Chế tạo vật liệu nano zno bằng phương pháp điện hóa và định hướng ứng dụng

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM ––––––––––––––––––––– ĐỖ HẢI LINH CHẾ TẠO VẬT LIỆU NANO ZnO BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỆN HÓA VÀ ĐỊNH HƯỚNG ỨNG DỤNG LUẬN VĂN THẠC SĨ HÓA HỌC THÁI NGUYÊN - 2019 Số hóa Trung tâm Học liệu Cơng nghệ thơng tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM ––––––––––––––––––––– ĐỖ HẢI LINH CHẾ TẠO VẬT LIỆU NANO ZnO BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỆN HÓA VÀ ĐỊNH HƯỚNG ỨNG DỤNG Ngành: Hóa phân tích Mã số: 8.44.01.18 LUẬN VĂN THẠC SĨ HÓA HỌC Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Đỗ Trà Hương TS Trần Quốc Tồn THÁI NGUN - 2019 Số hóa Trung tâm Học liệu Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đề tài “Chế tạo vật liệu nano ZnO phương pháp điện hóa định hướng ứng dụng” thân thực Các số liệu, kết đề tài trung thực Nếu sai thật xin chịu trách nhiệm Thái nguyên, tháng 04 năm 2018 Tác giả đề tài ĐỖ HẢI LINH Số hóa Trung tâm Học liệu Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn LỜI CẢM ƠN Lời xin gửi lời cảm ơn chân thành sâu sắc tới PGS.TS Đỗ Trà Hương, TS Trần Quốc Tồn tận tình hướng dẫn thực luận văn Xin trân trọng cảm ơn thầy giáo Khoa Hóa học, Trường Đại học Sư phạm - Đại học Thái Nguyên trang bị tri thức khoa học tạo điều kiện thuận lợi giúp đỡ tơi q trình thực báo cáo Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới Ban giám hiệu Trường Đại học Y Dược - Đại học Thái Nguyên cho phép sử dụng sở vật chất trang thiết bị phòng thí nghiệm Lý – Lý sinh y học Dược q trình thực cơng việc thực nghiệm Tôi xin gửi lời cảm ơn tới TS Nguyễn Văn Chiến, CN Phùng Thị Oanh Khoa Khoa học Kĩ thuật Vật liệu, Trường Đại học Giao thông Quốc gia Đài Loan TS Đặng Văn Thành, NCS Phạm Văn Hảo việc xây dụng hệ thiết bị chế tạo mẫu đo đạc mẫu cho luận văn Luận văn thực hỗ trợ từ nguồn kinh phí đề tài nghiên cứu cấp Bộ giáo dục đào tạo mã số 60/B2018-TNA-60 TS Đặng Thị Hồng Phương chủ trì Tơi xin chân thành cảm ơn giúp đỡ to lớn Cuối cùng, xin gửi lời cảm ơn tới người thân gia đình, tất bạn bè thân thiết ủng hộ, động viên, giúp đỡ tơi suốt q trình học tập q trình nghiên cứu hồn thành luận văn Số hóa Trung tâm Học liệu Cơng nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn MỤC LỤC Trang Lời cam đoan i Lời cảm ơn ii Mục lục iii Danh mục từ viết tắt .iv Danh mục bảng v Danh mục hình vi MỞ ĐẦU Chương 1: TỔNG QUAN 1.1 Vật liệu ZnO 1.1.1 Đặc tính ZnO .3 1.1.2 Cấu trúc ZnO .3 1.1.3 Tính chất học, điện quang ZnO 1.2 Một số phương pháp chế tạo vật liệu nano ZnO 1.3 Giới thiệu photphat 10 1.3.1 Các nguồn gây ô nhiễm photphat 10 1.3.2 Tác hại photphat 11 1.3.3 Các hướng xử lý photphat 14 1.4 Các cơng thức tính tốn 19 1.5 Các mơ hình hấp phụ đẳng nhiệt động học hấp phụ 20 1.5.1 Mơ hình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir .20 1.5.2 Mơ hình hấp phụ đẳng nhiệt Freundich 22 1.5.3 Mơ hình hấp phụ đẳng nhiệt Tempkin .22 1.5.4 Mơ hình hấp phụ đẳng nhiệt Dubinin – Radushkevic .23 1.5.5 Động học hấp 23 phụ 1.6 Các phương pháp nghiên cứu đặc trưng vật liệu 25 1.6.1 Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD) 25 1.6.2 Phương pháp chụp ảnh hiển vi điện tử quét (SEM) 26 1.6.3 Phương pháp phổ tán xạ Raman 27 Số hóa Trung tâm Học liệu Cơng nghệ thơng tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn 1.6.4 Phương pháp hiển vi điện tử truyền qua 28 1.7 Phương pháp phổ hấp thụ phân tử UV-Vis 28 Chương 2: THỰC NGHIỆM 31 2.1 Dụng cụ, hóa chất 31 2.1.1 Thiết bị .31 2.1.2 Hoá chất .31 2.2 Chế tạo vật liệu nano ZnO 31 2.3 Khảo sát đặc điểm bề mặt, tính chất vật lý, cấu trúc EZ 32 2.4 Xác định photphat 33 2.5 Khảo sát điểm đẳng điện vật liệu ZnO 34 2.6 Khảo sát yếu tố ảnh hưởng tới khả hấp phụ PO43- EZ theo phương pháp hấp phụ tĩnh .34 2.6.1 Khảo sát ảnh hưởng pH .34 2.6.2 Khảo sát ảnh hưởng thời gian .35 2.6.3 Khảo sát ảnh hưởng khối lượng EZ 35 2.6.4 Khảo sát ảnh hưởng nhiệt độ .35 2.6.5 Khảo sát ảnh hưởng nồng độ ban đầu 35 2.7 Xử lý mẫu nước thải lấy từ Công ty Cổ phần Supe Phốt phát Hóa chất Lâm Thao .36 Chương 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 37 3.1 Kết khảo sát đặc điểm bề mặt, tính chất vật lý ZnO .37 3.2 Xây dựng đường chuẩn photphat 40 3.3 Kết điểm đẳng điện vật liệu ZnO 41 3.4 Khảo sát số yếu tố ảnh hưởng đến khả hấp phụ PO43- theo phương pháp hấp phụ tĩnh EZ 42 3.4.1 Khảo sát ảnh hưởng pH .42 3.4.2 Khảo sát ảnh hưởng thời gian .45 3.4.3 Khảo sát ảnh hưởng nhiệt độ .46 3.4.4 Khảo sát ảnh hưởng khối lượng vật liệu hấp phụ .47 3.4.5 Khảo sát ảnh hưởng nồng độ ban đầu 48 3.4.6 Khảo sát theo mô hình hấp phụ đẳng nhiệt 49 3.4.6.2 Khảo sát theo mơ hình hấp phụ đẳng nhiệt Freunlick 50 3.4.6.3 Khảo sát theo mơ hình hấp phụ đẳng nhiệt Tempkin .52 3.4.6.4 Khảo sát theo mơ hình hấp phụ đẳng nhiệt Dubinin-Radushkevich 53 3.4.7 So sánh khả hấp phụ vật liệu EZ với vật liệu khác 56 3.5 Động học trình hấp phụ photphat vật liệu EZ 56 3.6 Nhiệt động lực học trình hấp phụ photphat vật liệu EZ 59 3.7 Xử lý nước thải Công ty Cổ phần Supe phốt phát Hóa chất Lâm Thao 60 3.7.1 Nước thải trước xử lý 60 3.7.2 Nước thải sau xử lý 61 KẾT LUẬN 63 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH CĨ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN VĂN 64 TÀI LIỆU THAM KHẢO 65 DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT STT TỪ VIẾT TẮT TỪ ĐẦY ĐỦ BOD Biochemical Oxygen Demand- nhu cầu oxy sinh hoá BOD5 Biochemical Oxygen Demand- nhu cầu oxy sinh hoá COD Chemical Oxygen Demand - nhu cầu oxy hóa học TN Tổng nito TP Tổng photpho TSS Tổng chất rắn lơ lửng Số hóa Trung tâm Học liệu Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn DANH MỤC CÁC BẢNG Trang Bảng 1.1 Tính chất quang điện đơn tinh thể wurtzite Bảng 1.2 Tóm tắt cơng nghệ loại bỏ thu hồi photphat 14 Bảng 3.1 Kết kích thước tinh thể vật liệu EZ theo điều kiện 38 Bảng 3.2 Số liệu xây dựng đường chuẩn photphat 41 Bảng 3.3 Kết xác định điểm đẳng điện 41 Bảng 3.4 Ảnh hưởng pH đến dung lượng, hiệu suất hấp phụ EZ 43 Bảng 3.5 Ảnh hưởng thời gian đến dung lượng, hiệu suất hấp phụ EZ 45 Bảng 3.6 Ảnh hưởng nhiệt độ đến dung lượng, hiệu suất hấp phụ EZ 46 Bảng 3.7 Ảnh hưởng nồng độ ban đầu đến dung lượng, hiệu suất hấp phụ EZ .47 Bảng 3.8 Ảnh hưởng pH đến dung lượng, hiệu suất hấp phụ EZ 48 Bảng 3.9 Dung lượng hấp phụ cực đại số b 50 Bảng 3.10: Kết khảo sát phụ thuộc logq vào logCcb trình hấp phụ photphat 50 Bảng 3.11: Các số phương trình Freundlich 