Nghiên cứu tổng hợp tio2nano biến tính và ứng dụng

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP GVHD: PGS.TS Lê Xuân Thành LỜI CẢM ƠN Trong thời gian làm luận văn tốt nghiệp, em nhận đƣợc nhiều giúp đỡ bảo nhiệt tình thầy cô, gia đình bạn bè Em xin bày tỏ lòng biết ơn tới thầy, cô Bộ môn Công nghệ Các chất vô – Viện Kỹ thuật Hóa Học – Trƣờng Đại học Bách Khoa Hà Nội hỗ trợ, tạo điều kiện cho em trình thực luận văn Cuối cùng, em xin chân thành cảm ơn quan, gia đình bạn bè, tạo điều kiện, quan tâm, giúp đỡ, động viên em suốt trình học tập trình thực luận văn tốt nghiệp Trong suốt trình làm luận văn, em cố gắng nghiên cứu, tìm hiểu, học hỏi để hoàn thành luận văn cách tốt Nhƣng kiến thức nhƣ thời gian có hạn nên tránh khỏi sai sót Em mong nhận đƣợc góp ý thầy cô bạn để luận văn em đƣợc hoàn thiện Em xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, ngày 15 tháng8 năm 2015 Học viên: Quách Thị Mến – MSHV: 131137 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP GVHD: PGS.TS Lê Xuân Thành MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN MỤC LỤC DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT DANH MỤC BẢNG: DANH MỤC HÌNH LỜI MỞ ĐẦU PHẦN I: TỔNG QUAN VỀ TIO2 VÀ HOẠT TÍNH QUANG XÚC TÁC 1.1 GIỚI THIỆU VỀ TITAN ĐIOXIT 1.1.1 Cấu trúc tính chất vật lý: 1.1.2 Tính chất hóa học titan đioxit: 1.1.3 Tính chất bề mặt titan đioxit 10 1.1.4 Các ứng dụng vật liệu TiO2 11 1.2 TÍNH NĂNG QUANG XÚC TÁC 15 1.3 CÁC PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ VẬT LIỆU NANO 19 1.3.1 Phƣơng pháp tẩm 19 1.3.2 Phƣơng pháp đồng kết tủa tổng hợp quang xúc tác TiO2 19 1.3.3 Phƣơng pháp ngƣng tụ hóa học 20 1.3.4 Phƣơng pháp sol-gel 20 1.3.5 Phƣơng pháp thủy nhiệt 21 1.4 PHƢƠNG PHÁP CẢI THIỆN KHẢ NĂNG QUANG XÚC TÁC CỦA VẬT LIỆU TIO2 24 1.4.1 Vật liệu TiO2 đƣợc biến tính kim loại 26 1.4.2 Vật liệu TiO2 đƣợc biến tính nguyên tố phi kim 28 1.5 GIỚI THIỆU VỀ NƢỚC THẢI NHUỘM 29 1.5.1 Thành phần nƣớc thải nhuộm 29 1.5.2 Một số loại thuốc nhuộm sử dụng công nghiệp 30 1.5.3 Đặc tính nƣớc thải nhuộm 32 1.6 CÁC PHƢƠNG PHÁP XỬ LÝ NƢỚC THẢI NHUỘM 33 Học viên: Quách Thị Mến – MSHV: 131137 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP GVHD: PGS.TS Lê Xuân Thành 1.6.1 Một số phƣơng pháp xử lý nƣớc thải nhuộm 33 1.6.2 Phƣơng pháp hấp phụ 35 1.6.3 Phƣơng pháp quang xúc tác 35 2.1 PHƢƠNG PHÁP CHẾ TẠO VẬT LIỆU QUANG XÚC TÁC NỀN TIO2 37 2.1.1 Hóa chất, dụng cụ - thiết bị 37 2.1.2 Phƣơng pháp tổng hợp vật liệu TiO2 37 2.2 KHẢO SÁT HOẠT TÍNH QUANG