Tổng hợp đặc trưng vật liệu xúc tác quang trên cơ sở TiO2 biến tính để xử lý phẩm màu hữu cơ: Luận văn ThS. Hóa dầu (Chuyên ngành đào tạo thí điểm)

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN PHAN THỊ THU HẰNG TỔNG HỢP ĐẶC TRƯNG VẬT LIỆU XÚC TÁC QUANG TRÊN CƠ SỞ TiO2 BIẾN TÍNH ĐỂ XỬ LÝ PHẨM MÀU HỮU CƠ LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội 2018 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN PHAN THỊ THU HẰNG TỔNG HỢP ĐẶC TRƢNG VẬT LIỆU XÚC TÁC QUANG TRÊN CƠ SỞ TiO2 BIẾN TÍNH ĐỂ XỬ LÝ PHẨM MÀU HỮU CƠ Luận văn Thạc sỹ chun ngành Hóa Dầu Mã số: chun ngành thí điểm Hƣớng dẫn 1: TS Đặng Văn Đoàn Hƣớng dẫn 2: PGS.TS Lê Thanh Sơn Hà Nội 2018 LỜI CẢM ƠN Trƣớc tiên, xin gửi lời cảm ơn chân thành đến TS Đặng Văn Đoàn, PGS.TS.Lê Thanh Sơn giao đề tài tận tình hƣớng dẫn cho tơi suốt thời gian qua Các thầy cung cấp thông tin, tài liệu, dành nhiều thời gian trao đổi, định hƣớng nghiên cứu lĩnh vực thú vị bắt đầu bƣớc vào thực luận văn Trong thời gian thực đề tài, thầy góp ý, sửa chữa giúp tơi hồn thành luận văn Thạc sỹ cách tốt Tôi xin cảm ơn thầy cô truyền đạt kiến thức cho tơi suốt chƣơng trình học cao học; cảm ơn bạn, em sinh viên Khoa Hóa học, đặc biệt Bộ mơn Hóa Dầu - Trƣờng Đại học Khoa học tự nhiên nhiệt tình giúp đỡ q trình tơi làm thực nghiệm Cảm ơn đồng chí Lãnh đạo tập thể cán chiến sĩ phịng Giám định Hóa pháp lý – Viện Khoa học hình tận tình giúp đỡ, tạo điều kiện thuận lợi cho tơi q trình học tập, nghiên cứu nhƣ thực luận văn Cuối cùng, xin tỏ lịng biết ơn đến gia đình ngƣời thân bên cạnh chia sẻ, động viên tạo điều kiện tốt để tơi hồn thành luận văn Xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, ngày tháng năm 2018 Học viên cao học PHAN THỊ THU HẰNG MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN MỤC LỤC DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT DANH MỤC BẢNG DANH MỤC HÌNH MỞ ĐẦU .1 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN .3 1.1 Tổng quan chất màu hữu 1.1.1 Thuốc nhuộm 1.1.2 Ô nhiễm chất màu hữu 1.1.3 Một số phƣơng pháp xử lý 1.2 Tổng quan TiO2 .9 1.2.1 Các dạng cấu trúc TiO2 .9 1.2.2 Một số tính chất TiO2 .11 1.2.3 Ngun lý q trình quang hóa .14 1.2.4 Ứng dụng chất xúc tác quang TiO2 18 1.2.5 Các yếu tố ảnh hƣởng tới trình quang xúc tác TiO2 19 1.2.6 Vật liệu nano TiO2 biến tính 22 1.2.7 Các dạng TiO2 sử dụng làm xúc tác quang hóa 22 1.2.8 Nguồn ánh sáng UV 23 1.2.9 Ứng dụng vật liệu TiO2 nano 24 CHƢƠNG II : ĐỐI TƢỢNG VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 