nghiên cứu tổng hợp vật liệu nano composite tio2 sio2 tích hợp cmc ứng dụng xử lý chất màu nhuộm methylene blue

HCM KHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC --- // ---CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAMĐộc lập - Tự do - Hạnh phúc--- // ---hghieh euu lau ke hoaeh uhat trieh xihh ke tai xom ehuc xa thohg hhat thahh u

Trang 1

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP.HCM

KHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP VẬT LIỆU NANO COMPOSITE TiO2/SiO2 TÍCH HỢP CMC ỨNG

DỤNG XỬ LÝ CHẤT MÀU NHUỘM METHYLENE BLUE

Giảng viên hướng dẫn: T.S Trần Thị Diệu Thuần Sinh viên thực hiện: Hồ Thị Nở

73Thursday, June 13, 20249:29:18 PM9:29:18 PM73Thursday, June 13, 20249:29:18 PM9:29:18 PM73Thursday, June 13, 20249:29:18 PM9:29:18 PM

hghieh euu lau ke hoaeh uhat trieh xihh ke tai xom ehuc xa thohg hhat thahh uho hoc bihh tihh hoc bihhhghieh euu lau ke hoaeh uhat trieh xihh ke tai xom ehuc xa thohg hhat thahh uho hoc bihh tihh hoc bihhhghieh euu lau ke hoaeh uhat trieh xihh ke tai xom ehuc xa thohg hhat thahh uho hoc bihh tihh hoc bihhhghieh euu lau ke hoaeh uhat trieh xihh ke tai xom ehuc xa thohg hhat thahh uho hoc bihh tihh hoc bihhhghieh euu lau ke hoaeh uhat trieh xihh ke tai xom ehuc xa thohg hhat thahh uho hoc bihh tihh hoc bihhhghieh euu lau ke hoaeh uhat trieh xihh ke tai xom ehuc xa thohg hhat thahh uho hoc bihh tihh hoc bihhhghieh euu lau ke hoaeh uhat trieh xihh ke tai xom ehuc xa thohg hhat thahh uho hoc bihh tihh hoc bihhhghieh euu lau ke hoaeh uhat trieh xihh ke tai xom ehuc xa thohg hhat thahh uho hoc bihh tihh hoc bihhhghieh euu lau ke hoaeh uhat trieh xihh ke tai xom ehuc xa thohg hhat thahh uho hoc bihh tihh hoc bihhhghieh euu lau ke hoaeh uhat trieh xihh ke tai xom ehuc xa thohg hhat thahh uho hoc bihh tihh hoc bihhhghieh euu lau ke hoaeh uhat trieh xihh ke tai xom ehuc xa thohg hhat thahh uho hoc bihh tihh hoc bihhhghieh euu lau ke hoaeh uhat trieh xihh ke tai xom ehuc xa thohg hhat thahh uho hoc bihh tihh hoc bihh

hghieh euu lau ke hoaeh uhat trieh xihh ke tai xom ehuc xa thohg hhat thahh uho hoc bihh tihh hoc bihhhghieh euu lau ke hoaeh uhat trieh xihh ke tai xom ehuc xa thohg hhat thahh uho hoc bihh tihh hoc bihhhghieh euu lau ke hoaeh uhat trieh xihh ke tai xom ehuc xa thohg hhat thahh uho hoc bihh tihh hoc bihhhghieh euu lau ke hoaeh uhat trieh xihh ke tai xom ehuc xa thohg hhat thahh uho hoc bihh tihh hoc bihh

hghieh euu lau ke hoaeh uhat trieh xihh ke tai xom ehuc xa thohg hhat thahh uho hoc bihh tihh hoc bihhhghieh euu lau ke hoaeh uhat trieh xihh ke tai xom ehuc xa thohg hhat thahh uho hoc bihh tihh hoc bihhhghieh euu lau ke hoaeh uhat trieh xihh ke tai xom ehuc xa thohg hhat thahh uho hoc bihh tihh hoc bihhhghieh euu lau ke hoaeh uhat trieh xihh ke tai xom ehuc xa thohg hhat thahh uho hoc bihh tihh hoc bihhhghieh euu lau ke hoaeh uhat trieh xihh ke tai xom ehuc xa thohg hhat thahh uho hoc bihh tihh hoc bihhhghieh euu lau ke hoaeh uhat trieh xihh ke tai xom ehuc xa thohg hhat thahh uho hoc bihh tihh hoc bihhhghieh euu lau ke hoaeh uhat trieh xihh ke tai xom ehuc xa thohg hhat thahh uho hoc bihh tihh hoc bihhhghieh euu lau ke hoaeh uhat trieh xihh ke tai xom ehuc xa thohg hhat thahh uho hoc bihh tihh hoc bihh

73hghieh euu lau ke hoaeh uhat trieh xihh ke tai xom ehuc xa thohg hhat thahh uho hoc bihh tihh hoc bihhThursday, June 13, 2024

Trang 2

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP.HCM

KHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP VẬT LIỆU NANO COMPOSITE TiO2/SiO2 TÍCH HỢP CMC ỨNG

DỤNG XỬ LÝ CHẤT MÀU NHUỘM METHYLENE BLUE

Giảng viên hướng dẫn: T.S Trần Thị Diệu Thuần Sinh viên thực hiện: Hồ Thị Nở

Trang 3

NHIỆM VỤ KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

Họ và tên sinh viên: Hồ Thị Nở MSSV: 18028101

Chuyên ngành: Công nghệ Hóa Học – HÓA VÔ CƠ Lớp: DHVC14

1 Tên đề tài khóa luận/đồ án: Nghiên cứu tổng hợp vật liệu nano composite TiO2-SiO2 tích hợp CMC ứng dụng xử lý chất màu nhuộm Methylene Blue

2 Nhiệm vụ:

- Tổng hợp vật liệu TiO2-SiO2

- Tổng hợp vật liệu TiO2-SiO2/CMC

- Nghiên cứu cấu trúc, hình thái bề mặt của vật liệu bằng các phương pháp phân tích hóa lý hiện đại

- Khảo sát ảnh hưởng của khối lượng vật liệu, thời gian, nồng độ thuốc nhuộm đến khả năng phân hủy màu

- Nghiên cứu động học quá trình quang phân hủy

3 Ngày giao khóa luận tốt nghiệp: 22/10/2021

4 Ngày hoàn thành khóa luận tốt nghiệp: (đợt 1, ngày 08/07/2022)

5 Họ tên giảng viên hướng dẫn: TS Trần Thị Diệu Thuần

Tp Hồ Chí Minh, ngày tháng 07 năm 2022

Chủ nhiệm bộ môn Giảng viên hướng dẫn

chuyên ngành

TRƯỜNG ĐH CÔNG NGHIỆP TP HCM

KHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC - // -

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc - // -

hghieh euu lau ke hoaeh uhat trieh xihh ke tai xom ehuc xa thohg hhat thahh uho hoc bihh tihh hoc bihhhghieh euu lau ke hoaeh uhat trieh xihh ke tai xom ehuc xa thohg hhat thahh uho hoc bihh tihh hoc bihhhghieh euu lau ke hoaeh uhat trieh xihh ke tai xom ehuc xa thohg hhat thahh uho hoc bihh tihh hoc bihhhghieh euu lau ke hoaeh uhat trieh xihh ke tai xom ehuc xa thohg hhat thahh uho hoc bihh tihh hoc bihh732413069:29:17 PM9:29:17 PM732413069:29:17 PM9:29:17 PM732413069:29:17 PM9:29:17 PM

hghieh euu lau ke hoaeh uhat trieh xihh ke tai xom ehuc xa thohg hhat thahh uho hoc bihh tihh hoc bihhhghieh euu lau ke hoaeh uhat trieh xihh ke tai xom ehuc xa thohg hhat thahh uho hoc bihh tihh hoc bihhhghieh euu lau ke hoaeh uhat trieh xihh ke tai xom ehuc xa thohg hhat thahh uho hoc bihh tihh hoc bihhhghieh euu lau ke hoaeh uhat trieh xihh ke tai xom ehuc xa thohg hhat thahh uho hoc bihh tihh hoc bihh73Thursday, June 13, 20249:29:17 PM9:29:17 PM73Thursday, June 13, 20249:29:17 PM9:29:17 PM73Thursday, June 13, 20249:29:17 PM9:29:17 PM

hghieh euu lau ke hoaeh uhat trieh xihh ke tai xom ehuc xa thohg hhat thahh uho hoc bihh tihh hoc bihhhghieh euu lau ke hoaeh uhat trieh xihh ke tai xom ehuc xa thohg hhat thahh uho hoc bihh tihh hoc bihhhghieh euu lau ke hoaeh uhat trieh xihh ke tai xom ehuc xa thohg hhat thahh uho hoc bihh tihh hoc bihhhghieh euu lau ke hoaeh uhat trieh xihh ke tai xom ehuc xa thohg hhat thahh uho hoc bihh tihh hoc bihhhghieh euu lau ke hoaeh uhat trieh xihh ke tai xom ehuc xa thohg hhat thahh uho hoc bihh tihh hoc bihhhghieh euu lau ke hoaeh uhat trieh xihh ke tai xom ehuc xa thohg hhat thahh uho hoc bihh tihh hoc bihhhghieh euu lau ke hoaeh uhat trieh xihh ke tai xom ehuc xa thohg hhat thahh uho hoc bihh tihh hoc bihhhghieh euu lau ke hoaeh uhat trieh xihh ke tai xom ehuc xa thohg hhat thahh uho hoc bihh tihh hoc bihhhghieh euu lau ke hoaeh uhat trieh xihh ke tai xom ehuc xa thohg hhat thahh uho hoc bihh tihh hoc bihhhghieh euu lau ke hoaeh uhat trieh xihh ke tai xom ehuc xa thohg hhat thahh uho hoc bihh tihh hoc bihhhghieh euu lau ke hoaeh uhat trieh xihh ke tai xom ehuc xa thohg hhat thahh uho hoc bihh tihh hoc bihhhghieh euu lau ke hoaeh uhat trieh xihh ke tai xom ehuc xa thohg hhat thahh uho hoc bihh tihh hoc bihhhghieh euu lau ke hoaeh uhat trieh xihh ke tai xom ehuc xa thohg hhat thahh uho hoc bihh tihh hoc bihhhghieh euu lau ke hoaeh uhat trieh xihh ke tai xom ehuc xa thohg hhat thahh uho hoc bihh tihh hoc bihhhghieh euu lau ke hoaeh uhat trieh xihh ke tai xom ehuc xa thohg hhat thahh uho hoc bihh tihh hoc bihhhghieh euu lau ke hoaeh uhat trieh xihh ke tai xom ehuc xa thohg hhat thahh uho hoc bihh tihh hoc bihh

Trang 4

LỜI CẢM ƠN

Đầu tiên, tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc nhất đến giáo viên hướng dẫn trực tiếp của tôi là cô Trần Thị Diệu Thuần, người đã tận tình chỉ dạy tôi từng bước để tôi có thể hoàn thành tốt khóa luận và đi đến được ngày hôm nay Mến chúc cô có thật nhiều sức khỏe để tiếp tục sự nghiệp giáo dục cao cả này

Tiếp đến, tôi xin cảm ơn khoa Công nghệ Hóa học nói riêng cũng như trường Đại học Công nghiệp nói chung đã tạo điều kiện, cung cấp trang thiết bị và môi trường để tôi học tập và sinh hoạt, cũng như những bài học và tình cảm quý báu mà các thầy cô giảng dạy dành cho tôi trong suốt 4 năm học qua Đó là những kỷ niệm, những dấu ấn đẹp đẽ đáng quý sẽ theo tôi đến suốt cuộc đời này

Kết quả mà tôi đạt được ngày hôm nay, tôi xin dành tặng nó cho gia đình, thầy cô và tất cả bạn bè đã cùng làm việc, giúp đỡ tôi trong suốt quá trình như một lời cảm ơn sâu sắc và chân thành nhất Đặc biệt, tôi xin dành lời cảm ơn tận đáy lòng dành cho mẹ tôi, người đã hết lòng chăm lo, động viên và tiếp thêm động lực để tôi hoàn thành hết chặng đường dài này

