Tổng hợp, nghiên cứu đặc trưng cấu trúc và hoạt tính quang xúc tác của nano composite mnfe2o4 bentonit

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM NGUYỄN THỊ LÝ TỔNG HỢP, NGHIÊN CỨU ĐẶC TRƢNG CẤU TRÚC VÀ HOẠT TÍNH QUANG XÚC TÁC CỦA NANO COMPOSITE MnFe2O4/BENTONIT LUẬN VĂN THẠC SĨ HÓA HỌC THÁI NGUYÊN - 2023 ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM NGUYỄN THỊ LÝ TỔNG HỢP, NGHIÊN CỨU ĐẶC TRƢNG CẤU TRÚC VÀ HOẠT TÍNH QUANG XÚC TÁC CỦA NANO COMPOSITE MnFe2O4/BENTONIT Ngành: HOÁ VÔ CƠ Mã số: 8.44.01.13 LUẬN VĂN THẠC SĨ HÓA HỌC Người hướng dẫn khoa học: PGS TS NGUYỄN THỊ TỐ LOAN THÁI NGUYÊN - 2023 i LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan đã thực hiện việc kiểm tra mức độ tương đồng nội dung luận văn qua phần mềm Turnitin một cách trung thực và đạt kết quả mức độ tương đồng 24% Bản luận văn kiểm tra qua phần mềm là bản cứng đã nộp để bảo vệ trước hội đồng Nếu sai tôi hoàn toàn chịu trách nhiệm Giảng viên hƣớng dẫn xác nhận Thái Nguyên, tháng 11 năm 2023 Học viên PGS.TS Nguyễn Thị Tố Loan Nguyễn Thị Lý ii LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên em xin gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc tới cô giáo PGS.TS Nguyễn Thị Tố Loan - người đã trực tiếp hướng dẫn, giúp đỡ và chỉ bảo tận tình em trong suốt quá trình thực hiện luận văn Em xin chân thành cảm ơn các thầy, cô giáo, các cán bộ kĩ thuật viên phòng thí nghiệm khoa Hóa học- Trường Đại học Sư phạm- Đại học Thái Nguyên đã tạo mọi điều kiện thuận lợi và giúp đỡ em trong suốt quá trình làm thí nghiệm Em xin cảm ơn sự giúp đỡ tận tình của các thầy cô giáo, bạn bè, người thân trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu Thái Nguyên, tháng 11 năm 2023 Học viên Nguyễn Thị Lý iii MỤC LỤC Trang Trang phụ bìa i Lời cam đoan .ii Lời cảm ơn iii Mục lục iv Danh mục các từ viết tắt iv Danh mục các bảng v Danh mục các hình vi MỞ ĐẦU 1 Chƣơng 1: TỔNG QUAN 2 1.1 Tổng quan về vật liệu MnFe2O4 2 1.2 Vật liệu composite chứa MnFe2O4 5 1.3 Tổng quan về phẩm nhuộm 8 1.3.1 Khái niệm, phân loại phẩm nhuộm 8 1.3.2 Tình hình nghiên cứu xử lí phẩm nhuộm 10 Chƣơng 2: THỰC NGHIỆM VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 12 2.1 Dụng cụ, hóa chất 12 2.1.1 Dụng cụ, máy móc 12 2.1.2 Hóa chất 12 2.2 Tổng hợp vật liệu composite MnFe2O4/Bentonite 12 2.3 Nghiên cứu đặc trưng của mẫu composite MnFe2O4/Bentonite 13 2.3.1 Phương pháp nhiễu xạ Rơnghen 13 2.3.2 Phương pháp hiển vi điện tử quét và hiển vi điện tử truyền qua 13 2.3.3 Phương pháp đo phổ tán xạ năng lượng tia X 14 2.3.4 Phương pháp phổ phản xạ khuếch tán UV-Vis .14 2.3.5 Phương pháp phổ hồng ngoại 14 2.3.6 Phương pháp đo diện tích bề mặt riêng 14 2.3.7 Phương pháp đo phổ hấp thụ UV-Vis .15 2.3.8 Phương pháp đo từ kế mẫu rung 15 iv 2.4 Nghiên cứu hoạt tính quang xúc tác phân huỷ methylene blue của các vật liệu composite MnFe2O4/Bentonite 15 2.4.1 Xây dựng đường chuẩn xác định nồng độ methylene blue 15 2.4.2 Ảnh hưởng của một số yếu tố đến hoạt tính quang xúc tác phân hủy methylene blue 16 2.5 Khảo sát khả năng thu hồi và tái sử dụng của vật liệu composite MnFe2O4/Bentonite 18 Chƣơng 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN .19 3.1 Kết quả nghiên cứu đặc trưng về cấu trúc, thành phần pha, hình thái học, tính chất và diện tích bề mặt riêng của vật liệu 19 3.1.1 Giản đồ nhiễu