Xử lý rodamine b trong nước trên xúc tác hydrotalcite chứa ti

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN KHOA HÓA HỌC Huỳnh Thị Thúy Hoa XỬ LÝ RHODAMINE B TRONG NƢỚC TRÊN XÚC TÁC HYDROTALCITE CHỨA Ti Luận văn Thạc sỹ Hóa học Ngành Hóa học Môi trƣờng Hà Nội - 2016 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN KHOA HÓA HỌC Huỳnh Thị Thúy Hoa XỬ LÝ RHODAMINE B TRONG NƢỚC TRÊN XÚC TÁC HYDROTALCITE CHỨA Ti Luận văn Thạc sỹ Hóa học Ngành Hóa học Mơi trƣờng Mã số: 60440120 Cán hƣớng dẫn: PGS TS Nguyễn Tiến Thảo Hà Nội - 2016 LỜI CẢM ƠN Với lịng biết ơn sâu sắc nhất, tơi xin chân thành cảm ơn PGS.TS Nguyễn Tiến Thảo hƣớng dẫn tận tình suốt q trình hồn thành luận văn Tôi xin chân thành cảm ơn thầy, cô cán phịng thí nghiệm Khoa Hóa học - Bộ mơn Hóa học Dầu mỏ Phịng thí nghiệm Hóa Mơi trƣờng, Trƣờng ĐHKHTN- ĐHQG Hà Nội dạy dỗ, động viên, giúp đỡ tơi suốt q trình học tập trƣờng tạo điều kiện thuận lợi cho tơi hồn thiện luận văn Cuối cùng, tơi xin bày tỏ lịng biết ơn tới gia đình bạn bè, ngƣời động viên tạo điều kiện thuận lợi để tơi hồn thiện luận văn Trân trọng cảm ơn! Hà Nội, ngày tháng năm 2016 Tác giả Huỳnh Thị Thúy Hoa MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN MỞ ĐẦU Chƣơng I - TỔNG QUAN 1.1.Giới thiệu hydrotalcite 1.2.Đặc điểm hydrotalcite 1.2.1 Công thức 1.2.2 Đặc điểm cấu trúc 1.2.3 Đặc điểm 1.3.Tính chất 1.3.1 Tính chất trao đổi anion 1.3.2 Tính chất hấp phụ 1.4.Phƣơng pháp điều chế hydr 1.4.1 Phương pháp đồng kết tủa 1.4.2 Ảnh hưởng pH 1.4.3 Ảnh hưởng nhiệt độ 1.4.4 Già hóa kết tủa 1.4.5 Rửa kết tủa 1.4.6 Làm khô chất kết tủa gel 1.5.Ứng dụng hydrotalcite 1.5.1 Xúc tác 1.5.2 Ứng dụng làm chất hấp phụ trao đổi ion 1.6.Phản ứng oxi hóa rhodamin 1.6.1 Khả xử lý hợp chất hữu nước xúc tác hydrotalcite Zn-Ti 1.6.2 Rhodamine B 1.6.3 Cơ chế phản ứng oxi hóa RhoB sử dụng xúc tác quang Zn/TiLDHs Chƣơng II – THỰC NGHIỆM 2.1.Tổng hợp Zn/Ti-LDHs 2.2 Nghiên cứu đặc trƣng xúc tác phƣơng pháp vật lý 2.2.1 Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD) 2.2.2 Phương pháp tán xạ lượng tia X (EDS) 2.2.3 Phương pháp phổ hồng ngoại (IR) 2.2.4 Phương pháp hiển vi điện tử quét (SEM) 2.2.5 Phương pháp hiển vi điện tử tru n qua E 2.2.6 Phương pháp hấp phụ - giải hấp phụ (BET) 2.3 Phản ứng oxi hóa rhodamine B 2.4 Xây dựng đƣờng chuẩn, đo độ hấp thụ quang dung dịch Rhodamine B theo phƣơng pháp trắc quang (UV – Vis) 2.4.1 Nguyên tắc 2.4.2 Xây dựng đƣờng chuẩn Chƣơng III – KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1 Đặc trƣng mẫu xúc tác Zn/Ti-LDHs 3.1.1 Phổ XRD 3.1.2 Kết EDS 3.1.3 Kết UV-Vis chất rắn 3.1.4 Ảnh SEM mẫu xúc tác 3.1.5 Ảnh TEM vật liệu 3.1.6 Kết hấp phụ - giải hấp phụ nitơ 3.1.7.Kết phổ IR 3.2 Nghiên cứu hoạt tính quang xúc tác Zn/Ti-LDHs cho phản ứng phân hủy RhoB 3.2.1 Ảnh hƣởng oxi, xúc tác ánh sáng