Quá trình chuẩn bị gấp rút và kiến thức của bản thân còn nhiều thiếu sót nên bài luận sẽ không tránh khỏi việc có những điểm sai sót và chưa đầy đủ Vì vậy, tôi hy vọng sẽ nhận được những góp ý và lời khuyên từ quý thầy cô để rút kinh nghiệm và hoàn thiện tốt hơn

Tôi xin chân thành cảm ơn

TP Hồ Chí Minh, ngày … tháng … năm 2022

Sinh viên thực hiện

Trang 5

NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN

TP Hồ Chí Minh, ngày … tháng … năm 2022

Trưởng bộ môn Giảng viên hướng dẫn Chuyên ngành (Ký ghi họ và tên)

123docz.net - File bi loi xin lienhe: lethikim34079@hotmail.com

Trang 6

NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN PHẢN BIỆN

TP Hồ Chí Minh, ngày … tháng … năm 20…

Giảng viên phản biện

(Ký ghi họ và tên)

123docz.net - File bi loi xin lienhe: lethikim34079@hotmail.com

Trang 7

MỤC LỤC

NHIỆM VỤ KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

LỜI NÓI ĐẦU 1

Chương 1 TỔNG QUAN 2

1.1 Vật liệu đơn SiO2, TiO2 và CMC 2

1.1.1 Vật liệu đơn TiO2 2

1.1.2 Vật liệu đơn SiO2 4

1.3 Thuốc nhuộm công nghiệp 17

1.3.1 Giới thiệu chung về thuốc nhuộm 17

1.3.2 Thuốc nhuộm Methylen Blue (MB) 17

1.3.3 Tình trạng ô nhiễm nước thải dệt nhuộm tại Việt Nam 18

1.4 Các phương pháp tổng hợp vật liệu nanocomposite 19

1.4.1 Phương pháp cơ học 19

1.4.2 Phương pháp hóa ướt 19

1.4.3 Phương pháp hình thành từ pha khí 20

1.4.4 Phương pháp bốc bay 20

1.5 Các phương pháp phân tích vật liệu 20

1.5.1 Phương pháp nhiễu xạ tia X – X Ray Diffraction (XRD) 20

1.5.2 Quang phổ hồng ngoại chuyển dịch Fourier – Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR) 21

1.5.3 Phổ tử ngoại khả kiến – Ultraviolet Visible (UV – Vis) 22

1.5.4 Phổ tán xạ năng lượng tia X – Energy dispersive X-ray (EDX) 23

1.5.5 Kính hiển vi điện tử quét - Scanning Electron Microscope (SEM) 23

1.5.6 Kính hiển vi điện tử truyền qua – Transmission Electron Microscopy (TEM) 24hghieh euu lau ke hoaeh uhat trieh xihh ke tai xom ehuc xa thohg hhat thahh uho hoc bihh tihh hoc bihhhghieh euu lau ke hoaeh uhat trieh xihh ke tai xom ehuc xa thohg hhat thahh uho hoc bihh tihh hoc bihhhghieh euu lau ke hoaeh uhat trieh xihh ke tai xom ehuc xa thohg hhat thahh uho hoc bihh tihh hoc bihhhghieh euu lau ke hoaeh uhat trieh xihh ke tai xom ehuc xa thohg hhat thahh uho hoc bihh tihh hoc bihh732413069:29:17 PM9:29:17 PM732413069:29:17 PM9:29:17 PM732413069:29:17 PM9:29:17 PM

Trang 8

1.5.7 Tán xạ ánh sáng động – Dynamic light scattering (DLS) 25

1.5.8 Phổ phản xạ khuếch tán tử ngoại khả kiến – UltraViolet Visible Diffuse Reflectance Spectroscopy (UV - Vis - DRS) 25

2.2.1 Tổng hợp vật liệu TiO2-SiO2 28

2.2.2 Tổng hợp vật liệu TiO2-SiO2/CMC 29

2.3 Khảo sát khả năng phân hủy màu của vật liệu 31

2.3.1 Khảo sát bước sóng hấp thu cực đại của methylene blue 31

2.3.2 Dựng đường chuẩn của methylene blue 31

2.3.3 Khảo sát ảnh hưởng của khối lượng vật liệu đến khả năng phân hủy màu 31

2.3.4 Khảo sát ảnh hưởng của thời gian đến khả năng phân hủy màu 32

2.3.5 Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ thuốc nhuộm đến khả năng phân hủy màu 32

2.3.6 Khảo sát động học quá trình phân hủy màu 32

Chương 3 KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 33

3.1 Kết quả phân tích các đặc điểm cấu trúc của vật liệu tổng hợp TiO2-SiO2/CMC 333.1.1 Kết quả phổ nhiễu xạ tia X (XRD) 33

3.2 Khả năng phân hủy màu của vật liệu 42

3.2.1 Bước sóng hấp thu cực đại của MB 42

3.2.2 Đường chuẩn của chất màu MB 43

3.2.3 Ảnh hưởng của khối lượng vật liệu 44

3.2.4 Ảnh hưởng của thời gian 48

3.2.5 Ảnh hưởng của nồng độ 51hghieh euu lau ke hoaeh uhat trieh xihh ke tai xom ehuc xa thohg hhat thahh uho hoc bihh tihh hoc bihhhghieh euu lau ke hoaeh uhat trieh xihh ke tai xom ehuc xa thohg hhat thahh uho hoc bihh tihh hoc bihhhghieh euu lau ke hoaeh uhat trieh xihh ke tai xom ehuc xa thohg hhat thahh uho hoc bihh tihh hoc bihhhghieh euu lau ke hoaeh uhat trieh xihh ke tai xom ehuc xa thohg hhat thahh uho hoc bihh tihh hoc bihh732413069:29:17 PM9:29:17 PM732413069:29:17 PM9:29:17 PM732413069:29:17 PM9:29:17 PM

Trang 9

3.2.6 Động học phân hủy màu 53

KẾT LUẬN 56

KIẾN NGHỊ 57

TÀI LIỆU THAM KHẢO 58

Trang 10

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 3.1 Kích thước tinh thể TiO2-SiO2/CMC tính theo phương trình Debye - Scherrer 34

Bảng 3.2 Thống kê các tín hiệu dao động trong hai mẫu vật liệu tổng hợp 37

Bảng 3.3 Thành phần nguyên tố trong vật liệu TiO2-SiO2 37

Bảng 3.4 Thành phần nguyên tố có trong vật liệu TiO2-SiO2/CMCError! Bookmark not defined.Bảng 3.5 Thông số xác định đường chuẩn của MB 43

Bảng 3.6 Kết quả khảo sát khối lượng ở nồng độ MB ban đầu 20 ppm 45

Bảng 3.9 Kết quả khảo sát thời gian với nồng độ MB ban đầu 20 ppm 49

Bảng 3.12 Kết quả khảo sát ảnh hưởng nồng độ MB bằng TiO2-SiO2 52

Bảng 3.13 Kết quả khảo sát ảnh hưởng nồng độ bằng TiO2-SiO2/CMC 53

Bảng 3.14 Kết quả khảo sát động học phân hủy MB theo thời gian 55

Trang 11

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Tinh thể TiO2 pha rutile 2

Hình 1.2 Tinh thể TiO2 pha anatase 3

Hình 1.3 Tinh thể TiO2 pha brookite 3

Hình 1.4 Quá trình biến đổi pha của titan dioxide 3

Hình 1.5 Silicon dioxide 5

Hình 1.6 Cấu trúc tứ diện của SiO2 5

Hình 1.7 Cấu trúc Quartz và cấu trúc vô định hình của SiO2 6

Hình 1.8 Cấu trúc Lewis của SiO2 6

Hình 1.9 Quá trình biến đổi pha của SiO2 7

Hình 1.10 CMC dạng bột 8

Hình 1.11 Phản ứng oxy hóa các hợp chất hữu cơ dưới tác động của ánh sáng thông qua TiO2 13

Hình 1.12 Năng lượng vùng cấm của một số vật liệu xúc tác quang 14

Hình 1.13 Công thức cấu tạo của methylene blue 17

Hình 1.14 Mô tả nhiễu xạ theo định luật Bragg 21

Hình 1.15 Nguyên lý hoạt động FTIR 22

Hình 1.16 Minh họa các bộ phận chính của máy UV-Vis 23

Hình 1.17 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của SEM 24

Hình 1.18 Nguyên lý hoạt động của TEM 25

Hình 2.1 Quy trình chuẩn bị dung dịch A, dung dịch B 29

Hình 2.2 Quy trình tổng hợp vật liệu TiO2-SiO2 29

Hình 2.3 Quy trình chuẩn bị dung dịch A 30

Hình 2.4 Quy trình chuẩn bị dung dịch B 30

Hình 2.5 Quy trình tổng hợp vật liệu TiO2-SiO2/CMC 31

Hình 3.1 Vật liệu đã tổng hợp 33

Hình 3.2 Phổ XRD của vật liệu composite TiO2-SiO2/CMC 34

Hình 3.3 Ảnh chụp TEM của vật liệu TiO2-SiO2/CMC 35

Hình 3.4 Phổ FTIR của vật liệu TiO2-SiO2 35hghieh euu lau ke hoaeh uhat trieh xihh ke tai xom ehuc xa thohg hhat thahh uho hoc bihh tihh hoc bihhhghieh euu lau ke hoaeh uhat trieh xihh ke tai xom ehuc xa thohg hhat thahh uho hoc bihh tihh hoc bihhhghieh euu lau ke hoaeh uhat trieh xihh ke tai xom ehuc xa thohg hhat thahh uho hoc bihh tihh hoc bihhhghieh euu lau ke hoaeh uhat trieh xihh ke tai xom ehuc xa thohg hhat thahh uho hoc bihh tihh hoc bihh732413069:29:17 PM9:29:17 PM732413069:29:17 PM9:29:17 PM732413069:29:17 PM9:29:17 PM

Trang 12

Hình 3.5 Phổ FTIR của vật liệu composite TiO2-SiO2/CMC 36

Hình 3.6 Phổ FTIR của TiO2-SiO2 và TiO2-SiO2/CMC 36

Hình 3.7 Phổ EDX của vật liệu TiO2-SiO2 38

Hình 3.8 Phổ EDX của vật liệu TiO2-SiO2/CMC 38

Hình 3.9 Ảnh chụp SEM vật liệu TiO2-SiO2 39

Hình 3.10 Ảnh chụp SEM vật liệu TiO2-SiO2/CMC 40

Hình 3.11 Phổ UV – Vis DRS của (a) TiO2 và (b) composite TiO2-SiO2/CMC 41

Hình 3.12 Biểu đồ Tauc tính năng lượng vùng cấm của vật liệu 41

Hình 3.13 Biểu đồ phân tích kích thước hạt của vật liệu composite TiO2-SiO2/CMC 42

Hình 3.14 Đồ thị xác định bước sóng hấp thu cực đại của MB 43

Hình 3.15 Đồ thị xác định đường chuẩn của dung dịch MB 44

Hình 3.16 Dung dịch MB 20 ppm sau khi bị phân hủy bằng TiO2-SiO2/CMC khi không chiếu sáng 44

Hình 3.17 Dung dịch MB 20 ppm sau khi bị phân hủy bằng TiO2-SiO2/CMC khi chiếu sáng 44

Hình 3.18 Mật độ quang theo khối lượng vật liệu TiO2-SiO2 trong điều kiện (a) -chiếu sáng và (b) - không chiếu sáng 46

Hình 3.19 Hiệu suất theo khối lượng vật liệu TiO2-SiO2 trong điều kiện (a) - chiếu sáng và (b) - không chiếu sáng 46

Hình 3.20 Mật độ quang theo khối lượng vật liệu TiO2SiO2/CMC trong điều kiện (a) chiếu sáng và (b) - không chiếu sáng 60

-Hình 3.21 Hiệu suất theo khối lượng vật liệu TiO2-SiO2/CMC trong điều kiện (a) - chiếu sáng và (b) - không chiếu sáng 60

Hình 3.22 Dung dịch MB 50 ppm bị phân hủy theo thời gian bằng TiO2-SiO2 không chiếu sáng 48

Hình 3.23 Dung dịch MB 50 ppm bị phân hủy bằng TiO2-SiO2/CMC khi chiếu sáng 49

Hình 3.24 Hiệu suất phân hủy màu theo thời gian vật liệu TiO2-SiO2 trong điều kiện (a) - chiếu sáng của và (b) – không chiếu sáng 49

