Nghiên cứu hiệu ứng quang xúc tác của vật liệu tio2 chế tạo bằng phương pháp điện hoá ứng dụng xử lý xanh methylene trong môi trường nước

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC NGUYỄN THỊ HÀ NGHIÊN CỨU HIỆU ỨNG QUANG XÚC TÁC CỦA VẬT LIỆU TiO2 CHẾ TẠO BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỆN HÓA ỨNG DỤNG XỬ LÝ XANH METHYLENE TRONG MÔI TRƯỜNG NƯỚC LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ Thái Nguyên - 2018 ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC NGUYỄN TH Ị HÀ NGH I ÊN CỨU H I ỆU ỨNG QUANG XÚC TÁC CỦA VẬT L IỆU T iO2 CHẾ TẠO BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỆN HÓA ỨNG DỤNG XỬ LÝ XANH METHYLENE TRONG MÔ I TRƯỜNG NƯỚC Chuyên ngành : Quang học Mã số: 8.440110 LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ NGƯỜ I HƯỚNG DẪN KHOA HỌC : TS ĐẶNG VĂN THÀNH Thá i Nguyên - 2018 LỜI CẢM ƠN Trước tiên, em xin chân thành cảm ơn TS Đặng Văn Thành tận tình hướng dẫn em thực luận văn Em gửi lời cảm ơn sâu sắc tới thầy, cô giáo Khoa Vật lí Cơng nghệ, Phịng Đào tạo, Ban Giám hiệu Trường Đại học Khoa học, Đại học Thái Nguyên giảng dạy, tạo điều kiện thuận lợi giúp đỡ em suốt khóa học vừa qua Tơi xin chân thành cảm ơn thạc sỹ Nguyễn Thị Khánh Vân nhiệt tình giúp đỡ trình thực cơng việc thực nghiệm để hồn thành luận văn Em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới Ban giám hiệu Trường Đại học Y- Dược, Đại học Thái Nguyên cho phép em sử dụng sở vật chất trang thiết bị phịng thí nghiệm Vật Lý - Lý sinh y học Dược trình thực cơng việc thực nghiệm Mặc dù có nhiều cố gắng, song thời gian có hạn, khả nghiên cứu thân hạn chế nên kết nghiên cứu cịn nhiều thiếu sót Em mong nhận góp ý, bảo thầy giáo, cô giáo, bạn đồng nghiệp người quan tâm đến vấn đề trình bày luận văn, để luận văn hoàn thiện Em xin trân trọng cảm ơn! Thái Nguyên, tháng năm 2018 Tác giả Nguyễn Thị Hà i LỜI CAM ĐOAN Tôi tên là: Nguyễn Thị Hà Sinh ngày 20 tháng 01 năm 1980 Quê quán: Bắc Ninh Hiện công tác tại: Trường THPT Chuyên Trần Phú – Hải Phịng Là học viên cao học khóa 2016 Trường Đại học Khoa học, Đại học Thái Nguyên Tôi cam đoan: Đề tài “Nghiên cứu hiệu ứng quang xúc tác vật liệu TiO2 chế tạo phương pháp điện hóa ứng dụng xử lý xanh methylene mơi trường nước” cơng trình nghiên cứu Các số liệu luận văn sử dụng trung thực, nguồn trích dẫn có thích rõ ràng, minh bạch, có tính kế thừa, phát triển từ tài liệu, tạp chí, cơng trình nghiên cứu cơng bố, website Tơi xin hồn tồn chịu trách nhiệm lời cam đoan Thái Nguyên, tháng năm 2018 Tác giả Nguyễn Thị Hà ii MỤC LỤC Trang Trang bìa phụ Lời cảm ơn i Lời cam đoan ii Mục lục iii Danh mục ký hiệu chữ viết tắt vi Danh mục bảng vii Danh mục hình viii MỞ ĐẦU Chương 1:TỔNG QUAN VỀ THUỐC NHUỘM VÀ VẬT LIỆU NANO TiO2 1.1 Sơ lược thuốc nhuộm 1.2 Phân loại thuốc nhuộm 1.2.1 Thuốc nhuộm xanh methylene 1.2.2 Ứng dụng xanh methylene 1.2.2.1 Sử dụng công nghiệp 1.2.2.2 Sử dụng y học 1.2.2.3 Tác hại xanh methylene 1.2.2.4 Thuốc nhuộm thuốc nhuộm xanh methylene nước thải công nghiệp 1.3 Các phương pháp xử lý xanh methylene 1.3.1.Clo hóa 1.3.2 Phương pháp oxi hóa dùng Ozone 1.3.3 Phương pháp hấp phụ 10 1.3.4 Phương pháp keo tụ 10 1.3.5 Phương pháp sinh học 11 1.3.6 Phương pháp quang xúc tác 11 1.4 Vật liệu TiO2 13 1.4 Cấu trúc mạng tinh thể TiO2 13 1.4 2.Các tính