(Luận văn thạc sĩ) nghiên cứu biến tính tio2 bằng cacbon và sắt làm chất xúc tác quang hóa trong vùng ánh sáng trông thấy

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN - NGUYỄN DIỆU THU NGHIÊN CỨU BIẾN TÍNH TiO2 BẰNG CACBON VÀ SẮT LÀM CHẤT XÚC TÁC QUANG HĨA TRONG VÙNG ÁNH SÁNG TRƠNG THẤY LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội – Năm 2012 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN - NGUYỄN DIỆU THU NGHIÊN CỨU BIẾN TÍNH TiO2 BẰNG CACBON VÀ SẮT LÀM CHẤT XÚC TÁC QUANG HĨA TRONG VÙNG ÁNH SÁNG TRƠNG THẤY Chun ngành: Hóa vơ Mã số: 60 44 25 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS Nguyễn Đình Bảng Hà Nội – Năm 2012 Trường ĐHKHTN – ĐHQGHN Luận văn Thạc sĩ Hóa học MỤC LỤC Chƣơng - TỔNG QUAN…………………………………………………………4 1.1 GIỚI THIỆU VỀ VẬT LIỆU BÁN DẪN VÀ XÚC TÁC QUANG HÓA……………………………………………………………………………… 1.2 ĐẶC ĐIỂM CẤU TRÚC VÀ TÍNH CHẤT CỦA NANO TiO2……… … 1.2.1 Các dạng cấu trúc tính chất vật lý nano TiO2…………….…… ……7 1.2.2 Tính chất hóa học TiO2 …………………………………… ………… 10 1.2.3 Tính chất xúc tác quang hoá TiO2 dạng anatase………… ……… …10 1.3 CÁC YẾU TỐ ẢNH HƢỞNG ĐẾN QUÁ TRÌNH QUANG XÚC TÁC CỦA NANO TiO2…….…………………………………………………… ……14 1.3.1.Sự tái kết hợp lỗ trống electron quang sinh………… ……….………… 14 1.3.2 pH dung dịch… ………………………………………… .…….…… 15 1.3.3 Nhiệt độ……………………………………………… ……….…… 16 1.3.4 Các tinh thể kim loại gắn xúc tác………………………… … ….16 1.3.5 Pha tạp (doping) ion kim loại vào tinh thể TiO2 ……………… … …17 1.3.6 Các chất diệt gốc hydroxyl ……………… ………………………… 17 1.4 CÁC PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ NANO TiO2… ……………… 18 1.4.1 Các phương pháp điều chế nano… ……………… …… .………… 18 1.4.2 Phương pháp điều chế nano TiO2 ……………………… .……… .19 1.5 BIẾN TÍNH NANO TiO2 ………………………… …… .……………23 1.6 ỨNG DỤNG CỦA NANO TiO2 VÀ NANO TiO2 BIẾN TÍNH… 25 1.7 THAN HOẠT TÍNH VÀ CẤU TRÚC XỐP CỦA BỀ MẶT THAN HOẠT TÍNH……………………………………………………………… 26 1.7.1 Than hoạt tính ………………………… .… …………………………26 1.7.2 Cấu trúc xốp bề mặt than hoạt tính… .……………… ……………27 Nguyễn Diệu Thu – K20 Hóa vơ Trường ĐHKHTN – ĐHQGHN Luận văn Thạc sĩ Hóa học 1.8 CÁC PHƢƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH ĐẶC TÍNH SẢN PHẨM … …28 1.8.1 Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD)… ………………………….…………28 1.8.2 Phương pháp hiển vi điện tử truyền qua (TEM) ……… ………………….29 1.8.3 Phương pháp phổ hấp thụ tử ngoại khả kiến (Ultra Violet - visible, Uvvis)……………………………………… ………………………………………… 30 1.8.4 Phổ tán sắc lượng tia X (EDX- Energy-dispersive X-ray spectroscopy)…………………………………………………… ……………….31 Chƣơng - THỰC NGHIỆM…… ………………………………………31 2.1 DỤNG CỤ VÀ HÓA CHẤT …… ……………………….……………… 31 2.1.1 Dụng cụ… ……………………………………………………… ……… 31 2.1.2 Hóa chất…………… ………………………………………………….… 31 2.2 TỔNG HỢP VẬT LIỆU…………………………………………………… 31 2.2.1 Vật liệu TiO2 …………… ……………………………………………… 31 2.2.2 Vật liệu xFe-C–TiO2 …………… ……………………………………… 33 2.2.3 Vật liệu 0,57%Fe- TiO2…………………………………………………… 33 2.2.4 Vật liệu C- TiO2……………………………………….…………………….34 2.2.5 Vật liệu 0,57%Fe-C-TiO2 mang than hoạt tính hoạt hóa HNO3 (0,57%Fe-C-TiO2 – AC).……….………………….…………….…… … 34 2.3 ĐẶC TRƢNG VẬT LIỆU……………… ………………… …………… 35 2.4 KHẢO SÁT TÍNH CHẤT QUANG XÚC TÁC CỦA VẬT LIỆU 36 2.4.1 Giới thiệu Rhodamin B………………………………….……………….36 2.4.2 Xây dựng đường chuẩn xác định nồng độ Rhodamin B sử dụng phương pháp trắc quang…… ………………………………………………………… ……….37 2.4.3 Đường chuẩn xác định nồng độ Rhodamin B…… …………… .……38 Nguyễn Diệu Thu – K20 Hóa vơ Trường ĐHKHTN – ĐHQGHN Luận văn Thạc sĩ Hóa học 2.4.4 Thí nghiệm khảo sát hoạt tính xúc tác vật liệu ………………… .38 2.4.5 Thí nghiệm khảo sát khả tái sử dụng xúc tác vật liệu …… .39 Chƣơng KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN……… ……………………… 40 3.1 NGHIÊN CỨU MỘT SỐ YẾU TỐ ẢNH HƢỞNG ĐẾN QUÁ TRÌNH TỔNG HỢP TiO2 BIẾN TÍNH BỞI CACBON VÀ SẮT… … …40 3.1.1 Ảnh hưởng biến tính TiO2 riêng cacbon, sắt biến tính đồng thời cacbon sắt đến hoạt tính quang xúc tác TiO2… ….