xạ Rơnghen 19 3.1.2 Phổ hồng ngoại .20 3.1.3 Phổ tán xạ năng lượng tia X 25 3.1.4 Phổ phản xạ khuếch tán UV-Vis 27 3.1.6 Kết quả nghiên cứu diện tích bề mặt riêng 30 3.1.7 Kết quả đo tính chất từ 32 3.2 Kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của một số yếu tố đến hoạt tính quang xúc tác phân hủy methylene blue 33 3.2.1 Thời gian đạt cân bằng hấp phụ 33 3.2.2 Ảnh hưởng của điều kiện phản ứng 34 3.2.3 Ảnh hưởng của lượng bentonite 36 3.2.3 Kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của lượng H2O2 37 3.2.4 Kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của khối lượng vật liệu 38 3.2.5 Kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của chất ức chế 39 3.3 Động học của phản ứng phân hủy MB khi có mặt vật liệu 39 3.4 Kết quả nghiên cứu khả năng thu hồi và tái sử dụng của vật liệu composite MnFe2O4/Bentonite 41 3.5 So sánh hoạt tính quang xúc tác của vật liệu composite MnFe2O4/Bentonite với một số vật liệu khác 42 KẾT LUẬN 43 TÀI LIỆU THAM KHẢO 44 v Tên viết tắt DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT AA Tên đầy đủ AMP AOPs Ascorbic acid BET Ampicillin BJH Advanced Photochemical Oxidation Protection CH Brunauer - Emmett - Teller DRS Barrett - Joyner - Halenda DSC Cacbohydrazide DTA Phổ phản xạ khuếch tán UV - Vis Differential scanning calorimetry (Phân tích nhiệt vi sai quét) EDX Differential thermal analysis (Phân tích nhiệt vi sai) Energy dispersive X - ray spectroscopy EDTA (Phổ tán xạ năng lượng tia X) GO Etylene diaminete tetraacetic acid GPC Graphene oxide IPA Gas phase combustion (Đốt cháy pha khí) MB Isopropylic alcohol MDH Metylene blue ODH Malonic acid dihydrazide OTC Oxalyl dihydrazide PAA Oxytetra cycline PEG Poly acrylicaxit PGC Poly etylenglicol PMS Polimer gel combustion (cháy gel polime) PVA Peroxymono sulfate SC Poly vinylancol SEM Solution combustion (Đốt cháy dung dịch) SSC Scanning electron microscope (Kính hiển vi điện tử quét) TC Solid state combustion (Đốt cháy trạng thái rắn) Tetracyline TEM Transnission electron microscope (Kính hiển vi điện tử truyền qua) TFTA Tetraformal trisazine TGA Thermo gravimetric analysis (Phân tích nhiệt trọng lượng) UV Ultraviolet (Tia cực tím) XRD X-Ray diffraction (Nhiễu xạ tia X) iv DANH MỤC CÁC BẢNG Trang Bảng 1.1 So sánh các đặc trưng của vật liệu MnFe2O4 được tổng hợp bằng các phương pháp khác nhau 3 Bảng 1.2 Hiệu suất xử lý chất màu của một số vật liệu bằng phương pháp AOPs 11 Bảng 2.1 Khối lượng chất cần lấy để tổng hợp các mẫu MnBT0 ÷MnBT3 13 Bảng 2.2 Số liệu xây dựng đường chuẩn methylene blue 15 Bảng 2.3 Lượng chất trong các bình tam giác .17 Bảng 3.1 Giá trị góc 2, kích thước tinh thể trung bình (r) của các vật liệu MnBT0 ÷ MnBT3 20 Bảng 3.2 Số sóng đặc trưng cho dao động của các liên kết có trong bentonite và trong các mẫu MnBT0 ÷ MnBT3 24 Bảng 3.3 Diện tích bề mặt riêng và các đặc trưng mao quản của các mẫu bentonite, MnBT0 và MnBT3 .32 Bảng 3.4 Hiệu suất phân hủy MB theo thời gian chiếu sáng của các mẫu 35 Bảng 3.5 Bảng giá trị ln(Co/Ct) theo thời gian chiếu sáng khi có mặt H2O2 và các mẫu MnBT0 ÷ MnBT3 40 Bảng 3.6 So sánh hiệu suất quang xúc tác của một số vật liệu composite chứa MnFe2O4 42 v DANH MỤC CÁC HÌNH Trang Hình 1.1 Cấu trúc tinh thể của MnFe2O4 2 Hình 1.2 Nguyên lý hoạt động của pin Lithium sử dụng MnFe2O4 làm vật liệu anode .4 