Hình 3.25 Hiệu suất phân hủy màu theo thời gian vật liệu TiO2-SiO2/CMC trong điều kiện (a) - chiếu sáng của và (b) – không chiếu sáng 50

Hình 3.26 Các dung dịch MB sau khi bị phân hủy màu bằng vật liệu TiO2-SiO2 không chiếu sáng 51

Hình 3.27 Hiệu suất theo nồng độ của 2 mẫu vật liệu trong điều kiện (a) - chiếu sáng và (b) - không chiếu sáng 52

Hình 3.28 Sự phụ thuộc của nồng độ MB theo thời gian 53

Trang 13

Hình 3.29 Động học bậc nhất giả định theo mô hình Langmuir – Hinshelwood 55

Trang 14

LỜI NÓI ĐẦU

Trong bối cảnh hiện nay, nền công nghiệp 4.0 đã và đang tạo ra vô số những thành tựu thúc đẩy sự phát triển của nhân loại, giúp cho cuộc sống của con người ngày càng hiện đại và tiến bộ hơn Đặc biệt là các ngành may mặc, dệt nhuộm, in ấn, … được chú trọng phát triển nhằm đáp ứng nhu cầu đổi mới không ngừng của thị trường Tuy nhiên, cùng với đó là môi trường sống xung quanh chúng ta cũng phải gánh chịu khối lượng ô nhiễm ngày càng lớn, nhất là ô nhiễm môi trường nước Theo nhiều báo cáo từ các tổ chức trên thế giới, nguồn nước sạch đang bị đe dọa trầm trọng

Tại Việt Nam, ngành dệt nhuộm là một trong những ngành công nghiệp mũi nhọn, đóng góp rất lớn vào tăng trưởng kinh tế, bởi không chỉ đáp ứng nhu cầu tiêu dùng trong nước mà còn xuất khẩu sang nhiều quốc gia khác Tuy nhiên, trong quá trình sản xuất các sản phẩm dệt nhuộm, lượng nước thải thải ra môi trường rất lớn, khoảng 12 – 300 m3/tấn vải, chủ yếu từ các khâu nhuộm và nấu tẩy, do đó nước thải này chứa nhiều hóa chất và thuốc nhuộm độc hại Môi trường nước bị ô nhiễm dẫn tới nhiều hệ lụy đe dọa sự sống của các sinh vật trên Trái Đất, kể cả con người Vì thế, nghiên cứu xử lý nước thải ngành dệt nhuộm nên được quan tâm và chú trọng nhiều hơn, là yếu tố then chốt để khắc phục tình trạng ô nhiễm nước, phát triển các ngành công nghiệp theo hướng bền vững, vì cuộc sống xanh sạch đẹp ngày mai

Trong nhiều năm gần đây, các phương pháp tổng hợp vật liệu xúc tác quang để ứng dụng xử lý chất màu được nghiên cứu ngày càng tối ưu hơn và đã cho ra những kết quả đáng mong đợi Tính mới của nghiên cứu này bao gồm việc tích hợp nanocomposite TiO2-SiO2 vô cơ trên nền polymer CMC với mong muốn cải thiện các đặc điểm cấu trúc và phân hủy quang học của vật liệu cho độ đáng tin cậy cao, chi phí thấp và nhẹ so với các loại vật liệu khác, cũng như tăng khả năng ứng dụng loại vật liệu này vào thực tiễn xử lý nước thải

ngành dệt nhuộm, chúng tôi đã tiến hành thực hiện đề tài “Nghiên cứu tổng hợp vật liệu

nano composite TiO2-SiO2 tích hợp CMC ứng dụng xử lý chất màu nhuộm Methylene Blue” Chúng tôi đặt ra các nhiệm vụ rõ rệt khi nghiên cứu đề tài này, bao

gồm:

- Tổng hợp vật liệu TiO2-SiO2 - Tổng hợp vật liệu TiO2-SiO2/CMC

- Nghiên cứu cấu trúc, hình thái bề mặt của vật liệu

- Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng xử lý màu của vật liệu

- Nghiên cứu động học quá trình phân hủy màu Methylene Blue của vật liệu hghieh euu lau ke hoaeh uhat trieh xihh ke tai xom ehuc xa thohg hhat thahh uho hoc bihh tihh hoc bihhhghieh euu lau ke hoaeh uhat trieh xihh ke tai xom ehuc xa thohg hhat thahh uho hoc bihh tihh hoc bihhhghieh euu lau ke hoaeh uhat trieh xihh ke tai xom ehuc xa thohg hhat thahh uho hoc bihh tihh hoc bihhhghieh euu lau ke hoaeh uhat trieh xihh ke tai xom ehuc xa thohg hhat thahh uho hoc bihh tihh hoc bihh

Trang 15

Chương 1 TỔNG QUAN

1.1 Vật liệu đơn SiO2, TiO2 và CMC

1.1.1 Vật liệu đơn TiO2

Giới thiệu về TiO2

Titan dioxide (TiO2) là một chất rắn vô cơ màu trắng, tương đối nhẹ (khối lượng phân tử 79,88 g/mol), bền hóa (ít chịu tác dụng của các hợp chất hóa học ở điều kiện thường), bền nhiệt (nhiệt độ nóng chảy tương đối cao 1870 °C)

Vật liệu TiO2 đã được nghiên cứu và ứng dụng vào các ngành công nghiệp từ lâu Tính đến nay, nhiều tính chất nổi bật của vật liệu này đã được công bố như: đây là một vật liệu trắng tự nhiên không thể thay thế trong lĩnh vực chất màu; khả năng tán xạ ánh sáng cao; có khoảng năng lượng vùng cấm rộng; có hoạt tính quang xúc tác dưới ánh sáng; chịu mài mòn tốt; độ cứng cao nhưng vẫn giữ được tính dẻo nhất định; là nguyên liệu để tổng hợp các vật liệu cao cấp khác với các tính chất ưu việt hơn vật liệu đơn

Cấu trúc tinh thể TiO2

Titan dioxide có 3 dạng thù hình chính là rutile, anatase và brookite Tuy nhiên, hai dạng rutile và anatase là hai dạng thù hình thường gặp nhất trong các ứng dụng của TiO2 Cả hai cấu trúc này đều thuộc hệ tinh thể bốn phương (tetragonal), được hình thành từ các bát diện [TiO6]2- nối với nhau theo góc hoặc cạnh [1] Trong tinh thể anatase, khoảng cách giữa 2 nguyên tử Ti – Ti dài hơn so với tinh thể rutile (anatase: 0,379 và 0,304 nm; rutile: 0,357 và 0,296 nm), nhưng khoảng cách giữa Ti – O lại ngắn hơn (anatase: 0,1937 và 0,1946 nm; rutile: 0,1946 và 0,1983 nm) Chính sự khác biệt trên đã làm nên đặc trưng về tính chất vật lý cũng như hóa học giữa hai dạng thù hình này [2]

Trong tự nhiên, cấu trúc rutile chiếm đa số và là dạng bền vững nhất của TiO2, ở nhiệt độ cao, dạng anatase và brookite giả bền sẽ chuyển thành dạng rutile bền hơn mà không có chiều ngược lại [2,3] Hoạt tính quang xúc tác của cấu trúc anatase cao hơn nhiều so với cấu trúc rutile, cấu trúc brookite gần như không biểu thị tính xúc tác quang [4]

Hình 1.1 Tinh thể TiO2 pha rutile

Trang 16

VÔ ĐỊNH HÌNH

- Ngành thực phẩm: Trong ngành thực phẩm, TiO2 có tên gọi là E171, được ứng dụng làm chất làm trắng, tăng cường màu sắc và kết cấu, tạo độ mịn cho các sản phẩm như socola, bơ, kem, …

Hình 1.2 Tinh thể TiO2 pha anatase

Hình 1.3 Tinh thể TiO2 pha brookite

Hình 1.4 Quá trình biến đổi pha của titan dioxide

Trang 17

- Ngành mỹ phẩm và chăm sóc da: nhờ vào độ mịn cao, độ che phủ tốt, không bị

tác dụng hóa học, thấm dầu, nên hầu hết các sản phẩm làm đẹp đều chứa TiO2 để bảo vệ da tránh các tác động từ bên ngoài, cũng như tạo ra lớp trang điểm hoàn hảo hơn

- Ngành y tế và dược liệu: Người ta ứng dụng các hợp chất của titan để làm các

sản phẩm điều trị bệnh ngoài da hoặc bảo vệ cơ thể khỏi các tia UV

- Ngành công nghiệp giấy, chất dẻo, cao su tổng hợp: Nhờ vào khả năng đáp ứng

các tiêu chí về độ đục, độ mịn, độ phân tán cao, nên TiO2 thường được ứng dụng để làm chất độn, chủ yếu để sản xuất giấy cao cấp, giấy ảnh, xăm lốp xe, vải bạt cao su, …

- Ngành vải, da, mực in: Với đặc tính bền màu nên TiO2 có thể giúp sản phẩm chịu được tác dụng nhiệt của môi trường, ánh sáng, nước biển, …

- Ngành chế tạo linh kiện điện tử: Người ta dùng TiO2 để sản xuất các chất bán dẫn chất lượng cao để sử dụng trong các bộ phận chỉnh lưu dòng điện và bóng đèn điện tử Ngoài ra nó còn được kết hợp với các hợp chất khác để chế tạo bộ phận điều chỉnh tần số, cường độ dòng điện và tụ điện trong các thiết bị vô tuyến, …

- Ngành sứ, thủy tinh: Titan dioxide được đưa vào phối liệu sứ, thủy tinh, ứng

dụng chế tạo thủy tinh biến đổi màu, … nhờ vào tính bền màu, bền hóa, bền nhiệt với độ đục và độ phân tán cao

- Ngành luyện kim: TiO2 được dùng trong phối liệu để luyện các hợp kim cao cấp có tính nhẹ, bền nhiệt, bền hóa, chống mài mòn, độ cứng cao nhưng vẫn giữ được tính dẻo (chống gãy nứt)

1.1.2 Vật liệu đơn SiO2

Giới thiệu về Silicon Dioxide

SiO2 là một oxide của silic có tên hóa học là Silicon Dioxide Nó còn được gọi là Silica hoặc Kalii bromidum hoặc Silicic oxide hoặc acid silicic Trong tự nhiên, oxide này tồn tại dưới dạng thạch anh hoặc trong các sinh vật sống SiO2 là thành phần chính của cát Họ silica kết tinh bao gồm: thạch anh, tridymite, cristobalite, coesite, stishovite, chúng có cùng thành phần hóa học, nhưng cấu trúc không gian khác nhau, phổ biến gặp nhất là thạch anh và cristobalit

⁃ Khối lượng phân tử của SiO2: 60,08 g/mol ⁃ Mật độ: 2,648 g/cm3

⁃ Điểm nóng chảy: 1713 °C ⁃ Điểm sôi: 2230 °C

Silica kết tinh, đặc biệt là thạch anh, có trong nhiều loại đá (đá sa thạch, đá granit phiến, cát, đá phiến, v.v.) và được tìm thấy trong nhiều sản phẩm phụ như bê tông, vữa, v.v Cristobalit hiếm hơn ở trạng thái tự nhiên, chỉ có trong một số loại đá núi lửa Nhiệt độ cao nung nóng (nung) thạch anh hoặc silicas vô định hình có thể tạo ra cristobalit, ví dụ từ 20 đến 60% đối với đất tảo cát [5].

