Nghiên cứu tổng hợp, và đặc trưng cấu trúc vật liệu nano binbo4 để xử lý một số chất ô nhiễm hữu cơ trong môi trường nước

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN - Trần Thị Phƣơng NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP, VÀ ĐẶC TRƢNG CẤU TRÚC VẬT LIỆU NANO BiNbO4 ĐỂ XỬ LÝ MỘT SỐ CHẤT Ô NHIỄM HỮU CƠ TRONG MÔI TRƢỜNG NƢỚC LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội – 2017 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN - Trần Thị Phƣơng NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP, VÀ ĐẶC TRƢNG CẤU TRÚCVẬT LIỆU NANO BiNbO4 ĐỂ XỬ LÝ MỘT SỐ CHẤT Ô NHIỄM HỮU CƠ TRONG MƠI TRƢỜNG NƢỚC Chun ngành: Hóa môi trường Mã số: 60440120 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS Đào Ngọc Nhiệm PGS TS Đỗ Quang Trung Hà Nội – Năm 2017 LỜI CẢM ƠN Với lòng biết ơn sâu sắc nhất, em xin gửi lời cảm ơn TS.Đào Ngọc Nhiệm, Trưởng phịng Vật liệu vơ cơ, Viện Khoa học Vật liệu – Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam; PGS TS Đỗ Quang Trung, Trưởng mơn Hóa môi trường, Đại học Khoa học Tự nhiên trực tiếp hướng dẫn giúp đỡ em hoàn thành luận văn Em xin trân trọng gửi lời cảm ơn tới thầy, giáo khoa Hóa học nhiệt tình giảng dạy giúp đỡ em suốt trình học tập cao học Đại học Khoa học Tự nhiên Em xin trân trọng cảm ơn NCS Nguyễn Thị Hà Chi, anh, chị, em Phịng Vật liệu Vơ cơ, Viện Khoa học Vật liệu – Viện Hàn lâm Khoa học công nghệ Việt Nam nhiệt tình hỗ trợ em trình tiến hành thực nghiệm luận văn Cuối cùng, em xin chân thành cảm ơn gia đình, bạn bè tạo điều kiện, động viên, giúp đỡ em trình học tập Hà Nội, tháng 12 năm 2017 Học viên Trần Thị Phương MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH i DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT ii MỞ ĐẦU Chương TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu chung ô nhiễm hữu môi trường nước 1.1.1 Một số phương pháp xử lý hợp chất hữu nước thải 1.1.2 Ứng dụng xúc tác quang xử lý Methyl da cam (MO) môi trường nước 1.1.3 Ứng dụng xúc tác quang xử lý Xanh methylen (MB) môi trường nước 1.2 Vật liệu quang xúc tác 1.2.1 Khái niệm phản ứng xúc tác quang 1.2.2 Vùng hóa trị – vùng dẫn, lượng vùng cấm 10 1.2.3 Cơ chế phản ứng quang xúc tác dị thể 11 1.3 Vật liệu xúc tác quang BiNbO4 12 1.3.1 Vật liệu BiNbO4 12 1.3.2 Các phương pháp chế tạo vật liệu BiNbO4 13 Chương THỰC NGHIỆM 17 2.1 Hóa chất, thiết bị 17 2.1.1 Hóa chất 17 2.1.2 Dụng cụ thiết bị 17 2.2 Tổng hợp vật liệu 17 2.2.1 Quy trình tổng hợp vật liệu phương pháp đối cháy gelPVA 17 2.2.2 Các phương pháp nghiên cứu cấu trúc, hình thái kích thước vậtliệu 18 2.3 Nghiên cứu hoạt tính quang xúc tác phân hủy chất hữu vật liệu BNO 22 2.3.1 Lập đường chuẩn xanh metylen 22 2.3.2 Lập đường chuẩn metyl da cam 24 2.3.3 Phương pháp đánh giá khả quang xúc tác vật liệu 25 Chương KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 30 3.1 Chế tạo vật liệu đặc tính 30 3.1.1 Kết phân tích nhiệt mẫu gel BNO 30 3.1.2 Ảnh hưởng nhiệt độ nung đến hình thành pha vậtliệu BNO 31 3.1.3 Cấu trúc, hình thái, kích thước tinh thể BiNbO4 33 3.2 Khảo sát khả quang xúc tác phân hủy xanh metylen metyl da cam vật liệu BiNbO4 35 3.2.1 Khảo sát khả hấp phụ vật liệu 35 3.2.2 Ảnh hưởng nhiệt độ nung đến khả quang xúc tác vật liệu 36 3.2.3 Ảnh hưởng thời gian phản ứng tới khả quang xúc tác vật liệu BNO 37 3.2.4 Ảnh hưởng lượng vật liệu đến khả quang xúc tác 38 3.2.5 Ảnh hưởng H2O2 đến khả quang xúc tác vật liệu .39 3.2.6 Khả tái sử dụng vật liệu BNO 40 KẾT LUẬN 42 TÀI LIỆU THAM KHẢO 43 PHỤ LỤC 47 DANH MỤC HÌNH Hình 1.1 Cơng thức cấu tạo hợp chất methyl da cam Hình 1.2 Cơng thức cấu tạo hợp chất xanh methylen Hình 1.3.Vùng lượng chất cách điện, bán dẫn, chất dẫn điện 10 Hình 1.4 Cơ chế xúc tác quang chất bán dẫn 11 Hình 1.5: Cấu trúc tinh thể vật liệu BiNbO4 12 Hình 2.1 Quá trình tổng hợp vật liệu BNO phương pháp đốt cháy gel PVA 18 Hình 2.2 Phổ hấp phụ UV-Vis dung dịch xanh metylen 10ppm 23 Hình 2.3 Đồ thị đường chuẩn xanh metylen 23 Hình 2.4 Phổ hấp thụ phân tử UV-Vis dung dịch metyl da cam 24 Hình 2.5 Đồ thị đường chuẩn metyl da cam 25 Hình 2.6 Hệ thiết bị quang xúc tác 26 Hình 3.1 Giản đồ phân tích nhiệt mẫu gel BNO 30 Hình 3.2 Giản đồ nhiễu xạ tia X mẫu nung nhiệt độ khác 32 Hình 3.3 Ảnh SEM hệ vật liệu BNO nung nhiệt độ khác nhau… 33 Hình 3.4 Ảnh TEM vật liệu BNO550 35 Hình 3.5 Hiệu suất hấp phụ dung dịch MB, MO vật liệu BNO750 .36 Hình 3.6 Ảnh hưởng nhiệt độ nung đến khả xử lý vật liệu 36 Hình 3.7 Ảnh hưởng thời gian tới khả xử lý metyl da cam vật liệu BNO750 38 Hình 3.8 Ảnh hưởng lượng vật liệu đến khả quang xúc tác 38 Hình 3.9 Hiệu suất phân hủy phẩm màu H2O2theo thời gian 39 Hình 3.10 Khả tái sử dụng vật liệu BNO750 40 i DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT STT 10 11 12 13 14 15 16 ii Trần Thị Phương – K26 Hóa Mơi trường Luận văn Thạc sỹ Khoa học MỞ ĐẦU Trong giới đại, ô nhiễm môi trường vấn đề quan tâm hàng đầu Cùng với gia tăng hoạt động công nghiệp sản sinh chất thải độc hại có tác động tiêu cực trực tiếp đến sức khỏe người hệ sinh thái Các trình cơng nghệ dệt, nhuộm, sản xuất dược phẩm, sơn, giấy…đã tạo nguồn ô nhiễm chứa hợp chất hữu độc hại.Trong đó, việc nghiên cứu xử lý tính độc nhiễm màu nước loại thuốc nhuộm, chất màu đặc biệt quan tâm.Những hợp chất không dễ dàng bị phân hủy Cho đến nay, số phương pháp kết hợp để xử lý hiệu nước thải chứa chất màu, với mục tiêu khử màu Trong đó, phương pháp thân thiện với mơi trường, khơng có chất thải rắn ngày trọng mang đến kết triển vọng Một hướng nghiên cứu sử dụng vật liệu quang xúc tác để chuyển hóa lượng ánh sáng mặt trời thành lượng hóa học việc xử lý chất nhiễm môi trường Trước đây, vật