XÚC TÁC CỦA VẬT LIỆU 38 2.3 CÁC PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ĐẶC TRƢNG CẤU TRÚC VẬT LIỆU 38 2.3.1 Phƣơng pháp nhiễu xạ tia X (XRD – X Ray Diffraction) 38 2.3.2 Phƣơng pháp hiển vi điện tử quét (SEM- Scanning Electron Microscope) 40 2.3.3 Phƣơng pháp phổ hồng ngoại (IR) 40 2.3.4 Phƣơng pháp đẳng nhiệt hấp phụ-giải hấp phụ nitơ (BET-the BrunauerEmmett-Teller) 41 PHẦN III: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 43 3.1 DẠNG PHA VÀ CỠ HẠT CỦA NGUYÊN LIỆU TIO2 43 3.2 ĐIỀU CHẾ VẬT LIỆU TIO2 THEO PHƢƠNG PHÁP NGHIỀN 44 3.2.1 Điều chế TiO2 biến tính với Al(OH)3 44 3.2.2 Điều chế TiO2 biến tính với ZnO 45 3.2.3 Điều chế TiO2 biến tính với SiO2 47 3.2.3.1 Ảnh hƣởng hàm lƣợng SiO2 47 3.2.3.2 Ảnh hƣởng thời gian nghiền 48 3.2.3.3 Ảnh hƣởng lƣợng TiO2-SiO2 50 3.2.3.4 Ảnh hƣởng thời gian khuấy trộn 51 3.2.3.5 Ảnh hƣởng nồng độ xanh methylen 52 3.3 ĐẶC TRƢNG CỦA VẬT LIỆU 53 3.3.1 Kết phân tích phổ XRD ảnh SEM 53 3.3.2.Kết phân tích phổ hồng ngoại (IR) 55 3.3.3 Diện tích bề mặt BET 57 3.4 KHẢO SÁT ỨNG DỤNG TRONG XỬ LÝ NƢỚC THẢI NHUỘM 58 Học viên: Quách Thị Mến – MSHV: 131137 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP GVHD: PGS.TS Lê Xuân Thành PHẦN IV: KẾT LUẬN 60 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO: 61 DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT STT Chữ viết tắt Tên tiếng anh BOD Bioligical oxygen demand Nhu cầu oxy sinh học COD Chemical oxygen demand Nhu cầu oxy hóa học UV Ultraviolet Tử ngoại MB Methylene blue Xanh metylen XRD X- Rays Diffraction Phƣơng pháp nhiễu xạ tia X EDS Energy- dispersive X- ray Phƣơng pháp phổ tán xạ spectroscopy lƣợng BET The Brunauer- Emmett- Phƣơng pháp đẳng nhiệt hấp Teller phụ- giải hấp phụ nito SEM Phƣơng pháp hiển vi điện tử quét 10 SS Hàm lƣợng chất rắn lơ lửng 11 IR Phƣơng pháp phổ hồng ngoại 12 Cat Chất xúc tác Học viên: Quách Thị Mến – MSHV: 131137 Tên đầy đủ LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP GVHD: PGS.TS Lê Xuân Thành DANH MỤC BẢNG: STT Bảng Nội dung Trang 1.1 Tính chất quang TiO2 1.2 Số liệu tính chất cấu trúc TiO2 1.3 Sản lƣợng titan đioxit giới qua số năm 11 1.4 Thế khử chuẩn số tác nhân oxy hóa 17 1.5 Thuốc nhuộm phát sinh chất ô nhiễm nƣớc thải dệt nhuộm 31 1.6 Đặc tính số loại nƣớc thải nhuộm 33 3.1 Hiệu quang xúc tác mẫu TiO2-Al(OH)3 44 3.2 Hiệu quang xúc tác mẫu TiO2-ZnO 46 3.3 Hiệu quang xúc tác mẫu TiO2-SiO2 47 10 3.4 Khảo sát quang xúc tác TiO2-SiO2 theo thời gian nghiền 49 11 3.5 Ảnh hƣởng lƣợng TiO2-SiO2(mẫu 