chất vật liệu TiO2 15 1.4.2.1 Tính chất vật lý vật liệu TiO2 15 1.4.2.2 Tính chất hóa học vật liệu TiO2 16 1.4.2.3 Tính chất quang vật liệu TiO2 17 1.4.2.4 Tính chất quang xúc tác vật liệu TiO2 17 1.4.3 Các phương pháp chế tạo vật liệu nano TiO2 20 1.4.3.1.Phương pháp sol-gel 20 1.4.3.2 Phương pháp thuỷ nhiệt 22 1.4.3.3 Phương pháp điện hóa 24 1.5 Tình hình nghiên cứu thuộc lĩnh vực đề tài 28 Chương 2:CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ THỰC NGHIỆM 34 2.1 Quy trình chế tạo mẫu 34 2.1.1.Các dụng cụ hóa chất sử dụng 34 2.1.1.1 Dụng cụ thí nghiệm 34 2.1.1.2 Hoá chất 34 2.1.2 Chế tạo vật liệu TiO2 phương pháp điện hóa 35 2.2 Các phương pháp khảo sát cấu trúc tính chất vật liệu 37 2.2.1 Phương pháp nhiễu xạ tia X 37 2.2.2 Phương pháp phổ tán xạ Raman 38 2.2.3 Phương pháp chụp hiển vi điện tử quét (SEM) 38 2.2.4 Phương pháp hiển vi điện tử truyền qua (TEM) 39 2.2.5 Phương pháp phổ hấp thụ UV-Vis 39 2.3 Lập đường chuẩn xác định nồng độ 41 2.4 Xác định điểm đẳng điện vật liệu TiO2 42 2.5 Quy trình xử lý xanh methylene 43 2.5.1 Cấu tạo mơ hình thí nghiệm 43 2.5.2.Quy trình xử lý xanh methylen vật liệu xúc tác TiO2 44 2.5.3 Khảo sát yếu tố ảnh hưởng tới hiệu xử lý xanh methylene 45 2.5.3.1 Khảo sát ảnh hưởng pH 45 2.5.3.2 Khảo sát ảnh hưởng khối lượng vật liệu xúc tác 45 2.5.3.3 Khảo sát ảnh hưởng nồng độ ban đầu 45 2.5.3.4 So sánh khả quang xúc tác vật liệu TiO2 với P25 45 Chương 3:KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 46 Ảnh hưởng điện phân cực tới trình anot hóa Ti 46 3.2 Ảnh hưởng nhiệt độ ủ tới cấu trúc tinh thể 47 3.3 Phổ Raman vật liệu TiO2 49 3.4 Ảnh hưởng nhiệt độ lên hình thái học bề mặt TiO2 51 Đánh giá khả quang xúc tác vật liệu T45 53 3.5.1 Phổ hấp thụ vật liệu TiO2 53 3.5.2 Đường chuẩn xác định nồng độ 54 3.5.3 Điểm đẳng điện T45 54 3.5.4 Kết khảo sát yếu tố ảnh hưởng đến khả quang xúc tác MB vật liệu T45 56 3.5.4.1 Khảo sát ảnh hưởng pH 56 3.5.4.2 Khảo sát ảnh hưởng khối lượng vật liệu xúc tác 57 3.5.4.3 Khảo sát ảnh hưởng nồng độ đầu 58 3.5.4.4 Đánh giá khả quang xúc tác vật liệu TiO2 59 3.5.4.5 So sánh với vật liệu P25 59 KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ 61 CÁC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CƠNG BỐ 62 TÀI LIỆU THAM KHẢO 63 PHỤ LỤC 68 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT STT Kí hiệu viết tắt Nội dung MB Xanh methylen SEM TEM XRD X-ray Diffraction (nhiễu xạ tia X) UVA Ultraviolet A T0 Mẫu TiO2 không ủ T45 Mẫu TiO2 ủ 450 C T70 Mẫu TiO2 ủ 700 C P25 Vật liệu TiO2 thương mại Scanning Electron Microscopy (hiển vi điện tử quét) Transmission electron microscopy (hiển vi điện tử truyền qua) 0 vi DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1: Độc tính xanh methylene [24] Bảng 1.2: Các đặc tính cấu trúc số thông số vật lý TiO2 [14, 25] 15 Bảng 1.3: Một số tính chất vật lý TiO2 dạng anatase rutile [14, 25] 16 Bảng 1.4: Tổng hợp số nghiên cứu tiêu biểu nước liên quan đến hướng sử dụng liệu quang xúc tác TiO2 32 Bảng 3.1: Kết đo độ hấp thụ quang MB với nồng độ khác 54 Bảng 3.2: Kết xác định điểm đẳng điện vật liệu T45 54 vii 10 Matteo Cargnello, Thomas R Gordon Christopher B Murray, SolutionPhase Synthesis of Titanium Dioxide Nanoparticles and Nanocrystals, Chemical Reviews 2014,14(19), 9319-9345 11 X Chen S.S