Nghiên cứu tổng hợp, đánh giá hoạt tính quang xúc tác của vật liệu BiVO4 và ứng dụng xử lý thuốc trừ sâu

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN VŨ NGỌC HẠNH NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP ĐÁNH GIÁ HOẠT TÍNH QUANG XÚC TÁC CỦA VẬT LIỆU BIVO4 VÀ ỨNG DỤNG XỬ LÝ THUỐC TRỪ SÂU LUẬN VĂN

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

VŨ NGỌC HẠNH

NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP ĐÁNH GIÁ HOẠT TÍNH QUANG XÚC TÁC CỦA VẬT LIỆU BIVO4 VÀ ỨNG DỤNG XỬ LÝ THUỐC TRỪ SÂU

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

HÀ NỘI – NĂM 2015

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

VŨ NGỌC HẠNH

NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP

VÀ ỨNG DỤNG XỬ LÝ THUỐC TRỪ SÂU

Chuyên ngành: Hóa Phân tích

Mã số: 60440118

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

HDC: TS Nguyễn Đức Văn HDP: PGS.TS Tạ Thị Thảo

HÀ NỘI – NĂM 2015

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan:

Những nội dung trong KLTN này là do tôi thực hiện dưới sự hướng dẫn trực tiếp của:

HDC: TS Nguyễn Đức Văn HDP: PGS.TS Tạ Thị Thảo Mọi tham khảo dùng trong KLTN đều được trích dẫn rõ ràng tên tác giả, tên công trình, thời gian, địa điểm công bố

Mọi sao chép không hợp lệ, vi phạm quy chế đào tạo, hay gian trá, tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm

Hà Nội, ngày 10 tháng 12 năm 2015

TÁC GIẢ

Vũ Ngọc Hạnh

LỜI CẢM ƠN

Nghiên cứu này được thực hiện tại Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam, Trường Đại học Khoa học tự nhiên –ĐHQG Hà Nội và Phòng Thí nghiệm của Cục Bảo vệ thực vật Việt Nam trong năm 2014-2015

Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn đến TS.Nguyễn Đức Văn đã hướng dẫn tôi rất nhiệt tình

và kiên nhẫn trong suốt quá trình nghiên cứu.Nếu không có sự hỗ trợ của ông, công việc nghiên cứu này không bao giờ có thể được hoàn thành

Tôi xin bày tỏ sự cảm ơn chân thành của tôi với PGS TS Tạ Thị Thảo đã có những hướng dẫn và những lời khuyên có giá trị cho việc hoàn thành nghiên cứu này

Cảm ơn đặc biệt của tôi tới TS Đào Ngọc Nhiệm, Ông Đoàn Trung Dũng cùng các đồng nghiệp Phòng Thí nghiệm Vật liệu vô cơ, Viện Khoa học vật liệu, Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam đã nhiệt tình hỗ trợ, giúp đỡ Sự hỗ trợ của họ đặc biệt giá trị trong nghiên cứu của tôi

Cuối cùng, tôi muốn đưa ra lời cảm ơn lớn đối với gia đình thân yêu của tôi và các bạn cùng lớp của tôi đã dành cho tôi tình yêu vô điều kiện, sự hỗ trợ bất tận, đã lắng nghe tôi, thông cảm chia sẽ với tôi bất cứ khi nào tôi cảm thấy khó khăn trong học tập và thí nghiệm.Tôi thật sự biết ơn đối với tất cả các bạn đã có trong cuộc sống của tôi

Hà Nội, ngày 10 tháng 12 năm 2015

TÁC GIẢ

Vũ Ngọc Hạnh

TÀI LIỆU THAM KHẢO

1 Nguyễn Đức Lư, Đoàn Quang Vinh, Trịnh Hồng Nhựt, Hồ Ngọc Ánh (2011),

‗Nghiên cứu tình trạng ngộ độc hóa chất trừ sâu phosphor hữu cơ tại một số tỉnh miền Trung - Tây Nguyên‖, Tạp chí Y học thực hành, 798, 12, Tr 64 - 67