đến phản ứng quang hóa – oxy hóa RhoB 48 2+ 4+ 3.2.2 Khảo sát ảnh hƣởng tỉ lệ số mol Zn /Ti 49 3.2.3 Khảo sát ảnh hƣởng hàm lƣợng xúc tác 50 3.2.4 Ảnh hƣởng pH 52 3.2.5 Thu hồi tái sinh xúc tác 53 KẾT LUẬN 55 TÀI LIỆU THAM KHẢO 56 DANH MỤC HÌNH Hình 1.1 Khống s t hydrotalcite Hình 1.2 Cấu trúc hydrotalcite kẽm-titan Hình 1.3 Hình dạng lớp brucite (a) cấu trúc lớp hydrotalcite (b) Hình 1.4 Giá trị L phụ thuộc vào bán kính anion Hình 1.5 Giá trị L phụ thuộc vào dạng hình học anion Hình 1.6 Quá trình trao đổi anion Hình 1.7 Phân tử rhodamine B Hình 2.1 Hình mặt phản xạ nhiễu xạ tia X Hình 2.2 Các kiểu đƣờng hấp phụ-giải hấp đẳng nhiệt theo IUPAC Hình 2.3 Đƣờng chuẩn rhodamine B Hình 3.1: Kết phổ XRD mẫu LDHs Zn-Ti- CO3 với tỉ lệ Zn/Ti thay đổi Hình 3.2: Phổ EDS mẫu vật liệu LDHs Zn-Ti- CO Hình 3.3: Kết phổ UV-Vis chất rắn mẫu LDLs Zn-Ti- CO Hinh 3.4 Ảnh SEM mẫu xúc tác MT5-0(a) MT 5-1(b) Hinh3.5 Ảnh SEM mẫu xúc tác MT5-2(c) MT5-3(d) Hình 3.6: Kết TEM vật liệu MT 5-1 Hình 3.7 Đƣờng hấp phụ - giải hấp nitơ mẫu xúc tác MT5-1 MT5-3 Hình 3.8a Sự phân bố mao quản BJH mẫu MT5-1 Hình 3.8b Sự phân bố mao quản BJH mẫu MT5-3 Hình 3.9: Phổ IR mẫu xúc tác Zn/Ti-LDHs Hình 3.10: Ảnh hƣởng tác nhân đến phản ứng quang hóa Hình 3.11: Khảo sát ảnh hƣởng tỉ lệ Zn2+/Ti4+ Hình 3.12: Ảnh hƣởng hàm lƣợng xúc tác Hình 3.13: Ảnh hƣởng hàm lƣợng xúc tác (MT 5-0.5) lên độ suy thối quang 51 Hình 3.14: Khảo sát ảnh hƣởng pH 52 Hình 3.15: Khảo sát độ suy thoái quang Rhodamine B với pH thay đổi 53 Hình 3.15: Kết xử lý rhodamine B sau lần tái sinh xúc tác .53 Hình 3.16 Phổ IR mẫu xúc tác MT5-1 trƣớc sau phản ứng 54 DANH MỤC BẢNG Bảng 2.1: Các mẫu hydrotalcite kẽm- titan điều chế đƣợc .26 Bảng 2.2 Sự phụ thuộc độ hấp thụ quang theo nồng độ Rhodamine B .37 Bảng 3.1 Công thức dự kiến mẫu xúc tác hydrotalcite kẽm-titan 39 Bảng 3.2: Thành phần % nguyên tố vật liệu Zn/Ti-LDHs thu đƣợc công thức dự kiến 41 Bảng 3.3: Sự thay đổi bƣớc sóng hấp thụ cực đại 42 Bảng 3.4 Các tác nhân ảnh hƣởng tới phản ứng quang xúc tác Error! Bookmark not defined DANH MỤC CÁC TỪ Kí hiệu viế VIẾT TẮT t tắt Tên kí hiệu viết tắt RhoB Rhodamine B HT Zn-Ti Hydrotalcite kẽm-titan Zn/Ti-LDHs Zn/Ti- Layer Double Hydrotalcites Họ vật liệu lớp kẽm-titan 16 G.R Williams and D O’Hare (2006), “Towards understanding, control and 57 applicationoflayereddoublehydroxidechemistry”,J.Mater.Chem,16, pp.3065 – 3074 17 G W BrtnDley and S KrrKeweA (1979), “A crystal-chemical study of Mg, Al and Ni, N hydroxy-perchloratesand hydroxy-carbonates”, American Mineralogist, Volume 64, pages836-843 18 Jian – Song Wu, Ying – Kai Xiao, Yu – Ping Liu, Wan – Bang Xu, Mei – Fang Liang, Jian Cheng, Jian – Ping Wan, Ling – Zhu Chen (2011), “Synthesis and structural analysis of a regular Cu – Mg – Al hydrotalcite – like compound”, Turk J