Silicon dioxide là một chất rắn không màu tương đối cứng (7,0 trên thang Mohs đối với thạch anh) tồn tại ở cả dạng kết tinh và vô định hình Mật độ của SiO2 là 2,648 g/cm3hghieh euu lau ke hoaeh uhat trieh xihh ke tai xom ehuc xa thohg hhat thahh uho hoc bihh tihh hoc bihhhghieh euu lau ke hoaeh uhat trieh xihh ke tai xom ehuc xa thohg hhat thahh uho hoc bihh tihh hoc bihhhghieh euu lau ke hoaeh uhat trieh xihh ke tai xom ehuc xa thohg hhat thahh uho hoc bihh tihh hoc bihhhghieh euu lau ke hoaeh uhat trieh xihh ke tai xom ehuc xa thohg hhat thahh uho hoc bihh tihh hoc bihh732413069:29:17 PM9:29:17 PM732413069:29:17 PM9:29:17 PM732413069:29:17 PM9:29:17 PM

Trang 18

đối với thạch anh α, nhưng 2,196 g/cm3 đối với SiO2 vô định hình Oxide silic này trong suốt trong quang phổ khả kiến, nên được ứng dụng nhiều trong quang học, với chiết suất gần 1,46 Mặt khác, do ít trong suốt hơn trong tia hồng ngoại nên còn được ứng dụng vào việc sử dụng nhà kính để tăng hiệu quả sản lượng trong ngành nông nghiệp Độ dẫn nhiệt là 1,3 và 1,4 W.m−1.K−1, và hệ số Poisson tương ứng là 0,17 và 0,165 đối với dạng tinh thể và vô định hình

Silica là một trong những họ vật liệu phức tạp nhất và phong phú nhất, tồn tại dưới dạng hợp chất của một số khoáng chất và như một sản phẩm tổng hợp Có thể kể đến như thạch anh nung chảy, silica gel, opal và aerogel

Cấu trúc tinh thể SiO2

Cấu trúc của Silicon dioxide là một tứ diện, với bốn nguyên tử oxy bao quanh một nguyên tử Si ở trung tâm Do đó, SiO2 tạo thành chất rắn mạng 3 chiều trong đó mỗi nguyên tử silic được liên kết cộng hóa trị theo kiểu tứ diện với 4 nguyên tử oxy

Hình 1.5 Silicon dioxide

Hình 1.6 Cấu trúc tứ diện của SiO2

Trang 19

SiO2 có một số dạng tinh thể riêng biệt, nhưng chúng hầu như luôn có cấu trúc cục bộ giống nhau xung quanh Si và O Trong α-quartz, độ dài liên kết Si-O là 161 pm, trong khi ở α-tridymite, nó nằm trong khoảng 154–171 pm Góc Si-O-Si cũng thay đổi giữa giá trị thấp là 140° trong α-tridymite, lên đến 180° trong β-tridymite Trong α-quartz, góc Si-O-Si là 144°

Ở điều kiện nhiệt độ và áp suất bình thường (T = 0°C, P = 0,1 MPa), silic dioxide ở trạng thái cân bằng ở dạng α-quartz, một vật liệu tinh thể có cấu trúc tam giác (Z = 3 mẫu SiO2 trên mỗi ô)

Ở áp suất thấp (P < 500 MPa) và nhiệt độ tăng T, pha ổn định liên tiếp là: ⁃ α-quartz, tam giác (Z = 3)

Hình 1.7 Cấu trúc Quartz – (a) và cấu trúc vô định hình – (b) của SiO2

Hình 1.8 Cấu trúc Lewis của SiO2

Trang 20

Ở nhiệt độ thấp (T < 600 ° C) và tăng áp suất P, pha ổn định liên tiếp là: ⁃ α-quartz, tam giác (Z = 3)

⁃ Coesite, trục đối xứng bậc 2 (Z = 16) ⁃ Ctishovite, tứ giác (Z = 2)

Dạng bền duy nhất của silic dioxide ở điều kiện nhiệt độ và áp suất bình thường là quartz, đây là dạng tinh thể phổ biến nhất của SiO2 Các tạp chất trong mạng tinh thể có thể làm cho tinh thể có nhiều màu sắc khác nhau Sự chuyển đổi giữa α-quartz và β-quartz xảy ra ở 573 °C một cách đột ngột Khi sự chuyển đổi này đi kèm với sự gia tăng đáng kể về thể tích của tinh thể, nó có thể dễ dàng làm vỡ đá hoặc đồ gốm sứ có chứa silicon dioxide khi vượt qua nhiệt độ này

α-Các khoáng vật ở nhiệt độ cao, cristobalit và tridymite có tỷ trọng và chiết suất thấp hơn α-quartz Ngược lại, seifertite, stishovite và coesite, là những khoáng vật có áp suất cao, có tỷ trọng và chiết suất cao hơn α-quartz [6]

573 °Cα-Quartz

Ứng dụng của Silicon Dioxide

Chất điện môi đầu tiên và tốt nhất được biết đến để thụ động bề mặt là silic dioxide (SiO2) SiO2 bắt đầu nổi tiếng nhờ vào sự phát triển của các bóng bán dẫn MOSFET trong ngành vi điện tử trong những năm 1970 và 1980

Ứng dụng nổi bật nhất của SiO2 trong những năm gần đây là ứng dụng vào trong quá trình thụ động hóa bề mặt, vì nó tạo ra mật độ thấp nhất của trạng thái bề mặt phân cách

trên bề mặt silicon

Hạt SiO2 tinh khiết với pha tinh thể có thể được ứng dụng làm nguồn vật liệu quang điện, chất bán dẫn trong các thiết bị điện tử, xúc tác, đế phim, gốm sứ, cảm biến độ ẩm, v.v Các hạt SiO2 có thể được tổng hợp bằng một số phương pháp như lắng đọng hơi hóa học, plasma và tổng hợp đốt cháy, phương pháp thủy nhiệt và cả chế biến sol-gel Trong số các phương pháp này, phương pháp sol-gel có ưu điểm là chi phí thấp nhất và dễ dàng kiểm soát các đặc tính của SiO2, như độ tinh khiết, tính đồng nhất hoặc sự thay đổi của vật liệu thành phần

Silicon dioxide cũng được sử dụng trong vật liệu cấu trúc, vi điện tử (như một chất cách điện), và là một trong các thành phần trong ngành công nghiệp thực phẩm (ví dụ như sử dụng làm chất chống vón cục trong thực phẩm dạng bột như gia vị; như một chất mịn trong nước trái cây, bia và rượu hoặc sử dụng trong kem đánh răng để loại bỏ mảng bám

Hình 1.9 Quá trình biến đổi pha của SiO2

Trang 21

răng, ) hay ngành công nghiệp dược phẩm nhờ vào độ ổn định và không độc hại của nó (ví dụ như sản xuất thuốc an thần hay các loại thuốc thần kinh học khác, )

Các ứng dụng chính của hạt nano silica là làm chất phụ gia để sản xuất cao su và chất dẻo; làm chất độn tăng cường cho bê tông và các vật liệu tổng hợp xây dựng khác hay sản xuất thủy tinh; khoảng 95% việc sử dụng silicon dioxide (cát) là trong ngành công nghiệp xây dựng, ví dụ: để sản xuất (xi măng portland) Silica, ở dạng cát, được sử dụng làm thành phần chính để sản xuất các thành phần kim loại trong kỹ thuật và các ứng dụng khác của đúc cát nhờ vào điểm nóng chảy cao của nó

Ngoài ra, oxide silica (SiO2) có thể được sản xuất và sử dụng trong công nghiệp dưới dạng các hạt nano (các hạt siêu mịn có đường kính khí động học nhỏ hơn 100 nm), được sử dụng trong chất độn của một số loại sơn, trong bê tông, lốp xe

Cuối cùng nó còn được dùng trong bẽ gãy thủy lực và điện môi giữa các kim loại hay sản xuất silicon nguyên tố [7]

1.1.3 Carboxymethyl cellulose

Carboxymethyl cellulose (CMC) là một chất phụ gia được sử dụng trong các ngành công nghiệp khác nhau như một chất làm đặc, chất ổn định hoặc chất độn trong số các ứng dụng khác nhờ vào tính chất không độc hại

Carboxymethyl cellulose (CMC) là một polymer có công thức phân tử là [C6H7O2(OH)x(OCH2COONa)y]n còn được gọi là carmellose hay E466, là một loại muối hòa tan trong nước Nó thuộc họ polymer được sản xuất bằng cách etyl hóa xenlulozo tự nhiên bằng cách thay thế nhóm hydroxyl bằng nhóm cacboxymetyl trong chuỗi xenlulozơ hoặc được tổng hợp bằng phản ứng xúc tác kiềm của cellulose với acid cloroaxetic Do đó, đặc trưng của nó là mức độ thay thế (DS) tương ứng với số nhóm hydroxyl được thế bởi anhydroglucose, đơn vị monomer của xenlulozơ [8]

Các thông số xác định thuộc tính của CMC

+ Độ tinh khiết (hàm lượng CMC hoạt động): CMC được sản xuất từ muối natri cho độ tinh khiết cao

Trang 22

+ Độ nhớt: một trong những đặc điểm thú vị nhất của CMC có thể thay đổi từ thấp đến cao Nó được đo bằng nhớt kế kỹ thuật số ở nhiệt độ nhất định và tỷ lệ phần trăm hòa tan khác nhau (1%, 2% hoặc 4%)

+ Mức độ thay thế: số nhóm natri cacboxymetyl trung bình trên một đơn vị anhydroglucose trong cấu trúc cellulose Thông số này rất quan trọng trong các lĩnh vực ứng dụng khác nhau của sản phẩm

+ Dạng vật lý: CMC có thể được sản xuất ở dạng bột hoặc dạng hạt

Tính chất CMC

⁃ Khả năng giữ nước tốt: CMC dễ dàng hòa tan trong nước và là một polymer ưa

nước CMC hấp thụ nước tốt kể cả trong áp suất thấp CMC có đặc tính hấp thụ nước tốt ở mọi dạng, nhưng tỷ lệ hấp thụ trong màng cao hơn so với sợi Theo báo cáo, 6000% nước đã được hấp thụ bởi màng CMC từ khối lượng ban đầu, khi ở dạng sợi là 2000% Tính chất hấp thụ nước ấn tượng của CMC là nhờ vào các nhóm hydroxyl Các nhóm hydroxyl hoạt động như các vị trí liên kết cho nước

thông qua liên kết hydro

- Khả năng hòa tan cao: Như đã nói ở trên thì CMC rất dễ hòa tan trong nước, hòa

tan được trong nước lạnh và không tạo thành gel

- Hấp phụ bề mặt: Nhờ vào khả năng giữ nước tốt nên CMC có thể hấp phụ bề mặt

và tạo màng [9]

Ứng dụng của CMC

Vì giá thành rẻ và khả năng cho hiệu suất cao, CMC luôn được ưu tiên làm chất phụ gia cho một số ngành công nghiệp và nhiều ứng dụng khác

CMC là một polymer ưa nước hòa tan trong nước nên được sử dụng rộng rãi trong

các ngành công nghiệp mỹ phẩm, thực phẩm và dược phẩm như một chất ổn định nhũ

tương (bọt và kem dưỡng da, mỹ phẩm), chất làm đặc (chất kết dính, kem đánh răng, thạch dược phẩm), chất kết dính (mực, chất phủ) hoặc tác nhân giữ nước (sữa tắm, dầu gội đầu) Các ứng dụng này là nhờ vào các đặc tính liên kết, làm dày và ổn định của nó Trong bột giặt, nó được sử dụng như một polymer huyền phù đất được thiết kế để lắng đọng trên vải bông và các loại vải cellulose khác, tạo ra một rào cản tích điện âm đối với đất trong dung dịch giặt

CMC được dùng làm chất phụ gia trong ngành công nghiệp sản xuất xi măng và xây dựng, là chất làm đặc và huyền phù của các chất màu trong chất lỏng trong sản xuất sơn

nước Việc bổ sung các chất phụ gia hữu cơ vào huyền phù đất sét mang lại lợi ích công nghiệp lớn vì khả năng sửa đổi cộng thêm các tính chất keo và lưu biến của chúng

Trong dung dịch, nó thích hợp để ổn định và trát huyền phù đất sét, tăng độ nhớt, kiểm soát sự thất thoát bùn và duy trì dòng chảy phù hợp với tình hình xây dựng Trong

ngành công nghiệp khoan dầu khí, CMC có thể được ứng dụng như một thành phần của

bùn khoan, nó có thể làm chất điều chỉnh độ nhớt và chất giữ nước

Hơn nữa, do cấu trúc cao phân tử của nó hoạt động như chất tạo màng, CMC cũng được sử dụng để cải thiện độ ẩm Trong nhiều ứng dụng khác, CMC còn được sử dụng hghieh euu lau ke hoaeh uhat trieh xihh ke tai xom ehuc xa thohg hhat thahh uho hoc bihh tihh hoc bihhhghieh euu lau ke hoaeh uhat trieh xihh ke tai xom ehuc xa thohg hhat thahh uho hoc bihh tihh hoc bihhhghieh euu lau ke hoaeh uhat trieh xihh ke tai xom ehuc xa thohg hhat thahh uho hoc bihh tihh hoc bihhhghieh euu lau ke hoaeh uhat trieh xihh ke tai xom ehuc xa thohg hhat thahh uho hoc bihh tihh hoc bihh