……40 3.1.2 Ảnh hưởng hàm lượng sắt đến hoạt tính quang xúc tác TiO biến tính đồng thời cacbon sắt…… ……………………… … 45 3.1.3 Ảnh hưởng thời gian thủy nhiệt đến hoạt tính quang xúc tác 0,57%Fe-C-TiO2……… ………… ………………………… .……………49 3.1.4 Một số đặc trưng hóa lý vật liệu 0,57%Fe-C-TiO2……… …… 50 3.2 NGHIÊN CỨU ĐƢA VẬT LIỆU 0,57%Fe-C-TiO2 LÊN THAN HOẠT TÍNH… …………………………………………………………… 53 3.3 KHẢO SÁT MỘT SỐ YẾU TỐ ẢNH HƢỞNG ĐẾN HOẠT TÍNH XÚC TÁC CỦA VẬT LIỆU 0,57%Fe-C-TiO2 0,57%Fe-C-TiO2- AC……… .…… 56 3.3.1 Khảo sát ảnh hưởng lượng xúc tác đến khả phân hủy Rhodamin B ………………………………………… ………………… 56 3.3.2 Khảo sát khả thu hồi tái sử dụng xúc tác………………… .57 3.3.3 Khảo sát hoạt tính xúc tác vủa vật liệu 0,57%Fe-C-TiO2 sử dụng ánh sáng mặt trời tự nhiên……………………… ………………… 58 3.3.4 Khảo sát hoạt tính xúc tác vật liệu 0,57%Fe-C-TiO2-AC…… … 60 KẾT LUẬN…… ………………………………… ………… ……………63 TÀI LIỆU THAM KHẢO… …………………………………………… 64 Nguyễn Diệu Thu – K20 Hóa vơ Trường ĐHKHTN – ĐHQGHN Luận văn Thạc sĩ Hóa học DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Cơ chế xúc tác quang chất bán dẫn…………………….……………… Hình 1.2 Cấu trúc tinh thể dạng thù hình TiO2……………………………….8 Hình 1.3 Hình khối bát diện TiO2…………………………… ………… ……….9 Hình 1.4 Giản đồ lượng anatase rutile………………………………….11 Hình 1.5 Sự hình thành gốc ……… …………………………… … 12 Hình 1.6 Sơ đồ mô hai phương pháp điều chế vật liệu kích thước nano………………………………………………………………………………… 18 Hình 1.7 Doping chất bán dẫn làm giảm lượng vùng cấm…….…….……… 24 Hình 1.8 Nhiễu xạ tia X theo mơ hình Bragg….….……………………………………28 Hình 2.1 Cơng thức hóa học Rhodamin B…………………………….… 37 Hình 2.2 Đường chuẩn xác định nồng độ RhodaminB… ……………….…………38 Hình 3.1 Phổ XRD mẫu TiO2; C-TiO2; 0,57%Fe-TiO2; 0,57%Fe-CTiO2………………………………………………………………………… .40 Hình 3.2 Phổ UV-Vis mẫu: TiO2, 0,57%Fe-TiO2, C-TiO2, 0,57%Fe-CTiO2………………………………… ………………………………………………………41 Hình 3.3 Hoạt tính xúc tác mẫu vật liệu……… …………………………….42 Hình 3.4 Phổ EDX mẫu 0,57%Fe-TiO2………… ……………………………….43 Hình 3.5 Cơ chế ảnh hưởng tổng hợp sắt cacbon… ……………………… 45 Hình 3.6 Phổ XRD mẫu 0,3%Fe-C-TiO2; 0,5%Fe-C-TiO2; 0,57%Fe-CTiO2; 0,7%Fe-C-TiO2, 0,9%Fe-C-TiO2…………………………………………………46 Hình 3.7 Phổ UV-Vis mẫu: 0,3%Fe-TiO2), 0,5%Fe-C-TiO2, 0,57%Fe-CTiO2, 0,7%Fe-C-TiO2, 0,9%Fe-C-TiO2………………………………………………….47 Hình 3.8 Hoạt tính xúc tác mẫu vật liệu 0,3%Fe-C-TiO2, 0,5%Fe-C-TiO2, 0,57%Fe-C-TiO2, 0,7%Fe-C-TiO2, 0,9%Fe-C-TiO2………………………………… 48 Hình 3.9 Phổ XRD mẫu 0,57%Fe-C-TiO2………………………… 50 Hình 3.10 Ảnh TEM mẫu 0,57%Fe-C-TiO2 51 Hình 3.11 Phổ EDX mẫu 0,57%Fe-C-TiO2……………………………… 52 Nguyễn Diệu Thu – K20 Hóa vô Trường ĐHKHTN – ĐHQGHN Luận văn Thạc sĩ Hóa học Hình 3.12 Phổ hấp phụ UV-Vis mẫu 0,57%Fe-C-TiO2……….…….…… 53 Hình 3.13 Phổ XRD mẫu 0,57%Fe-C-TiO2-AC…………………….…… 54 Hình 3.14 Phổ EDX mẫu 0,57%Fe-C-TiO2-AC…………….…………… 55 Hình 3.15 Hoạt tính xúc tác mẫu 0,57%Fe-C-TiO2 sau lần sử dụng.… 58 Hình 3.16 Độ chuyển hóa RhodaminB theo thời gian mẫu xúc tác 0,57%Fe-CTiO2 sử dụng ánh sáng mặt trời ……………………… .59 Hình 3.17 Hoạt tính xúc tác mẫu 0,57%Fe-C-TiO2-AC mẫu AC… … 61 Nguyễn Diệu Thu – K20 Hóa vơ Trường ĐHKHTN – ĐHQGHN Luận văn Thạc sĩ Hóa học DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Một số tính chất vật lý tinh thể rutile anatase…………… Bảng 1.2 Thông số kĩ thuật than hoạt tính Trà Bắc…………………… 28 Bảng 3.1 Độ chuyển hóa RhodaminB theo thời gian xử lý mẫu vật liệu 0,57%Fe-TiO2, C-TiO2, ,0,57%Fe-C-TiO2 .42 Bảng 3.2 Độ chuyển hóa RhodaminB theo thời gian xử lý mẫu vật liệu 0,3%Fe-C-TiO2, 0,5%Fe-C-TiO2, 0,57%Fe-C-TiO2, 0,7%Fe-C-TiO2, 0,9%Fe-C-TiO2 .48 Bảng 3.3 Độ chuyển hóa RhodaminB theo thời gian xử lý mẫu 0,57%Fe-CTiO2 điều chế khoảng thời gian thủy nhiệt khác 49 Bảng 3.4 Độ chuyển hóa RhodaminB theo thời gian xử lýkhi thay đổi lượng xúc tác………… ………………………………………………………… 56 Bảng 3.5 Độ chuyển hóa RhodaminB tái sử dụng xúc tác 0,57%Fe-CTiO2… .57 Bảng 3.6 Độ chuyển hóa RhodaminB mẫu 0,57%Fe-C-TiO2 sử dụng ánh sáng mặt trời………………………………………………………………… 59 Bảng 3.7 Độ chuyển hóa RhodaminB theo thời gian mẫu AC 0,57%FeC-TiO2-AC…….