Nghiên cứu biến tính quặng ilmenite đã được làm giàu bằng n để ứng dụng xử lý các chất hữu cơ ô nhiễm trong vùng khả kiến

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN - Chu Thị Trà NGHIÊN CỨU BIẾN TÍNH QUẶNG ILMENITE ĐÃ ĐƢỢC LÀM GIÀU BẰNG N ĐỂ ỨNG DỤNG XỬ LÝ CÁC CHẤT HỮU CƠ Ô NHIỄM TRONG VÙNG KHẢ KIẾN LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội – Năm 2015 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN - Chu Thị Trà NGHIÊN CỨU BIẾN TÍNH QUẶNG ILMENITE ĐÃ ĐƢỢC LÀM GIÀU BẰNG N ĐỂ ỨNG DỤNG XỬ LÝ CÁC CHẤT HỮU CƠ Ô NHIỄM TRONG VÙNG KHẢ KIẾN Chuyên ngành: Hóa Môi Trƣờng Mã số: 60440120 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC HDKH: TS NGUYỄN MINH PHƢƠNG Hà Nội – Năm 2015 LỜI CẢM ƠN Luận văn hoàn thành Phòng thí nghiệm Hóa Môi trường , Khoa Hóa học - Trường Đại học Khoa học Tự nhiên - ĐHQG Hà Nội Để hoàn thành luận văn này, em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới trường Đại học Khoa học tự nhiên, Khoa Hóa học đặc biệt TS Nguyễn Minh Phương người trực tiếp giao cho em đề tài hướng dẫn, dìu dắt em tận tình trình thực Xin chân thành cảm ơn em Lục Đức Việt – sinh viên K56B Khoa Hóa học nhiệt tình giúp đỡ suốt trình hoàn thành luận văn Em xin gửi lời cảm ơn đến thầy cô bạn PTN Hóa môi trường, Khoa Hóa học - Trường Đại học Khoa học Tự nhiên - ĐHQG Hà Nội tận tình bảo tạo điều kiện cho em thời gian thực hiên đề tài Cuối cùng, em xin tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến gia đình, bạn bè quan tâm, giúp đỡ em suốt khóa học Em xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, ngày tháng 11 năm 2015 Học viên Chu Thị Trà DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Abs: Độ hấp thụ quang CB: Vùng dẫn Eg: Năng lƣợng vùng cấm RhB: Rhodamine B VB: Vùng hóa trị DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1 Tình hình khai thác ilmenite số quốc gia giới giai đoạn 2001-2004 15 Bảng 1.2 Thành phần hóa học quặng ilmenit 17 Bảng 2.1 Nồng độ dãy chuẩn RhB 33 Bảng 3.1 Hiệu suất xử lý RhB N-TiO2 điều chế theo phương pháp 1,2 mẫu TiO2 không biến tính 38 Bảng 3.2 Ảnh hưởng tỉ lệ ure/TiO2 tới hiệu suất xử lý RhB vật liệu N-TiO2 39 Bảng 3.3 Ảnh hưởng nhiệt độ thủy nhiệt tới hiệu suất xử lý RhB vật liệu 41 Bảng 3.4 Ảnh hưởng thời gian thủy nhiệt đến hiệu suất xử lý RhB vật liệu 42 Bảng 3.5 Ảnh hưởng thể tích dung môi tới hiệu suất xử lý RhB vật liệu 44 Bảng 3.6 Ảnh hưởng nhiệt độ nung đến hiệu xuất xử lý RhB vật liệu 45 Bảng 3.7 Ảnh hưởng thời gian nung đến hiệu suất xử lý RhB vật liệu 47 Bảng 3.8 Hiệu suất xử lý RhB vật liệu N-TiO2 ánh sáng mặt trời 50 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1 Cơ chế xúc tác quang chất bán dẫn Hình 1.2 Cấu trúc tinh thể dạng thù hình TiO2 Hình 1.3 Hình khối bát diện TiO2 Hình 1.4 Giản đồ lượng anatase rutile Hình 1.5 Sự hình thành gốc OH• O2- Hình 1.6 Hình ảnh cấu trúc Ilmenite 16 Hình 1.7 Giản đồ X-ray quặng ilmenite Hà Tĩnh 17 Hình 1.8 Sơ đồ công nghệ sản xuất TiO2 phương pháp axit sunfuric 20 Hình 1.9 Sơ đồ công nghệ sản xuất TiO2 phương pháp clo hóa 22 Hình 