Trang 23

trong ngành dệt may như một chất phủ, trong nhũ tương nhựa thông sơn, chất kết dính và

mực in, và màu phủ cho ngành công nghiệp giấy và bột giấy Bên cạnh đó, nó còn làm

giảm tiêu thụ sáp trong các loại giấy và bảng, bằng cách giảm sự xâm nhập của sáp vào giấy

Ngoài ra, CMC còn được ứng dụng vào ngành công nghiệp dệt may Vải dệt kim làm

từ xenlulo (ví dụ: cotton hoặc tơ visco) có thể được chuyển đổi thành CMC chống biến dạng và được sử dụng trong các ứng dụng y tế khác nhau, như băng vải sau phẫu thuật tai, mũi, họng, hay dụng cụ chữa chảy máu cam (chảy máu mũi) Nó được ứng dụng để sản xuất quả bóng bay poly-vinyl clorua (PVC) được bao phủ bởi vải dệt kim CMC được gia cố bằng nylon Dụng cụ này được ngâm trong nước để tạo thành gel, và nó phồng lên khi đưa vào mũi giúp ngăn chặn máu cam tiếp tục chảy Sự kết hợp giữa quả bóng được bơm căng và tác dụng điều trị của CMC giúp cầm máu

Ngoài các loại băng vải nói trên, CMC còn được ứng dụng trong ngành y tế như tạo

thành gel đưa vào xoang trong các phẫu thuật phẫu thuật tim, lồng ngực và giác mạc hay chế tạo xương nhân tạo thay thế cho các tổn thương xương, khớp, .Trong nhãn khoa, CMC được sử dụng như một chất bôi trơn trong nước mắt nhân tạo để điều trị khô mắt

Đối với ngành thú y, CMC được sử dụng trong phẫu thuật bụng ở động vật lớn, đặc

biệt là ngựa, để ngăn ngừa sự hình thành kết dính ruột

CMC cũng được sử dụng trong túi đá để tạo thành hỗn hợp eutectic dẫn đến điểm kết tinh thấp hơn và do đó khả năng làm lạnh cao hơn nước đá thông thường Dung dịch nước của CMC cũng được sử dụng để phân tán các ống nano cacbon Các phân tử CMC dài được cho là quấn quanh các ống nano, cho phép chúng phân tán trong nước CMC được sử dụng để đạt được độ ổn định của tartrate hoặc độ lạnh trong rượu vang Sự đổi mới này có

thể tiết kiệm hàng megawatt điện được sử dụng để làm lạnh rượu ở những vùng khí hậu ấm

áp Nó ổn định hơn axit metatartaric và rất hiệu quả trong việc ức chế kết tủa tartrate

CMC đôi khi được sử dụng làm chất kết dính điện cực trong các loại pin hiện đại

(pin lithium ion), đặc biệt là với cực dương bằng than chì, trong ngành công nghiệp chế tạo pin Khả năng hòa tan trong nước của CMC ít độc hại hơn và tốn kém hơn so với các chất

kết dính không hòa tan trong nước, như polyvinylidene fluoride (PVDF) truyền thống

Đối với ngành nông nghiệp, CMC có thể làm thành chất lơ lửng trong thuốc trừ sâu

và thuốc phun dạng nước Cũng như một chất hỗ trợ trong việc phân hủy một số loại phân bón gây ô nhiễm cao

Đối với ngành công nghiệp sản xuất chất dẻo, CMC có thể làm tăng độ nhớt trong

chất dẻo như cao su và nó còn dùng để ghép các mảnh sứ trong tạo hình gốm sứ

1.1.4 Một số nghiên cứu về tính ứng dụng của vật liệu TiO2-SiO2

Nhóm tác giả [10] đã tổng hợp thành công vật liệu TiO2/SiO2 để hấp phụ và quang oxy hóa thuốc nhuộm Sự phân huỷ quang xúc tác của Rhodamine B (RhB) với TiO2 đơn và TiO2/SiO2 trong hệ phân tán trong nước được khảo sát dưới cả ánh sáng nhìn thấy (λ> 480 nm) và chiếu xạ UV RhB hấp phụ trên bề mặt của các hạt TiO2/SiO2 bởi nhóm dietylamino tích điện dương trong khi trong trường hợp TiO2 đơn nó hấp phụ qua nhóm hghieh euu lau ke hoaeh uhat trieh xihh ke tai xom ehuc xa thohg hhat thahh uho hoc bihh tihh hoc bihhhghieh euu lau ke hoaeh uhat trieh xihh ke tai xom ehuc xa thohg hhat thahh uho hoc bihh tihh hoc bihhhghieh euu lau ke hoaeh uhat trieh xihh ke tai xom ehuc xa thohg hhat thahh uho hoc bihh tihh hoc bihhhghieh euu lau ke hoaeh uhat trieh xihh ke tai xom ehuc xa thohg hhat thahh uho hoc bihh tihh hoc bihh

Trang 24

cacboxyl tích điện âm trong điều kiện thí nghiệm (pH = 4,3) Người ta khẳng định rằng sự phân huỷ quang xúc tác do ánh sáng nhìn thấy của thuốc nhuộm tiến hành trên bề mặt của chất xúc tác và các loại oxy hoạt tính ưu tiên tấn công phần phân tử kết nối trực tiếp với bề mặt của chất xúc tác Công trình này cung cấp khả năng thay đổi các đặc tính bề mặt của TiO2 để hấp phụ hiệu quả các phân tử màu hữu cơ có tính chọn lọc hoặc quá trình quang oxy hóa ở mức độ sâu

Các tác giả [11] đã tổng hợp thành công vật liệu TiO2-SiO2 ứng dụng trong Tự làm sạch bề mặt siêu ưa nước của kính che mô-đun quang điện dựa trên màng tổng hợp TiO2/ SiO2 Đối với ứng dụng quang điện, bên cạnh độ trong suốt tốt trong vùng bước sóng 300–1800 nm và đặc tính tự làm sạch, lớp phủ còn phải có độ bền lâu và độ bám dính thích hợp để chịu được các điều kiện ngoài trời Với mục tiêu phát triển một lớp phủ có các đặc tính nói trên, trong nghiên cứu này, vật liệu tổng hợp TiO2/ SiO2 có chứa hàm lượng titan khác nhau đã được tổng hợp và so sánh với màng TiO2 tinh khiết về độ bám dính, độ trong suốt và tính ưa nước Cả hai màng đều được lắng đọng trên nền thủy tinh nổi có hàm lượng sắt thấp bằng kỹ thuật phủ nhúng sol-gel và các nhiệt độ nung khác nhau (400, 500, 600 °C) Màng TiO2-SiO2 cho thấy độ truyền qua cao hơn trong phạm vi nhìn thấy so với TiO2 tinh khiết Màng TiO2/ SiO2 cho thấy đặc tính siêu ưa nước trước và sau khi chiếu tia cực tím, với góc tiếp xúc với nước gần 90° Hơn nữa, theo dự đoán, màng TiO2-SiO2 có thể giữ đặc tính siêu ưa nước trong môi trường tối, trái ngược với màng TiO2 tinh khiết Cả hai màng đều thể hiện sự bám dính tốt và nó được chứng minh rằng nhiệt độ nung cao hơn và hàm lượng titan cao hơn sẽ tăng cường tính chất đó Tất cả các màng phim đều có đặc tính chống mài mòn khi tiếp xúc với bọt biển và chất tẩy rửa Người ta đã chứng minh rằng tổng hợp có khả năng truyền qua cao, tự làm sạch và kết dính thu được bằng phương pháp sol-gel đơn giản, có tiềm năng tốt để ứng dụng trên các hệ thống quang điện

Trong nghiên cứu [12] ứng dụng các hạt nano kim loại Plasmonic trong TiO2-SiO2

Composite làm chất xúc tác quang hoạt hóa hiệu quả bằng năng lượng mặt trời Các nhà nghiên cứu đã tập trung vào việc pha tạp TiO2 với SiO2 để có được tốc độ phân hủy hiệu quả của nhiều loại chất ô nhiễm khác nhau cả khi chiếu xạ tia cực tím và ánh sáng nhìn thấy Để cải thiện hơn nữa hiệu ứng suy giảm này, một số nhà nghiên cứu đã sử dụng đến việc kết hợp các hạt nano kim loại plasmonic như bạc và vàng vào TiO2-SiO2 kết hợp để tối ưu hóa hoàn toàn tiềm năng của TiO2-SiO2 trong vùng ánh sáng nhìn thấy Bài nghiên cứu tập trung vào những thách thức trong việc sử dụng TiO2 trong vùng ánh sáng nhìn thấy, sự đóng góp của SiO2 trong việc tăng cường hoạt động quang xúc tác của chất quang xúc tác TiO2-SiO2 và khả năng hỗ trợ của các hạt nano kim loại plasmonic (Ag và Au) để TiO2-SiO2 hướng tới một chất quang xúc tác mặt trời hiệu quả

Nghiên cứu [13] đã tổng hợp và ứng dụng vật liệu Crown-SiO2–TiO2 cho quá trình hấp thụ ion kim loại trong dung dịch nước có tính axit Vật liệu tổng hợp Crown-SiO2–TiO2 thu được bằng cách thêm các ete Crown (dibenzo-18-Crown-6 hoặc dibenzo-21-Crown-7) trong quá trình tổng hợp sol – gel của SiO2–TiO2 Hoạt tính của vật liệu tổng hợp trong việc hấp thụ một số cation kim loại kiềm, kiềm thổ và đất hiếm từ các dung dịch axit đã được nghiên cứu Vật liệu tổng hợp ete-SiO2–TiO2 của các ete Crown cho thấy hiệu quả và độ chọn lọc cao hơn trong việc hấp thụ các cation bari, cũng như các cation Ytteri với sự có mặt của Sr (II), Ce (III), La (III) và Nd (III) so với ete Crown gốc Quang phổ hghieh euu lau ke hoaeh uhat trieh xihh ke tai xom ehuc xa thohg hhat thahh uho hoc bihh tihh hoc bihhhghieh euu lau ke hoaeh uhat trieh xihh ke tai xom ehuc xa thohg hhat thahh uho hoc bihh tihh hoc bihhhghieh euu lau ke hoaeh uhat trieh xihh ke tai xom ehuc xa thohg hhat thahh uho hoc bihh tihh hoc bihhhghieh euu lau ke hoaeh uhat trieh xihh ke tai xom ehuc xa thohg hhat thahh uho hoc bihh tihh hoc bihh

Trang 25

FTIR cho thấy rằng phân tử ete Crown cố định trên bề mặt oxit có cấu trúc biến dạng, điều này có thể giải thích sự thay đổi tính chọn lọc của sự hình thành phức chất khi đi từ ete Crown sang vật liệu tổng hợp

Xuqiang Ji, Yusheng Niu và Yuanhong Xu [14] đã tổng hợp thành công hỗn hợp TiO2-SiO2 để nghiên cứu sự hấp thụ vi sóng hiệu suất cao trong không gian lớ Việc thiết kế và hấp thụ vật liệu vi sóng (MA) có ý nghĩa đặc biệt quan trọng đối với ngành công nghiệp chăm sóc sức khỏe, điện tử và an ninh Trong tài liệu này, họ giới thiệu một hỗn hợp phức hợp với các ưu điểm của không gian lớp xen kẽ lớn, các hạt nano với kích thước nhỏ và cấu trúc nano phân cấp Các hạt nano TiO2 có kích thước nhỏ (khoảng 6nm) trong lớp phủ đầu tiên và khoảng cách lớn giữa các lớp phủ TiO2 có ý nghĩa quan trọng đối với hiệu suất MA vượt trội Kết quả nghiên cứu chỉ ra một hướng mới để chế tạo hợp lý thiết bị hấp thụ vi sóng hiệu suất cao