…………………… …………………………… 61 Nguyễn Diệu Thu – K20 Hóa vơ Trường ĐHKHTN – ĐHQGHN Luận văn Thạc sĩ Hóa học MỞ ĐẦU Một vấn đề nóng bỏng, gây xúc dư luận xã hội nước tình trạng nhiễm mơi trường sinh thái hoạt động sản xuất sinh hoạt người gây Vấn đề ngày trầm trọng, đe doạ trực tiếp phát triển kinh tế - xã hội bền vững, tồn tại, phát triển hệ tương lai Trong năm đầu thực đường lối đổi mới, tập trung ưu tiên phát triển kinh tế phần nhận thức hạn chế nên việc gắn phát triển kinh tế với bảo vệ môi trường chưa trọng mức Đối tượng gây ô nhiễm môi trường chủ yếu hoạt động sản xuất nhà máy khu công nghiệp, hoạt động làng nghề sinh hoạt đô thị lớn Nhiều khu, cụm, điểm công nghiệp nước chưa đáp ứng tiêu chuẩn môi trường theo quy định Thực trạng làm cho mơi trường sinh thái số địa phương bị ô nhiễm nghiêm trọng đặc biệt cộng đồng dân cư lân cận với khu công nghiệp Cùng với đời ạt khu, cụm, điểm công nghiệp, làng nghề thủ cơng truyền thống có phục hồi phát triển mạnh mẽ Việc phát triển làng nghề có vai trị quan trọng phát triển kinh tế - xã hội giải việc làm địa phương Tuy nhiên, hậu môi trường hoạt động sản xuất làng nghề đưa lại ngày nghiêm trọng Hình thức đơn vị sản xuất làng nghề đa dạng, gia đình, hợp tác xã doanh nghiệp Tuy nhiên, sản xuất mang tính tự phát, sử dụng công nghệ thủ công lạc hậu, chắp vá, mặt sản xuất chật chội, việc đầu tư xây dựng hệ thống xử lý nước thải quan tâm, ý thức bảo vệ môi trường sinh thái người dân làng nghề cịn nên tình trạng nhiễm môi trường làng nghề ngày trầm trọng Giải vấn đề ô nhiễm môi trường thời kỳ đẩy mạnh CNH, HĐH vấn đề cấp thiết cấp quản lí, doanh nghiệp, trách nhiệm hệ thống trị tồn xã hội Nó địi hỏi nhà khoa Nguyễn Diệu Thu – K20 Hóa vô Trường ĐHKHTN – ĐHQGHN Luận văn Thạc sĩ Hóa học học cơng nghệ phải nghiên cứu phương pháp để xử lý chất ô nhiễm môi trường Sử dụng quang xúc tác bán dẫn nhiều kĩ thuật hứa hẹn cung cấp lượng phân hủy chất ô nhiễm hữu bền loại bỏ kim loại độc hại Đặc điểm loại xúc tác là, tác dụng ánh sáng, sinh cặp electron (e-) lỗ trống (h+) có khả phân hủy chất hữu chuyển hóa kim loại độc hại thành chất “sạch” với mơi trường [32] Mặc dù có nhiều hợp chất quang xúc tác bán dẫn, TiO2 chất quang xúc tác phổ biến giá thành rẻ bền hóa học, không độc, dễ điều chế Do TiO2 chất thích hợp ứng dụng xử lí mơi trường Ngồi việc sử dụng TiO2 làm chất xúc tác quang hóa xử lí chất hữu độc hại, kim loại nặng nước thải công nghiệp (dệt, nhuộm,…), TiO2 cịn sử dụng để làm khơng khí, chống mốc, diệt khuẩn, hay phân hủy thuốc trừ sâu,… Vì TiO2 có lượng vùng cấm ~ 3,2 eV nên có phần nhỏ ánh sáng mặt trời, khoảng 5% vùng tia UV sử dụng [6,15] Do vậy, có nhiều nghiên cứu việc điều chế quang xúc tác TiO2 có khả sử dụng hiệu vùng ánh sáng khả kiến Đến nay, có nhiều nghiên cứu biến tính TiO2 cation kim loại chuyển tiếp hay phi kim Trong số đó, TiO2 biến tính cation kim loại chuyển tiếp cho thấy kết tốt, tăng cường tính chất quang xúc tác vùng ánh sáng khả kiến Trong nhiều báo cáo, hạt tinh thể nano TiO2 biến tính cation sắt thể hoạt tính quang xúc tác tốt so với TiO2 tinh khiết ánh sáng nhìn thấy Ngồi ra, việc biến tính phi kim, chẳng hạn N, C, S, P halogen tăng hoạt tính TiO2 vùng ánh sáng nhìn thấy Trong nhiều phi kim, cacbon biến tính TiO2 cho kết nghiên cứu có nhiều triển vọng Gần đây, việc biến tính đồng thời kim loại phi kim vào TiO2 thu hút nhiều quan tâm, làm tăng mạnh hoạt tính quang xúc tác so với việc biến tính riêng kim loại phi kim [15] Nguyễn Diệu Thu – K20 Hóa vơ Trường ĐHKHTN – ĐHQGHN Luận văn Thạc sĩ Hóa học 3.3 KHẢO SÁT MỘT SỐ YẾU TỐ ẢNH HƢỞNG ĐẾN HOẠT TÍNH XÚC TÁC CỦA VẬT LIỆU 0,57%Fe-C-TiO2 0,57%Fe-C-TiO2-AC 3.3.1 Khảo sát ảnh hưởng lượng xúc tác đến khả phân hủy Rhodamin B Lấy 100 ml dung dịch Rhodamin B nồng độ 20 mg/L cho vào bình phản ứng dung tích 500 ml, sau thêm lượng vật liệu xúc tác (100 mg; 120 mg; 140 mg; 160 mg) để khảo sát khuấy với tốc độ không đổi máy khuấy từ Khuấy 60 phút bóng tối để hấp phụ Rhodamin B bề mặt xúc tác đạt đến cân bằng, chiếu sáng bình phản ứng đèn compac 36W bắt đầu tính thời gian Cứ sau 30 phút, ml mẫu lấy từ hỗn hợp sau ly tâm Nồng độ Rhodamin B xác định sau ly tâm phương pháp trắc quang Kết thu được trình bày bảng 3.4 Bảng 3.4: Độ chuyển hóa Rhodamin B theo thời gian xử lý thay đổi lượng xúc tác Thời gian Độ chuyển hóa Rhodamin B (%) (phút) g/L 1,2 g/L 1,4 g/L 1,6 g/L 30 40,46 62,51 55,56 36,67 60 84,47 96,15 96,08 83,33 90 98,77 99,28 99,19 98,33 Kết hình cho thấy 90 phút xử lý, lượng xúc tác tăng từ 1,0 g/L đến 1,2 g/L độ chuyển hố tăng lượng xúc tác tăng từ 1,4 g/L đến 1,6 g/L độ chuyển hố lại giảm xuống Hàm lượng xúc tác tăng làm cho độ chuyển hoá RhodaminB tăng Tuy nhiên, lượng xúc tác tăng đến giá trị định độ chuyển hố chí giảm xuống Hiện tượng tăng lượng xúc tác độ đục hệ tăng lên làm giảm tiếp nhận ánh sáng hạt xúc tác, Nguyễn Diệu Thu – K20 62 Hóa vô Trường ĐHKHTN – ĐHQGHN Luận văn Thạc sĩ Hóa học khơng phát huy hết tính xúc tác Kết cho thấy lượng xúc tác tối ưu chọn để phân hủy 100 ml dung dịch Rhodamin B nồng độ 20mg/L chiếu sáng đèn compax 1,2 g/L 3.3.2 Khảo sát khả thu hồi tái sử dụng xúc tác Lấy 100 ml dung dịch Rhodamin B nồng độ 20mg/L cho vào bình phản ứng dung tích 500 ml, sau thêm 120 mg vật liệu xúc tác, khuấy với tốc độ không đổi máy khuấy từ Khuấy 60 phút bóng tối để hấp phụ Rhodamin B bề mặt xúc tác đạt đến cân bằng, chiếu sáng bình phản ứng đèn compac 36W bắt đầu tính thời gian Cứ sau 30 phút, ml mẫu lấy từ hỗn hợp sau ly tâm Nồng độ Rhodamin B xác định sau ly tâm phương pháp trắc quang Sau đó, hỗn hợp cịn lại ly tâm, tách lấy vật liệu đem rửa nước cất, sấy khô 1000C tiếp tục thử hoạt tính xúc tác vật liệu thu hồi Kết thu được trình bày bảng 3.5 đồ thị hình 3.15 Bảng 3.5 Độ chuyển hóa Rhodamin B tái sử dụng xúc tác 0,57%Fe-C-TiO2 Thời gian Độ chuyển hóa RhodaminB (%) (phút) Lần Lần Lần 30 62,51 55,32 45,96 60 96,15 87,19 74,99 90 99,28 98,77 93,98 Nguyễn Diệu Thu – K20 63 Hóa vơ Trường ĐHKHTN – ĐHQGHN Luận văn Thạc sĩ Hóa học Hình 3.15 Hoạt tính xúc tác mẫu 0,57%Fe-C-TiO2 sau lần sử dụng Từ đồ thị cho thấy, tái sử dụng nhiều lần xúc tác, hiệu xử lý Rhodamin B xúc tác giảm không đáng kể, xúc tác thể hoạt tính tương đối tốt (trên 90%) Như sử dụng xúc tác nhiều lần mà xúc tác có hoạt tính tốt 3.3.3 Khảo sát hoạt tính xúc tác vủa vật liệu 0,57%Fe-C-TiO2 sử dụng ánh sáng mặt trời tự nhiên Từ kết chụp phổ UV-Vis mẫu xúc tác Fe-C-TiO2 (hình 3.7, hình 3.12) cho thấy vùng hấp thụ vật liệu Fe-C-TiO2 chuyển dịch mở rộng mạnh vùng bước sóng dài khả kiến Điều khiến chúng tơi nghĩ sử dụng nguồn sáng tự nhiên sẵn có để thực trình quang xúc tác vật liệu xúc tác Fe-C-TiO2 Dưới q trình khảo sát hoạt tính xúc tác vật liệu 0,57%Fe-C-TiO2 ánh sáng mặt trời tự nhiên trình phân hủy Rhodamin B Lấy 100 ml dung dịch Rhodamin B nồng độ 20 mg/L cho vào bình phản ứng dung tích 500 ml, sau thêm 120 mg vật liệu xúc tác, khuấy với tốc độ không đổi Nguyễn Diệu Thu – K20 64 Hóa vơ Trường ĐHKHTN – ĐHQGHN Luận văn Thạc sĩ Hóa học máy khuấy từ Chiếu sáng bình phản ứng ánh sáng mặt trời Cứ sau 30 phút, ml mẫu lấy từ hỗn hợp sau ly tâm Nồng độ Rhodamin B xác định sau ly tâm phương pháp trắc quang Kết thu được trình bày bảng 3.6 đồ thị hình 3.16 Bảng 3.6 Độ chuyển hóa RhodaminB mẫu 0,57%Fe-C-TiO2 sử dụng ánh sáng