1.10 Sơ đồ quy trình công nghê ̣ nung phân giải quặng ilmenit e bằ ng amoni hyđrô sunfat 22 Hình 1.11 Sơ đồ công nghệ điều chế TiO2 từ quặng ilmenite theo phương pháp amoniflorua 25 Hình 1.12 Công thức cấu tạo RhB 25 Hình 2.1 Sơ đồ tổng hợp vật liệu TiO2 không biến tính 29 Hình 2.2 Sơ đồ tổng hợp vật liệu N-TiO2 theo phương pháp đồng kết tủa 30 Hình 2.3 Sơ đồ tổng hợp vật liệu N-TiO2 theo phương pháp thủy nhiệt 31 Hình 2.4 Đường chuẩn xác định nồng độ RhB 34 Hình 2.5 Nhiễu xạ tia X theo mô hình Bragg 35 Hình 3.1 Hiệu suất xử lý RhB mẫu TiO2 mẫu N-TiO2 39 Hình 3.2 Ảnh hưởng tỉ lệ ure/TiO2 tới hiệu suất xử lý RhB vật liệu N-TiO 40 Hình 3.3 Ảnh hưởng nhiệt độ thủy nhiệt đến hiệu suất xử lý RhB vật liệu 41 Hình 3.4 Ảnh hưởng thời gian thủy nhiệt đến hiệu suất xử lý RhB vật liệu 43 Hình 3.5 Ảnh hưởng thể tích dung môi đến hiệu suất xử lý RhB vật liệu 44 Hình 3.6 Ảnh hưởng nhiệt độ nung đến hiệu xuất xử lý RhB vật liệu 46 Hình 3.7 Ảnh hưởng thời gian nung đến hiệu suất xử lý RhB vật liệu 47 Hình 3.8 Giản đồ XRD mẫu bột sản phẩm N-TiO2 48 Hình 3.9 Ảnh SEM mẫu vật liệu N-TiO2 49 Hình 3.10 Phổ UV-VIS bột sản phẩm TiO2 N-TiO2 49 Hình 3.11 Hiệu suất xử lý RhB vật liệu N-TiO2 ánh sáng mặt trời 51 MỤC LỤC MỞ ĐẦU Chƣơng - TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan vật liệu TiO2 1.1.1 Giới thiệu vật liệu bán dẫn 1.1.2 Xúc tác quang hóa 1.1.3 Tính chất chế hoạt động vật liệu quang xúc tác bán dẫn TiO2 1.1.4 Ứng dụng TiO2 1.1.5 Các phƣơng pháp biến tính TiO2 11 1.2 Tổng quan quặng ilmenite 15 1.2.1 Nguồn gốc trữ lƣợng 15 1.2.2 Thành phần hóa học 16 1.2.3 Ứng dụng quặng ilmenite 18 1.2.4 Các phƣơng pháp làm giàu quặng ilmenite 18 1.3 Thực trạng ô nhiễm phẩm nhuộm nƣớc ta 25 1.4 Tổng quan RhB 26 1.4.1 Công thức cấu tạo 26 1.4.2 Tính chất vật lí 27 1.4.3 Ứng dụng RhB 27 Chƣơng - THỰC NGHIỆM VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 28 2.1 Đối tƣợng nghiên cứu 28 2.2 Mục tiêu nghiên cứu 28 2.3 Nội dung nghiên cứu 28 2.4 Thực nghiệm 28 2.4.1 Hóa chất dụng cụ 28 2.4.2 Tổng hợp vật liệu N-TiO2 kích thƣớc nano từ quặng ilmenite đƣợc làm giàu 29 2.4.3 Khảo sát yếu tố ảnh hƣởng trình tổng hợp vật liệu 31 2.4.4 Khảo sát hoạt tính quang xúc tác vật liệu 32 2.5 Phƣơng pháp định lƣợng RhB 32 2.6 Các phƣơng pháp xác định đặc trƣng vật liệu 34 2.6.1 Phƣơng pháp nhiễu xạ tia X (XRD) 34 2.6.2 Kính hiển vi điện tử quét (Scanning Electron Microscope - SEM) 36 2.6.3 Phƣơng pháp phổ khuếch tán phản xạ UV – VIS (Ultra Violet – Visible Diffuse Reflectance Spectrocospy) 36 Chƣơng - KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 38 3.1 So sánh hoạt tính quang xúc tác vật liệu N-TiO2 TiO2 38 3.2 Khảo sát điều kiện tổng hợp vật liệu theo phƣơng pháp thủy nhiệt 39 3.2.1 Ảnh hƣởng tỉ lệ Ure/TiO2 39 3.2.2 Ảnh hƣởng điều kiện thuỷ nhiệt tới hiệu suất phân hủy RhB vật liệu 40 3.2.3 Ảnh hƣởng điều kiện nung tới hiệu suất xử lý RhB N-TiO2 45 3.3 Các đặc trƣng cấu trúc vật liệu quang xúc tác N-TiO2 48 3.3.1 Thành phần pha vật liệu - phổ XRD 48 3.3.2 Hình thái bề mặt vật liệu - ảnh SEM 49 3.3.3 