NGHIÊN cứu THỬ NGHIỆM KHẢ NĂNG xử lý tảo LAM của TITAN OXIDE (tio2) BẰNG PHƯƠNG PHÁP QUANG xúc tác

BỘ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG HÀ NỘI KHOA MÔI TRƯỜNG BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC SINH VIÊN NĂM HỌC 2017 – 2018 ĐỀ TÀI: “NGHIÊN CỨU THỬ NGHIỆM KHẢ NĂNG XỬ LÝ TẢO LAM CỦA TITAN OXIDE (TiO2) BẰNG PHƯƠNG PHÁP QUANG XÚC TÁC” Thuộc nhóm ngành khoa học: Công nghệ kĩ thuật môi trường HÀ NỘI, THÁNG – NĂM 2018 BỘ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG HÀ NỘI KHOA MÔI TRƯỜNG BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC SINH VIÊN NĂM HỌC 2017 - 2018 TÊN ĐỀ TÀI: “NGHIÊN CỨU THỬ NGHIỆM KHẢ NĂNG XỬ LÝ TẢO LAM CỦA TITAN OXIDE (TiO2) BẰNG PHƯƠNG PHÁP QUANG XÚC TÁC” Thuộc nhóm ngành khoa học: Công nghệ kĩ thuật môi trường Lớp: ĐH5M5 Khoa: Môi trường Năm thứ: 3/4 Ngành học: Công nghệ kĩ thuật môi trường Người hướng dẫn: TS.LÊ NGỌC THUẤN HÀ NỘI, THÁNG – NĂM 2018 BỘ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC Độc lập - Tự - Hạnh phúc TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG HÀ NỘI THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI Thông tin chung: - Tên đề tài:“Nghiên cứu thử nghiệm khả xử lý tảo lam Titan Oxit (TiO2) phương pháp quang xúc tác - Nhóm Sinh viên thực hiện: Lưu Mai Anh Trần Thị Việt Hà Nguyễn Thu Hiền Phạm Thị Thu Huyền Nguyễn Thị Yến - Lớp: ĐH5M5 Khoa: Môi trường Năm thứ: 03 Số năm đào tạo: 04 - Người hướng dẫn: TS Lê Ngọc Thuấn Mục tiêu đề tài: - Mục tiêu chung: Khảo sát, đánh giá trạng đưa đề xuất cho phương pháp xử lý tảo - Mục tiêu cụ thể: Ứng dụng quang xúc tác TiO2 diệt tảo Sử dụng lượng thiên nhiên-năng lượng mặt trời ứng dụng quang xúc tác TiO2 Tái chế, sử dụng nguồn phế liệu nghiên cứu phương án diệt tảo.Tính tốn đánh giá khả xử lý chất ô nhiễm TiO2 Tính sáng tạo: - Đã xây dựng quy trình chế tạo màng Titan Oxit phương pháp sol-gel bề mặt kính - Vật liệu TiO2 tổng hợp thu có hoạt tính oxy hóa quang xúc tác tốt tảo lam nước điều kiện ánh sáng mặt trời Tính đề tài thành công kết hợp TiO2 : Acid citric (tỉ lệ 1:1) - Sử dụng vật liệu phủ màng Tio ứng dụng vào việc diệt tảo nước, với phương thức thu hồi lại Tio2 (không gây độc cho môi trường) - Sử dụng bóng đèn cũ làm bề mặt đế để phủ gel mang tính ứng dụng tái chế cao - Đánh giá khảo sát hoạt tính xúc tác quang vật liệu việc xử lý tảo lam nước, cho kết tốt Kết nghiên cứu: - Đã tổng hợp vật liệu xúc tác quang hóa TiO2 - Phân tích xác định đặc trưng cấu trúc, tính chất vật liệu thơng qua kết phân tích nhiễu xạ tia X, phân tích phổ hồng ngoại IR, chụp ảnh kính hiển vi điện tử SEM, kính hiển vi điện tử truyền qua TEM, phổ UV- Vis Đóng góp mặt kinh tế - xã hội, giáo dục đào tạo, an ninh, quốc phòng khả áp dụng đề tài: - Tảo Lam tồn nhiều ao nuôi tôm, hấp thụ dinh dưỡng phát triển chúng làm ao nuôi thiếu oxi cho tôm phát triển, gây số bệnh tôm làm giảm chất