Hình 1.3 Cơ chế phân huỷ hợp chất của chất xúc tác MnFe2O4 khi có mặt Hình 1.4 H2O2 và PMS 4 Hình 1.5 Ảnh TEM của MnFe2O4 phân tán trong hexane (a) và của MnFe2O4/rGO (b,c) 5 Giản đồ XRD (a), BET (b), phổ IR (c) và đường cong từ trễ (d) của các mẫu g-C3N4, MnFe2O4 và MnFe2O4/g-C3N4 6 Hình 1.6 Ảnh SEM (a), TEM (b), đường cong từ trễ (c) và sự phân tán của vật liệu khi không không có từ trường ngoài (1) và có từ trường ngoài (2) (d) của vật liệu MnFe2O4/bentonite 7 Hình 1.7 Cấu trúc phân tử (a) và phổ UV-Vis của methylene blue (b) 9 Hình 2.1 Phổ UV-Vis (a) và đường chuẩn xác định nồng độ MB (b) 15 Hình 3.1 Giản đồ XRD của bentonite 19 Hình 3.2 Giản đồ XRD của các vât liệu MnBT0 ÷ MnBT3 20 Hình 3.3 Phổ IR của bentonite 21 Hình 3.4 Phổ IR của vật liệu MnBT0 22 Hình 3.5 Phổ IR của vật liệu MnBT1 22 Hình 3.6 Phổ IR của vật liệu MnBT2 23 Hình 3.7 Phổ IR của vật liệu MnBT3 23 Hình 3.8 Phổ EDX của bentonite 25 Hình 3.9 Phổ EDX của mẫu MnBT0 25 Hình 3.10 Phổ EDX của mẫu MnBT1 26 Hình 3.11 Phổ EDX của mẫu MnBT2 26 Hình 3.12 Phổ EDX của mẫu MnBT3 27 Hình 3.13 Phổ DRS của các vật liệu bentonite và MnBT0 ÷ MnBT3 27 Hình 3.14 Sự phụ thuộc của giá trị (αhν)2 vào năng lượng photon ánh sáng hấp thụ hν của bentonite (a) và MnBT0 (b) 28 Hình 3.15 Sự phụ thuộc của giá trị (αhν)2 vào năng lượng photon ánh sáng hấp thụ hν của MnBT1 (a), MnBT2 (b) và MnBT3 (c) 28 Hình 3.16 Ảnh SEM của bentonite .29 vi Hình 3.17 Ảnh SEM của mẫu MnBT0 (a) và mẫu MnBT3 (b) 29 Hình 3.18 Ảnh TEM của mẫu MnBT0 và MnBT3 30 Hình 3.19 Sự phân bố kích thước hạt của mẫu MnBT0 (a) và MnBT3 (b) 30 Hình 3.20 Đường đẳng nhiệt hấp phụ-giải hấp phụ khí N2 (a) và sự phân bố đường kính mao quản (b) của mẫu bentonite .31 Hình 3.21 Đường đẳng nhiệt hấp phụ-giải hấp phụ khí N2 (a) và sự phân bố đường kính mao quản (b) của mẫu MnBT0 31 Hình 3.22 Đường đẳng nhiệt hấp phụ-giải hấp phụ khí N2 (a) và sự phân bố đường kính mao quản (b) của mẫu MnBT3 32 Hình 3.23 Đường cong từ trễ của mẫu MnBT0 (a) và của mẫu MnBT3 (b) 33 Hình 3.24 Mẫu MnBT3 trong nước khi không có từ trường (a) và khi có từ trường (b) 33 Hình 3.25 Hiệu suất hấp phụ MB khi có mặt các vật liệu MnBT0 ÷ MnBT3 34 Hình 3.26 Sự phụ thuộc của hiệu suất phân hủy MB (%H) theo thời gian chiếu sáng khi chỉ có mặt: H2O2 (a), MnBT0 (b), MnBT0 +H2O2 (c), MnBT1 (d) và MnBT1 + H2O2 (e) 35 Hình 3.27 Giá trị C/Co theo thời gian khi có mặt vật liệu MnBT0 (1), MnBT1 (2), MnBT2 (3) và MnBT3 (4) 36 Hình 3.28 Hiệu suất phân hủy MB khi được chiếu sáng, có mặt H2O2 và các vật liệu MnBT0 ÷ MnBT3 36 Hình 3.29 Biểu đồ hiệu suất phân hủy MB sau 180 phút chiếu sáng với sự có mặt của vật liệu MnBT3 và H2O2 với thể tích khác nhau 37 Hình 3.30 Biểu đồ hiệu suất phân hủy MB sau 180 phút chiếu sáng với sự có mặt của H2O2 và vật liệu MnBT3 với khối lượng từ 0,05 gam ÷ 0,15 gam 38 Hình 3.31 Hiệu suất phân hủy MB của hệ vật liệu MnBT3 khi không có chất ức chế và khi có mặt AA (2), EDTA (3) và IPA (4) 39 Hình 3.32 Sự phụ thuộc của ln(Co/Ct) vào thời gian chiếu sáng khi có mặt H2O2 và mẫu MnBT0 (a); MnBT1 (b) 40 Hình 3.33 Sự phụ thuộc của ln(Co/Ct) vào thời gian chiếu sáng khi có mặt H2O2 và các vật liệu: MnBT2 (a) và MnBT3 (b) 41 Hình 3.34 Hiệu suất phân hủy MB của vật liệu MnBT3 sau 3 lần tái sử dụng 41 Hình 3.35 Giản đồ XRD (a) và ảnh SEM (b) của vật liệu MnBT3 sau 3 lần tái sử dụng 42 vii