Khả hấp thụ ánh sáng vật liệu - Phổ UV-VIS 49 3.4 Khảo sát khả quang xúc tác vật liệu điều kiện ánh sáng mặt trời 50 KẾT LUẬN 52 TÀI LIỆU THAM KHẢO 53 PHỤ LỤC 56 Trường ĐH KHTN – ĐHQGHN Luận văn thạc sĩ khoa học MỞ ĐẦU Trong xã hội đại ngày nay, ô nhiễm môi trƣờng trở thành vấn đề quan tâm hàng đầu nhân loại Loài ngƣời phải gánh chịu hậu ô nhiễm môi trƣờng hoạt động gây Để khắc phục hậu đó, nhà khoa học không ngừng nghiên cứu, tìm tòi phƣơng pháp nhằm xử lý, hạn chế ảnh hƣởng chất ô nhiễm Trong đó, nghiên cứu sử dụng quang xúc tác bán dẫn để ứng dụng xử lý chất hữu ô nhiễm đạt đƣợc thành tựu định TiO2 quang xúc tác quan trọng thu hút đƣợc nhiều quan tâm tính chất quang xúc tác mạnh, tính bền hóa học, chi phí thấp thân thiện với môi trƣờng [19] TiO2 có lƣợng vùng cấm khoảng 3.0eV – 3.2eV, TiO2 có khả xúc tác vùng ánh sáng UV, hiệu suất quang xúc tác trời thấp xạ UV chiếm khoảng 5% lƣợng mặt trời Để tăng hiệu suất quang xúc tác cần mở rộng phổ hấp thụ TiO2 vào vùng ánh sáng khả kiến (loại xạ chiếm đến 45% lƣợng mặt trời) Một phƣơng pháp hiệu để chế tạo vật liệu có khả quang xúc tác tốt vật liệu TiO2 pha tạp anion C, N, F, S Các nghiên cứu việc pha tạp nitơ có khả cải thiện hoạt tính TiO2 vùng khả kiến trạng thái (N-2p) chúng nằm vùng cấm, lân cận vùng hóa trị trạng thái (O-2p) Nhờ lƣợng vùng cấm quang (Eg) đƣợc thu hẹp lại [20] Có thể tổng hợp TiO2 từ nhiều nguồn nguyên liệu ban đầu khác nhau, nhiên, phƣơng pháp tổng hợp từ hoá chất tinh khiết có giá thành cao Việt Nam có nguồn tài nguyên ilmenite phong phú với hàm lƣợng TiO2 tƣơng đối cao (~50%) Do đó, việc nghiên cứu tổng hợp TiO2 từ quặng ilmenite hƣớng có ý nghĩa thực tiễn nhằm tận dụng nguyên liệu sẵn có, rẻ tiền để chế tạo đƣợc vật liệu xúc tác có chất lƣợng tốt, có khả ứng dụng vào thực tiễn Chính vậy, lựa chọn đề tài “Nghiên cứu biến tính quặng Ilmenite làm giàu N để ứng dụng xử lý chất hữu ô nhiễm vùng khả kiến” Chu Thị Trà – K23 Hóa Môi Trường Trường ĐH KHTN – ĐHQGHN Luận văn thạc sĩ khoa học Từ bảng 3.3 hình 3.3 thấy hiệu suất xử lý RhB tăng lên tăng nhiệt độ thuỷ nhiệt từ 130oC lên 150oC; nhiên tiếp tục tăng nhiệt độ lên 150oC hiệu suất xử lý giảm Với mẫu thủy nhiệt nhiệt độ 130oC, 140oC 150oC, vật liệu cho kết xử lý tốt 60’ chiếu sáng Điều giải thích tăng nhiệt độ cao, hạt tinh thể bị kết tụ với nhau, dẫn tới tăng kích thƣớc hạt, giảm hiệu xử lý, nhiệt độ thủy nhiệt thấp việc hình thành tinh thể chƣa đƣợc hoàn thiện Mẫu N-TiO2 thủy nhiệt 150oC có hiệu suất xử lý RhB tốt nhất, chọn nhiệt độ thủy nhiệt thích hợp 150oC cho quy trình tổng hợp vật liệu 3.2.2.2 Ảnh hưởng thời gian thủy nhiệt Mẫu bột TiO2 đƣợc đem thủy nhiệt với với điều kiện nhƣ sau: tỉ lệ % khối lƣợng Ure/TiO2 30%; thủy nhiệt 150oC thời gian từ 1h đến 6h; thể tích NH3 10ml; nung 400oC 2h Kết khảo sát hoạt tính quang xúc tác đƣợc trình bày bảng 3.4 hình 3.4 Bảng 3.4 Ảnh hưởng thời gian thủy nhiệt đến hiệu suất xử lý RhB vật liệu Hiệu suất xử lý RhB (%) Thời gian chiếu sáng (phút) 1h 2h 3h 4h 5h 6h 30' tối 3,42 3,50 5,52 5,71 3,00 1,86 30’ 35,72 39,20 