3.2) đến khả quang xúc tác 50 12 3.6 Ảnh hƣởng thời gian khuấy trộn đến khả quang xúc tác 51 13 3.7 Ảnh hƣởng nồng độ MB đến khả quang xúc tác 14 3.8 Kết xử lí nƣớc thải nhuộm 58 Học viên: Quách Thị Mến – MSHV: 131137 53 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP GVHD: PGS.TS Lê Xuân Thành DANH MỤC HÌNH STT Hình Nội dung Trang 1.1 Hình ảnh bột TiO2 1.2 Cấu trúc pha tinh thể rutile 1.3 Cấu trúc pha tinh thể anatase 1.4 Cấu trúc pha tinh thể brookite 1.5 Hình khối bát diện TiO2 1.6 Sự biến đổi tính chất bề mặt TiO2 theo điều kiện môi trƣờng 10 1.7 Sơ đồ ứng dụng quang xúc tác TiO2 12 1.8 Lƣợng TiO2 sử dụng hàng năm lĩnh vực xúc tác quang 12 1.9 Kính chống đọng sƣơng 19 10 1.10 Cơ chế trình Quang xúc tác TiO2 18 11 1.11 Máy nghiền bi khai thác vàng Peru 12 1.12 Quá trình nghiền khô có thêm phụ gia muối sản xuất hạt 23 nano 23 13 1.13 Các hạt nano ZnO sản xuất theo phƣơng pháp nghiền bi 24 14 1.14 Sơ đồ trình xúc tác quang 36 15 2.1 Sơ đồ chế tạo TiO2 với chất biến tính SiO2, ZnO hay Al(OH)3 37 16 2.2 Sự nhiễu xạ chùm tia X mạng tinh thể 39 17 2.3 Sơ đồ máy nhiễu xạ tia X phân tích tinh thể học 39 18 3.1 Giản đồ XRD mẫu TiO2 43 19 3.2 Ảnh SEM TiO2 44 20 3.3 Hiệu quang xúc tác mẫu TiO2-Al(OH)3 45 21 3.4 Hiệu quang xúc tác mẫu TiO2-ZnO 46 3.5 Hiệu quang xúc tác mẫu TiO2-SiO2 48 22 23 3.6 Hiệu quang xúc tác mẫu TiO2-SiO2 theo thời gian Học viên: Quách Thị Mến – MSHV: 131137 49 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP GVHD: PGS.TS Lê Xuân Thành nghiền 24 3.7 Ảnh hƣởng lƣợng TiO2-SiO2 (mẫu 3.2) đến khả quang xúc tác 50 25 3.8 Ảnh hƣởng thời gian khuấy trộnđến khả quang xúc tác 26 3.9 52 Ảnh hƣởng nồng độ xanh methylen đến khả quang xúc tác 53 27 3.10a Giản đồ XRD mẫu TiO2- SiO2 (mẫu 3.2) 54 28 3.10b Ảnh SEM mẫu 3.2 55 29 3.11 Phổ hồng ngoại mẫu SiO2 55 30 3.12 Phổ hồng ngoại mẫu TiO2 56 31 3.13 Phổ hồng ngoại mẫu TiO2-SiO2 (mẫu 3.2) 56 32 3.14 Đƣờng đẳng nhiệt hấp phụ BET hệ mẫu 3.2 N2 77,6K 57 33 3.15 Nƣớc thải nhuộm trƣớc sau xử lý Học viên: Quách Thị Mến – MSHV: 131137 58 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP Học viên: Quách Thị Mến – MSHV: 131137 GVHD: PGS.TS Lê Xuân Thành LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP GVHD: PGS.TS Lê Xuân Thành LỜI MỞ ĐẦU Ô nhiễm môi trƣờnghiện Việt Nam nói riêng giới nói chung có diễn biến vô phức tạp Sự ô nhiễm ngày trầm trọng diễn diện rộng đe dọa đến tồn phát triển bền vững ngƣời loài sinh vật Qua có nhiều nhà khoa học nƣớc nghiên cứu giải pháp nhằm hạn