mặt trời Thời gian (Phút) Độ chuyển hóa RhodaminB (%) mẫu 0,57%Fe-C-TiO2 30 60,53 60 90,05 90 96,74 120 98,84 Hình 3.16 Độ chuyển hóa Rhodamin B theo thời gian mẫu xúc tác 0,57%Fe-CTiO2 sử dụng ánh sáng mặt trời Nguyễn Diệu Thu – K20 65 Hóa vơ Trường ĐHKHTN – ĐHQGHN Luận văn Thạc sĩ Hóa học Từ đồ thị cho thấy, xúc tác 0,57%Fe-C-TiO2 hồn tồn thể hoạt tính tốt phân hủy Rhodamin B ánh sáng mặt trời, sau 120 phút độ chuyển hóa Rhodamin B 98,84% 3.3.4 Khảo sát hoạt tính xúc tác vật liệu 0,57%Fe-C-TiO2-AC Như nêu phần tổng quan, việc đưa xúc tác Fe-C-TiO2 lên than hoạt tính nhằm hai mục đích Thứ nhất, than hoạt tính làm chất mang tạo thuận lợi cho trình tách xúc tác khỏi dung dịch sau phản ứng Thứ hai, khả hấp phụ tốt AC lợi dụng để hấp phụ tạp chất bề mặt tạo điều kiện cho trình phân hủy chất TiO2 Để khảo sát hoạt tính xúc tác vật liệu 0,57%Fe-C-TiO2-AC, tiến hành sau: Lấy 100 ml dung dịch Rhodamin B nồng độ 20mg/L cho vào bình phản ứng dung tích 500 ml, sau thêm g vật liệu xúc tác khuấy với tốc độ không đổi máy khuấy từ Khuấy 60 phút bóng tối để hấp phụ Rhodamin B bề mặt xúc tác đạt đến cân bằng, chiếu sáng bình phản ứng đèn compac 36W bắt đầu tính thời gian Cứ sau 30 phút, ml mẫu lấy từ hỗn hợp sau lọc Nồng độ Rhodamin B xác định sau lọc phương pháp trắc quang Nhằm so sánh khả xúc tác vật liệu 0,57%Fe-C-TiO2-AC với khả hấp phụ than hoạt tính, chúng tơi tiến hành khảo sát khả phân hủy Rhodamin B đồng thời hai mẫu: mẫu vật liệu 0,57%Fe-C-TiO2-AC mẫu than hoạt tính AC Kết thể bảng 3.7 hình 3.17 Nguyễn Diệu Thu – K20 66 Hóa vơ Trường ĐHKHTN – ĐHQGHN Luận văn Thạc sĩ Hóa học Bảng 3.7 Độ chuyển hóa RhodaminB theo thời gian mẫu AC 0,57%Fe-C-TiO2-AC Thời gian (Phút) Độ chuyển hóa RhodaminB (%) AC 0,57%Fe-C-TiO2-AC 1h bóng tối 21,82 30,9 30 phút chiếu sáng 37,77 69,13 60 phút chiếu sáng 50,87 78,02 90 phút chiếu sáng 65 84,21 120 phút chiếu sáng 70 91,18 Hình 3.17 Hoạt tính xúc tác mẫu 0,57%Fe-C-TiO2-AC mẫu AC Than hoạt tính có cấu trúc lỗ xốp phát triển, có khả hấp phụ Rhodamin B Sau 120 phút, hiệu xử lý Rhodamin B than hoạt tính đạt 70%, Nguyễn Diệu Thu – K20 67 Hóa vơ Trường ĐHKHTN – ĐHQGHN Luận văn Thạc sĩ Hóa học xúc tác 0,57%Fe-C-TiO2 mang than hoạt tính xử lý Rhodamin B đạt hiệu khoảng 91,18% thời gian 120 phút Hiệu suất xử lý Rhodamin B tăng lên trường hợp ngồi hoạt tính TiO2 biến tính đồng thời sắt cacbon cịn có thêm tác dụng hấp phụ than hoạt tính Nguyễn Diệu Thu – K20 68 Hóa vơ Trường ĐHKHTN – ĐHQGHN Luận văn Thạc sĩ Hóa học KẾT LUẬN Trong khn khổ nghiên cứu luận văn, đạt kết sau: Đã tổng hợp nghiên cứu ảnh hưởng thời gian thủy nhiệt đến q trình tổng hợp TiO2 biến tính cacbon, sắt thu số kết sau: - Biến tính TiO2 đồng thời cacbon sắt cho kết phân hủy Rhodamin B tốt so với TiO2 biến tính riêng sắt cacbon - Hàm lượng sắt tối ưu dùng để biến tính TiO2 0,57% mol sắt so với titan - Ở 1800C, thời gian thủy nhiệt tối ưu tổng hợp mẫu TiO2 biến tính đồng thời cacbon sắt 10h - Một số đặc trưng hóa lý mẫu 0,57%Fe-C-TiO2 cho thấy mẫu có cấu trúc anatase, hạt đồng đều, kích thước nhỏ cỡ nano, sắt cacbon có mặt vật liệu TiO2 mẫu TiO2 biến tính chuyển dịch phổ hấp phụ sang vùng ánh sáng khả kiến cho hiệu xử lý Rhodamin B cao ánh sáng mặt trời tự nhiên Đã đưa vật liệu 0,57%Fe-C-TiO2 lên than hoạt tính xác định đặc trưng cấu trúc vật liệu Mẫu vật liệu thể hoạt tính tốt phân hủy Rhodamin B Khảo sát ảnh hưởng lượng xúc tác, nguồn sáng khả thu hồi tái sử dụng xúc tác 0,57%Fe-C-TiO2 cho kết quả: - Lượng xúc tác 0,57%Fe-C-TiO2 tối ưu để phân hủy 100 ml dung dịch RhodaminB nồng độ 20 mg/L 1,2 g/L - Rhodamin B bị phân hủy 0,57%Fe-C-TiO2 ánh sáng mặt trời (sau 120 phút, hiệu suất xử lý 98,84%) - Mẫu vật liệu tái sử dụng có hoạt tính tốt sau lần sử dụng Điều mở triển vọng ứng dụng xúc tác TiO2 biến tính sắt cacbon để xử lý hợp chất hữu