54,32 74,5 32,50 28,38 60' 69,84 76,10 80,01 92,53 72,40 59,72 90’ 88,34 91,70 92,26 95,67 84,20 74,86 120' 96,19 96,51 96,87 97,56 93,10 88,06 Chu Thị Trà – K23 42 Hóa Môi Trường Trường ĐH KHTN – ĐHQGHN Luận văn thạc sĩ khoa học 100 90 Hiệu suất xử lý (%) 80 70 1h 60 50 2h 40 3h 30 4h 20 5h 10 6h 30' tối 30' 60' 90' 120' Thời gian chiếu sáng (phút) Hình 3.4 Ảnh hưởng thời gian thủy nhiệt đến hiệu suất xử lý RhB vật liệu Từ bảng 3.4 hình 3.4 thấy thời gian thủy nhiệt có ảnh hƣởng tới hiệu suất xử lý RhB vật liệu Kết bảng cho thấy vật liệu thể hoạt tính quang xúc tác tốt khoảng thời gian thủy nhiệt từ 2h tới 4h, tốt 4h, tiếp tục tăng thời gian thủy nhiệt lên 6h hiệu xử lý giảm Điều đƣợc giải thích thời gian thủy nhiệt dài làm cho kết cấu vật liệu bi co cụm lại, dẫn tới kích thƣớc hạt tăng lên, ảnh hƣởng tới hiệu xử lý vật liệu, thời gian ngắn ảnh hƣởng tới việc hình thành tinh thể Từ kết khảo sát chọn thời gian thủy nhiệt thích hợp cho quy trình tổng hợp vật liệu 3.2.2.3 Ảnh hưởng thể tích dung môi thủy nhiệt Mẫu bột TiO2 đƣợc đem thủy nhiệt với Ure với điều kiện sau: tỉ lệ % khối lƣợng Ure/TiO2 30%; thủy nhiệt 150oC 4h; thể tích NH3 thay đổi từ 5ml đến 20ml; nung 400oC 2h Kết khảo sát hoạt tính quang xúc tác đƣợc trình bày bảng 3.5 hình 3.5 Chu Thị Trà – K23 43 Hóa Môi Trường Trường ĐH KHTN – ĐHQGHN Luận văn thạc sĩ khoa học Bảng 3.5 Ảnh hưởng thể tích dung môi tới hiệu suất xử lý RhB vật liệu Hiệu suất xử lý RhB (%) Hiệu suất xử lý (%) Thời gian chiếu sáng (phút) ml 10 ml 15 ml 20 ml 30' tối 5,28 5,71 5,52 4,99 30' 45,94 74,50 66,86 45,16 60' 86,27 92,53 88,76 63,59 90' 95,21 95,67 95,60 78,54 120' 97,20 97,56 97,31 96,24 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 5ml 10ml 15ml 20ml 30' tối 30' 60' 90' 120' Thời gian chiếu sáng (phút) Hình 3.5 Ảnh hưởng thể tích dung môi tới hiệu suất xử lý RhB vật liệu Kết bảng 3.5 hình 3.5 cho thấy áp suất thủy nhiệt có vai trò hình thành tinh thể vật liệu biến tính, đẩy dị nguyên tử vào mạng tinh thể TiO2 Kết khảo sát cho thấy sử dụng 10ml dung dịch NH3 làm dung môi thủy nhiệt vật liệu thu đƣợc có hoạt tính quang xúc tác cao Với lƣợng NH3 10 15ml, hiệu suất xử lý gần tƣơng đƣơng, nhƣng tiếp tục tăng lên 20ml hiệu suất lại giảm xuống Điều giải thích tăng lƣợng NH3 làm dung môi, áp suất thủy nhiệt tăng làm tinh thể kết tụ, tăng kích thƣớc hạt giảm hoạt tính quang xúc tác vật liệu Chu Thị Trà – K23 44 Hóa Môi Trường Trường ĐH KHTN – ĐHQGHN Luận văn thạc sĩ khoa học 3.2.3 Ảnh hưởng điều kiện nung tới hiệu suất xử lý RhB N-TiO2 Nhiệt độ thời gian nung có ảnh hƣởng đến kích thƣớc hạt nhƣ thành phần pha vật liệu Tăng nhiệt độ hay thời gian nung có th ể làm cho thành phần anatase vật liệu giảm; làm kích thƣớc hạt tăng, diện tích bề mặt vật liệu giảm, tốc độ trình tạo gốc hydroxyl *OH trình quang xúc tác TiO2 giảm từ làm giảm hiệu trình quang xúc tác vật liệu 3.2.3.1 Ảnh hưởng nhiệt độ nung Mẫu bột TiO2 đƣợc đem thủy nhiệt với với điều kiện nhƣ sau: tỉ lệ % khối lƣợng Ure/TiO2 30%; thủy nhiệt 150oC 4h; thể tích NH3 10ml; nhiệt độ nung