lượng suất nuôi tôm Việc ứng dụng vật liệu Tio giúp cho ao nuôi tôm diệt tảo mà khơng dùng đến hóa chất độc hại thị trường nay, góp phần lớn vào kinh tế đề tài quan tâm phát triển - Xuất hồ Tây hồ Gươm với mật độ dày đăc gây tượng “tảo nở hoa” làm cá chết hàng loạt khiến cho giá trị văn hóa dịch vụ hồ bị ảnh hưởng nghiêm trọng Chức sinh thái điều hòa bị giảm mạnh tảo lam gây Nghiên cứu mong muốn áp dụng thực tế giải vấn đề trả lại cảnh quan đẹp cho thành phố - Ơ nhiễm nước nguồn nước khơng đe dọa đến sống sức khỏe người mà tác động lớn tới hệ động thực vật nói chung Nghiên cứu chế tạo vật liệu xúc tác quang TiO2 ứng dụng việc xử lý tảo lam nước Hà Nội, Ngày 07 tháng 05 năm 2018 Nhận xét người hướng dẫn đóng góp khoa học sinh viên thực đề tài ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… Ngày 07 tháng 05 năm 2018 Xác nhận trường đại học Người hướng dẫn Lê Ngọc Thuấn LỜI CẢM ƠN! Trong trình thực đề tài: “NGHIÊN CỨU THỬ NGHIỆM KHẢ NĂNG XỬ LÝ TẢO LAM CỦA TITAN OXIDE (TiO 2) BẰNG PHƯƠNG PHÁP QUANG XÚC TÁC” Chúng em nhận nhiều giúp đỡ, tạo điều kiện thuận lợi quý thầy cô giáo trung tâm ứng dụng Khoa học Vật liệu – trường Đại học Khoa học Tự nhiên – Đại học Quốc gia Hà Nội Chúng em xin bày tỏ lòng cảm ơn chân thành giúp đỡ Đặc biệt, chúng em xin bày tỏ kính trọng lịng biết ơn sâu sắc đến  TS.Lưu Mạnh Quỳnh - giảng viên khoa Vật Lý - trường Đại học Khoa học Tự nhiên – Đại học Quốc gia Hà Nội - người thầy trực tiếp hướng dẫn bảo cho chúng em suốt q trình hồn thành đề tài nghiên cứu Thầy tận tình bảo cho chúng em kiến thức lý thuyết thực nghiệm quý báu với lời động viên  TS Lê Ngọc Thuấn – giảng viên khoa Môi trường – trường Đại học Tài nguyên Môi trường Hà Nội – người chịu trách nhiệm hướng dẫn lên ý tưởng ban đầu để chúng em có bước đệm hồn thành đề tài nghiên cứu Tiếp theo, chúng em xin cảm ơn quan tâm, giúp đỡ, ân cần bảo nhiệt tình giảng dạy thầy Trường Đại học Tài nguyên Môi trường Hà Nội Những kiến thức mà thầy truyền đạt tảng cho chúng em thực đề tài nghiên cứu Cuối cùng, để có kết ngày hơm nay, chúng em xin gửi lời cảm ơn lòng biết ơn đến người thân, bạn bè Hà Nội, ngày 07 tháng 05 năm 2018 Nhóm sinh viên thực Lưu Mai Anh Trần Thị Việt Hà Nguyễn Thu Hiền Phạm Thị Thu Huyền Nguyễn Thị Yến DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Từ viết tắt Abs SEM TCVN UV-Vis TEM Diễn giải Độ hấp thụ quang (Absorbance) Phương pháp hiển vi điện tử quét (Scanning Electronic Microscopy) Tiêu chuẩn Việt Nam Tử ngoại khả kiến (Utraviolet visible) Phương pháp hiển vi điện tử truyền qua MỤC LỤC MỞ ĐẦU 1.Tính cấp thiết đề tài 2.Mục tiêu đề tài 3.Phương pháp nghiên cứu Tóm tắt nội dung kết đạt CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN .4 1.1 Vật liệu xúc tác quang hóa TiO2 1.1.1 Giới thiệu TiO2 .4 1.1.2 Cơ chế xúc tác quang hóa vật liệu nano TiO2 xử lí chất nhiễm 1.2 Ứng dụng 1.2.1 Ứng dụng TiO2: 