2 TCCS: 2011/BVTV; Trung tâm Kiểm định và Khảo nghiệm thuốc bảo vệ thực vật phía Bắc; Nông sản có nguồn gốc thực vật xác định dư lượng chlorpyrifos ethyl, chlorpyrifos methyl, fenitrothion, malathion, parathion methyl bằng phương pháp sắc

ký lỏng khối phổ

3 VũĐăngĐộ(2004),Cácphươngphápvậtlýtronghóahọc,NXBĐHQGHN

4 NguyễnĐìnhTriệu(2000),Cácphươngphápphântíchvậtlývàhóalý,TậpI,NXB

khoahọcvà kỹthuật,HàNội

5 QCVN 40: 2011/BTNMT Bộ Tài nguyên và Môi trường; Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về nước thải công nghiệp; 2011

6 Masakazu, A., Kamat, P V (Eds.) (2010),Environmentally Benign Photocatalysts: Applications of Titanium Oxide-based Materials, Springer, New

York

7 Hernandez-Alonso, M D., Fresno, F., Suarez, S., Coronado, J M (2009),

―Development of alternative photocatalysts to TiO2: Challenges and opportunities‖,

Energy & Environmental Science, 2, pp 1231 ÷ 1257

8 Pookmanee, P., Kojinok, S., Phanichphant, S (2012), ―Bismuth vanadate (BiVO4)

powder prepared by the sol-gel method‖, Journal of Metals, Materials and

Minerals 09; 22 (2), pp 49÷ 53

9 Jiang, H., Dai, H., Meng, X., Zhang, L., Deng, J., Liu, Y., Au, C T (2012),

―Hydrothermal fabrication and visible-light-driven photocatalytic properties of bismuth vanadate with multiple morphologies and/or porous structures for methyl

orange degradation‖, Journal of Environmental Sciences, 24, pp 449 ÷ 457

10 Chen, Q., Zhou, M., Ma, D., Jing, D (2012), ―Effect of preparation parameters on

photocatalytic of BiVO4 by hydrothermal method‖, Journal of Nanomaterials,

Volume 2012, Article ID 621254

11 S Obregon, S., Caballero, A., Colon, G (2012)―Hydrothermal synthesis of BiVO4:

Structural and morphological influence on the photocatalytic activity‖, Applied

Catalysis B, 117-118, pp 59 ÷ 66

12 Tan., G., Zhang, L., Ren, H., Wei, S., Huang, J., Xia, A (2013), ―Effects of pH on the

hierarchical structures and photocatalytic performance of BiVO4 powders prepared

via the microwave hydrothermal method‖,ACS Applied Materials and Interfaces, 5,

pp 5186 ÷ 5193

13 B Cheng, Wang, W., Shi, L., Zhang, J., Ran, J., Yu, H (2012), ―One-pot template-free hydrothermal synthesis of hollow microspheres and their enhanced visible-light photocatalytic activity monoclinic BiVO4‖, International Journal of Photoengergy,

Volume 2012, Article ID 797968, 10 pages

14 Jang, H., Dai, H., Meng, X., Zhang, L., Deng, J., Ji, K (2011), ―Morphology-dependent photocatalytic performance of monoclinic BiVO4 for methyl orange

degradation under visible-light irradiation‖, Chinese Journal of Catalysis, 32,

pp 939 ÷ 949

15 Qi, X., Zhu, X., Wu, J., Wu, Q., Li, X., Gu, M (2014), ―Controlled synthesis of

BiVO4 with multiple morphologies via an ethylenediamine-assisted hydrothermal

method‖, Materials Research Bulletin, 59, pp 435 ÷ 441

16 Li, H., Liu, G., Duan, X (2009), ―Monoclinic BiVO4 with regular morphologies:

Hydrothermal synthesis, characterization and photocatalytic properties‖, Materials

Chemistry and Physics, 155, pp 9 ÷ 13

17 Zhang, Z., Wang, W., Shang, M., Yin, W (2010), ―Photocatalytic degradation of

rhodamine B and phenol by solution combustion synthesized BiVO4 photocatalyst‖,

Catalysis Communication, 11, pp 982÷ 986

18 W Wang, Y.Yu, T An, G Li, H Y Yip, J C Yu, P K Won (2012), ―Visible-light-driven photocatalytic inactivation of E coli K-12 by bismuth vanadate nanotubes:

bactericidal performance and mechanism‖, Environ Sci Technol., 46,

pp 4599 ÷ 4606

19 Chatterjee, D., Dasgupta, S (2005), ―Visible light induced photocatalytic degradation

of organic compounds‖, J Photochem Phobiol.C: Photochem Rev., 6, pp 186÷ 205

20 Su, Y., Yang, Y., Zhang, H., Xie, Y., Wu, Z., Jiang, Y., Fukata, N., Bando, Y., Wang, Z L (2013),―Enhanced photodegradation of methyl orange with TiO2 nanoparticles using a triboelectric nanogenerator‖, Nanotechnology, 24