thay đổi từ 300oC đến 600oC; thời gian nung 2h Kết khảo sát đƣợc trình bày bảng 3.6 hình 3.6 Bảng 3.6 Ảnh hưởng nhiệt độ nung đến hiệu xuất xử lý RhB vật liệu Hiệu suất xử lý RhB (%) Thời gian chiếu sáng (phút) 3000C 4000C 5000C 6000C 30' tối 0,68 5,71 1,81 0,39 30' 14,22 74,50 19,94 10,65 60' 44,04 92,53 67,79 61,58 90' 88,81 95,67 89,64 74,49 120' 92,38 97,56 92,52 89,93 150' 94,33 98,3 95,36 92,72 Chu Thị Trà – K23 45 Hóa Môi Trường Trường ĐH KHTN – ĐHQGHN Luận văn thạc sĩ khoa học 100.00 90.00 Hiệu suất xử lý (%) 80.00 70.00 60.00 300 50.00 400 40.00 500 30.00 600 20.00 10.00 0.00 30' tối 30's 60's 90's 120's Thời gian chiếu sáng (phút) 150's Hình 3.6 Ảnh hưởng nhiệt độ nung đến hiệu suất xử lý RhB vật liệu Từ bảng 3.6 hình 3.6 thấy, tăng nhiệt độ nung từ 300oC đến 600oC, hiệu suất phân huỷ RhB tăng lên, đạt cực đại 4000C, sau giảm xuống nhiệt độ nung tăng từ 400oC đến 600oC Điều giải thích trình nung vật liệu xảy trình chuyển pha từ vô định hình sang anatase Nếu tăng nhiệt độ cao xảy trình chuyển pha từ anatase sang pha rutile, làm giảm hoạt tính quang xúc tác vật liệu Do lựa chọn nhiệt độ nung thích hợp cho trình tổng hợp vật liệu 400oC 3.2.3.2 Ảnh hưởng thời gian nung Mẫu bột TiO2 đƣợc đem thủy nhiệt với với điều kiện nhƣ sau: tỉ lệ % khối lƣợng Ure/TiO2 30%; thủy nhiệt 150oC 4h; thể tích NH3 10ml; nhiệt độ nung 400oC; thời gian nung thay đổi từ 1h đến 4h Kết khảo sát đƣợc trình bày bảng 3.7 hình 3.7 Chu Thị Trà – K23 46 Hóa Môi Trường Trường ĐH KHTN – ĐHQGHN Luận văn thạc sĩ khoa học Bảng 3.7 Ảnh hưởng thời gian nung đến hiệu suất sử lý RhB vật liệu Hiệu suất xử lý RhB (%) Thời gian 1h 2h 3h 4h 30' tối 2,93 5,71 3,91 2,83 30' 16,67 74,50 64,13 34,02 60' 41,40 92,53 90,62 71,85 90' 74,63 95,67 92,77 89,36 120' 86,95 97,56 95,23 92,40 Hiệu suất xử lý (%) chiếu sáng (phút) 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 1h 2h 3h 4h 30' tối 30' 60' 90' 120' Thời gian chiếu sáng (phút) Hình 3.7 Ảnh hưởng thời gian nung đến hiệu suất xử lý RhB vật liệu Từ hình 3.7 cho thấy, thời gian nung có ảnh hƣởng đến hiệu suất phân hủy RhB vật liệu Khi tăng thời gian nung hiệu suất phân hủy RhB tăng, đạt cực đại thời gian nung 2h Khi tiếp tục tăng thời gian nung, hoạt tính quang xúc tác vật liệu lại giảm xuống Điều giải thích tăng thời gian nung từ 1h00-2h00 trình chuyển pha từ vô định hình thành anatase đạt mức độ tăng dần thời gian nung đạt 2h trình chuyển pha xảy gần nhƣ hoàn toàn Thời gian nung kéo dài dẫn tới tƣợng kết tụ làm tăng kích thƣớc hạt, làm giảm hiệu suất quang xúc tác Từ kết cho thấy thời gian nung tối ƣu 2h Chu Thị Trà – K23 47 Hóa Môi Trường Trường ĐH KHTN – ĐHQGHN Luận văn thạc sĩ khoa học 3.3 Các đặc trƣng cấu trúc vật liệu quang xúc tác N-TiO2 Các đặc trƣng cấu trúc vật liệu N-TiO2 đƣợc tổng hợp theo phƣơng pháp thủy nhiệt với điều kiện tối ƣu đƣợc khảo sát Các điều kiện tổng hợp tối ƣu nhƣ sau: - Tỉ lệ % khối lƣợng Ure/TiO2: 30% - Nhiệt độ thủy nhiệt: 150oC - Thời gian thủy nhiệt: 4h - Lƣợng NH3 sử dụng làm môi trƣờng: 10ml - Nhiệt độ nung: 400oC, thời gian