Chem, Vol 35, pp 881 –891 19 Jignesh Valand, Hitesh Parekh, Holger Friedrich (2013), “Mixed Cu – Ni – Co nano – metal oxides: A new class of catalysts for styrene oxidation”, Catalysis Communications, Vol 40, pp 149 – 153 20 Jince Sebastian, Krishna Mohan Jinka, Raksh Virjasra (2006), “ Effect of alkali and alkaline earth metalions on the catalytic epoxidation of styrene with molecular oxygen using cobalt (II) – exchanged zeolite X”, Journal of Catalysis, 244, pp 208 –218 21 Besse J.S Valente, F Figueras, M Gravelle, P Kumbhar, J Lopez and J.P (2000), “ asic properties of the mixed oxides obtained by thermal decomposition of hydrotalcite containing different metallic compositions”, J Catal, 189, pp 370 –381 22 Jun Zhang, Shubin Wu, Ying Liu, oli (2013), “ Hydrogelnation of glucose over reduced Ni/Cu/Al hydrotalcite precursors”, Catalysis Communications, 35, pp 23 –26 23 Lakshmipathiraj P, Narasimhan B.R.V, Prabhakar S, Bhaskar Raju S.G, (2006), “Adsorption of arsenate on synthetic goethite from aqueous solutions”, Journal of Hazardous Materials,136, pp.281-287 58 24 Lingling Zhang, Min Qi, Zhongyang Zhang, Qiang Chen, Feng Zhang, Zhibing Zhang (2014), “A Study on the Epoxidation of Styrene Under Mild Conditions”, Industrial & Engineering Chemistry Research, pp.1-19 25 Manju G.N., Anirudhan T.S (2000), “Treatment of arsenic(III) containing wastewater by adsorption on hydrotalcite”, Indian Journal of Environmental Health, 42, 1, pp.1-8 26 De M C Capel- Sanchez, J M Campos- Martin, J L G Fierro, M P Fructos, A Padilla Polo (2000), “Effective alkene epoxidation with dilute hydrogen peroxide on amorphous silica-supported titanium catalysts”, Chem Commun 8, pp.855-856 27 Magdalena Jablońska, Lucjan Chmielarz, Agnieszka Wegrzyn, Katarzyna Guzik, Zofia Piwowarska, Stefan Witkowski, Richard I Walton, Peter W Dunne, František Kovanda (2013), “Thermal transformations of Cu – Mg (Zn) – Al (Fe) hydrotalcite – like materials into metal oxide systems and their catalytic activity in selective oxidation of ammonia to dinitrogen”, J Therm Anal Calorim, 114, pp.731 –747 28 Nguyen Tien Thao (2012), “Preparation of MoO3/Mg(Al)Ox catalysts for the oxidation of organic compounds in the water”, Jounral of Analytical Sciences, Vol.17, pp.77-82 29 Nguyen Tien Thao, Nguyen Thi Tuoi, Do Thi Trang ((2013), “Characterization and reactivity of Mg – Fe – Al hydrotalcite catalysts for the treatment of methylene blue in water”, VN Journal of Chemistry, 51 (5) pp.534-538 30 Nguyen Tien Thao, Ho Huu Trung, Vu Nhu Nang (2012), “The selective oxidation of styrene over Mg-Co-Al hydrotalcite catalysts”, VN Journal of Chemistry, 50(4A), pp.363-366 59 31 Nguyen Tien Thao (2013), “Synthesis and characterization of Mg – Al – O hydrotalcite – type material”, VN Journal of Science, 29(1), pp 65 – 70 32 Nguyen Tien Thao, Ho Huu Trung (2014), “Selective oxidation of styrene over Mg – Co – Al hydrotalcite like – catalysts using air as oxidant”, Catalysis Communications, Vol 45, pp 153 –157 33 Pagano C., Forano J., esse P (2003), “Synthesis of Al-rich hydrotalcite-like compounds by using the urea hydrolysis reaction-control of size and morphology”, Journal of Materials Chemistry, 13, pp.1988-1993 34 Panda H.S., Srivastava R., ahadur D (2008), “Stacking of lamellae in Mg/Al hydrotalcites: Effect of metal ion concentrations on morphology Materials Research Bulletin, 43, pp.1448-1455 35 P.C.H Mitchell, S.A Wass (2002), “Propane dehydrogenation over molybdenum hydrotalcite catalysts”, Appl Catal, A 225, pp.153-165 36 R Guil – López, R.M Navarro, M.A.Pa, J.L.G Fierro (2011), “ Hydrogen production by oxidative ethanol reforming on Co, Ni Cu ex – hydrotalcite catalysts”, Internationnal Journal of Hydrogen Energy, 36, pp 1512 –1523 37 R Zavoianu, R Bỵrjega, O.D Pavel, A Cruceanu, M Alifanti (2005), “Hydrotalcite like compounds with low Mo-loading active catalysts for selective oxidation of cyclohexene with hydrogen peroxide”, Appl Catal, A 286, pp.211-220 38 R Zavoianu, R Ionescu, O.D Pavel, R Bỵrjega, E Angelescu (2011), II “Comparison between Me Mg/Al hydrotalcites and hydrotalcite – supported Me(II) acetylacetonates (Me(II) = Co, Cu or Ni) catalysts for the epoxidation of cyclohexene with molecular oxygen”, Applied Clay Science, 52, pp – 10 60 39 Rafael Salomão, L.M Milenaa, M.H Wakamatsua, Victor C.Pandolfelli (2011), “Hydrotalcite synthesis via co-precipitation reactions using MgO and Al(OH)3 precursors”, Ceramics International, 37, pp 3063–3070 40 Savita J Singh, Radha V Jayaram (2009), “Oxidation of alkylaromatics to benzylic ketones using TBHP as an oxidant over LaMO3 (M= Cr, Co, Fe, Mn, Ni) perovskites”, Catal Commun, 10 (15), pp.20042007 41 S.K Jana, Y Kubota, T Tatsumi (2007), “High activity of Mn-MgAl hydrotalcite in heterogeneously catalyzed liquid-phase selective oxidation of alkylaromatics to benzylic ketones with atm of molecular oxygen”, J Catal, 247, pp.214-222 42 Steffen M Auer, Silvia V Gredig, René A Köppel, Alfons Baiker, “Synthesis of methylamines from CO2, H2 and NH3 over Cu – Mg – Al mixed oxides”, Journal of Molecular Catalysis, 141, pp.193 –203 43 Suman K Jana, Peng Wu, Takashi Tatsumi (2006), “NiAl hydrotalcite as an efficient and environmentally friendly solid catalyst for solvent-free liquid-phase selective oxidation of ethylbenzene to acetophenone with atm of molecular oxygen”, J Catal, 240, pp.87-274 44 Tomohito Kameda, Fumiko Yabuuchi (2002), “New method of treating dilute mineral axit using magnesium-aluminum oxid”, Water research, 37, pp.1545-1550 45 Tichit, D et al (2002), “Preparation of Zr