chế, giảm thiểu tác nhân gây ô nhiễm đồng thời tìm phƣơng pháp xử lý chất làm ô nhiễm môi trƣờng Trong phƣơng pháp mới, phƣơng pháp xúc tác quang nhiều kỹ thuật hứa hẹn có khả ứng dụng cao Vật liệu TiO2 chất bán dẫn có tính quang xúc tác mạnh việc ứng dụng môi trƣờng, có nhiều công trình nƣớc nghiên cứu vật liệu Chỉ việc chiếu sáng, nhà nghiên cứu nhận thấy chất hữu cơ, chất bẩn bị phân hủy Đặc biệt môi trƣờng nƣớc, dƣới tác dụng ánh sáng có mặt TiO2, hợp chất ô nhiễm dễ dàng bị phân hủy Với hoạt tính quang xúc tác cao, cấu trúc bền không độc, vật liệu TiO2 đƣợc cho vật liệu triển vọng để giải nhiều vấn đề môi trƣờng nghiêm trọng thách thức từ ô nhiễm TiO2 đồng thời đƣợc hy vọng mang đến lợi ích to lớn vấn đề khủng hoảng lƣợng qua sử dụng lƣợng mặt trời Với độ rộng vùng cấm khoảng 3,2eV-3,5eV, vật liệu TiO2 cho hiệu ứng xúc tác vùng ánh sáng tử ngoại (UV) Tuy nhiên, xạ UV chiếm khoảng [...]... các muối trực tiếp vào trong gel kết tinh thủy nhiệt tạo ra vật liệu TiO2 nano biến tính Các kiểu TiO2 biến tính: Ngoài titan đioxit tinh khiết, ngƣời ta có các kiểu titan đioxit biến tính nhƣ sau: - TiO2 đƣợc biến tính bởi nguyên tố kim loại (Fe, Zn, Cu, ) - TiO2 đƣợc biến tính bởi nguyên tố không kim loại (N, B, C, F, S, ) - TiO2 đƣợc biến tính bởi hỗn hợp (vật liệu nano đồng biến tính bởi Cl- hoặc... Lê Xuân Thành Để tăng cƣờng hoạt tính quang xúc tác của TiO2 trong vùng ánh sáng trông thấy, xúc tác quang hoá TiO2 nano đƣợc tổng hợp bằng các phƣơng pháp mới nhƣ sol - gel thuỷ nhiệt trong môi trƣờng axit, đồng thời biến tính nano TiO2 (doping) với kim loại chuyển tiếp và phi kim bằng phƣơng pháp trực tiếp (đƣa vào trong gel) và gián tiếp (đƣa vào sau tổng hợp) Biến tính nano TiO2 với các kim loại... hai dạng thù hình rutile và anatase của TiO2 và đây là nguyên nhân của một số sự khác biệt về tính chất giữa chúng Tính chất và ứng dụng của TiO2 phụ thuộc rất nhiều vào cấu trúc tinh thể các dạng thù hình và kích thƣớc hạt của các dạng thù hình này Chính vì vậy khi điều chế TiO2 cho mục đích ứng dụng thực tế cụ thể ngƣời ta thƣờng quan tâm đến kích thƣớc, diện tích bề mặt và cấu trúc tinh thể của... sợi tổng hợp và một lƣợng nhỏ trong công nghiệp hƣơng liệu Các yêu cầu đòi hỏi đối với sản phẩm là rất đa dạng và phụ thuộc vào công dụng của chúng Titan đioxit là một vật liệu cơ bản trong cuộc sống hàng ngày của chúng ta: - Trong công nghiệp cao su:Làm phụ gia và chất độn để tăng cƣờng tính chịu lực, ma sát và chịu nhiệt, tăng tính cách điện, bền axit và bazơ - Trong công nghiệp nhựa, polymer:Sử dụng. .. học 1.2 Tính năng quang xúc tác Titan đioxit ngoài tính chất là vật liệu khối thì nó còn đƣợc biểu hiện ở một số tính chất khác nữa: Tính chất cấu trúc về hình thái, tính chất điện, tính chất từ, tính chất quang xúc tác… đặc biệt hoạt tính quang xúc tác đƣợc quan tâm nhất Khái niệm quang xúc tác ra đời vào năm 1930 Trong hóa học, khái niệm này dùng để nói đến những phản ứng xảy ra dƣới tác dụng đồng... được biến tính bởi các kim loại Các phƣơng pháp điều chế vật liệu TiO2 biến tính bởi kim loại có thể đƣợc chia ra thành các loại: Phƣơng pháp ƣớt, xử lý nhiệt độ cao, và cấy ghép ion vào trong vật liệu TiO2 Phƣơng pháp ƣớt thƣờng bao gồm: Thủy phân chất đầu chứa Ti trong hỗn hợp của nƣớc và những chất phản ứng khác, kèm theo quá trình gia nhiệt Theo tài liệu [8], các tác giả đã thực hiện nhiều nghiên cứu. .. NGHIỆP GVHD: PGS.TS Lê Xuân Thành định biến tính bằng Lantan có thể hạn chế sự chuyển pha của TiO2, tăng cƣờng mức độ bền nhiệt của TiO2, giảm kích thƣớc tinh thể và tăng hàm lƣợng Ti3+ trên bề mặt Các nhà nghiên cứu đã điều chế đƣợc TiO2 dạng anatase kích thƣớc nano đƣợc biến tính bởi các kim loại: W, V, Ce, Zr, Fe và Cu bằng phƣơng pháp gia nhiệt hỗn hợp phản ứng và nhận thấy quá trình hình thành dung... đối với LiTiO2 và thấp nhất đối với K-TiO2 [8] Một số nhà khoa học đã tổng hợp vật liệu TiO2 biến tính bởi các kim loại nhƣ Cr, V, Fe, Co bằng chùm cảm ứng CVD và nhận thấy TiO2 kết tinh trong cấu trúc anatase hay rutile phụ thuộc vào loại cation và hàm lƣợng cation đối với quá trình phân ly cục bộ của cation đó trong dạng tồn tại M2O sau khi nhiệt luyện [8] 1.4.2Vật liệu TiO2 được biến tính bởi các... ÷ 300 m2/g, phụ thuộc vào phƣơng pháp chế tạo và phạm vi ứng dụng Bề mặt titan đioxit đƣợc bão hòa bởi liên kết phối trí của nƣớc Phụ thuộc vào loại liên kết của nhóm hydroxyl với titan, những nhóm chức này sẽ mang tính axit hay bazơ [11] Tính phân cực của bề mặt TiO2 và đặc điểm của nhóm hydroxyl là những yếu tố chính ảnh hƣởng tới tính chất phân tán trong môi trƣờng lỏng hay tính bền thời tiết của... thống về quá trình biến tính TiO2 kích thƣớc nanomet với 21 ion kim loại bằng phƣơng pháp sol-gel và nhận thấy sự có mặt của các ion kim loại này trong thành phần của TiO2 gây ảnh hƣởng đáng kể tới hoạt tính quang học, tốc độ tái kết hợp các vật liệu tải, và tốc độ chuyền electron bề mặt Trong số đó, đã phát triển TiO2 biến tính bởi ion La3+ bằng quá trình tạo sol-gel Kết quả của nghiên cứu đã khằng Học