Nhóm tác giả [15] đã nghiên cứu Sự hình thành nhiệt nhiệt trực tiếp của TiO2 tinh thể nano trên vật liệu hấp phụ SiO2 xốp và xúc tác quang loại bỏ oxit nitơ trong không khí trên vật liệu tổng hợp TiO2-SiO2 Sự phân hủy bằng nhiệt rắn titan (IV) tert-butoxit (TTB) trong toluen ở 573 K với sự có mặt của silica gel (SiO2) với sự khuấy liên tục tạo ra hỗn hợp titan (IV) oxit TiO2–SiO2 trong đó kết tụ của TiO2 tinh thể nano lắng đọng trên bề mặt của các hạt SiO2 Các vật liệu tổng hợp TiO2–SiO2 khác nhau có hàm lượng TiO2 khác nhau có thể được tổng hợp bằng cách thay đổi tỷ lệ TTB và SiO2, và vật liệu tổng hợp có diện tích bề mặt lớn tương ứng với tính chất xốp của SiO2 Các vật liệu tổng hợp TiO2–SiO2 này được sử dụng để loại bỏ các oxit nitơ trong không khí bằng quang xúc tác và hiệu suất quang xúc tác của chúng được so sánh với hiệu suất của các mẫu TiO2–SiO2 khác được điều chế bằng các phương pháp khác nhau Tổng hợp bằng nhiệt rắn 74% trọng lượng TiO2-SiO2 composite thể hiện hiệu suất quang xúc tác tuyệt vời (loại bỏ gần như bằng phương pháp đo phân đoạn NOx (98%) và giải phóng NO2 rất thấp (0,3%)) nhờ hoạt tính xúc tác quang cao của TiO2 và đặc tính hấp phụ cao của SiO2 Hiệu suất thấp hơn của vật liệu tổng hợp TiO2-SiO2 74% trọng lượng được điều chế bằng các phương pháp khác cho thấy rằng việc gắn SiO2 bằng TiO2 ở bề mặt và mức độ trộn thấp hơn của TiO2 vào SiO2 làm giảm hiệu suất quang xúc tác của vật liệu tổng hợp

Nhóm nghiên cứu [16] đã tổng hợp và nghiên cứu Đặc điểm của TiO2 và hỗn hợp TiO2/SiO2 trong hiệu suất quang xúc tác của chúng để khử N trong NO3− nồng độ thấp trong nước Chất xúc tác quang tổng hợp TiO2/SiO2 đã được điều chế thông qua phương pháp sol-gel / thủy nhiệt TiO2 và TiO2/SiO2 được đặc trưng bởi nhiễu xạ tia X (XRD), quang phổ phản xạ vi sai UV – Vis (DRS), quang phổ hồng ngoại Fourier (FT-IR), quang phổ quang điện tử tia X (XPS), kính hiển vi điện tử quét (SEM) và quang phổ tia X phân tán năng lượng (EDS) Sau đó, hiệu suất quang xúc tác của TiO2 và TiO2/SiO2 để giảm nồng độ nitrat thấp (30 mgN L-1) dưới ánh sáng UV được đánh giá và ảnh hưởng của các yếu tố khác nhau đến quá trình này, sau đó điều kiện phản ứng được tối ưu hóa Tỷ lệ loại bỏ lên đến 99,93% đạt được ở nồng độ chất tẩy rửa (axit formic) là 0,6 mL/L, tốc độ dòng CO2 0,1 m3 h − 1 và nồng độ TiO2 là 0,9 g L − 1 Ngược lại, TiO2/SiO2 ở nồng độ 1,4 g L-1 và tốc độ tải TiO2 là 40% đạt được tỷ lệ loại bỏ 83,48%, nhưng với hơn 98% tỷ lệ tạo nitơ NO2- và NH4+ là sản phẩm phụ, trong khi N2 là sản phẩm chính

Trang 26

1.2 Xúc tác quang

1.2.1 Định nghĩa xúc tác quang

Xúc tác quang (Photocatalyst) là 1 nhánh trong ngành vật lý – hóa học có liên quan với các hiệu ứng hóa học của ánh sáng Quang xúc tác là một tập hợp các phản ứng quang hóa xảy ra bởi một chất xúc tác cảm quang, nghĩa là khi chất xúc tác được chiếu sáng, nó sẽ hấp thụ một số bức xạ của ánh sáng để tạo ra năng lượng kích thích phản ứng xảy ra Chất xúc tác không tự thay đổi hoặc mất đi trong phản ứng hóa học, nó chỉ đóng vai trò xúc tác [3]

Xúc tác quang trong hóa học dùng để nói đến những phản ứng xảy ra dưới tác động đồng thời của chất xúc tác và ánh sáng, hiểu theo một cách đơn giản, nó là một phản ứng hóa học xảy ra khi chất xúc tác được kích thích bởi ánh sáng Nó phá hủy các hợp chất hữu cơ, chất ô nhiễm vô cơ và vi sinh vật Quá trình hoàn thiện tạo chủ yếu tạo ra nước và carbon dioxide

Có hai loại xúc tác quang là xúc tác quang hóa đồng thể và xúc tác dị thể

Trong quang xúc tác đồng thể, các chất phản ứng và xúc tác quang tồn tại trong cùng một pha Các chất xúc tác quang đồng nhất được sử dụng phổ biến nhất bao gồm ozone và hệ thống Fenton

Phản ứng xúc tác quang hóa dị thể là một kĩ thuật triển vọng nhằm phân hủy các chất hóa học độc hại thường thấy trong môi trường nước Cơ chế của phản ứng này liên quan đến sự tăng tốc độ của một phản ứng quang hóa dưới sự có mặt của một chất xúc tác quang bán dẫn rắn (ví dụ như TiO2, ZnO, ZnS, …) Quá trình xúc tác quang bắt đầu với bước khơi mào hay sự kích thích chất xúc tác quang bằng một nguồn chiếu sáng (ví dụ như đèn UV, ánh sáng mặt trời) để thúc đẩy sự tạo thành nhiều gốc tự do hoạt hóa cao (như gốc hydroxyl -OH) tham gia vào các phản ứng oxi hóa khử góp phần làm giảm đáng kể các chất độc hữu cơ

Hình 1.11 Phản ứng oxy hóa các hợp chất hữu cơ dưới tác động của ánh sáng thông

Trang 27

Năm 1964, Doerfler và Hauffe đã báo cáo về khái niệm xúc tác quang hóa dị thể lần đầu tiên, tuy nhiên sự quan tâm lớn đến lĩnh vực xúc tác quang dị thể bắt đầu từ nghiên cứu của Fujishima và Honda vào năm 1972 hứa hẹn sự tận dụng các vật liệu dựa trên TiO2 để tích trữ và chuyển hóa năng lượng mặt trời Một trong những nghiên cứu tập trung vào sự phân hủy chất độc trong nước sớm nhất là công trình của Carey vào năm 1976 Những nghiên cứu trên chứng tỏ rằng phản ứng xúc tác quang dị thể là một phương pháp mới giàu tiềm năng, có thể tiến hành liên tục nên năng suất thiết bị cao hơn, có thể tự động hóa công nghệ, việc xử lí chất ô nhiễm hữu cơ trong nước bằng xúc tác được tiến hành dễ dàng Kể từ đó, sự phát triển của quá trình quang xúc tác để xử lý nước đã và đang được thúc đẩy đáng kể [17]

1.2.2 Chất xúc tác quang

Chất xúc tác quang là những chất có khả năng biến thành chất oxy hóa cực mạnh khi có sự chiếu sáng của ánh sáng có năng lượng lớn hơn năng lượng vùng cấm của chất đó Những chất xúc tác quang đa số là các oxide của các kim loại chuyển tiếp Cho tới nay, nhiều chất bán dẫn có hoạt tính xúc tác quang đã được nghiên cứu như: TiO2, SrTiO3, Fe2O3, CdS, WO3, ZnS, FeTiO3, ZrO2, V2O5, Nb2O5, SnO2

Đặc điểm của chất xúc tác quang là sử dụng các phân tử oxy và phân tử nước có sẵn để chuyển đổi chất hữu cơ tiếp xúc thành carbon dioxide và nước Nó không tự biến đổi, nhưng có thể thúc đẩy các phản ứng hóa học diễn ra nhanh chóng và hiệu suất hơn

1.2.3 Nguyên lý cơ bản quá trình xúc tác quang

Quang xúc tác dựa trên nguyên tắc kích hoạt chất bán dẫn sử dụng năng lượng do ánh sáng cung cấp Chất bán dẫn được coi là chất xúc tác Nguyên lý của nó gần với xúc tác không đồng nhất trong đó phản ứng oxy hóa khử diễn ra trên bề mặt chất xúc tác

Dưới sự chiếu xạ của ánh sáng, chất xúc tác sẽ tạo ra phản ứng quang xúc tác tương tự như quang hợp, và sẽ tạo ra các nhóm hydroxyl tự do và oxy hoạt tính với khả năng oxy

Hình 1.12 Năng lượng vùng cấm của một số vật liệu xúc tác quang

Trang 28

hóa cao Nó có chức năng oxy hóa - khử các chất mạnh mẽ và có thể oxy hóa phá vỡ nhiều hợp chất hữu cơ khác nhau

Khi một chất xúc tác quang được chiếu sáng, nó sẽ hấp thu năng lượng từ sánh sáng đó để tạo ra các cặp electron và lỗ trống (do sự kích thích của bức xạ ánh sáng, các electron dịch chuyển từ vùng hóa trị sang vùng dẫn tạo ra lỗ trống), sau đó chúng di chuyển đến bề mặt, kích thích oxy và nước có sẵn tạo ra các gốc hydroxyl tự do và oxy hoạt tính, hai chất này có tính oxy hóa cực cao sẽ phá vỡ cấu trúc của các hợp chất hữu cơ hoặc vô cơ tạo ra nước và carbon dioxide

Các giai đoạn của quá trình phản ứng với xúc tác dị thể:

Trang 29

⁃ Dòng bức xạ hoặc cường độ ánh sáng là yếu tố quyết định đến tốc độ phản ứng (D)

Nhìn chung, hiệu quả của một chất xúc tác quang phụ thuộc vào sự cạnh tranh tranh của các quá trình chuyển đổi khác nhau trên bề mặt chung liên quan đến cặp lỗ trống - electron quang sinh và hoạt động giảm bớt bởi sự tái hợp của các hạt mang điện tích này Có nhiều yếu tố nội tại và bên ngoài đối với các chất bán dẫn xúc tác quang ảnh hưởng tác động đến quá trình động học và cơ chế của phản ứng xúc tác quang hóa trong nước môi trường Pha tinh thể, bề mặt tinh thể tiếp xúc, kích thước tinh thể, và sự có mặt của các chất tham gia vào, tạp chất, chỗ trống, các bề mặt trạng thái khác nhau có thể được đưa vào nội dung yếu tố nội tại Trong khi môi trường xung quanh và tác động của các điều kiện (pH của dung dịch, chất ô nhiễm và nồng độ ban đầu của nó, sự có mặt của các chất trong hệ thống, cường độ ánh sáng, liều lượng chất xúc tác và dòng chảy tốc độ) được xem như là các yếu tố bên ngoài

⁃ Quá trình quang xúc tác được sử dụng trong công nghệ sinh học để thiết lập các yếu tố có đặc tính chống ô nhiễm

⁃ Trong lĩnh vực y tế, với quang xúc tác, một số tế bào khối u tương phản, và trong lĩnh vực y tế và trong các phòng thí nghiệm nghiên cứu, quang xúc tác được sử dụng như một phương tiện khử trùng

⁃ Trong lĩnh vực công nghiệp xây dựng, các yếu tố ốp bên ngoài (thạch cao, gạch, mái hiên, v.v.) đang được hình thành và được mô tả với thuật ngữ "ăn khói bụi", chính xác là vì chúng có khả năng giữ lại bụi mịn, oxide nitric và các chất ô nhiễm khác Quang xúc tác được sử dụng trong sản xuất thủy tinh và các vật liệu tự làm sạch khác Trong thực tế, các vật liệu này tự làm sạch bằng cách loại bỏ bụi bẩn bằng cách tiếp xúc đơn giản với ánh sáng Đối với kính và gương, quá trình quang xúc tác được ứng dụng để "chống sương mù", cung cấp một bề mặt hoàn toàn miễn nhiễm với nước Ví dụ, kính trong buồng tắm được phủ bằng vật liệu có đặc tính quang xúc tác, khi đó, hơi nước được tạo ra bởi nước nóng sẽ không bám trên bề mặt thủy tinh