containing Layered Double hydroxides and characterization of the acido-basic properties of their mixed oxides”, Chem Mater 14, pp.1530-1538 46 V Patvulescu and L Su (2001), “Iron, cobalt or nickel substituted MCM- 41 molecular sieves for oxidation of hydrocarbons”, Catal Today, 69, pp 315-322 61 - V R Choudhary, J.R Indurkar, V.S Narkhede (2004), “MoO4 MgAl hydrotalcite: a stable and reusable/environmental-friendly catalystfor 47 selective oxidation by oxygen of ethylbenzene to acetophenone anddiphenylmethane to benzophenone”, J Catal, 227, pp 257 48 Yang L., Shahrivari Z., Liu P.K.T., Sahimi M., Tsotsis T.T (2005), “Removal of trace levels of arsenic and selenium from aqueous solutions by calcined and uncalcined layered double hydroxides (LDH)” Industrial and Engineering Chemistry Research, 44, pp.6804-6815 49 Y Wang, Q Zhang, T, Shishisdo and K Takehira (2002), “Characterizations of Iron-containing MCM-41 and its catalytic properties in epoxidation of styrene with hydrogen peroxides”, J Catal, 209, pp.186-196 50 Yoshihiko Ohishi, Tomonori Kawabata, Tetsuya Shishido, Ken Takaki, Quinghong Zang, Ye Wang, Kiyoshi Nomura, Katsuomi Takehira (2005), “Mg – Fe – Al mixed oxides with mesoporous properties prepared from hydrotalcite as precursors: Catalytic behavior in ethylbenzene dehydrogenation”, Applied Catalysis, 288, pp 220 –231 51 Minh Nguyen Tien Thao, Doan Thi Huong Ly, Han Thi Phuong Nga, Dinh Hoan (2016), “Oxidative removal of rhodamine over Ti-doped layered zinc hydroxide catalysts”, Journal of Environmental Chemical Engineering 4, pp 4012-4020 62 PHỤ LỤC Phụ lục 1: Phổ XRD mẫu xúc tác MT5-0(Zn(OH)2) 63 Phụ lục 2: Phổ XRD mẫu xúc tác MT5-1( tỉ lệ Zn:Ti=5:1) Phụ lục 3: Phổ XRD mẫu xúc tác MT5-2( tỉ lệ Zn:Ti=5:2) Phụ lục 4: Phổ XRD mẫu xúc tác MT5-3( tỉ lệ Zn:Ti=5:3) 64 Phụ lục 5: Phổ EDS mẫu xúc tác MT5-1 Phụ lục 6: Phổ EDS mẫu xúc tác MT5-2 65 Phụ lục 7: Phổ EDS mẫu xúc tác MT5-3 66 Phụ lục 8: Phổ hấp thụ UV-Vis mẫu trắng (100ml dung dịch RhoB 20mg/L,khơng xúc tác, bóng đèn compact 20W)-A phổ hấp thụ UV-Vis dung dịch RhoB xử lý mẫu xúc tác MT5-1(100ml dung dịch RhoB 20mg/L, 0,3g xúc tác, nhiệt độ ph ng, đèn compact 20W, pH=6)-B 67 ... nó, c n xúc tác xốp b? ?? mặt riêng gồm b? ?? mặt b? ?? mặt xúc tác Nói chung b? ?? mặt riêng xúc tác xốp cao b? ?? mặt riêng xúc tác không xốp B? ?? mặt xúc tác xốp vấn đề thú vị đóng vai tr quan trọng xúc tác dị... mẫu xúc tác hydrotalcite, hiệu suất xử lý Rho giảm Vì tơi chọn mẫu xúc tác với tỉ lệ Zn :Ti= 5:1 cho phản ứng Mặt khác xúc tác Zn(OH) hay Zn1yTiy(OH)2(CO3)y/2 (với y = 0) có hiệu suất xử lý RhoB... xúc tác Zn -Ti- LDHs có khả hoạt động quang xúc tác vùng tử ngoạikhả kiến 3.1.4 Ảnh SEM mẫu xúc tác Hình thể b? ?? mặt hạt xúc tác đƣợc quan sát kính hiển vi điện tử quét SEM Ảnh SEM b? ??n mẫu xúc tác