thực tế ánh sáng mặt trời Nguyễn Diệu Thu – K20 69 Hóa vơ Trường ĐHKHTN – ĐHQGHN Luận văn Thạc sĩ Hóa học TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt Vũ Đăng Độ (2003), Các phương pháp vật lý hóa học, Đại học quốc gia Hà Nội Vũ Đăng Độ (2007), Cơ sở lý thuyết q trình hóa học, Nhà xuất Giáo dục Lê Kim Long, Hoàng Nhuận dịch (2001), Tính chất vật lý, hóa học chất vơ cơ, R.A.Lidin, V.A Molosco, L.L Andreeva, NXBKH&KT Hà Nội Nguyễn Hữu Phú (2003), Hóa lý hóa keo, NXB Khoa học Kỹ thuật Hà Nội Nguyễn Hữu Phú (1999), Vật liệu vô mao quản hấp phụ xúc tác, NXB Khoa học kỹ thuật Hà Nội Trần Mạnh Trí (2005), “Sử dụng lượng mặt trời thực trình quang xúc tác TiO2 để xử lý nước nước thải cơng nghiệp”, Tạp chí khoa học công nghệ, tập 43, số Vũ Anh Tuấn, Nguyễn Văn Hòa, Đặng Tuyết Phương (2007), “Tổng hợp ứng dụng xúc tác quang hóa kích thước nanomet xử lý môi trường”, Báo cáo tổng kết đề tài độc lập nghiên cứu phát triển khoa học công nghệ Phan Văn Tường (2007), Các phương pháp tổng hợp vật liệu gốm, NXB Đại học quốc gia Hà Nội Phan Văn Tường, Vật liệu vơ cơ, giáo trình giảng dạy 10 Nghiêm Bá Xn, Mai Tuyên (2006), “Nghiên cứu chế điều kiện chế tạo vật liệu nano TiO2 dạng anatase dùng làm xúc tác quang hóa”, Tạp chí khoa học ứng dụng, Số (54) 11 TS Nguyễn Thị Bích Lộc (2009), “Nghiên cứu chế tạo TiO2 vật liệu mang”, Đề tài khoa học mã số QG.07.10, Trường Đại học Khoa Học Tự Nhiên Nguyễn Diệu Thu – K20 70 Hóa vơ Trường ĐHKHTN – ĐHQGHN Luận văn Thạc sĩ Hóa học Tiếng Anh 12 M Anderson, L.Osterlund, S Ljungstrom, A Palmqvist (2002), “Preparation of nanosize anatase and rutile TiO2 by hydrothermal treament of micro-emulsions and their activity for photocatalytic wet oxidation of phenol”, J Phys Chem B, 106, pp 10674-10679 13 Yanhui Ao, Jingjing Xu, Degang Fu, Chunwei Yuan (2008), “A simple method to prepare N-doped titania hollow spheres with high photocatalytic activity under visible light”, Journal of Hazardous Materials, Accepted Manuscript 14 Yanhui Ao, Jingjing Xu, Songhe Zhang, Degang Fu (2010), “A one-pot method to prepare N-doped titania hollow spheres with high photocatalytic activity under visible light”, Applied Surface Science, 256, pp 2754-2758 15 U.G.Akpan, B.H.Hameed (2010), “The advancements in sol-gel method of doped-TiO2 photocatalysts”, Applied Catalysis A: General, 375, pp 1-11 16 Roland Benedix, Frank Dehn, Tana Quaas, Marko Orgass (2000), “Application of titanium dioxide photocatalysis to create self-cleaning building material”, Lacer, No, pp 157-169 17 P Calza, E Pelizzetti, K Mogyorosi, R Kun, I Dekany (2007), “ Size dependent photocatalytic activity of hydrothermally crystallized titania nanoparticles on poorly adsorbing phenol in absence and presence of flouride ion”, Applied Catalysis B: Environmental, 72, pp 314-321 18 Chentharmarakshan C R, Rajeshwar K., Wolfrum, E.J (2000), “Heterogeneous photocatalytic reduction of Cr(VI) in Uv-irradiated titania suspension effect of prorons, ammonium ions, and other interfacial aspects”, Langmiur, 16 pp 2715-2721 19 W.Y Choi, A Termin and M.R Hoffmann (1994), “The role of metal ion dopants in quantum-sized TiO2: correlation between photoreactivity and charge carrier recombination dynamics”, J Phys Chem, 84, pp 13669-13679 Nguyễn Diệu Thu – K20 71 Hóa vô Trường ĐHKHTN – ĐHQGHN Luận văn Thạc sĩ Hóa học 20 Min Gyu Choi, Young-Gi Lee, Seung-Wan Song, Kwang Man Kim (2010), “Lithium-ion battery anode properties of TiO2 nanotubes prepared by the hydrothermal synthesis of mixed (anatase and rutile) particles”, Electrochimica Acta, 55, pp 5975-5983 21 Lifeng Cui, Yuasheng Wang, Mutong Niu, GuoxinChen, YaoCheng (2009), “Synthesis and visible light photocatalysis of Fe-doped TiO2 mesoporous layers deposited on holowglass microbeads”, Journal of Solid State Chemistry, 