51 Bảng 3.12: Giá trị lnCcb qe nồng độ khác 52 Bảng 3.13: Giá trị tham số hấp phụ photphat theo mơ hình hấp phụ đẳng nhiệt Tempkin 53 Bảng 3.14: Giá trị lnqe ��� nồng độ khác 54 Bảng 3.15: Giá trị tham số hấp phụ photphat theo mơ hình hấp phụ đẳng nhiệt Dubinin-Radushkevich .55 Bảng 3.16: So sánh mơ hình hấp phụ photphat vật liệu hấp phụ 55 Bảng 3.17 So sánh dung lượng hấp phụ photphat chất hấp phụ khác 56 Bảng 3.18 Số liệu khảo sát động học hấp phụ PO43- vật liệu EZ .56 Bảng 3.19 Một số tham số động học hấp phụ bậc PO43- .57 Bảng 3.20 Một số tham số động học hấp phụ bậc PO43- .58 Bảng 3.21: Giá trị lượng hoạt hóa q trình hấp phụ photaphat EZ 58 Bảng 3.22 Kết tính KD nhiệt độ khác .59 Bảng 3.23 Các thông số nhiệt động trình hấp phụ 60 Bảng 3.24 Đặc trưng nước thải Công ty Cổ phần Supe phốt phát Hóa chất Lâm Thao 60 Bảng 3.25 Hiệu xử lý thông số ô nhiễm nước thải Công ty Cổ Số hóa Trung tâm Học liệu Cơng nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn phần Supe phốt phát Hóa chất Lâm Thao 61 Số hóa Trung tâm Học liệu Cơng nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn phát EZ nhỏ 25 kJ/mol, mặt lý thuyết trình hấp hấp phụ phốt phát EZ trình hấp phụ vật lý với khuếch tán ngồi đóng vai trò 3.6 Nhiệt động lực học trình hấp phụ photphat vật liệu EZ Sự biến thiên lượng tự (ΔG0), entanpy (ΔH0) entropy (ΔS0) trình hấp phụ PO4 3− KD = tính tốn cách sử dụng phương trình sau đây: qe ; Ccb ΔG = -RTlnK D ; lnK D = - ΔG0 ΔH0 ΔS0 =+ RT RT R (3.16) Trong đó: KD số cân - qe (mg/g) dung lượng hấp phụ thời điểm cân - Ccb (mg/L) nồng độ chất bị hấp phụ thời điểm cân - R số khí (R = 8,314 J/mol.K) - T nhiệt độ (K) Bảng 3.22 Kết tính KD nhiệt độ khác Co (mg/L) 21,12 T (K) 1/K (K-1) Ccb (mg/L) q (mg/g) H(%) lnKD 299 0,0033 0,12 21,00 99,43 5,16 303 0,0033 0,23 20,89 98,91 4,51 313 0,0032 0,43 20,69 97,96 3,87 323 0,0031 0,77 20,35 96,35 3,27 Hình 3.16 Đồ thị biểu diễn phụ thuộc lnKD vào 1/T Bảng 3.23 Các thông số nhiệt động trình hấp phụ Co(mg/L) T(K) G (kJ/mol) H (kJ/mol) So (kJ/mol.k) 21,12 299 303 313 323 -12,83 -11,35 -10,08 -8,79 -59,82 -0,0023 o o Nhận xét: Từ bảng kết thể thông số nhiệt động ta thấy: - Giá trị biến thiên lượng tự (∆Go) thu có giá trị âm điều chứng tỏ trình hấp phụ PO3− EZ trình tự xảy - Giá trị biến thiên lượng entanpi (∆Ho) thu có giá trị âm cho thấy trình hấp phụ PO3− vật liệu EZ trình tỏa nhiệt Các nghiên cứu trước cho thấy trình hấp phụ phốt phát thuộc phản ứng toả nhiệt hầu hết chất hấp phụ [18] Bởi trình hấp phụ q trình toả nhiệt hiệu suất xử lý photphat tương đối cao thực nhiệt độ phòng nữa, lượng nhiệt toả thu lại sử dụng vào tuỳ mục đích áp dụng quy mơ cơng nghiệp 3.7 Xử lý nước thải Công ty Cổ phần Supe phốt phát Hóa chất Lâm Thao 3.7.1 Nước thải trước xử lý Nước thải chưa qua xử lý Cơng ty Cổ phần Supe phốt phát Hóa chất Lâm Thao lấy mẫu ngày 13/11/2018 vị trí mương dẫn nước thải tới trạm xử lý nước thải supe lân công ty đem phân tích Trung tâm Quan Trắc Mơi Trường tỉnh Thái Ngun Kết phân tích trình bày bảng 3.24: Bảng 3.24 Đặc trưng nước thải Công ty Cổ phần Supe phốt phát Hóa chất Lâm Thao TT Tên tiêu Độ màu BOD5 COD QCVN 40:2011/BTNMT A B 50,0 150,0 Phương pháp Đơn vị Kết TCVN 6185:2008 SMEWW 5210B:2012 SMEWW 5220D:2012 Pt/Co