nung: 2h 3.3.1 Thành phần pha vật liệu - phổ XRD Trên giản đồ XRD (hình 3.8) cho thấy mẫu tổng hợp đƣợc có cấu trúc đơn pha anatase chiếm 92.48% với pic đặc trƣng góc 2θ = 25,3o; 37,8o; 47,7o; 54,0o 62,4o kích thƣớc hạt đƣơ ̣c tin ́ h theo phƣơng trin ̀ h Debye - Scherrer cho kế t quả khoảng 36.4 nm Faculty of Chemistry, HUS, VNU, D8 ADVANCE-Bruker - Sample N-TiO2 340 330 320 310 300 d=3.514 290 280 270 260 250 240 230 220 210 Lin (Cps) 200 190 180 170 160 150 140 130 80 70 60 50 40 d=1.365 d=1.699 90 d=1.483 100 d=1.671 d=2.370 110 d=1.891 120 30 20 10 20 30 40 50 60 70 2-Theta - Scale File: Viet K56B mau N-TiO2.raw - Type: 2Th/Th locked - Start: 20.000 ° - End: 70.010 ° - Step: 0.030 ° - Step time: 0.8 s - Temp.: 25 °C (Room) - Time Started: 15 s - 2-Theta: 20.000 ° - Theta: 10.000 ° - Chi: 1) Left Angle: 23.872 ° - Right Angle: 26.662 ° - Left Int.: 67.8 Cps - Right Int.: 62.5 Cps - Obs Max: 25.337 ° - d (Obs Max): 3.512 - Max Int.: 255 Cps - Net Height: 190 Cps - FWHM: 0.535 ° - Chord Mid.: 01-078-2486 (C) - Anatase, syn - TiO2 - Y: 92.48 % - d x by: - WL: 1.5406 - Tetragonal - a 3.78450 - b 3.78450 - c 9.51430 - alpha 90.000 - beta 90.000 - gamma 90.000 - Body-centered - I41/amd (141) - Hình 3.8 Giản đồ XRD mẫu vật liệu N-TiO2 Chu Thị Trà – K23 48 Hóa Môi Trường Trường ĐH KHTN – ĐHQGHN Luận văn thạc sĩ khoa học 3.3.2 Hình thái bề mặt vật liệu - ảnh hiển vi điện tử quét SEM Hình 3.9 Ảnh SEM mẫu vật liệu N-TiO2 Từ hình ảnh cho thấy bề mặt vật liệu đồng tƣơng đối xốp; kích thƣớc hạt đồng 3.3.3 Khả hấp thụ ánh sáng vật liệu - Phổ UV-VIS Phổ UV-Vis vật liệu N-TiO2 TiO2 đƣợc trình bày hình 3.10 TiO2 TiO2_N 4.5 Cƣờng độ hấp thụ 3.5 2.5 1.5 0.5 300 400 500 600 700 Bƣớc sóng (nm) 800 900 1000 Hình 3.10 Phổ UV-VIS mẫu vật liệu TiO2 N-TiO2 Chu Thị Trà – K23 49 Hóa Môi Trường Trường ĐH KHTN – ĐHQGHN Luận văn thạc sĩ khoa học Kết hình 3.10 cho thấy vật liệu TiO2 có độ hấp thụ quang cực đại vùng ánh sáng có λ < 400 nm, vật liệu N-TiO2 có bƣớc sóng hấp thụ đƣợc mở rộng sang vùng ánh sáng khả kiến (400 – 600 nm) so với vật liệu TiO2 không biến tính Điều lý giải cho khả quang xúc tác vùng ánh sáng khả kiến vật liệu N-TiO2 cao so với vật liệu TiO2 không pha tạp 3.4 Khảo sát khả quang xúc tác vật liệu điều kiện ánh sáng mặt trời Thí nghiệm đƣợc tiến hành sân khoa Hóa học – 19 Lê Thánh Tông, thời gian từ 12h30 đến 15h, trời nắng, nhiệt độ trung bình 34oC Kết thu đƣợc thể bảng 3.8 hình 3.11 Bảng 3.8 Hiệu suất xử lý RhB vật liệu N-TiO2 ánh sáng mặt trời Thời gian Hiệu suất xử lý RhB (%) Dùng lƣợng ánh chiếu sáng (phút) Dùng đèn compact 30’ tối 5,71 7,38 30’ 74,50 78,40 60’ 92,53 96,51 90’ 95,67 98,45 120’ 97,56 99,12 sáng mặt trời Kết khảo sát cho thấy vật liệu có khả quang xúc tác dƣới điều kiện ánh sáng mặt trời tốt so với sử dụng đèn compact, sau 120 phút chiếu sáng, hiệu suất xử lý đạt 99% Nhƣ vật liệu N-TiO2 tổng hợp có khả ứng dụng vào thực tiễn Chu Thị Trà – K23 50 Hóa Môi Trường Trường ĐH KHTN – ĐHQGHN Luận văn thạc sĩ khoa học 100 Hiệu suất xử lý (%) 90 80 70 60 50 40 Đèn compact 30 