1.2.2 Vật liệu tự làm sạch: 1.2.3 Các vật liệu chống bám sương 10 1.2.4 Sản phẩm diệt khuẩn, khử trùng, chống rêu mốc .10 1.2.5 Tiêu diệt tế bào ung thư .10 1.2.6 Sản xuất nguồn lượng H2 10 1.2.7 Khử mùi, làm khơng khí 10 1.2.8 Xử lý nước nhiễm bẩn 10 1.2.9 Ứng dụng TiO2 xử lý nước thải, nước nhiễm khuẩn .11 1.3 Vật liệu xúc tác quang hóa nano TiO2 11 1.3.1 Giới thiệu phương pháp tẩm vật liệu nano bề mặt chất mang 12 1.3.2 Các chất mang nano titan dioxit 12 1.3.3 Các loại chất mang 12 1.3.4 Các kỹ thuật cố định xúc tác quang hóa TiO2 lên vật liệu mang 13 1.4 Tình hình nghiên cứu ứng dụng vật liệu xúc tác quang hóa nano TiO Việt Nam giới 14 1.5.Chế tạo vật liệu nano phương pháp sol-gel 15 1.6 Các phương pháp nghiên cứu đặc trưng, tính chất cấu trúc vật liệu .17 1.6.1 Phương pháp phổ phát tán lượng tia X 17 1.6.2 Phương pháp nhiễu xạ Rơnghen(XRD–X–Rays Diffraction) 17 1.6.3 Phương pháp phổ hấp thụ phân tử UV- Vis 20 1.6.4 Phương pháp kính hiển vi điện tử quét (SEM) 20 1.6.5 Phương pháp hiển vi điện tử truyền qua (TEM) .21 1.7 Giới thiệu tảo 21 1.7.1Tảo Lam ảnh hưởng tảo Lam đến môi trường 21 CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM 24 2.1 Chế tạo vật liệu màng TiO2 24 2.1.1.Chế tạo mẫu dạng sol: .24 CHƯƠNG KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 28 3.1 Khảo sát tỷ lệ tối ưu hóa TTIP:AC 28 3.2.Phân tích đặc trưng cấu trúc, tính chất vật liệu 29 3.2.1.Nghiên cứu khả phân hủy chất hữu .29 3.2.3 Sử dụng bóng đèn phủ TiO2 diệt tảo 34 3.2.3 kết quả: 36 CHƯƠNG KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1 Khảo sát tỷ lệ tối ưu hóa TTIP:AC Mẫu (a) Mẫu (b) Mẫu (c) Mẫu (d) 28 Trên ảnh mẫu màng nhúng phủ với tỷ lệ khác TTIP Acid Citric trực quan ta nhận thấy được:  Mẫu (b) (c) đế lamen có xuất vân trắng dạng bột rõ mắt thường quan sát sau sấy đèn hồng ngoại  Mẫu (d) đế lamen không xuất vân, màng phủ suốt Mẫu (d) mẫu có màng phủ tốt ta sử dụng tỉ lệ mẫu (d)- tỷ lệ 1:1 để thực hành phủ nano TiO2 bóng đèn Giải thích: - Citric acid thí nghiệm chất hoạt hóa bề mặt giúp cho phân tử Tio2 kết dính lại tạo màng TiO2 lamen - Với mẫu (b) (c) xuất vân trắng TiO2 tồn dang bột(hạt) tách rời,vậy nên với tỷ lệ định phân tử TiO2 kết dính lại tạo thành màng dạng gel  tỷ lệ thích hợp dựa vào thực nghiệm tỷ lệ TTIP/AC tỷ lệ 1:1 3.2.Phân tích đặc trưng cấu trúc, tính chất vật liệu - Phương pháp phổ phát tán lượng tia X: mẫu chụp thiết bị chụp EDX, trung tâm Khoa học Vật liệu- Đại học KHTN- Đại học quốc gia Hà Nội - Thiết bị chụp SEM, trung tâm Khoa học Vật liệu-ĐH Khoa học tự nghiên- ĐH quốc gia Hà Nội - Thiết bị chụp XRD, Trung tâm ứng dụng khoa học vật liệu- Đại học Khoa học Tự nhiên-Đại học quốc gia Hà Nội 3.2.1.Nghiên cứu khả phân hủy chất hữu Hình 3.1 Bố trí thí nghiệm với tia UV đến màng từ phía trước, xuyên qua dung dịch (a) tia UV đến màng từ phía sau, xun qua đế kính (b) Đèn UV có bước sóng 