TiO2 pha tạp La3+ 49 Bảng 3.4 Bước sóng hấp thụ cực đại lượng Ebg TiO2 pha tạp 1% La3+ theo nhiệt độ 50 Bảng 3.5 Thành phần nguyên tố có mẫu TiO2-La1%-450 51 Bảng 3.6 Kích thước hạt TiO2 tỷ lệ pha A/R từ giản đồ nhiễu xạ tia X hình 3.6 52 Bảng 3.7 Thành phần nguyên tố mẫu Bent 56 Bảng 3.8 Sự ảnh hưởng pH đến độ chuyển hóa phẩm DB 71 RR 261 58 Bảng 3.9 Hiệu xuất xử lý phẩm màu vật liệu bóng tối chiếu ánh sáng 61 Bảng 3.10 Hiệu xuất xử lý phẩm màu TiO2-La1% nung nhiệt độ khác 62 Bảng 3.11 Hiệu xuất chuyển hóa phẩm màu vật liệu TiO2 pha tạp La TiO2450 64 Bảng 3.12 Hiệu xuất chuyển hóa phẩm màu vật liệu Bent 0.5; Bent 1; Bent 65 Bảng 3.13 Hiệu xuất xử lý phẩm màu với lượng Bent khác 66 Bảng 3.14 Hiệu xuất chuyển hóa TOC phẩm màu sau 180 phút Bent 67 Bảng 3.15 Hiệu xuất chuyển hóa TOC nước thải sau 180 phút Bent 68 Bảng 3.16 Thông số số mạng tinh thể anatase TiO2 mẫu khác 68 luan.van.thac.si.nghien.cuu.tong.hop.dac.trung.cau.truc.vat.lieu.set.chong.titan.cay.them.lantan.va.ung.dung.lam.xuc.tac.cho.qua.trinh.xu.ly.mau.trong.nuoc.thai.det.nhuomluan.van.thac.si.nghien.cuu.tong.hop.dac.trung.cau.truc.vat.lieu.set.chong.titan.cay.them.lantan.va.ung.dung.lam.xuc.tac.cho.qua.trinh.xu.ly.mau.trong.nuoc.thai.det.nhuom z luan.van.thac.si.nghien.cuu.tong.hop.dac.trung.cau.truc.vat.lieu.set.chong.titan.cay.them.lantan.va.ung.dung.lam.xuc.tac.cho.qua.trinh.xu.ly.mau.trong.nuoc.thai.det.nhuomluan.van.thac.si.nghien.cuu.tong.hop.dac.trung.cau.truc.vat.lieu.set.chong.titan.cay.them.lantan.va.ung.dung.lam.xuc.tac.cho.qua.trinh.xu.ly.mau.trong.nuoc.thai.det.nhuom DANH MỤC HÌNH Hình 1.1 Tinh thể Rutile: dạng tinh thể tự nhiên cấu trúc tinh thể Hình 1.2 Tinh thể Anatase: dạng tinh thể tự nhiên cấu trúc tinh thể Hình 1.3 Tinh thể Brookite tự nhiên cấu trúc tinh thể Hình 1.4 Cơ chế hình thành gốc hoạt động vật liệu bán dẫn 13 Hình 1.5 Cơ chế trình xúc tác quang vật liệu bán dẫn 14 Hình 1.6: Cấu trúc mạng tinh thể Montmorillonite 16 Hình 1.7 Các vị trí trao đổi cation hạt Bentonite 17 Hình 1.8 Sơ đồ mơ tả phương pháp chống phân tán lỗng 21 Hình 1.9 Sơ đồ trình chèn polycation vào lớp bentonite 22 Hình 2.1 Cấu trúc thuốc nhuộm DB 71 RR 261 29 Hình 2.2 Sơ đồ thí nghiệm tổng hợp nano TiO2 30 Hình 2.3 Nguyên lý phép phân tích EDX 36 Hình 2.4 Sự phụ phuộc p/v(po-p) vào p/po 39 Hình 2.5 Các dạng đường đẳng nhiệt hấp phụ-khử hấp phụ theo phân loại IUPAC 40 Hình 2.6 Quang phổ đèn Compact Fluorescent 9W 2750 K 5000 K 45 Hình 3.1 Ảnh hưởng tỷ lệ La:Ti đến chuyển pha kích thước hạt TiO2 46 Hình 3.2 Ảnh hưởng nhiệt độ nung đến chuyển pha kích thước hạt TiO2 pha tạp La3+ 48 Hình 3.3 a) Phổ UV-VIS TiO2 TiO2 pha tạp La3+ theo % khác 49 b) Năng lượng vùng cấm TiO2 TiO2 pha tạp La3+ theo % khác 49 Hình 3.4 a) Phổ UV-VIS TiO2 pha tạp 1% La3+ theo nhiệt độ khác 50 b) Năng lượng vùng cấm TiO2 pha tạp 1% La3+ theo nhiệt độ khác 50 Hình 3.5 Phổ EDX TiO2-La 1%-450 51 Hình 3.6 Phổ nhiễu xạ tia X bentonite bentonite chống Ti pha tạp La3+ 51 Hình 3.7 a) Phổ UV-VIS Bent chống Ti pha tạp La3+; b) Năng lượng vùng cấm TiO2 Bent chống Ti pha tạp La3+ 53 Hình 3.8 a) Ảnh SEM vật liệu TiO2-La1%-450; b) c) ảnh SEM vật liệu Bent 54 Hình 3.9 a) Ảnh TEM vật liệu TiO2-La1%-450 55 b) Ảnh TEM vật liệu Bent 55 