Nghiên cứu tổng hợp vật liệu quang xúc tác TIO2 biến tính với sắt trên tro trấu và ứng dụng trong xử lý chất hữu cơ ô nhiễm

I HC QUC GIA HÀ NI I HC KHOA HC T NHIÊN   NGHIÊN CU TNG HP VT LIU QUANG XÚC TÁC TIO 2 BIN TÍNH VI ST TRÊN TRO TRU VÀ NG DNG TRONG X LÝ CHT HM LUC Hà Ni   2014 I HC QUC GIA HÀ NI I HC KHOA HC T NHIÊN   NGHIÊN CU TNG HP VT LIU QUANG XÚC TÁC TIO 2 BIN TÍNH VI ST TRÊN TRO TRU VÀ NG DNG TRONG X LÝ CHT HM Chuyên ngành: ng Mã s: 60440120 LUC NG DN KHOA HC TS. Nguyn  Hà Ni   2014 LI C Vi lòng bi   c, em xin gi li c    nht ti TS. Nguy   i  tài và tn tình ch b ng dn em trong sut quá trình hoàn thành lu Em xin cy, cô giáo trong phòng thí nghing, các thy, cô giáo trong khoa Hóa Hc  i Hc Khoa Hc T Nhiên  và các anh, ch cùng các bn trong phòng thí nghing  tu ki em trong quá trình thc hin lu Hà Ni, 2014 Hc viên   MC LC M U 1 C 1: TNG QUAN 3 1.1. Thc trng ô nhim cht hng 3 1.1.1. Các ngun phát thi cht hm 3 1.1.2. Khái quát  B (RhB) 4 1.2. Mt s  lý cht hng 5 1.3. Vt liu quang xúc tác TiO 2 và vt liu quang xúc tác TiO 2 bin tính 11 1.3.1. Vt liu quang xúc tác TiO 2 11 1.3.2. Vt liu quang xúc tác TiO 2 bin tính 14 1.3.3. Gii thiu v cht mang và vt liu t hp quang xúc tác 18 1.3.3.1. Gii thiu v cht mang 18 1.3.3.2. Gii thiu chung v tro tru 19 1.3.4. Mt s u ch vt liu quang xúc tác TiO 2 và vt liu quang xúc tác TiO 2 bin tính 22 C NGHIM 25 2.1. Dng c và hóa cht 25 2.1.1. Dng c 25 2.1.2. Hóa cht 25 2.2. Tng hp vt liu 26 -TiO 2 -  26 2.2.2. Tng hp vt liu t hp quang xúc tác Fe-TiO 2 /tro tru (Fe-TiO 2 /RHA) b-gel kt hp vi thy nhit 26 2.3. Mt s yu t ng ti quá trình tng hp vt liu t hp quang xúc tác Fe- TiO 2 /RHA 26 2.3.1. Quá trình tin x lý v tru 26 2.3.2. Nghiên cu ng cng tro tr 27 2.3.3. Nghiên cu ng ca thi gian khuy sol Fe-TiO 2 vi tro tru 27 2.4. Kho sát hot tính vt liu trong quá trình x lý RhB 27 2.4.1. Khng vt liu t hp quang xúc tác Fe-TiO 2 /RHA 28 2.4.2. Kho sát ng ca pH 28 2.4.3. So sánh kh  lý RhB ca vt liu kin ánh sáng t  28 2.4.4. Kho sát kh  dng vt liu 28 2.5.  29  29  30  30  tia X (EDX) 31 -Vis 32 nh RhB 33 T QU VÀ THO LUN 34 3.1. Nghiên cu tng hp vt liu t hp quang xúc tác Fe- TiO 2 /RHA 34 3.1.1. Nghiên cu la chn n x lý v tru 34 3.1.2. Nghiên cu ng ca thi gian nung, nhi nung tro tru 37 3.1.3. Nghiên cu ng cng tro tr 40 3.1.4. Nghiên cu ng ca thi gian khuy sol vi tro tru trong quá trình tng hp 42 3.1.5. Mt s a vt liu tng hp  u kin t 43 3.2. Kho sát các yu t n quá trình phân hy RhB ca vt liu. 48 3.2.1. Khng vt li 48 3.2.2. Kho sát ng ca pH 49 3.2 chiu sáng 50 3.2.4. Kho sát kh  dng vt liu 51 KT LUN 53 TÀI LIU THAM KHO 54 DANH MC HÌNH Hình 1.1ne B 4 Hình 1.2.  9 Hình 1.3.  10 Hình 1.4.  2 12 Hình 1.5.  2  2  15 Hình 1.6.  16  32     -TiO 2 /RHA 35 Hình 3.2. -0; RHA-1; RHA-2; RHA-3 36 Hình 3.3.     -TiO 2 /RHA 38 Hình 3.4. -TiO 2  khác nhau 38 Hình 3.5  h RhB -TiO 2 /RHA 39 Hình 3.6-TiO 2 gian khác nhau 40 Hình 3.7.  -TiO 2 /RHA 41 Hình 3.8. - 2 , Fe-TiO 2 , Fe-TiO 2 /RHA    42 Hình 3.9-TiO 2 /RHA 44 Hình 3.10-TiO 2 /RHA 45 Hình 3.11-TiO 2 /RHA 46 Hình 3.12. -3-600 0 C/6h 47 Hình 3.13. Fe- TiO 2 /RHA-3-600 0 C/6h 47 Hình 3.14 -TiO 2 /RHA  50 Hình 3.15 52 DANH MC BNG  1.1.  2  và rutil 12   -TiO 2 /RHA 34  t -2; RHA- 37 .  ht  RhB  -TiO 2 /RHA 37 4. -Scherrer 38 5.  ht  RhB  -TiO 2 /RHA 39 6.  Debye-Scherrer 40 7.  RhB  -TiO 2 /RHA 41 8.  Fe-TiO 2 /RHA 43 .9. Fe-TiO 2 /RHA 44 0.  t  RhB  Fe-TiO 2 /RHA 48 1.  RhB  Fe-TiO 2 /RHA 49 .12.    -TiO 2 /RHA 51 3Fe-TiO 2 /RHA  51 DANH MC CÁC CH VIT TT EDX PEnergy-Dispersive X-ray spectroscopy ) E bg  IR (Infrared spectroscopy) RH  RHA  RhB Rhodamine B SEM  (Scanning Electron Microscopy) TIOT Tetra isopropyl ortho titanate UV-Vis   Visible) XRD  1  Cùng vi s phát trin ca kinh t- xã hi, v ô nhi ngày càng tr nên nghiêm trng. Nguyên nhân ch yu gây ô nhing là hong sn xut ca nhà máy trong các khu công nghip, hong sn xut ca các làng ngh và sinh hot ci dân ti  ln. Vic phát trin các làng ngh có vai trò quan tri vi s phát trin kinh t - xã hi và gii quyt vic làm  u qu v môi ng do hong sn xut ca các làng ngh  lng. Hình th sn xut ca làng ngh rng, có th p tác xã hoc doanh nghip. Tuy nhiên, do sn xut mang tính t phát, s dng công ngh th công lc hu, chp vá, mt bng sn xut cht chi, ving h thng x c thc quan tâm, ý thc bo v ng sinh thái ca i dân làng ngh  nên tình trng ô nhing ti các làng ngh ngày càng trm trng. Do vy, v bo v ng không ch cp thii vi các cp qun lí, các doanh nghip, mà còn là trách nhim ca c h thng chính tr và toàn xã hi. i các nhà khoa hc và công ngh không ngng nghiên cu, tìm ra các bi x lý các cht gây ô nhing. Trong nhc s dng cht xúc tác bán d 2 , ZnO, t oxi hóa kh  phân hy các cht hn vc xem là mu qu, có trin vng thay th n thng trong vic x lý các cht hu c, m ca nhng chi tác ng ca ánh sáng s sinh ra cp electron (e - ) và l trng (h + ) có kh y cht hc chuyn hóa các kim loc hi thành nhng cht không gây ô nhing [20]. Hin nay, vt liu quang xúc tác TiO 2 c nhiu s quan tâm bi tính cht quang xúc tác mnh, tính bn hóa hc, chi phí thp và thân thin môi ng. Ngoài vic s dng làm cht xúc tác  x lý các cht hc h 2 m loi nc thi ca các ngành công nghip  dt, nhum, in, m, vt liu nano TiO 2 c s dng trong vic làm sch không khí, dùng u hòa nhi chng mc, dit khun  s d phân hy thuc tr sâu. M 2 c s dng làm cht xúc  phân hc to hydrogen là ngung mi, sc quan tâm nghiên cu và phát trin. Tuy nhiên m ca xúc tác quang hóa TiO 2 là xúc tác này ch có hot u kin chiu sáng vùng t ngoi nên khó có kh ng dng rng, ít hiu qu v mt s dng  dng. Ngu ng ánh sáng mt tri là rt ln  chim t 3- 5% nên xúc tác quang TiO 2 ít