290 nm ± nm 29 Tính chất quang xúc tác màng xác định mức độ khử màu dung dịch hữu màng chiếu xạ đèn tử ngoại (UV) Thiết kế thường thấy thí nghiệm mẫu màng đặt bình chứa dung dịch hữu với bề mặt màng hướng lên để tiếp xúc nhiều với dung dịch, nguồn sáng UV đặt phía bình chứa Với thiết kế vậy, ánh sáng phải qua dung dịch trước tới bề mặt màng, làm cường độ ánh sáng giảm đáng kể Ngoài dung dịch hữu methylene blue (MB), rhodamine B, methyl orange hấp thụ tia UV, vậy, suy giảm nồng độ dung dịch hữu theo thời gian ngồi tính màng ra, cịn bao gồm phần phân hủy tia UV tác dụng trực tiếp lên dung dịch Dưới tác dụng tia sáng tử ngoại, lớp TNO hoạt hóa có khả phân hủy chất hữu Hình mơ tả thí nghiệm đo đạc khả phân hủy methylene blue (MB) – chất hữu có có màu xanh – kính phủ TNO chiếu sáng bời ánh sáng tử ngoại Nguồn sáng tử ngoại đèn LED phát ánh sáng có bước ang 294 nm Tia sáng tử ngoại chiếu lên bề mặt kính tiếp xúc với dung dịch MB Vật liệu làm kính thay kính phủ TNO để so sánh hiệu suất khử màu MB Nồng độ MB đo quang qua hệ đo hấp thụ quang học Kết Hình ảnh SEM màng TiO2 biểu diễn Hình Ta thấy màng TiO2 mịn, đều, khơng xốp, có độ dày khoảng 230 nm Hình giản đồ XRD màng TiO2 với nồng độ pha tạp Nb khác Kết cho thấy tất màng TiO2 kết tinh dạng đa tinh thể pha anatase 30 Hình 3.2 Ảnh SEM mẫu màng TiO2 chế tạo phương pháp sol-gel Hình 3.3 Giản đồ nhiễu xạ tia X mẫu màng TiO2 chế tạo phương pháp sol-gel Methylene blue có màu xanh lục, nồng độ bị giảm màu dung dịch nhạt theo; dung dịch hấp thụ ánh sáng Nồng độ dung 31 dịch tỉ lệ thuận với độ hấp thụ ánh sáng Hình kết đo độ hấp thụ dụng dịch MB sau chiếu sáng tia tử ngoại thời gian 120 phút Các điểm hình vng kết đo kính thường điểm hình tam giác kết đo kính phủ TiO2 Có thể thấy rõ nồng độ dung dịch MB giảm theo thời gian khơng có TiO2 phủ lên kính Điều chứng tỏ tia tử ngoại có khả khử chất hữu Khi có ang lớp TiO2, hiệu suất khử chất hữu ang lên nhiều, từ khoảng 7% (đối với kính thường) lên đến 25% (đối với kính phủ TiO2) Hình 3.4 Quá trình xử lý MB  Từ khảo sát ta chứng minh mẫu nhóm nghiên cứu, chế tạo mẫu gel TiO2 3.2.2 Ứng dụng nhúng phủ màng TiO2 lên thủy tinh (bóng đèn) Các bước tiến hành tiến hành với lamen: Bước 1: Tạo gel Tio2 ( tỷ lệ 1:1) Bước 2: 32 -Khử trùng bóng - Hoạt hóa bề mặt bóng với NaOH 0.5M - Nhúng gel TiO2 Bước 3: 33  Ủ bóng nhiệt độ 450oC, thời gian 30p 3.2.3 Sử dụng bóng đèn phủ TiO2 diệt tảo Thiết kế mơ hình: -Bố trí thí nghiệm có bình thủy tinh thể tích lít: 34  Bình số 1: bố trí bóng đèn có nhúng phủ TiO2  Bình số 2: bố trí bóng đèn khơng có TiO2  Bình số 3: bố trí bình khơng  Bình số : bố trí bình có nhúng phủ TiO2 Ta có Bình số(1),(2),(3) đặt đèn chiếu tia UV Bình số (4) đặt ngồi khoảng chiếu tia UV Mỗi bình chứa lượng nước 500ml với tỷ lệ pha tảo 5/1000 Khảo sát thay đổi nồng độ tảo thời điểm khác nhau:1h, 2h, 3h, 4h,… Hệ thống tảo nuôi phịng