Ánh sáng mặt trời 20 10 30' tối 30' 60' 90' 120' Thời gian chiếu sáng (phút) Hình 3.11 Hiệu suất xử lý RhB vật liệu N-TiO2 ánh sáng mặt trời Chu Thị Trà – K23 51 Hóa Môi Trường Trường ĐH KHTN – ĐHQGHN Luận văn thạc sĩ khoa học KẾT LUẬN Đã đƣa đƣợc quy trình tổng hợp vật liệu N-TiO2 kích thƣớc nano từ nguồn quặng ilmenite nƣớc với điều kiện tối ƣu cho trình tổng hợp vật liệu: tỉ lệ % khối lƣợng ure/TiO2 30%; thủy nhiệt 1500C 4h; thể tích NH3 sử dụng trình thủy nhiệt 10ml; nung 4000C 2h Vật liệu thu đƣợc có thành phần pha chủ yếu anatase, khả hấp thụ ánh sáng vùng khả kiến đƣợc nâng cao rõ rệt, bề mặt vật liệu tƣơng đối đồng Vật liệu thể hoạt tính quang phân hủy tốt RhB, hiệu suất phân hủy RhB (20mg/l) lên tới 98% sau 150 phút chiếu sáng đèn compact Vật liệu N-TiO2 có hoạt tính quang xúc tác phân hủy RhB tốt sử dụng nguồn ánh sáng tự nhiên Hiệu suất xử lý RhB (20mg/l) đạt 99% sau 120 phút chiếu sáng Chu Thị Trà – K23 52 Hóa Môi Trường Trường ĐH KHTN – ĐHQGHN Luận văn thạc sĩ khoa học TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt: Đại học Quốc Gia TP.HCM (2010), Báo cáo tổng hợp kết khoa học công nghệ đề tài nghiên cứu chế tạo bột TiO2 kích thước nanomet ứng dụng, Mã số: KC 02.27/06-10, tr 12-13 Lý Thanh Loan (2011), Nghiên cứu điều chế, khảo sát cấu trúc, hoạt tính quang xúc tác bột titan đioxit kích thước nano biến tính ure, Luận văn Thạc sĩ Hóa học, Đại học Khoa học Tự nhiên – ĐHQGHN Phạm Luận (2004), Cơ sở lý thuyết phương pháp phân tích phổ hấp thụ quang phân tử UV-Vis, NXB Đại học Quốc gia Hà Nội, Hà Nội Ngô Sỹ Lƣơng (2005), “Ảnh hƣởng yếu tố trình điều chế đến kích thƣớc hạt trung bình cấu trúc tinh thể bột TiO2”, Tạp chí khoa học ĐHQGHN, KHTN&CN T.XXI, số 2, tr21 Nguyễn Hoàng Nghị (2002), Lý thuyết nhiễu xạ tia X, Nhà xuất Giáo dục, Hà Nội Hoàng Nhâm (2005), Hóa học vô tập 3, Nhà xuất Giáo dục, Hà Nội Cao Hùng Thái (2006), “Xây dựng quy trình công nghệ nung khử quặng ilmenit tách sắt kim loại để thu sản phẩm titanđioxit 92 – 94 % TiO2”, Báo cáo tổng kết đề tài khoa học công nghệ cấp năm 2005 Mã số BO/05/03 – 01 Hoàng Thế, Nghiêm Thị Hiển, Nguyễn Xuân Quang, Trần Đức Phiến (2005), Sản xuất bột màu TiO2 phương pháp axit clohydric, Tuyển tập công trình nghiên cứu khoa học – công nghệ 50 năm Viện Hoá học công nghiệp Vũ Thị Hạnh Thu (2008), Nghiên cứu chế tạo màng quang xúc tác TiO2 TiO2 pha tạp N (TiO2:N), Luận án Tiến sĩ Vật lý, Đại học Khoa học Tự nhiên- ĐHQGHCM 10 Nguyễn Mạnh Tiến (2014), Nghiên cứu, khảo sát cấu trúc, tính chất ứng Chu Thị Trà – K23 53 Hóa Môi Trường Trường ĐH KHTN – ĐHQGHN Luận văn thạc sĩ khoa học dụng TiO2 kích thước nano, Luận án Tiến sĩ Hóa học, Đại học Khoa học Tự nhiên –ĐHQGHN, tr18 11 Trần Mạnh Trí, Trần Mạnh Trung (2006), Các trình oxi hóa nâng cao xử lý nước thải, sở khoa học ứng dụng, NXB Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội, 12 Hoàng Anh Tuấn cộng (2010), “Nghiên cứu điều chế bột TiO2 chất lƣợng cao từ quặng ilmenit theo phƣơng pháp amoni florua”, Tạp chí Hoá học 48 (5B), tr.52-57 13 Nguyễn Quang Vinh (2014), Nghiên