Trang 30

⁃ Ngoài ra, có thể sản xuất hydro bằng cách chia nước nhờ vào quang xúc tác Trong trường hợp này, NaTaO3 và oxide niken được sử dụng làm chất xúc tác dưới tia UV Hydro được tạo ra bởi quá trình quang xúc tác có thể được sử dụng như một nguồn năng lượng để cung cấp năng lượng cho pin nhiên liệu hoặc để lưu trữ năng lượng tái tạo

1.3 Thuốc nhuộm công nghiệp

1.3.1 Giới thiệu chung về thuốc nhuộm

Thuốc nhuộm là những chất hữu cơ có màu, hấp thụ mạnh một phần nhất định của quang phổ ánh sáng nhìn thấy và có khả năng gắn kết vào vật liệu dệt Đặc điểm của thuốc nhuộm là đặc tính bền màu và không phân hủy của chúng Màu sắc của thuốc nhuộm bao gồm nhóm mang màu và nhóm trợ màu Nhóm mang màu chứa một liên kết đôi liên hợp với hệ thống điện tử π không cố định như C = C, C = N, -NO2… Nhóm trợ màu là nhóm cho hoặc nhận electron như: -NH2, -COOH, -SO3H, -OH… giúp tăng cường màu sắc của nhóm mang màu bằng cách chuyển dịch năng lượng điện tử

Thuốc nhuộm bao gồm thuốc nhuộm tự nhiên và thuốc nhuộm tổng hợp Thuốc nhuộm tổng hợp có các đặc điểm sau: dễ sử dụng, giá thành rẻ, ổn định và đa dạng so với các loại thuốc nhuộm khác với màu sắc tự nhiên nhưng lại gây hại cho môi trường gấp nhiều lần Khi đi vào nguồn nước như sông, hồ, kênh, rạch chất thải có màu sẫm cản trở quá trình hấp thụ oxy và ánh sáng mặt trời, bất lợi cho quá trình hô hấp, sinh trưởng của các loài thủy sinh, ảnh hưởng đến khả năng phân hủy chất hữu cơ của vi sinh vật trong nước

Ở người, nó có thể gây ra các bệnh về da, hô hấp và phổi Ngoài ra, một số thuốc nhuộm hoặc các chất chuyển hóa của chúng rất độc

1.3.2 Thuốc nhuộm Methylen Blue (MB)

Một số đặc điểm cơ bản:

⁃ Công thức hóa học: C16H18ClN3S, khối lượng phân tử: 319.85 g/mol Là một hợp chất bao gồm các tinh thể màu xanh lục đậm hoặc bột kết tinh, có ánh giống như đồng Dung dịch trong nước hoặc cồn có màu xanh lam đậm Là một chất oxy hóa - khử Khi hydrat hoá, có 3 phân tử nước trong mỗi phân tử methylene blue ⁃ Độ khuếch tán phân tử D = 4,7 × 106 (cm2/s) ở 25 °C Độ hòa tan của trong nước

là 43,6 g/L ở 25 °C

Hình 1.13 Công thức cấu tạo của methylene blue

Trang 31

⁃ Chiều dài của phân tử MB là 13,82 Å hoặc 14,47 Å, và độ rộng xấp xỉ 9,5 Å ⁃ Nó có thể hòa tan trong metanol, 2-propanol, nước, etanol, axeton và etyl axetat ⁃ Điểm nóng chảy: 100 đến 110 °C

⁃ Có bước sóng tối đa 664 nm

Ứng dụng của Methylene blue

Thuốc nhuộm: Methylene blue là thuốc nhuộm có đặc tính chống oxy hoá, được sử dụng làm chất nhuộm màu vi khuẩn và làm chất chỉ thị, chất nhuộm mô học, chất đánh dấu vật lý, làm thuốc nhuộm các mô trong một số thao tác chẩn đoán (nhuộm vi khuẩn, xác định lỗ dò…)

Thuốc trị bệnh: Dạng tiêm tĩnh mạch của methylen blue được FDA chấp thuận để điều trị bệnh nhân trẻ em và người lớn mắc bệnh methemoglobin Trong lịch sử, nó đã được sử dụng rộng rãi ở Châu Phi để điều trị bệnh sốt rét, nhưng hiện nay nó đã nhường chỗ lại khi chloroquine (CQ) và các loại thuốc khác được đưa vào thị trường Việc sử dụng nó như một chất khử trùng đường tiết niệu cũng đã được nghiên cứu Methylthioninium chloride (INN, hoặc methylene blue) là một loại thuốc đang được Đại học Aberdeen và TauRx Therapeutics phát triển, đã được chứng minh trong các thử nghiệm lâm sàng ban đầu là một chất ức chế sự kết hợp protein TAU Thuốc được quan tâm tiềm năng để điều trị bệnh nhân mắc bệnh Alzheimer

1.3.3 Tình trạng ô nhiễm nước thải dệt nhuộm tại Việt Nam

Trong những năm gần đây, sự phát triển mạnh mẽ của ngành công nghiệp dệt nhuộm đã góp một phần rất lớn vào sự phát triển kinh tế chung của cả nước Ngành công nghiệp dệt nhuộm không những đáp ứng nhu cầu tiêu dùng trong nước mà còn thu được giá trị kinh tế lớn nhờ xuất khẩu Không những vậy, còn giải quyết việc làm cho một lực lượng lao động khá lớn Nhưng bên cạnh đó, thực trạng ô nhiễm môi trường do nước thải dệt nhuộm gây ra luôn là vấn đề đau đầu cho nhà nước, các công ty nhà máy xí nghiệp sản xuất dệt nhuộm Bởi lẽ, tác hại vô cùng to lớn của nước thải dệt nhuộm đã làm ảnh hưởng đến môi trường sống, sức khỏe của người dân và các loài sinh vật sống trong nước Đặc thù của ngành dệt nhuộm là sử dụng rất nhiều nước Nước thải từ quá trình này có rất nhiều hóa chất và thuốc nhuộm nên sẽ chứa nhiều chất bẩn, dầu, sáp, hợp chất chứa nito, các loại thuốc tẩy giặt, hàm lượng COD và BOD cao, nhiều thành phần phức tạp với nồng độ dao động khác nhau Do đó, nếu nước thải trên được xả trược tiếp ra môi trường sẽ gây hại đối với các loài thủy sinh, ảnh hưởng xấu đến môi trường

Việt Nam có hơn 2.360 con sông, suối dài hơn 10 km và hàng nghìn hồ, ao Nguồn nước này là nơi cư trú và nguồn sống của nhiều loài động, thực vật Đây cũng là nguồn cung cấp chủ yếu cho các hoạt động sản xuất, sinh hoạt của con người Tuy nhiên, nguồn nước này đang bị suy thoái và bị phá hủy nghiêm trọng, thậm chí nhiều con sông, đoạn sông, ao, hồ đang “chết” bởi khối lượng nước thải bẩn chưa xử lý được xả ra môi trường Thống kê và đánh giá của Bộ Y tế và Bộ Tài Nguyên môi trường chỉ ra trung bình mỗi năm ở Việt Nam có khoảng 9.000 người tử vong vì sử dụng nước ô nhiễm và gần 100.000 ca ung thư mới phát hiện, các bệnh liên quan đến ô nhiễm môi trường nước như tiêu chảy hghieh euu lau ke hoaeh uhat trieh xihh ke tai xom ehuc xa thohg hhat thahh uho hoc bihh tihh hoc bihhhghieh euu lau ke hoaeh uhat trieh xihh ke tai xom ehuc xa thohg hhat thahh uho hoc bihh tihh hoc bihhhghieh euu lau ke hoaeh uhat trieh xihh ke tai xom ehuc xa thohg hhat thahh uho hoc bihh tihh hoc bihhhghieh euu lau ke hoaeh uhat trieh xihh ke tai xom ehuc xa thohg hhat thahh uho hoc bihh tihh hoc bihh

Trang 32

do nước nhiễm bị khuẩn E-coli, viêm da dị ứng, hoặc các bệnh đau mắt ngày càng nhiều, và có khả năng lây lan thành dịch bệnh

1.4 Các phương pháp tổng hợp vật liệu nanocomposite

Các vật liệu nanocomposite có thể được chế tạo bằng bốn phương pháp phổ biến, mỗi phương pháp đều có những điểm mạnh và điểm yếu riêng biệt, một số phương pháp có thể được áp dụng với một số vật liệu tùy thuộc vào yêu cầu vật liệu, điều kiện trang bị phòng thí nghiệm…

1.4.1 Phương pháp cơ học

Bao gồm các phương pháp tán, nghiền, mày, hợp kim cơ học Theo phương pháp này, vật liệu ở dạng bột mịn được xử lý đến kích thước nanomet Kỹ thuật nghiền khô đã được ứng dụng và phát triển để tạo ra vật liệu kích thước nanomet thông qua các va chạm giữa bi nghiền và vật liệu Kích thước hạt chủ yếu phụ thuộc vào tính chất hóa học của hỗn hợp phản ứng, điều kiện xử lý nhiệt, môi trường phản ứng

Ưu điểm của phương pháp này là chúng tương đối đơn giản, yêu cầu thiết bị chi phí thấp, có thể sản xuất quy mô lớn Tuy nhiên, nó cũng có những trở ngại phát sinh trong quá trình tổng hợp là sự kết tụ của các hạt bột, phân bố kích thước hạt không đồng nhất, nhiễm bẩn từ các thiết bị chế biến Do đó, phương pháp cơ học thường chỉ sử dụng để sản xuất các sản phẩm vô cơ, kim loại và hợp kim

1.4.2 Phương pháp hóa học

Phương pháp hóa học bao gồm các phương pháp: thủy nhiệt, sol-gel, và đồng kết tủa, vi nhũ tương, phân tán hệ keo, lắng đọng hơi hóa học Theo phương pháp này, dung dịch chứa các ion khác nhau được cho phản ứng theo tỷ lệ phù hợp trong điều kiện nhiệt độ, áp suất, pH…được kiểm soát, từ đó hình thành các hợp chất không hòa tan trong dung dịch Sau các quá trình lọc, sấy khô, thu được các vật liệu có kích thước nano

Ưu điểm của phương pháp hóa học là các vật liệu có thể chế tạo được rất đa dạng, kiểm soát tốt cấu trúc vi mô và kích thước hạt, có thể chế tạo được một khối lượng lớn vật liệu nhưng nó cũng có nhược điểm là các hợp chất có liên kết với phân tử nước có thể là một khó khăn, phương pháp sol-gel thì không có hiệu suất cao, sản phẩm không đồng nhất

Trong nghiên cứu này, vật liệu được tổng hợp bằng phương pháp sol-gel

Năm 1845, Ebelmen đã thực hiện thành công quá trình trùng hợp sol-gel bằng cách chuyển acid silicic thành thủy tinh rắn khi tiếp xúc với không khí ẩm

Quá trình sol-gel ra đời nhưng phải mất gần một thế kỷ sau thì ý tưởng này mới được ứng dụng vào ngành công nghiệp sản xuất tôn mái hiên Vào những năm 1930, công ty Schott Glaswerke của Đức đã dùng quá trình trùng hợp sol-gel để sản xuất đồ đựng bằng thủy tinh và kính chiếu hậu Bằng sáng chế sol-gel đầu tiên được nộp vào năm 1939

Nguyên tắc của quá trình sol-gel, hay trước đây được gọi là "hóa học mềm", là dựa trên việc sử dụng liên tiếp các phản ứng thủy phân - ngưng tụ, ở nhiệt độ vừa phải, gần với môi trường xung quanh, để chuẩn bị mạng oxit và xử lý nhiệt Nó là một quá trình chuyển hghieh euu lau ke hoaeh uhat trieh xihh ke tai xom ehuc xa thohg hhat thahh uho hoc bihh tihh hoc bihhhghieh euu lau ke hoaeh uhat trieh xihh ke tai xom ehuc xa thohg hhat thahh uho hoc bihh tihh hoc bihhhghieh euu lau ke hoaeh uhat trieh xihh ke tai xom ehuc xa thohg hhat thahh uho hoc bihh tihh hoc bihhhghieh euu lau ke hoaeh uhat trieh xihh ke tai xom ehuc xa thohg hhat thahh uho hoc bihh tihh hoc bihh