thí nghiệm Mơ hình diệt tảo với đèn UV phịng thí nghiệm - Thực hành đếm tảo kính hiển vi nhận xét thay đổi hàm lượng tảo nước 35 3.2.3 kết quả: TH1: Bóng phủ TiO2 kết hợp ánh sáng đèn UV TH2: Bóng đèn thường kết hợp với ánh sáng đèn UV 36 TH3: Chỉ có ánh sáng đèn UV TH4: Bóng phủ TiO2 không kết hợp đèn UV 37  Ảnh soi kính hiển vi: Tảo pha lỗng ban đầu 38 TH 1: Bóng thường kết hợp đèn UV 39 TH 2: Khơng bóng đèn chiếu tia UV TH 3: Bóng đèn phủ TiO2 khơng chiếu tia UV 40 TH4: Bóng đèn phủ TiO2.+ Uv Dựa ảnh thực nghiệm ta thấy mật độ tảo giảm rõ rệt với trường hợp(4)-là trường hợp bóng đèn phủ TiO2 kết hợp với ánh sáng UV Cho thấy bóng đèn chứa màng TiO2 kết hợp với ánh sáng đèn Uv mang lại hiệu diệt tảo tối ưu 41 CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN KIẾN NGHỊ Kết luận Nghiên cứu tạo TiO2 có hoạt tính xúc tác quang hóa tốt, hóa tốt điều kiện ánh sáng khả kiến tự nhiên, ứng dụng để xử lý hợp chất hữu khó phân hủy nước( tảo) Trong q trình thực nhóm nghiên cứu khoa học thu số kết sau: - Đã tổng hợp thành công vật liệu nano xúc tác quang hóa TiO2 - Đã khảo sátcácđiều kiện ảnh hưởng tới trình chế tạo vật liệu: + Nhiệt độ nung tối ưu vật liệu 450oC + Tỷ lệ TTip: Aicid citric thích hợpđể tổng hợp vật liệu 1: + tác dụng ánh sáng vật liệu TiO2 chế tạo có tác dụng diệt tảo mạnh Nghiên cứu chứng minh khả xử lý tảo nước ao hồ nano TiO2 điều chế phương pháp sol-gel Thời gian phản ứng dài hiệu suất xử lý cao TiO2 kết hợp với tia UV có khả làm tăng hiệu xử lý Thành công việc sử dụng bóng đèn cũ tái chế thành sản phẩm giúp làm giảm ô nhiễm môi trường Kiến nghị Trong trình thực hiện, hạn chế thời gian kinh phí đề tài cịn tồn số hạn chế chưa thực chưa khảo sát yếu tổ ảnh hưởng tới hoạt tính xúc tác quang hóa vật liệu hàm lượngchất ô nhiễm , nhiệt độ Đặc biệt thử nghiệm với hợp chất hữu khó phân hủy nước khác mà đề tài chưa đề cập tới như:hóa chất thuốc bảo vệ thực vật….Tuy nhiên kết mà đề tài thu khả quan mở triển vọng ứng dụng vào thực tế Kính đề nghị Nhà trường tiếp tục ủng hộ hỗ trợ cho chúng em để phát triển tốt đề tài tương lai Các nghiên cứu tiếp theolà bổ sung thêm yếu tổ ảnh hưởng tới trình xúc tác mẫu thực thử nghiệm khả xử lý vật liệu hợp chất hữu khác nhằm tăng tính thực tiễn vật liệu 42 ... dụng xúc tác nano quang hóa Xuất phát từ lý với mục tiêu nghiên cứu phát triển vật liệu xúc tác quang hóa mới, nhóm nghiên cứu đề xuất đề tài“NGHIÊN CỨU THỬ NGHIỆM KHẢ NĂNG XỬ LÝ TẢO LAM CỦA TITAN. .. TỔNG KẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC SINH VIÊN NĂM HỌC 2017 - 2018 TÊN ĐỀ TÀI: “NGHIÊN CỨU THỬ NGHIỆM KHẢ NĂNG XỬ LÝ TẢO LAM CỦA TITAN OXIDE (TiO2) BẰNG PHƯƠNG PHÁP QUANG XÚC TÁC” Thuộc nhóm ngành... Ngọc Thuấn LỜI CẢM ƠN! Trong trình thực đề tài: “NGHIÊN CỨU THỬ NGHIỆM KHẢ NĂNG XỬ LÝ TẢO LAM CỦA TITAN OXIDE (TiO 2) BẰNG PHƯƠNG PHÁP QUANG XÚC TÁC” Chúng em nhận nhiều giúp đỡ, tạo điều kiện