Synthesis,Properties, Mao, Titanium Modifications, and Dioxide Nanomaterials:® Applications, Chemical Reviews 2007,107(7), 2891-2959 12 Churl Hee Cho, Do Kyung Kim Do Hyeong Kim, Photocatalytic Activity of Monodispersed Spherical TiO2 Particles with Different Crystallization Routes, Journal of the American Ceramic Society 2003, 86, 1138 - 1145 13 J 2nd Clifton Jerrold B Leikin, Methylene blue, American journal of therapeutics 2003, 10(4), 289-291 14 Don T Cromer K Herrington, The Structures of Anatase and Rutile, Journal of the American Chemical Society 1955, 77(18), 47084709 15 MM Abd El-Latif, Amal M Ibrahim MF El-Kady, Adsorption equilibrium, kinetics and thermodynamics of methylene blue from aqueous solutions using biopolymer oak sawdust composite, Journal of American science 2010, 6(6), 267-283 16 Akira Fujishima, Tata N Rao Donald A Tryk, Titanium dioxide photocatalysis, Journal of Photochemistry and Photobiology C: Photochemistry Reviews 2000,1(1), 1-21 17 Satoshi Fukuzaki, Mechanisms of Actions of Sodium Hypochlorite in Cleaning and Disinfection Processes, Biocontrol Science 2006, 11(4), 147-157 18 Ali Ghafa , Hyun Jin Kim, Jong Min Kum and Sung Oh Cho, Rapid synthesis of TiO nanoparticles by electrochemical anodization of a Ti wire, Nanotechnology 2013,24(18), 185601 19 A T Hodgson, H Destaillats, D P Sullivan, W J Fisk1, Performance of ultraviolet photocatalytic oxidation for indoor air cleaning applications, Indoor Air 2007, 17(4), 305-316 20 Ammar Houas, Hinda Lachheb, Mohamed Ksibi, Elimame Elaloui, Chantal Guillard , Jean-Marie Herrmann, Photocatalytic degradation pathway of methylene blue in water, Applied Catalysis B: Environmental 2001, 31(2), 145157 21 Ningan Liu, Yunyan Zhao, Xuncai Wang, Hongrui Peng, Guicun Li, Facile synthesis and enhanced photocatalytic properties of truncated bipyramid-shaped anatase TiO2 nanocrystals, Materials Letters 2013,102–103, 53-55 22 Pedro Magalhães, Luísa Andrade, Olga C Nunes and Adélio Mendes ,Titanium dioxide photocatalysis: fundamentals and application on photoinactivation 2017, 51(51), 91-129 23 Mohan Chandra Mathpal, Anand Kumar Tripathi, Manish Kumar Singh, S.P Gairola , S.N Pandey, Arvind Agarwal, Effect of annealing temperature on Raman spectra of TiO2 nanoparticles, Chemical Physics Letters 2013,555, 182186 24 Adriana Miclescu, Cerebral Protection in Experimental Cardiopulmonary Resuscitation: With Special Reference to the Effects of Methylene Blue 2009 25 Shang-Di Mo W Y Ching, Electronic and optical properties of three phases of titanium dioxide: Rutile, anatase, and brookite, Physical Review B 1995, 51(19), 13023-13032 26 Rashed M Nageeb, Mohamed ElMontaser Soltan, Mahasen Mohamed Ahmed, Ahmed Negem Eldean Abdou, Removal of Heavy Metals from Wastewater from Chemical Activation of Sewage Sludge, Environmental Engineering and Management Journal 2017, 16(7), 1531-1542 27 Nhat Huy Nguyen, Hung-Yu Wu Hsunling Bai, Photocatalytic reducation of NO2 and CO2 using molybdenum-doped titaniananotubes, Chemical Engineer Juornal 2015, 269, 60-66 28 N Renugadevi, R Sangeetha P Lalitha, Kinetics of the adsorption of methylene blue from an industrial dyeing effluent onto activated carbon prepared from the fruits of Mimusops Elengi, Archives of Applied Science Research 2011, 3(3), 492-498 