182, pp 2785-2790 22 Lifeng Cui, Feng Huang, Mutong Niu, Lingwei Zeng, Ju Xu, Yuansheng Wang (2010), “A visible light active photocatalyst: Nano-composite with Fedoped anatase TiO2 nanoparticles coupling with TiO2(B) nanobelts”, Journal of Molecular Catalysis A: Chemical, 326, pp 1-7 23 Deng B, Stone A T (1996), “Surface –Catalyzed Chromium (VI) reduction: the TiO2-Cr(VI)-Mandelic Acid System”, Environmrntal Science and Technology, 30, pp 463-472 24 Y.K Đuan, J Rabani (2003), “The measure of TiO2 photocatalytic efficiency and comparison of different photocatalytic titania”, J Phys Chem B, 107, pp 11970-11978 25 Akira Fujishima et al (1999) TiO2 photocatalysis fundamental and application 26 Fang Han, Venkata Subba Rao Kambala, Madapusi Srinivasan, Dharmarajan Rajarathnam, Ravi Naidu (2009), “Tailored titanium dioxide photocatalysts for the degradation of organic dyes in wastewater treatment: A review”, Applied Catalysis A: General, 359, pp 25-40 27 M.R Hoffmann, S T Martin, W Choi, D.W Bahnemann (1995), “Environment application of semiconductor photocatalysis”, Chem Rev, 95, pp 69-96 28 C.Jin, R.Y.Zheng, Y Guo, J.L.Xie, Y.X.Zhu, Y.C.Xi(2009), “Hydrothermal synthesis and characterization of phosphorous-doped TiO2 with high Nguyễn Diệu Thu – K20 72 Hóa vơ Trường ĐHKHTN – ĐHQGHN Luận văn Thạc sĩ Hóa học photocatalytic activity for methylene blue degradation”, Journal of Molecular Catalysis A: Chemical, 313, pp 44-48 29 Jiaguo Yu, Quanjun Xiang, Minghua Zhou (2009), “Preparation, characterization and visible-light-driven photocatalytic of Fe-doped titania nanorods and first-principles study for electronic structures”, Applied Catalysis B: Environmental, 90, pp 595-602 30 S.Karvinen, Ralf-Johan Lamminmaki (2003), “Preparation and characterization of mesoporous visible-light-active anatase”, Solid State Sciences, 5, pp 1159-1166 31 L.B Khalil, W.E.Mourad, M.W.Rophael (1998), “Photocatalytic reduction of environment pollutant Cr(VI) over some semiconductor under UV/visible light illumination”, Applied Catalysis B: Environmental, 17, pp 267-273 32 A.R Khataee, M.B.Kasiri (2010), “Review Photocatalytic degradation of organic dyes in the presence of nanostructured titanium dioxide: Influence of the chemical structure of dyes”, Journal of Molecular Catalysis A: Chemical , 328, pp 8-26 33 Y.Ku and In-Liang Jung (2001),“Photocatalytic reduction of Cr(VI) in aqueous solution by UV irradiation with the presence of titanium dioxide”, Wat.Res.Vol 35, No.1 pp 135-142 34 Lee MS, Hong SS, MohseniM (2005), “Synthesis of photocatalytic nanosized TiO2-Ag particles with sol-gel method using reduction agent”, J Molec Catal A, 242, pp 135-140 35 Sangwook Lee, In-Sun Cho, Duk Kyu Lee, Dong Wook Kim, Tae Hoon Noh, Chae Hyun Kwak, Sangbaek Park, Kug Sun Hong, Jung-Kun Lee, Hyun Suk Jungc (2010), “Influence of nitrogenchemical states on photocatalytic activities of nitrogen-doped TiO2 nanoparticles under visible light”, Journal of Photochemistry and Photobiology A: Chemistry Nguyễn Diệu Thu – K20 73 Hóa vơ Trường ĐHKHTN – ĐHQGHN Luận văn Thạc sĩ Hóa học 36 S.X.Liu, X.Y.Chen, X.Chen (2007), “A TiO2/AC composite photocatalyst wwith high activity and easy separation prepared by a hydrothermal method”, Journal of Hazardous Matarial, 143, pp 257-263 37 Li XZ, Li FB (2002), “The enhancement of photodegration efficiency using Pt-TiO2 catalyst”, Chemosphere, 48, pp 1103-1111 38 Zhijie Li, Wenzhong Shen, Wensen He, Xiaotao Zu (2008), “Effect of Fedoped TiO2 nanoparticle dervied from modified hydrothermal process on the photocatalytic degradation performance on methylence blue”, Juornal of Hazardous Materials, 155, pp 590-594 39 Hong Li, Gaoling Zhao, Zhijiun Chen, Gaorong Han, Bin Song (2010), “Low temperature synthesis of visible light-driven