(29) 295401 (6pp)

23 Sivagami, K., Ravi Krishna, R., Swaminathan, T (2013), ―Photo Catalytic

Degradation of Chlorpyriphos in an Annular Slurry Reactor‖, Journal of Water

Sustainability, 3, pp 143÷ 151

24 Bavcon Kralj, M., Cernigoj, U., Franko, M., Trebsˇe, P (2007), ―Comparison of photocatalysis and photolysis of malathion, isomalathion, malaoxon, and commercial

malathion—Products and toxicity studies‖, Water Research, 41, pp 4504 ÷ 4514

25 Wan, Y., Wang, S., Luo, W., Zhao, L (2012), ―Impact of preparative pH on the morphology and photocatalytic activity of BiVO4‖, International Journal of

Photoengergy, Volume 2012, Article ID 392865, 7 pages

26 Obregón, S., Colón, G (2013), ―On the different photocatalytic performance of BiVO4 catalysts for methylene blue and rhodamine B degradation‖, J Mol Catal A,

376, pp 40 ÷ 47

27 Martínez-de la Cruz, A García Pérez, U M (2010), ―Photocatalytic properties of BiVO4 prepared by the co-precipitation method: Degradation of Rhodamine B and

possible reaction mechanisms under visible irradiation‖, Materials Research Bulletin,

45, pp 135 ÷ 141

28 J Sun, J., Chen, G., Wu, J., Dong, H., Xiong, G (2013), ―Bismuth vanadate hollow spheres: Bubble template synthesis and enhanced photocatalytic properties for

photodegradation, Applied Catalysis B: Environ., 132÷ 133, pp 304 ÷ 314

29 Y Lu, Y., Luo, Y-S., Kong, D-Z., Zhang, D-Y., Jia, Y-L., Zhang, X-W (2012),

―Large-scale controllable synthesis of dumbbell-like BiVO4 photocatalysts with

enhanced visible-light photocatalytic activity‖, Journal of Solid State Chemistry, 186,

pp 255 ÷ 260

30 C Jeffrey Brinker, C., Scherer, George W (1990), Sol-Gel Science: The Physics and

Chemistry of Sol-Gel Processing, Academic Press, Boston

31 Byrappa K., and M Yoshimura (2001), Handbook of Hydrothermal Technology, A

Technology for Crystal Growth and Material Processing, Noyes, New Jersey

32 Nguyen Phuong Thuy (2014), Synthesis of visible-light driven BiVO 4 photocatalytic

organophosphate pesticides, B Sc Thesis, Vietnam National University

33 Zhang L, Jinxin Long, Wenwen Pan (2012), ―Efficient removal of methylene blue over composite-phase BiVO4 fabricated by hydrothermal control synthesis‖,

Materials Chemistry and Physics, 136, pp.897÷ 902

34 Yongfu Sun, Yi Xie, Changzheng Wu, Shudong Zhang, and Shishi Jiang (2010),

―Aqueous synthesis of mesostructured BiVO4 quantum tubes with excellent dual

response to visible light and temperature‖, Nano Research, 3(9), pp 620÷ 631

35 W Sun, W., Xie, M., Jing, L., Luan, Y., Fu, H (2011), ―Synthesis of large surface area nano-sized BiVO4 by an EDTA-modified hydrothermal process and its enhanced visible photocatalytic activity‖, Journal of Solid State Chemistry,

184 pp 3050÷ 3054

36 Jianqiang Wang, Shuangyue Su, Bing Liu, Minhua Cao, Changwen Hu (2013),

―One-pot, low-temperature synthesis of self-doped NaTaO3 nanoclusters for

visible-light-driven photocatalysis, Chemical Communications, 49, pp 7830÷ 7832

DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1 Cấu trúc của năng lượng điện tử trong chất rắn Error! Bookmark not defined Hình 1.2 Sơ đồ cơ chế xúc tác quang Error! Bookmark not defined Hình 1.3 Cơ chế phân hủy chất hữu cơ của vật liệu xúc tác quang Error! Bookmark not defined.