tn dc ngung này. Do vu nghiên cu trong viu ch bin tính TiO 2  nâng cao kh ng dng, có th dùng ánh sáng nhìn thy hoc ánh sáng mt tri thay tia UV [6]. Nhiu nghiên cu gn y TiO 2 c bin tính bi các cation kim loi chuyn tiy kt qu tng tính cht quang xúc tác trong vùng ánh sáng kh kin. Trong nhiu báo cáo, các ht tinh th nano TiO 2 c bin tính bi cation s hin hot tính quang xúc tác ti TiO 2 tinh khii ánh sáng nhìn thy. Mt m na ca vt liu TiO 2 là do có c nanomet nên  c s to dng huyn phù thu hi vt li khc phm trên, t t l phù hp tro tru vào vt liu t hp quang xúc tác. Tro trc bit là mt cht mang có din tích b mt l p ph tt các cht ô nhim hong ca xúc tác trên b mt giúp cho quá trình phân hy cht ô nhim ca xúc tác thun li  Ngoài ra, tro tru là ngun nguyên liu giá thành r, sn có  Vit Nam  c trng lúa go. Chính vì vy tôi ch tài: “Nghiên cứu tổng hợp vật liệu quang xúc tác TiO 2 biến tính với sắt trên tro trấu và ứng dụng trong xử lý chất hữu cơ ô nhiễm”. [...]... thiệu về chất mang Do vật liệu quang xúc tác TiO2 nano có kích thước rất nhỏ, cỡ nanomet nên sau khi xử lý rất khó tách loại và thu hồi Vì vậy, nhiều nghiên cứu đã đưa thêm chất mang vào trong quá trình tổng hợp xúc tác đ tạo vật liệu tổ hợp quang xúc tác giúp thu hồi vật liệu dễ hơn sau khi sử dụng Khi vật liệu tổng hợp được đưa lên chất mang, các hạt xúc tác được phân bố trên bề m t c a chất mang... ctron và lỗ trống nh m giảm năng lượng vùng cấm từ đó mở rộng vùng hoạt động c a xúc tác về vùng khả kiến Ngoài ra, đ giúp vật liệu có khả năng ứng ụng thực tiễn cao cần cố định xúc tác lên các chất mang khác nhau Trong luận văn này tôi chọn phương pháp oxi hóa tăng cường với xúc tác quang hóa là TiO2 biến tính với sắt và đưa lên chất mang là tro trấu 1.3 VẬT LIỆU QUANG XÚC TÁC TiO2 VÀ VẬT LIỆU QUANG XÚC... phân h y chất ô nhiễm được ễ àng hơn Nhiều nghiên cứu cho thấy tro trấu có khả năng xử lý nhiều chất vô cơ, hữu cơ gây ô nhiễm Nếu phát tri n có th sử dụng tro trấu đ xử lý làm sạch không khí, ki m soát ô nhiễm nước bởi các chất thải với chi phí hợp lý Bên cạnh đó sử dụng tro trấu làm chất hấp phụ còn giải quyết được một phần chất thải nông nghiệp toàn cầu, giảm khối lượng lớn các chất thải từ vỏ trấu. .. lớn các chất thải từ vỏ trấu dẫn đến giảm thi u ô nhiễm môi trường Ngày nay, vỏ trấu được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực sản xuất như sản xuất bê tông, gạch, gốm sứ, th p, cao su lưu hóa, vật liệu chịu nhiệt, 1.3.4 Một số phƣơng pháp điều chế vật liệu quang xúc tác TiO2 và vật liệu quang xúc tác TiO2 biến tính Vật liệu nano TiO2 và vật liệu nano TiO2 biến tính có th được điều chế b ng nhiều phương pháp... hơn Trong số các vật liệu TiO2 được biến tính b ng phi kim thì vật liệu TiO2 được biến tính b ng C được xem là vật liệu có khả năng phân h y tốt