liệu quang xúc tác chủ yếu nghiên cứu TiO với ưu điểm rẻ tiền, độc hại, độ bền quang hóa cao, [25, 33] Tuy nhiên, vật liệu có nhược điểm cần khắc phục hoạt tính quang xúc tác TiO thấp vùng ánh sáng nhìn thấy độ rộng vùng cấm lớn (năng lương vùng cấm E g xấp xỉ 3,2 eV tương đương với bước sóng hấp thụ khoảng λ ≤ 400 nm) khó thu hồi để tái sử dụng [15,20] Hầu hết nghiên cứu vật liệu quang xúc tác phân hủy hợp chất hữu độc hại xạ vùng tử ngoại, lượng tử ngoại chiếm lượng nhỏ khoảng 8% tổng lượng xạ mặt trời Một phần lớn lượng mặt trời chưa sử dụng (chiếm khoảng 48% tổng lượng) lượng xạ vùng ánh sáng khả kiến Vì vậy, cần thiết phải nghiên cứu phát triển vật liệu xúc tác có hoạt tính quang xúc tác vùng ánh sáng khả kiến để tận dụng nguồn lượng từ ánh sáng mặt trời Trần Thị Phương – K26 Hóa Mơi trường Luận văn Thạc sỹ Khoa học Hình 3.10 cho thấy, sau lần sử dụng lại hiệu suất phân hủy dung dịch metyl da cam, xanh metylen vật liệu ánh sáng khả kiến giảm không đáng kể Sau lần tái sử dụng hiệu suất phân hủy MO vật liệu giảm nhẹ từ H = 98,85% xuống 97%; với dung dịch MB, hiệu suất giảm 5% sau lần tái sử dụng Chứng tỏ, sử dụng vật liệu nhiều lần mà hiệu suất xúc tác vật liệu không giảm vật liệu không thu hồi xử lý 41 Trần Thị Phương – K26 Hóa Mơi trường Luận văn Thạc sỹ Khoa học KẾT LUẬN Đã tổng hợp vật liệu BiNbO4, đơn pha có kích thước < 100 nm phương pháp đốt cháy gel PVA điều kiện tối ưu: tỉ lệ Bi/Nb/PVA = 1/1/3, pH = 1, gel sau tạo thành sấy 120ºC giờ, sau tiếp tục nung 750ºC Ứng dụng vật liệu BiNbO4 kích thước nanomet để xử lý phẩm nhuộm Kết hiệu suất xử lý dung dịch xanh metylen 10 ppm metyl da cam 5ppm 60 phút chiếu sáng, với tỉ lệ 0,25g vật liệu lít dung dịch đạt 80% Đã khảo sát số yếu tố ảnh hưởng đến khả quang xúc tác vật liệu BNO việc phân hủy xanh metylen metyl da cam cho thấy: thời gian chiếu sáng lâu hiệu suất phân hủy phẩm màu cao Cấu trúc, hình thái, lượng vật liệu có ảnh hưởng đến hiệu xử lý.Khi thêm lượng nhỏ H 2O2 vào hệ phản ứng khả quang xúc tác vật liệu tăng cách rõ rệt Đã nghiên cứu khả tái sử dụng vật liệu cho thấy vật liệu α – BiNbO4 sau lần tái sử dụng phân hủy metyl da cam có nồng độ ppm, xanh metylen có nồng độ 10 ppm, hiệu suất phân hủy vật liệu đạt 95% Trong khuôn khổ luận văn này, chưa nghiên cứu cách tỉ mỉ, có hệ thống yếu tố ảnh hưởng đến trình chế tạo vật liệu như: ảnh hưởng thời gian nung, ảnh hưởng tỉ lệ Bi/Nb; yếu tố ảnh hưởng đến trình xử lý xanh metylen metyl da cam vật liệu BiNbO như: giới hạn nồng độ dung dịch phân hủy được, ảnh hưởng pH đến khả xử lý phẩm màu, lựa chọn chất mang hàm lượng vật liệu chất mang, nghiên cứu mẫu nước thải dệt nhuộm thực tế…nhằm ứng dụng khả quang xúc tác vật liệu BNO thực tế xử lý chất nhuộm 42 Trần Thị Phương – K26 Hóa Mơi trường Luận văn Thạc sỹ Khoa học TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt [1] Nguyễn Thị Hà Chi (2015), Tổng hợp nghiên cứu tính chất quang xúc tác vật liệu BiFeO3 kích thước nanomet, Luận văn thạc sỹ khoa học – Đại học Khoa học Tự nhiên [2] Nguyễn Thị Hà Chi, Đoàn Trung Dũng, Dương Thị Lịm, Đào Ngọc Nhiệm (2016), “Nghiên cứu khả quang xúc tác BiNbO4 phân hủy metyl da cam ánh sáng vùng khả kiến”, Tạp chí Hóa học, 54 (5), Tr 644-647 [3] Cục Thẩm định Đánh giá tác động môi trường – Tổng cục Môi trường (2009), “Hướng dẫn lập báo cáo đánh giá tác động môi trường dự án dệt nhuộm”, Hà Nội [4] Vũ Đăng Độ (2006), Các phương pháp vật lí ứng dụng hóa học, Nhà xuất Đại học Quốc gia Hà Nội [5] Nguyễn Văn Kim (2016), Nghiên cứu tổng hợp, đặc trưng khả quang xúc tác composit g-C3N4 với GaN–ZnO Ta2O5, Luận án Tiến Sỹ Khoa học – Học viện Khoa học Cơng nghệ Việt Nam [6]Đặng Trấn Phịng (2004), Sinh thái môi trường dệt nhuộm, NXB Đại học Quốc gia Hà Nội [7] Đặng Trấn Phòng, Trần Hiếu Nhuệ (2005), Xử lý nước cấp nước thải dệt nhuộm, NXB Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội [8] Nguyễn Đình Triệu (2012), Các phương pháp vật lí ứng dụng hóa học, NXB Đại học Quốc gia Hà Nội Tiếng Anh [9] Adhikari, S P., and A Lachgar (2016), "Effect of particle size on the photocatalytic activity of BiNbO4 under visible light irradiation." Journal of Physics: Conference Series Vol 758 No IOP Publishing [10]Aurivellius (1951), “X-ray investigations on BiNbO4, BiTaO4 and BiSbO4”, Arkiv for Kemi, vol 3, Jan 1951, pp 153-161 43 Trần Thị Phương – K26 Hóa Mơi trường Luận văn Thạc sỹ Khoa học [11] M.A Bizeto, A.L Shiguihara, and V.R.L Constantino (2009), “Layered niobate nanosheets: building blocks for advanced materials assembly”, J Mater Chem., vol 19, pp 2512-2525 [12] J.L Cao, L.T Li, and Z.L Gui (2001), “An XPS study on the degradation of lead magnesium niobate based relaxor ferroelectrics during nickel electroplating”, J Mater Chem., vol 11, Jan 2001, pp 1198-1200 [13] Corma A (1997), “From Microporous to Mesoporous Molecular Sieves Materials and Their Use in Catalysis”, Chem Rev, 97, pp 2373-2419 [14] S.S Dunkle, and K.S Suslick (2009), “Photodegradation of BiNbO powder during photocatalytic reactions”, J Phys Chem C, vol 113, May 2009, pp 10341-10345 [15] Factorovich, L Guz, R Candal (2011), “N-TiO2: Chemical synthesis and photocatalysis”, Adv Phys Chem., Article ID 821204, pages [16] Francony A., Petrier C (1996), “Sonochemical degradation of carbon tetrachloride in aqueous solution at two frequencies: 20 kHz and 500 kHz”, Ultrason, Sonochem, 3, pp.77-82 [17] Fukunaga, O., & Yamaoka, S (1979) “Phase transformations in ABO4 type compounds under high pressure”, Physics and Chemistry of Minerals, 5(2), 167-177 [18]Fundamentals:Conductors – Insulators – Semiconductors, https://www.halbleiter.org/en/fundamentals/conductors-insulatorssemiconductors/ [19]H Hata, Y Kobayashi, and V Bojan (2008), “Direct deposition of trivalent rhodium hydroxide nanoparticles onto a semiconducting layered calcium niobate for photocatalytic hydrogen evolution”, Nano Lett., vol 8, Feb 2008, pp 794-799 [20] M D Hernández-Alonso, F Fresno, S Suárez, J M Coronado (2009), “Development of alternative photocatalysts to TiO2: Challenges and opportunities”, Energy Environ Sci., 2, pp.1231-1257 44 Trần Thị Phương – K26 Hóa Mơi trường Luận văn Thạc sỹ Khoa học [23] Maezawa A., Nakadoi H., Suzuki K., Furusawa T., Suzuki Y., Uchida S., (2007) “Treatment of dye wastewater by using photo-catalytic oxydation with sonication”, Ultrason Sonochem, 14, pp.615-620 [24] N.P Mohabansi, V B Patil and N.Yenkie (2011), “A comparative on photodegradation of methylene blue dye effluent by advanced oxidation process by using TiO2/ZnO photo catalyst”, RASAYAN J Chem, Vol 4, No 4, 814 – 819 [25] A D Paola, E García-López, G Marcì, L Palmisano, (2012), “A survey of photocatalytic materials for environmental remediation”, J Hazard Mater, 211-212, pp.3-29 [26] R S Roth, and J L Waring (1962), “Phase equilibrium relations in binary system bismuth sesquioxide-niobium pentoxide”, Journal of Research of the National Bureau of Standards Section A-Physics and Chemistry, pp 451 [27] R S Roth, J L Waring (1963), “Synthesis and stability of bismutotantalite, stibiotantalite and chemically similar ABO4 compounds”, American Mineralogist, vol 48, Jan 1963, pp 1348 [28] Rusmidah Ali, Ooi Boon Siew (2006), “Photodegradation of new methylene blue N in aqueous solution using Zinc oxide and Titanium dioxide as catalyst”, Jurnal Teknologi, 45(F), 31 – 42 [29] D Shihua, Y Xi, and Y Yong (2004), “Dielectric properties of B 2O3- doped BiNbO4 ceramics”, Ceramics International, vol 30, De, pp 11951198 [30] Stubican V S (1964),“High‐Temperature Transitions in Rare‐Earth Niobates and TantaIates”, Journal of the American Ceramic Society, 47(2), 55-58 45 Trần Thị Phương – K26 Hóa Mơi trường Luận văn Thạc sỹ Khoa học [31] M A Subramanian, J C Calabrese (1993), “Crystal structure of the low temperature form of bismuth niobium oxide [α-BiNbO4]”, Materials research bulletin, vol 28, pp 523-529 [32] A Takagaki, C Tagusagawa, and K Domen (2008), “Glucose production from saccharides using layered transition metal oxide and exfoliated nanosheets as a water tolerant solid acid catalyst”, Chem Commun., pp 5363-5365 [33] I Ullah, S Ali, M A Hanif, S Ali Shahid (2012), “Nanoscience for Environmental remediation”, Int J Chem Biochem.Sci., 2, pp.60 – 77 [34] R Ullah, H.M Ang, M.O Tade, and S.B Wang (2012), “Synthesis of doped BiNbO4 photocatalysts for removal of gaseous volatile organic compounds with artificial sunlight”, Chem Eng J., pp 328-336 [35] Xian-Tai Zhou, Hong-Bing Ji, Xing-Jiao Huang (2012), “Photocatalytic degradation of Methyl Orange over metalloporphyrins supported on TiO2 degussa P25”, Molecules, 17, 1149-1158 [36] Yuanjie Su, Ya Yang, Hulin Zhang, et al (2013), “Enhanced photodegradation of methyl orange with TiO2 nanoparticles using a triboelectric nanogenerator”, Nanotechnolohy, 24, 295401 [37] H.