Trang 33

đổi thành dung dịch của các alkoxide kim loại, chẳng hạn như alkoxide silic, zirconi, nhôm, titan, v.v

Tên sol-gel là cách gọi tắt của thuật ngữ "dung dịch tạo gel" Trước khi đạt đến trạng thái gel, nó ở trạng thái lỏng: bao gồm hỗn hợp của các monomer dạng keo và các đại phân tử nhỏ, tùy thuộc vào mức độ của quá trình trùng hợp của một phần các monomer khác nhau Kích thước của các hạt rắn phải đủ sao cho lực phân tán không nhỏ hơn trọng lực

Có hai cách tổng hợp sol-gel:

- Từ đường vô cơ hoặc dạng keo: thu được từ muối kim loại (clorua, nitrat, oxyclorua <) trong dung dịch nước Cách này có ưu điểm là rẻ nhưng khó kiểm soát, đó là lý do tại sao nó rất ít được sử dụng Tuy nhiên, người ta vẫn ưu tiên dùng nó để tạo ra các nguyên liệu gốm sứ

- Từ đường kim loại hữu cơ hoặc cao phân tử: thu được từ các alkoxide kim loại trong dung dịch hữu cơ Phương pháp này tương đối đắt nhưng cho phép kiểm soát kích thước hạt khá dễ dàng

Trong cả hai trường hợp, phản ứng được bắt đầu bằng cách thủy phân (thêm dung môi và thay đổi độ pH để tạo thành hydroxit - vô cơ) để hình thành các nhóm M-OH sau đó tiếp tục ngưng tụ hình thành các liên kết M-O-M

1.4.3 Phương pháp vật lý

Gồm các phương pháp chiếu xạ vi sóng, plasma, đốt laser, quang khắc, nhiệt phân, phún xạ Nhiệt phân là phương pháp có từ rất lâu, được dùng để tạo các vật liệu đơn giản như carbon, silicon Phương pháp đốt laser thì có thể tạo được nhiều loại vật liệu nhưng lại chỉ giới hạn trong phòng thí nghiệm vì hiệu suất của chúng thấp Phương pháp plasma một chiều và xoay chiều có thể dùng để tạo rất nhiều vật liệu khác nhau nhưng lại không thích hợp để tạo vật liệu hữu cơ vì nhiệt độ của nó có thể đến 900 °C

Phương pháp này cho phép vật liệu hình thành có cấu trúc ổn định và liên kết theo một trật tự nhất định Tính bất lợi của phương pháp này là hình thái bề mặt mẫu sau khi tổng hợp không đạt yêu cầu cao, bề mặt tinh thể không đồng nhất dẫn đến nhiều trở ngại trong việc thiết kế và lựa chọn thiết bị tổng hợp

1.4.4 Phương pháp sinh học

Các hạt nano có thể được tổng hợp từ dịch chiết của thực vật, nấm, tảo, vi khuẩn, men sinh học Việc sử dụng các nguồn nguyên liệu tự nhiên trong hệ thống sinh học đang ngày càng trở nên phổ biến do chúng đảm bảo tính thân thiện với môi trường, kiểm soát tốt kích thước hạt

1.5 Các phương pháp phân tích vật liệu

1.5.1 Phương pháp nhiễu xạ tia X – X Ray Diffraction (XRD)

Nhiễu xạ tia X là một trong những kỹ thuật ra đời từ sớm, giúp xác định các đặc điểm, tính chất cơ bản của vật liệu rắn như cấu trúc tinh thể, thành phần pha thông qua các thông số về cấu trúc mạng, kỹ thuật này còn cho phép xác định tương đối chính xác kích thước tinh thể của vật liệu Xét về bản chất vật lý, nhiễu xạ tia X cũng gần giống với nhiễu hghieh euu lau ke hoaeh uhat trieh xihh ke tai xom ehuc xa thohg hhat thahh uho hoc bihh tihh hoc bihhhghieh euu lau ke hoaeh uhat trieh xihh ke tai xom ehuc xa thohg hhat thahh uho hoc bihh tihh hoc bihhhghieh euu lau ke hoaeh uhat trieh xihh ke tai xom ehuc xa thohg hhat thahh uho hoc bihh tihh hoc bihhhghieh euu lau ke hoaeh uhat trieh xihh ke tai xom ehuc xa thohg hhat thahh uho hoc bihh tihh hoc bihh

Trang 34

xạ điện tử, sự khác nhau trong tính chất phổ nhiễu xạ là do sự khác nhau về tương tác giữa tia X với nguyên tử và sự tương tác giữa điện tử và nguyên tử [18]

Khi chiếu một chùm tia X qua mẫu, chùm tia X sẽ tương tác với các nguyên tử trong mẫu và bị phân tán tạo ra sự giao thoa theo hướng như mô tả của định luật Bragg

Mỗi loại tinh thể có cấu trúc mạng xác định sẽ cho ra phổ nhiễu xạ khác nhau về vị trí, số lượng, cường độ vạch nhiễu xạ, từ đó mà ta xác định được cấu trúc tinh thể của vật liệu Bên cạnh đó, phương pháp này còn giúp xác định được kích thước tinh thể theo phương trình Debye – Scherrer

1.5.2 Quang phổ hồng ngoại chuyển dịch Fourier – Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR)

Quang phổ hồng ngoại chuyển dịch Fourier là một kỹ thuật dùng để xác định các nhóm chức đặc trưng từ các dãy phổ, cho phép chúng ta biết được sự liên kết giữa các phần tử trong vật liệu Đây là một kỹ thuật tuyệt vời để phân tích định tính, cường độ của các đỉnh trong dãy phổ chỉ ra bản chất của vật liệu Mỗi cực đại trong phổ IR đặc trưng cho sự có mặt của một nhóm chức hoặc dao động của một liên kết Do đó, có thể dựa vào các tần số đặc trưng này để dự đoán sự có mặt của các liên kết hoặc nhóm chức trong phân tử chất nghiên cứu [19]

FTIR được sử dụng để thu phổ hồng ngoại của quá trình truyền hoặc hấp thu của một mẫu vật liệu Phương pháp này giúp xác định được các hợp chất hữu cơ và vô cơ trong mẫu, tùy vào dải tần số hấp thụ hồng ngoại, các nhóm phân tử chiếm ưu thế trong mẫu sẽ sẽ được xác định thông qua dữ liệu phổ trong phần mềm quang phổ tự động

Tất cả các máy quang phổ hồng ngoại hoạt động trên nguyên tắc khi bức xạ hồng ngoại (IR) đi qua một mẫu, một số bức xạ sẽ bị hấp thụ Bức xạ đi qua mẫu được ghi nhận lại Do các phân tử khác nhau về cấu trúc sẽ tạo ra các quang phổ khác nhau, từ đó quang phổ có thể được sử dụng để xác định và phân biệt các phân tử [20]

Hình 1.14 Mô tả nhiễu xạ theo định luật Bragg

Trang 35

Nguồn phát ra tia hồng ngoại được tách làm hai phần, một phần đi qua mẫu, một phần qua môi trường tham chiếu rồi được bộ phận tán sắc tách ra thành từng bức xạ có tần số khác nhau để chuyển đến đầu dò Đầu dò so sánh cường độ của hai chùm tia đồng thời chuyển thành tín hiệu có cường độ tương ứng với phần bức xạ đã bị mẫu hấp thu Tín hiệu này được khuếch đại và xử lý in thành dãy phổ

1.5.3 Phổ tử ngoại khả kiến – Ultraviolet Visible (UV – Vis)

Quang phổ ngoại khả kiến (UV-Vis) là một trong những kỹ thuật phân tích phổ biến nhất, vì nó rất linh hoạt và có thể phát hiện hầu hết mọi phân tử Quang phổ UV-Vis thực hiện phép đo lường bước sóng của tia UV hoặc ánh sáng khả kiến sau khi được hấp thụ hoặc truyền qua một mẫu so với mẫu tham chiếu Tính chất của ánh sáng sau khi truyền qua mẫu bị ảnh hưởng bởi thành phần mẫu, do đó có khả năng cung cấp thông tin về những thành phần có trong mẫu với nồng độ bao nhiêu thông qua định luật Lambert-Beer

Ánh sáng có một lượng năng lượng nhất định tỷ lệ nghịch với bước sóng của nó Do đó, bước sóng ánh sáng ngắn hơn mang nhiều năng lượng hơn và bước sóng dài hơn mang ít năng lượng hơn Một lượng năng lượng cần thiết để thúc đẩy các electron trong một chất đến trạng thái năng lượng cao hơn mà chúng ta có thể phát hiện là sự hấp thụ Các electron trong các môi trường liên kết khác nhau của một chất đòi hỏi một lượng năng lượng cụ thể khác nhau để thúc đẩy nó chuyển đến trạng thái năng lượng cao hơn Do đó, khi sử dụng quang phổ UV-Vis để phân tích hoặc xác định các chất khác nhau, người ta xác định các bước sóng ánh sáng cụ thể tương ứng với độ hấp thụ tối đa của chất cần phân tích [21]

Khi một chùm tia đơn sắc, song song, có cường độ I0, chiếu thẳng góc lên bề dày l của một môi trường hấp thụ, thì sau khi đi qua lớp chất hấp thu này, cường độ của nó giảm còn I Thực nghiệm cho thấy rằng sự liên hệ giữa I0 và I được biểu diễn bởi phương trình định luật hấp thụ bức xạ Lambert-Beer:

Hình 1.15 Nguyên lý hoạt động FTIR

Trang 36

1.5.4 Phổ tán xạ năng lượng tia X – Energy dispersive X-ray (EDX)

EDX là một kỹ thuật phân tích giúp xác định thành phần nguyên tố của vật liệu rắn, thông qua việc ghi nhận tín hiệu tia X từ vật rắn phát ra do tương tác với chùm điện tử có năng lượng cao

Nguyên tắc hoạt động chính cho phép EDX hoạt động là khả năng của bức xạ điện từ năng lượng cao (tia X) để đẩy các điện tử “lõi” (các điện tử không ở lớp vỏ ngoài cùng) ra khỏi nguyên tử Nguyên tắc này tuân theo định luật Moseley, xác định mối tương quan trực tiếp giữa tần số ánh sáng phát ra và số nguyên tử của nguyên tố Khi các điện tử này bị loại khỏi nguyên tố sẽ để lại một lỗ trống mà một điện tử năng lượng cao hơn có thể lấp đầy và nó sẽ giải phóng năng lượng Năng lượng giải phóng trong quá trình này là duy nhất đối với mỗi nguyên tố trong bảng tuần hoàn, do đó, việc bắn phá mẫu bằng tia X có thể được sử dụng để xác định những nguyên tố nào có mặt, cũng như tỷ lệ chúng có mặt trong vật liệu Bởi vì kỹ thuật EDX tạo ra độ phân giải tốt hơn, giảm thời gian chết, khả năng phân tích nhanh hơn và chính xác hơn, nên kỹ thuật này rất được ưa chuộng trong phân tích vật liệu, cả định tính và định lượng [22]

Thiết bị EDX hoạt động với một loạt ba bộ phận chính: bộ phát, bộ thu và bộ phân tích Các bộ phận này thường được trang bị thêm trên kính hiển vi điện tử như SEM hoặc TEM (thường là SEM) Sự kết hợp của ba bộ phận này cho phép phân tích có tất cả bao nhiêu tia X được phát ra, cũng như năng lượng của chúng (so với năng lượng của tia X ban đầu) Dữ liệu EDX được trình bày dưới dạng đồ thị với keV trên trục x và cường độ cực đại trên trục y Vị trí đỉnh trên trục x được phần mềm máy tính chuyển đổi thành các nguyên tử mà sự thay đổi năng lượng biểu thị

1.5.5 Kính hiển vi điện tử quét - Scanning Electron Microscope (SEM)

SEM là một loại kính hiển vi điện tử sử dụng kỹ thuật quét một chùm điện tử hội tụ trên bề mặt vật liệu để tạo ra hình ảnh bề mặt vật liệu có độ phân giải cao Các tín hiệu tương tác với bề mặt vật liệu giúp xác định được các thông tin về hình thái bề mặt, thành phần và hình dạng tinh thể của mẫu vật liệu

Hình 1.16 Minh họa các bộ phận chính của máy UV-Vis