Hình 1.4 Các quá trình xảy ra trong dung dịch khi phân hủy chất hữu cơ sử dụng vật

liệu xúc tác quang dưới tác dụng của ánh sáng Error! Bookmark not defined.

Hình 1.5 Bột bitmut octovanađat (BiVO4) Error! Bookmark not defined.

Hình 1.6 Cơ chế xúc tác quang của BiVO4 Error! Bookmark not defined.

Hình 1.7 Độ rộng vùng cấm của TiO2 và BiVO4 Error! Bookmark not defined Hình 1.9 Sơ đồ mô tả thiết lập phương trình Bragg Error! Bookmark not defined.

Hình 3.1 Giản đồ XRD của mẫu BiVO4 được tổng hợp với các nồng độ HNO3: a) 2 M,

b) 4 M và c) 8 M Error! Bookmark not defined.

Hình 3.2 Giản đồ XRD của mẫu BiVO4 đơn tà tổng hợp bằng các phương pháp a) pha rắn; b) thủy nhiệt dùng HNO3 và c) thủy nhiệt dùng EDTA làm tác nhân tạo phức .Error! Bookmark not defined.

Hình 3.3 Ảnh SEM tại của các mẫu BiVO4 đơn tà chế tạo ở điều kiện tối ưu .Error! Bookmark not defined.

Hình 3.4 Phổ phản xạ khuếch tán tử ngoại khả kiến của mẫu BiVO4 đơn tà chế tạo bằng các phương pháp: a) phản ứng pha rắn; b) thủy nhiệt sử dụng axit nitric ở điều kiện tối

ưu Error! Bookmark not defined.

Hình 3.5 Hoạt tính quang xúc tác phân hủy metyl da cam của mẫu BiVO4 đơn tà chế tạo

bằng các phương pháp: a) phản ứng pha rắn; b) thủy nhiệt Error! Bookmark not defined.

Hình 3.6 Sự thay đổi cường độ hấp thụ của diazinon tại nhiệt độ phòng khi có mặt chất xúc tác quang BiVO4 dưới tác dụng ánh sáng mặt trời sau: a) 0 phút, b) 30 phút và c) 120

phút chiếu sáng Error! Bookmark not defined Hình 3.7 Sắc ký đồ của các mẫu chuẩn Diazinon Error! Bookmark not defined.

Hình 3.8 Đường chuẩn của Diazinon sử dụng HPLC-UV Error! Bookmark not defined.

Hình 3.9 Sắc ký đồ của các mẫu Diazinon các nồng độ: a) 15 ppm, b) 20 ppm, c) 25 ppm trước và sau khi phân huỷ quang xúc tác bằng vật liệu m-BiVO4 Error! Bookmark not defined.

Hình 3.10 So sánh khả năng xúc tác quang hoá của vật liệu ở các nồng độ diazinon ban

đầu khác nhau Error! Bookmark not defined.

Hình 3.11 Sự phân huỷ thuốc trừ sâu Malathion theo thời gian chiếu sáng khi có mặt vật

liệu xúc tác quang Error! Bookmark not defined.

Hình 3.12 Sự phân huỷ của Chlorpyrifos Ethyl có mặt vật liệu xúc tác quang thêm H2O2

khi chiếu xạ Error! Bookmark not defined Sắc ký đồ phân tích các mẫu Chlorpyrifos Ethyl Error! Bookmark not defined Sắc ký đồ phân tích các mẫu Malathion: Error! Bookmark not defined.

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1 Tóm tắt các phương pháp xử lý thuốc trừ sâu chứa trong nước thải Error!

Bookmark not defined.

Bảng 3.1 Các mẫu BiVO4 được tổng hợp với các nồng độ HNO3 khác nhau Error!

Bookmark not defined.

Bảng 3.3 Nồng độ diazinon và phần trăm chất còn lại sau khi xử lý bằng vật liệu BiVO4

Giá trị 0,65 ppm (một nửa của LOD) thể hiện các giá trị

nồng độ < LOD Error! Bookmark not defined.

Bảng 3.4 Sự thay đổi nồng độ Malathion trong quá trình chiếu sáng khi có mặt

vật liệu xúc tác quang Error! Bookmark not defined.

Bảng 3.5 Sự thay đổi nồng độ Chlorpyrifos Ethyl trong quá trình chiếu sáng khi

có mặt vật liệu xúc tác quang Error! Bookmark not defined.