vanadium doped titania photocatalyst”, Juornal of Colloid and Interface Science,244, pp 247-250 40 Hari Singh Nalwa (2002), “Handbook of Nanostructured materials and nanotechnology”, Volume Synthesis and processing Academic Press 41 M.R.Prairie, B.M Stange, and L.R Evans (1992), “TiO2 Photocatalysis for the Destruction of Organic and the Reduction heavy metals”, Proceeding of the 1st International Conference on TiO2 Photocatalytic Purification and Treatment of Water and Air, London, Ontario, Canada, Vol 3, pp 353-363 42 Prairie M.R, Evans L.R., Stange B.M and Martinez S.L (1993), “An investigation of TiO2 photocatalysis for the treatment of water contaminated with metals and organic chemicals”, Environ.Sci.Technol, 27, pp 17761782 43 Didier Robert Sixto Matato (2002), “Solar photocatalysis: A clean proces for water detoxification”, The Sience of the Total Enviroments,291, pp 8597 44 M.Saif, M.S.A.Abdel-Mottaleb (2007), “Titanium dioxide nanomaterial doped with trivalent lanthanide ions of T, Eu and Sm: Preparation, characterization and potential applications”, Inorganica Acta, 360, pp 28632874 Nguyễn Diệu Thu – K20 74 Hóa vơ Trường ĐHKHTN – ĐHQGHN Luận văn Thạc sĩ Hóa học 45 Yongmei Wu, Jinlong Zhang, Ling Xiao, Feng Chen (2010), “Properties of carbon and iron modified TiO2 photocatalyst synthesized at low temperature and photodegradation of acid orange under visible light”, Applied Surface Science, 256, pp 4260-4268 46 Jian Zhu, Jie Ren, Yuning Huo, Zhenfeng Bian, and Hexing Li (2007), “ Nanocrystalline Fe/TiO2 Visible Photocatalyst with a Mesoporous Structure Prepared via a nonhydrolytic sol-gel route”, J.Phys Chem, 111, pp 1896518969 47 Pow-Seng Yap, Teik-Thye Lim, Madhavi Srinivasan (2011), “Nitrogendoped TiO2/AC bi-functional composite prepared by two-stage calcination for enhanced synergistic removal of hydrophobic pollutant using solar irradiation”, Catalysis Today, 161, pp 46-52 48 Xiangxin Yang, Chundi Cao, Larry Erickson, Keith Hohn, Ronaldo Maghirang, Kenneth Klabunde (2009), “Photo-catalytic degradation of Rhodamine B on C-,S-,N- and Fe- doped TiO2 under visible-light irradiation”, Applied Catalysis B: Environmental, 91, pp 657-662 49 Jiefang Zhu, Fenf Chen, Jinlong Zhang, Haijun Chen, Masakazu Anpo (2006), “Fe3+ -TiO2 photocatalyst prepared by combining sol-gel method with hydrothermal treatment and their characterization”, Journal of Photochemistry and Photobiology A:Chemistry, 180, pp 196-204 50 Wenlong Zhang, Yi Li, Chao Wang, Peifang Wang (2011), “Kinetics of heterogeneous photocatalytic degradation of rhodamin B by TiO –coated activated carbon: Roles of TiO2 content and light intensity”, Desahnation, 266, pp 40-45 51 Xingwang Zhang, Ming hua Zhou, Lecheng Lei (2005), “Enhancing the concentration of the TiO2 photocatalyst on the external surface of activated carbon by MOCVD”, Materials Research Bulletin, 40, pp 1899-1904 52 Rodriguez-Reinoso Zrancisco, Marsh Harry, (2006), “Activated Carbon”, Elsevier, Spain Nguyễn Diệu Thu – K20 75 Hóa vơ Trường ĐHKHTN – ĐHQGHN Luận văn Thạc sĩ Hóa học Website 53 http://www.trabaco.com.vn/ 54 http://vi.wikipedia.org/wiki/ Nguyễn Diệu Thu – K20 76 Hóa vơ ... - NGUYỄN DIỆU THU NGHIÊN CỨU BIẾN TÍNH TiO2 BẰNG CACBON VÀ SẮT LÀM CHẤT XÚC TÁC QUANG HĨA TRONG VÙNG ÁNH SÁNG TRƠNG THẤY Chun ngành: Hóa vơ Mã số: 60 44 25 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƯỜI... tơi chọn đề tài “ Nghiên cứu biến tính TiO2 cacbon sắt làm chất xúc tác quang hóa vùng ánh sáng trông thấy? ?? Nguyễn Diệu Thu – K20 Hóa vơ Trường ĐHKHTN – ĐHQGHN Luận văn Thạc sĩ Hóa học CHƢƠNG ... 3.1.1 Ảnh hƣởng biến tính TiO2 riêng cacbon, sắt biến tính đồng thời cacbon sắt đến hoạt tính quang xúc tác TiO2 Q trình biến tính TiO2 riêng cacbon sắt biến tính đồng thời cacbon sắt trình bày mục