-F Zhai, A.-D.Li, J.-Z.Kong, X.-F.Li, J Zhao, B.-L.Guo, J Yin, Z.-S.Li, D Wu (2013),“Preparation and visible-light photocatalytic properties of BiNbO4 and BiTaO4 by a citrate method”,J Solid State Chem., 202, 6-14 [38]Li, H., Zhou, S., & Zhang, S (2007),“The relationship between the thermal expansions and structures of ABO4 oxides”, Journal of Solid State Chemistry, 180(2), 589-595 46 Trần Thị Phương – K26 Hóa Mơi trường Luận văn Thạc sỹ Khoa học PHỤ LỤC Phụ lục Bảng số liệu thực nghiệm khảo sát khả quang xúc tác vật liệu BiNbO4 Bảng Sự phụ thuộc độ hấp thụ quang D vào nồng độ dung dịch xanh metylen STT 10 11 Bảng2 Sự phụ thuộc độ hấp thụ quang vào nồng độ dung dịch metyl da cam STT Trần Thị Phương – K26 Hóa Mơi trường Bảng Hiệu suất hấp phụ MO, MB vật liệu BNO750 Thời gian (giờ) 10 12 24 Bảng Ảnh hưởng nhiệt độ nung vật liệu đến hiệu xử lý MO, MB Nhiệt độ nung (ºC) 350 550 750 850 950 48 Trần Thị Phương – K26 Hóa Mơi trường Bảng Ảnh hưởng thời gian phản ứng đến khả quang xúc tác Thời gian chiếu sáng (phút) 15 30 45 60 90 120 Bảng Ảnh hưởng lượng vật liệu đến khả quang xúc tác Lượng vật liệu (g/l) 0,125 0,25 0,5 Bảng Khả xử lý phẩm màu H2O2 Thời gian chiếu sáng (phút) 15 30 45 60 90 Trần Thị Phương – K26 Hóa Mơi trường Bảng Khả tái sử dụng vật liệu BNO Số lần tái sử dụng Phụ lục 2: Một số hình ảnh vật liệu, phịng thí nghiệm Hình 1: Ảnh SEM mẫu gel BNO chưa nung Hình Ảnh SEM vật liệu BNO350 50 Trần Thị Phương – K26 Hóa Mơi trường Hình Ảnh SEM vật liệu BNO550 Hình Ảnh SEM vật liệu BNO750 Hình Ảnh SEM vật liệu BNO850 51 Trần Thị Phương – K26 Hóa Mơi trường Hình Ảnh SEM vật liệu BNO950 Hình Ảnh TEM vật liệu BNO550 Hình Một số hình ảnh phịng thí nghiệm 52 Trần Thị Phương – K26 Hóa Mơi trường Luận văn Thạc sỹ Khoa học 53 Trần Thị Phương – K26 Hóa Mơi trường Luận văn Thạc sỹ Khoa học 54 ... ngành vật liệu mới, tiến hành nghiên cứu để tài: ? ?Nghiên cứu tổng hợp, đặc trưng cấu trúc vật liệu nano BiNbO4 để xử lý số chất hữu ô nhiễm môi trường nước? ?? Trần Thị Phương – K26 Hóa Mơi trường. .. - Trần Thị Phƣơng NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP, VÀ ĐẶC TRƢNG CẤU TRÚCVẬT LIỆU NANO BiNbO4 ĐỂ XỬ LÝ MỘT SỐ CHẤT Ô NHIỄM HỮU CƠ TRONG MƠI TRƢỜNG NƢỚC Chun ngành: Hóa mơi trường Mã số: 60440120 LUẬN VĂN... Chương TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu chung ô nhiễm hữu môi trường nước 1.1.1 Một số phương pháp xử lý hợp chất hữu nước thải 1.1.2 Ứng dụng xúc tác quang xử lý Methyl da cam (MO) môi trường