26 2.1 Đối tƣợng phạm vi nghiên cứu 26 2.1.1 Đối tƣợng nghiên cứu 26 2.1.2 Phạm vi nghiên cứu .26 2.2 Phƣơng pháp tổng hợp vật liệu .26 2.2.1 Hóa chất dụng cụ thí nghiệm 26 2.2.2 Tổng hợp Xúc tác 27 2.3 Các phƣơng pháp xác định đặc trƣng vật liệu .28 2.3.1 Phƣơng pháp nhiễu xạ tia X (XRD) 28 2.3.2 Phƣơng pháp kính hiển vi điện tử quét (SEM) phƣơng pháp phổ phân tán lƣợng tia X (EDS) 29 2.3.3 Phƣơng pháp quang phổ hấp thụ tử ngoại UV-VIS 30 2.4 Đánh giá hiệu xúc tác .30 2.4.1 Khảo sát hoạt tính xúc tác quang Fe-TiO2 phản ứng phân hủy MB 30 1.4.2 Khảo sát hoạt tính xúc tác quang CuxO/TiO2 phản ứng phân hủy Red Congo .31 2.4.3 Khảo sát ảnh hƣởng hàm lƣợng xúc tác, nhiệt độ nung xúc tác, thể tích H2O2 thời gian chiếu đèn 32 CHƢƠNG III: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 33 3.1 Kết đặc trƣng vật liệu nhiễu xạ tia X (XRD) 33 3.1.1 Xúc tác quang Fe-TiO2 33 3.1.2 Xúc tác TiO2 biến tính CuxO 35 3.2 Kết đặc trƣng vật liệu SEM 38 3.2.1 Xúc tác quang Fe-TiO2 .38 3.2.2 Xúc tác TiO2 biến tính CuxO 38 3.3 Hiệu suất xử lý xanh methylen Fe-TiO2 39 3.3.1 Kết khảo sát khả xúc tác quang Fe-TiO2 phân hủy MB 40 3.3.2 Kết khảo sát khả xúc tác quang CuO/TiO2 xử lý phẩm màu Red congo 47 3.3.3 Kết so sánh xúc tác x% CuxO/TiO2 50 KẾT LUẬN .52 Đối với xúc tác quang Fe-TiO2 .52 Đối với xúc tác quang CuO/TiO2 53 TÀI LIỆU THAM KHẢO 54 DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT MB Methyl blue ppm Parts per million SEM XRD Scanning Electron Microscope X-Ray Diffration UV- Vis Ultraviolet-visible spectroscopy VB Vùng hóa trị lƣợng thấp CB Vùng dẫn lƣợng cao Eg Năng lƣợng vùng cấm h+ Lỗ trống vùng hóa trị H Hằng số Planck e- Điện tử tự CTiO2 Hàm lƣợng TiO2 DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1: Các công đoạn công nghiệp dệt nhuộm gây nước thải Bảng 1.2: Một số thông số vật lý anatase rutile [5] 12 Bảng 2.1 Hóa chất dụng cụ thí nghiệm tổng hợp vật liệu quang xúc tác 26 hình 3.8 : Ảnh SEM mẫu xúc tác 10% Fe-TiO2 38 Bảng 3.1: Thành phần nguyên tố xúc tác 10% CuO/TiO2 39 Bảng 3.2 : Hiệu suất xử lý MB mẫu theo thời gian (%) 40 Bảng 3.3: Ảnh hưởng lượng xúc tác đến hiệu suất xử lý MB,% 41 Bảng 3.4 : Ảnh hưởng thể tích H2O2 tới hiệu suất xử lý MB,% 42 Bảng 3.5: Ảnh hưởng nhiệt độ nung tới hiệu suất xử lý MB,% 44 Bảng 3.6: Ảnh hưởng cường độ chiếu sáng tới hiệu suất xử lý MB,% 46 DANH MỤC HÌNH Hình 1.1 Một số loại phẩm màu tiêu biểu Hình 1.2 Hình ảnh bột Xanh Methylene (Methylene Blue) sản phẩm nhuộm màu Xanh Methylene .5 Hình 1.3 Hình ảnh bột Red Congo sản phẩm nhuộm màu Red Congo .6 Hình 1.4 Nước thải dệt nhuộm chưa qua xử lý Hình 1.5 Tinh thể TiO2 .9 Hình 1.6 Các dạng cấu trúc tinh thể TiO2 10 Hình 1.7 Hình khối bát diện TiO6 10 Hình 1.8 Cấu trúc tinh thể dạng Rutile TiO2 10 Hình 1.9 Cấu trúc tinh thể dạng Anatase TiO2 .11 Hình 1.10 Cấu trúc tinh thể dạng Brookite TiO2 11 Hình 1.11 Ô mạng sở rutile anatase .12 Hình 1.12 Sơ đồ lượng chuyển hóa quang xúc tác TiO2 chất ô nhiễm hữu R 16 Hình 1.13 Sơ đồ tổng thể ứng dụng chất xúc tác quang TiO2 18 Hình 2.1: Sơ đồ tia X tia phản xạ bề mặt tinh thể 29 Hình 2.2 Đồ thị đường chuẩn mối quan hệ nồng độ xanh methylen độ hấp thụ quang A 31 Hình 2.3: Đường chuẩn phẩm màu Red Congo bước sóng 498 nm 32 Hình 3.1: Phổ nhiễu xạ tia X xúc tác TiO2 pha tạp 5%Fe 33 Hình 3.2 : Phổ nhiễu xạ tia X xúc tác TiO2 pha tạp 8% Fe 34 Hình 3.3 : Phổ nhiễu xạ tia X xúc tác TiO2 pha tạp 10% Fe 34 Hình 3.4 : Phổ nhiễu xạ tia X xúc tác TiO2 pha tạp 15% Fe 35 Hình 3.5 Phổ nhiễu xạ tia X xúc tác 2%CuO/TiO2 36 Hình 3.6 Phổ nhiễu xạ tia X xúc tác 10% CuO/TiO2 36 Hình 3.7 Phổ nhiễu xạ tia X xúc tác 20%CuO/TiO2 .37 hình 3.8 : Ảnh SEM mẫu xúc tác 10% Fe-TiO2 .38 Hình 3.9: Ảnh SEM mẫu xúc tác 10% CuO/TiO2 38 Hình 3.10: Kết EDS mẫu 10%CuO/TiO2 39 Hình 3.11: Hiệu suất xử lý MB mẫu TiO2 pha tạp Fe với tỉ lệ khác theo thời gian 40 Hình 3.12: Ảnh hưởng lượng xúc tác đến hiệu suất xử lý MB theo thời gian với mẫu 8% Fe-TiO2 .42 Hình 3.13: Ảnh hưởng hàm lượng H2O2 đến hiệu suất xử lý MB theo thời gian 43 Hình 3.14: Ảnh hưởng nhiệt độ nung đến hiệu suất xử lý MB theo thời gian 45 Hình 3.15: Ảnh hưởng cường độ chiếu sáng đến hiệu suất xử lý MB theo thời gian .46 Hình 3.16: Sự thay đổi nồng độ (ppm) theo thời gian mẫu phẩm màu Red Congo 20ppm xử lý với xúc tác TiO2 khơng biến tính 47 Hình 3.17: Sự thay đổi nồng độ (ppm) theo thời gian mẫu phẩm màu Red Congo 20ppm xử lý với xúc tác 2% CuO/TiO2 48 Hình 3.18: Sự thay đổi nồng độ (ppm) theo thời gian mẫu phẩm màu Red Congo 20ppm xử lý với xúc tác 5%CuO/TiO2 48 Hình 3.19: Sự thay đổi nồng độ (ppm) theo thời gian mẫu phẩm màu Red Congo 20ppm xử lý với xúc tác 10% CuO/TiO2 .49 Hình 3.20: Sự thay đổi nồng độ (ppm) theo thời gian mẫu phẩm màu Red Congo 20ppm xử lý với xúc tác 15%CuO/TiO2 49 Hình 3.21: Sự thay đổi nồng độ (ppm) theo thời gian mẫu phẩm màu Red Congo 20ppm xử lý với xúc tác 20%CuO/TiO2 50 Hình 3.22: So sánh thay đổi nồng độ (ppm) theo thời gian phẩm màu Red Congo 20ppm xử lý với xúc tác khác 51 Luận