luan.van.thac.si.nghien.cuu.tong.hop.dac.trung.cau.truc.vat.lieu.set.chong.titan.cay.them.lantan.va.ung.dung.lam.xuc.tac.cho.qua.trinh.xu.ly.mau.trong.nuoc.thai.det.nhuomluan.van.thac.si.nghien.cuu.tong.hop.dac.trung.cau.truc.vat.lieu.set.chong.titan.cay.them.lantan.va.ung.dung.lam.xuc.tac.cho.qua.trinh.xu.ly.mau.trong.nuoc.thai.det.nhuom z luan.van.thac.si.nghien.cuu.tong.hop.dac.trung.cau.truc.vat.lieu.set.chong.titan.cay.them.lantan.va.ung.dung.lam.xuc.tac.cho.qua.trinh.xu.ly.mau.trong.nuoc.thai.det.nhuomluan.van.thac.si.nghien.cuu.tong.hop.dac.trung.cau.truc.vat.lieu.set.chong.titan.cay.them.lantan.va.ung.dung.lam.xuc.tac.cho.qua.trinh.xu.ly.mau.trong.nuoc.thai.det.nhuom Hình 3.11 Phổ EDX mẫu Bent 56 Hình 3.12 Đường đẳng nhiệt hấp phụ - giải hấp phụ N2 770K Bent 57 Hình 3.13 Sự phân bố kích thước mao quản vật liệu Bent 57 Hình 3.14 a) Đường chuẩn phẩm DB 71; b) Đường chuẩn phẩm RR 261 58 Hình 3.15 Ảnh hưởng pH đến độ chuyển hóa phẩm TiO2-La1%-450 với: a) Phẩm DB 71; b) Phẩm RR 261 59 Hình 3.16 Ảnh hưởng pH đến độ chuyển hóa phẩm phẩm Bent với: 59 c) Phẩm DB 71; 59 d) Phẩm RR 261 Hình 3.17 Khả xử lý phẩm màu DB 71 TiO2-La1%-450; Bent1 61 bóng tối ánh sáng 61 Hình 3.18 Ảnh hưởng nhiệt độ nung đến khả xử lý phẩm màu vật liệu: a) Phẩm DB 71; b) Phẩm RR 261 63 Hình 3.19 Ảnh hưởng tỷ lệ mol La: Ti đến khả xử lý phẩm màu vật liệu : a) Phẩm DB 71; b) Phẩm RR 261 64 Hình 3.20 Ảnh hưởng lượng bentonite đến hoạt tính xúc tác xử lý phẩm vật liệu a) Phẩm DB 71; b) Phẩm RR 261 65 Hình 3.21 Ảnh hưởng lượng vật liệu xúc tác đến khả xử lý phẩm màu 66 a) Phẩm DB 71; b) Phẩm RR 261 66 Hình 3.22 Phổ UV-VIS nước thải sau cống ban đầu nước thải sau cống xử lý với Bent sau 120 phút 68 Hình 3.23 Cơ chế quang hóa TiO2 pha tạp La luan.van.thac.si.nghien.cuu.tong.hop.dac.trung.cau.truc.vat.lieu.set.chong.titan.cay.them.lantan.va.ung.dung.lam.xuc.tac.cho.qua.trinh.xu.ly.mau.trong.nuoc.thai.det.nhuomluan.van.thac.si.nghien.cuu.tong.hop.dac.trung.cau.truc.vat.lieu.set.chong.titan.cay.them.lantan.va.ung.dung.lam.xuc.tac.cho.qua.trinh.xu.ly.mau.trong.nuoc.thai.det.nhuom z 69 luan.van.thac.si.nghien.cuu.tong.hop.dac.trung.cau.truc.vat.lieu.set.chong.titan.cay.them.lantan.va.ung.dung.lam.xuc.tac.cho.qua.trinh.xu.ly.mau.trong.nuoc.thai.det.nhuomluan.van.thac.si.nghien.cuu.tong.hop.dac.trung.cau.truc.vat.lieu.set.chong.titan.cay.them.lantan.va.ung.dung.lam.xuc.tac.cho.qua.trinh.xu.ly.mau.trong.nuoc.thai.det.nhuom STT 10 11 12 13 14 15 16 17 18 DANH MỤC CHỮ VIẾT TĂT Viết tắt Tên đầy đủ A Anatase Vật liệu tổng hợp với tỷ lệ 0,5g Bent 0.5 Bentonite:0.033 mol Ti:0.00033 mol La Vật liệu tổng hợp với tỷ lệ 1g Bentonite:0.033 Bent mol Ti:0.00033 mol La Vật liệu tổng hợp với tỷ lệ 2g Bentonite:0.033 Bent mol Ti:0.00033 mol La BET Brunauer-Emmett-Teller CEC Cation exchange capacity DB 71 Direct Blue 71 EDX Energy Dispersive analysis of X-rays IR Infrared spectroscopy PILC Pillared interlayer clay R Rutile RR 261 Red Reactive 261 SEM Scanning Electron Microscopy TEM Transmission Electron Microscopy TIOT Tetra Isopropyl Ortho Titanat TTIP Titan Tetra Iso Propoxit UV-VIS Ultra violet- Visible XRD X-Ray Diffraction luan.van.thac.si.nghien.cuu.tong.hop.dac.trung.cau.truc.vat.lieu.set.chong.titan.cay.them.lantan.va.ung.dung.lam.xuc.tac.cho.qua.trinh.xu.ly.mau.trong.nuoc.thai.det.nhuomluan.van.thac.si.nghien.cuu.tong.hop.dac.trung.cau.truc.vat.lieu.set.chong.titan.cay.them.lantan.va.ung.dung.lam.xuc.tac.cho.qua.trinh.xu.ly.mau.trong.nuoc.thai.det.nhuom z