cứu tổng hợp vật liệu TiO2 nano từ quặng Ilmenite Hà Tĩnh, ứng dụng xử lý phẩm màu Rhodamine B, Luận văn tốt nghiệp, Đại học Khoa học Tự nhiên – ĐHQGHN Tiếng Anh: 14 Baorang Li, Xiaohui Wang, Minyu Yan, Longtu Li (2002), “Preparation and characterization of nano – TiO2 powder”, Materials Chistry and Physics, 78, pp 184-188 15 Chung-Sik Kim, Il- Min Kwon, Byung Kee Moon, Jung Hyun Jeong, Byung Chun Choi, Jung Hwan Kim, Heayoung Choi, Soung Soo Yi, Dea- Hawng Yoo, Kyong – Soo Hong, Jong- Ho Park, Ho Sued Lee (2007), “Synthesis and particle size efect on the phase tranfomation of nanocrystalline TiO2”, Material Sicience and Engineering, pp 1343-1346 16 Choi W., Termin A., Hoffmann M R (1994), "The role of metal ion dopants in quantum-sized TiO2: correlation between photoreactivity and charge carrier recombination dynamics", Journal of Physical Chistry, 98, pp 13669-13679 17 Daniel M.Blake, Pin-Ching Maness, Zheng Huang, Edward J.Wolfrum and Jie Chu Thị Trà – K23 54 Hóa Môi Trường Trường ĐH KHTN – ĐHQGHN Luận văn thạc sĩ khoa học Huang (1999), “Application of the photocatalytic chistry of titanum dioxide to disinfection and the killing of cancer cells”, Separation and Purification Methods, pp.1-50 18 Fujishima Akira et al (1999), Study on the photocatalytic degradation of insecticide methomyl in water, Desalination, 262, pp 283-234 19 Gang Liu, Chenghua Sun, Sean C.Smith, iannzhou Wang, Gao Qing…(2010), “Sulfur doped anatase TiO2 single crystals with a hight percentage of {001} facets”, Journal of colloid and Interface Science, 349, pp 477-483 20 Pin-Ching Maness et al , (1999), “Bactericidal Activity of Photocatalytic TiO2 Reaction: toward an Understanding of Its Killing Mechanism”, Appl Environ Microbiol, 65(9), pp 4094–4098 21 Roland Bendix, Frank Dehn, Tana Quaas, Marko Orgass (2000), “Application of titanium dioxide photocatalysis to create self-cleaning building material”, Lacer, No 5, pp 157-169 22 Xiaobo Chen and Samuel S Mao (2007), “Titanium Dioxide Nanomaterials: Synthesis, Properties, Modifications, and Applications”, Chem Rev, vol.107, pp 2891 - 2959 23 I.M Kolthoff (1931), “Theory of coprecipitation, the formation and properties of crystalline precipitates”, School of Chistry of The University of Minnesota, pp 861-881 Chu Thị Trà – K23 55 Hóa Môi Trường Trường ĐH KHTN – ĐHQGHN Luận văn thạc sĩ khoa học PHỤ LỤC Kết phân tích mẫu quặng ilmenite Chu Thị Trà – K23 56 Hóa Môi Trường ... N I TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHI N - Chu Thị Trà NGHI N CỨU BI N TÍNH QUẶNG ILMENITE ĐÃ ĐƢỢC LÀM GIÀU BẰNG N ĐỂ ỨNG DỤNG XỬ LÝ CÁC CHẤT HỮU CƠ Ô NHIỄM TRONG VÙNG KHẢ KI N. .. học không ngừng nghi n cứu, tìm tòi phƣơng pháp nhằm xử lý, h n chế ảnh hƣởng chất ô nhiễm Trong đó, nghi n cứu sử dụng quang xúc tác b n d n để ứng dụng xử lý chất hữu ô nhiễm đạt đƣợc thành tựu... vậy, lựa ch n đề tài Nghi n cứu bi n tính quặng Ilmenite làm giàu N để ứng dụng xử lý chất hữu ô nhiễm vùng khả ki n Chu Thị Trà – K23 Hóa Môi Trường Trường ĐH KHTN – ĐHQGHN Lu n v n thạc sĩ