các hợp chất hữu cơ độc hại [23, 29] Hơn nữa, so với việc pha tạp những phi kim khác, xúc tác C -TiO2 có th tổng hợp được mà không cần thêm một nguồn C nào bên ngoài, thông qua việc dùng chính nguồn C trong thành phần hữu cơ có trong titanat (TIOT) và dung môi... tạp thành công Fe, C vào TiO2 và ứng ụng trong xử l ph m nhuộm axit a cam 7 ưới ánh sáng khả kiến Wang X [29] tổng hợp xúc tác TiO2 pha tạp Fe và C ng phương pháp nung ở nhiệt độ thấp Xúc tác thu được có th xử l được bisphenol Các tác giả đã chứng minh hiệu quả quang xúc tác TiO2 được tăng lên nhờ hiệu ứng bổ trợ c a C và Fe [30] 1.3.3 Giới thiệu về chất mang v vật liệu tổ hợp quang xúc tác 1.3.3.1... thay thế Fe thì sự biến thiên về cấu trúc trong pha anatas trong TiO2 không rõ ràng, do sự chênh lệch nhỏ về bán kính ion nguyên tử Ti4+ và Fe3+ và chiều dài liên kết giữa Ti-O và Fe-O Cơ chế quá trình quang hóa của xúc tác TiO2 biến tính với Fe Fe -TiO2 + hν → + + →  + H2 O →  OH OH + H+  + O2 (Fe -TiO2) O 2 Sau đó OH tác dụng với các chất hữu cơ ô nhiễm tạo ra các chất vô cơ bền, không gây độc như... không chọn lọc và có khả năng oxi hoá nhanh chóng hầu hết các chất hữu cơ 10 Một số chất án ẫn có vùng cấm rộng như các oxit TiO2, ZnO, Fe2O3, và các sunfua kim loại CdS, ZnS, MoS2, đều có th sử ụng làm chất quang xúc tác trong quá trình xúc tác ị th Những nghiên cứu về vật liệu quang xúc tác TiO2 cho thấy, đ nâng cao hiệu quả c a xúc tác cần phải iến tính vật liệu đ giảm sự tái kết hợp c a l ctron... CO2 Những nghiên cứu về vật liệu quang xúc tác TiO2 cho thấy, đ nâng cao hiệu quả quá trình quang xúc tác cần phải iến tính vật liệu đ giảm sự tái kết hợp l ctron và lỗ trống đồng thời chuy n vùng hoạt động c a xúc tác về vùng khả kiến 1.3 Vật liệu quang xúc tác TiO2 biến tính M c dù TiO2 ở dạng anatas có hoạt tính xúc tác cao nhưng mức năng lượng vùng cấm khoảng 3,2 eV tương ứng với ước sóng c a tia... [29] và Liu H [23] cũng đã điều chế được TiO2 biến tính b ng các kim loại Fe và V th o phương pháp th y nhiệt Kết quả cho thấy việc đưa vào mạng tinh th TiO2 những ion kim loại chuy n tiếp đã làm tăng độ hấp thụ ánh sáng khả kiến Vật liệu quang xúc tác TiO2 biến tính với Fe Hoạt tính c a vật liệu xúc tác quang TiO2 pha tạp Fe đã được nghiên cứu và kết quả cho thấy vật liệu thu được có hoạt tính xúc tác . trng lúa go. Chính vì vy tôi ch tài: Nghiên cứu tổng hợp vật liệu quang xúc tác TiO 2 biến tính với sắt trên tro trấu và ứng dụng trong xử lý chất hữu cơ ô nhiễm . 3 C . hng 5 1.3. Vt liu quang xúc tác TiO 2 và vt liu quang xúc tác TiO 2 bin tính 11 1.3.1. Vt liu quang xúc tác TiO 2 11 1.3.2. Vt liu quang xúc tác TiO 2 bin tính 14 1.3.3. Gii.  quang fenton và quang xúc tác bán dn. Tronng k  xúc tác bán dn là tt nht. K thut quang xúc tác bán dn là mt trong