29 Poulomi Roy, Steffen Berger Patrik Schmuki, TiO2 Nanotubes, Synthesis and Applications, Angewandte Chemie International Edition 2011, 50, 290465 2939 66 30 Amid Shakeri, Darren Yip, Maryam Badv, Sara M Imani , Mehdi Sanjari and Tohid F Didar, Self - cleaning ceramic tiles produced via stable coating of TiO2 particles Comparative studies of photocatalytic activity in water purification, Materials Letters 2018, 11, 1-16 31 AMA Shehata, Removal of methylene blue dye from aqueous solutions by using treated animal bone as a cheap natural adsorbent, Int J Emerg Technol Adv Eng 2013, 3(2), 1-7 32 Vacslav Steng, Hydrothemal synthesis of titania powders and their photocatalytic properties, Ceramics 2008, 52 (4), 278-290 33 Tadao Sugimoto, Kazumi Okada Hiroyuki Itoh, Synthetic of Uniform Spindle-Type Titania Particles by the Gel–Sol Method, Journal of Colloid and Interface Science 1997, 193(1), 140-143 34 Kayano Sunada, Yoshihiko Kikuchi, Kazuhito Hashimoto, Akira Fujishima, Bactericidal and Detoxification Effects of TiO2 Thin Film Photocatalysts, Environ Sci Techn 1998, 32(5), 726-728 35 Swagata Banerjee Dionysios D Dionysiou Suresh C Pillai, Applied Catalysis B: Environmental, doi: 10.1016/j.apcatb 2015, 2015.03.058 36 Th.Maggos, J.G Bartzis b, M Liakou b, C Gobin, Photocatalytic degradation of NOx gases using TiO2-containing paint: A real scalestudy, Journal of Hazardous Materials 2007, 146, 668-673 37 G Helen Annal Therese P Vishnu Kamath, Electrochemical Synthesis of Metal Oxides and Hydroxides, Chemistry of Materials 2000, 12(5), 11951204 38 YC Wong, MSR Senan NA Atiqah, Removal of Methylene Blue and Malachite Green Dye UsingDifferent Form of Coconut Fibre as Absorbent, Journal of Basic & Applied Sciences 2013, 39 Xinle Zhua, Chunwei Yuan, Yanchu Bao, Jihong Yang, Yizu Wu, Photocatalytic degradation of pesticide pyridaben on TiO2particles, Journal of Molecular Catalysis A: Chemical 2005, 229, 95-105 67 40 T Ohsaka, Temperature Dependence of the Raman Spectrum in Anatase, Journal of the Physical Society of Japan 1980, 48, 1661-1668 41.Markus Niederberger, Georg Garnweitner, Frank Krumeich, Reinhard Nesper, Helmut Cölfen, and Markus Antonietti, Tailoring the Surface and Solubility Properties of Nanocrystalline Titania by a Nonaqueous In Situ Functionalization Process, Chem Mater 2004, 16 (7), 1202–1208 68 PHỤ LỤC: MỘT SỐ HÌNH ẢNH TRONG Q TRÌNH NGHIÊN CỨU Hình 1: Hệ đo phổ hấp thụ UV- Hitachi UH-5300 Hình 2: Lị ủ để kết tinh mẫu 68 Hình 3: Tủ sấy chân khơng làm khơ mẫu Hình 4: Máy lắc để xác định điểm đẳng điện vật liệu 69 Hình 5: Máy ly tâm để tách dung dịch sau phản ứng 70 ... khống chế điều kiện công nghệ chế tạo để chế tạo hạt nano TiO2 có ứng dụng làm vật liệu quang xúc tác xử lý MB môi trường nước với mục tiêu sau: - Chế tạo thành công vật liệu nano TiO2 phương pháp. .. 2016 Trường Đại học Khoa học, Đại học Thái Nguyên Tôi cam đoan: Đề tài ? ?Nghiên cứu hiệu ứng quang xúc tác vật liệu TiO2 chế tạo phương pháp điện hóa ứng dụng xử lý xanh methylene mơi trường nước? ??... NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC NGUYỄN TH Ị HÀ NGH I ÊN CỨU H I ỆU ỨNG QUANG XÚC TÁC CỦA VẬT L IỆU T iO2 CHẾ TẠO BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỆN HÓA ỨNG DỤNG XỬ LÝ XANH METHYLENE TRONG MÔ I TRƯỜNG NƯỚC Chuyên