văn Thạc sỹ Khoa học Chuyên nghành Hóa dầu MỞ ĐẦU Ơ nhiễm mơi trƣờng vấn đề quan tâm hàng đầu quốc gia giới; với phát triển nhanh chóng giới mặt, đặc biệt lĩnh vực cơng nghiệp, ngƣời vơ tình dần hủy hoại mơi trƣờng sống chất thải từ công đoạn sản xuất mà không qua xử lý xử lý không triệt để dẫn đến việc ngày nhiều chất độc hại đƣợc thải vào môi trƣờng gây nên ô nhiễm làm gia tăng hiệu ứng nhà kính Ơ nhiễm mơi trƣờng bao gồm ba loại là: nhiễm khơng khí, nhiễm đất ô nhiễm nguồn nƣớc Tốc độ công nghiệp hóa thị hóa diễn nhanh với gia tăng dân số gây áp lực ngày nặng nề tài nguyên nƣớc vùng đô thị hoạt động sản xuất nhà máy khu công nghiệp, hoạt động làng nghề sinh hoạt đô thị lớn Trong số chất độc hại thải môi trƣờng, đáng ý phẩm màu hữu Chúng chất hữu độc hại, chất tƣơng đối bền vững, khó bị phân hủy sinh học, lan truyền tồn lƣu thời gian dài môi trƣờng Để xử lý phẩm màu hữu đó, ngƣời ta kết hợp nhiều phƣơng pháp xử lý khác nhƣ hấp phụ, sinh học, oxy hố tuỳ thuộc vào tình trạng nhiễm Trong đó, phƣơng pháp oxi hóa hợp chất hữu cách sử dụng xúc tác quang nhằm loại bỏ ion kim loại nặng, hợp chất màu hữu cơ, thuốc nhuộm hoạt tính độc hại khỏi mơi trƣờng nƣớc có ý nghĩa to lớn thu hút nghiên cứu nhà khoa học phƣơng pháp có nhiều ƣu điểm nhƣ sử dụng lƣợng ánh sáng mặt trời, tác nhân oxi hóa oxi khơng khí… Một số chất bán dẫn đƣợc sử dụng làm chất xúc tác quang nhƣ kẽm oxit ZnO, titan đioxit TiO2, kẽm titanat Zn2TiO3, CdS…Trong số đó, TiO2 kích thƣớc nano đƣợc nhà khoa học quan tâm nhiều có ƣu điểm vƣợt trội chất bán dẫn khác Với hoạt tính quang xúc tác cao, cấu trúc bền không độc, vật liệu TiO2 đƣợc cho vật liệu triển vọng để giải nhiều vấn đề môi trƣờng nghiêm trọng thách thức từ ô nhiễm Phan Thị Thu Hằng Luận văn Thạc sỹ Khoa học Chuyên nghành Hóa dầu 24 Mingqin Li(2013), “The research and development of Fe doped TiO2”, Research of Materials Science, Volume 2, pp.28-33 25 Mas Rosemal H.Mas Haris and Kathiresan Sathasiviam (2009) The removal of methyl red from aqueous solutions using banana Pseudostem Fibers American Journal of applied sciences 6(9): p1690-p1700 26 Thi Hiep Nguyen, Thu Loan Nguyen, Thi Dieu Thuy Ung, Quang Liem Nguyen (2013) Synthesis and characterization of nano-CuO and CuO/TiO2 photocatalyst ARPN Joumal of Engineering and Applied Sciences VOL 11,NO.14 p268-p272 27 Smanonmani T.Santhi, T.Smitha (2010) Removal of Methyl Orange from Solutions using Yam Leaf Fibers Chemical Engineering Research Bulletin, p.124126 Phan Thị Thu Hằng 56