(Luận văn thạc sĩ) nghiên cứu ứng dụng hiđrotalxit (mg, al, fe) làm xúc tác xử lý nước thải chứa các hợp chất hữu cơ khó phân hủy

Nguyễn Thị Tƣơi Luận văn Thạc sỹ Khoa học ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN NGUYỄN THỊ TƢƠI NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG HIĐROTALXIT (Mg, Al, Fe) LÀM XÚC TÁC XỬ LÝ NƢỚC THẢI CHỨA CÁC HỢP CHẤT HỮU CƠ KHÓ PHÂN HỦY LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội - Năm 2012 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI Nguyễn Thị Tƣơi Luận văn Thạc sỹ Khoa học TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN NGUYỄN THỊ TƢƠI NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG HIĐROTALXIT (Mg, Al, Fe) LÀM XÚC TÁC XỬ LÝ NƢỚC THẢI CHỨA CÁC HỢP CHẤT HỮU CƠ KHÓ PHÂN HỦY Chun ngành: Hóa mơi trường Mã số: 60 44 41 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Cán hướng dẫn: TS NGUYỄN TIẾN THẢO Hà Nội – Năm 2012 Nguyễn Thị Tƣơi Luận văn Thạc sỹ Khoa học MỤC LỤC MỞ ĐẦU…………………………………………………………………… Chƣơng 1: TỔNG QUAN………………………………………………… Giới thiệu chung hidrotalxit……………………………………… 1.1.1 Giới thiệu…………………………………………………………… 1.1.2 Đặc điểm, tính chất (đặc trưng) hidrotalxit ………………… 1.1.3 Phương pháp tổng hợp vật liệu hidrotalxit ……………………… 1.1.4 Ứng dụng hidrotalxit ………………………………………… 10 1.2 Ô nhiễm nước thải chứa hợp chất hữu khó phân hủy …………… 12 1.2.1 Khái niệm ô nhiễm hợp chất hữu khó phân hủy 12 1.2.2 Nguồn gốc phát sinh hợp chất ô nhiễm hữu khó phân hủy 13 1.2.3 Tính chất hợp chất nhiễm hữu khó phân hủy 13 1.1 1.2.4 Con đường vận chuyển hợp chất nhiễm hữu khó phân hủy thể người môi trường 14 1.2.5 Sự hấp thụ, tồn lưu, biến đổi chuyển hóa hợp chất nhiễm hữu khó phân hủy thể người môi trường………………… 15 1.2.6 Ảnh hưởng hợp chất ô nhiễm hữu khó phân hủy người môi trường…………………………………………… 19 1.2.7 Hiện trạng ô nhiễm nước thải chứa hợp chất hữu khó phân hủy Việt Nam……………………………………………………………… 19 1.3 Các phương pháp xử lý nước thải chứa hợp chất hữu khó phân hủy 21 1.3.1 Phương pháp keo tụ……………………………………………… 22 1.3.2 Phương pháp hấp phụ……………………………………………… 22 1.3.3 Phương pháp Fenton……………………………………………… 23 1.3.4 Phương pháp oxi hóa – khử……………………………………… 24 Nguyễn Thị Tƣơi Luận văn Thạc sỹ Khoa học 1.3.5 Phương pháp sinh học…………………………………………… 24 Giới thiệu xanh metylen………………………………………… 25 Chƣơng 2: THỰC NGHIỆM…………………………………………… 27 2.1 Hóa chất, dụng cụ…………………………………………………… 27 2.1.1 Hóa chất…………………………………………………………… 27 2.1.2 Dụng cụ thiết bị thí nghiệm……………………………………… 27 1.4 Quy trình tổng hợp hidrotalxit …………………………………… 27 2.2.1 Quy trình tổng hợp hidrotalxit ( Mg: Al: Fe = 5: :2 )…………… 28 2.2.2 Quy trình tổng hợp hidrotalxit ( Mg: Al: Fe = 7: :0 ) ………… 28 2.2.3 Quy trình tổng hợp hidrotalxit ( Mg: Al: Fe = 6: :1 ) ………… 28 2.3 Các phương pháp nghiên cứu đặc trưng vật liệu xúc tác hidrotalxit 29 2.3.1 Nhiễu xạ Rơnghen X (X-ray diffactionXRD)……………………… 29 2.3.2 Phương pháp phổ hồng ngoại (IR)……………………………………… 32 2.3.3 Phương pháp hiển vi điện tử quét (SEM)………………………… 33 2.3.4 Phương pháp hiển vi điện tử truyền qua (TEM) 34 2.3.5 Phương pháp đẳng nhiệt hấp phụ – giải hấp phụ ( BET) 34 2.2 2.4 Nghiên cứu khả xử lý hợp chất hữu nước thải xúc tác hidrotalxit…………………………………………………… 2.4.1 Oxi hóa để xử lý hợp chất hữu cơ……………………………… 39 39 2.4.2 Xây dựng đường chuẩn, đo độ hấp thụ quang dung dịch xanh metylen theo phương pháp trắc quang ( UV – Vis)………………… 39 2.4.3 Chuẩn bị dung dịch……………………………………………… 40 2.4.4 Xây dựng đường chuẩn……………………………………………… 40 Nguyễn Thị Tƣơi Luận văn Thạc sỹ Khoa học Chƣơng 3: KÊT QUẢ VÀ THẢO LUẬN………………………………… 41 3.1 Đặc trưng mẫu xúc tác hidrotalcite MgFeAl-O…………………… 41 3.1.1 Nghiên cứu đặc trưng mẫu vật liệu hidrotalxit kỹ thuật XRD 42 3.1.2 Phương pháp phổ hồng ngoại IR……………………………………… 44 3.1.3 Hình ảnh thể học hidrotanxit MgFeAl-O…………………………… 45 3.1.4 Phương pháp đẳng nhiệt hấp phụ – giải hấp phụ (BET)……………… 46 3.2 Đánh giá khả xử lý hợp chất hữu khó phân hủy nước thải xúc tác hidrotalxit theo thời gian, nhiệt độ thường 48 3.2.1 Khảo sát q trình oxi hóa xanh metylen xúc tác T05………… 48 3.2.2 Khảo sát q trình oxi hóa xanh metylen xúc tác TT03………… 51 3.2.3 So sánh khả oxi hóa xanh metylen vật liệu theo thời gian 54 3.3 Đánh giá khả oxi hóa xanh metylen xúc tác hidrotalxit theo thời gian, nhiệt độ 450C…………………………………………… 55 3.4 Đánh giá khả oxi hóa xanh metylen xúc tác hidrotalxit theo thời gian, ánh sáng UV…………………………………………… 57 Chƣơng IV KẾT LUẬN………………………………………………… 59 TÀI LIỆU THAM KHẢO 60 PHỤ LỤC 63 Nguyễn Thị Tƣơi Luận văn Thạc sỹ Khoa học DANH MỤC HÌNH Hình 1.1: Khống sét hidrotalxit…………………………………………… Hình 1.2: Cấu tạo lớp hidroxit……………………………………………… Hình 1.3: Cấu tạo lớp xen giữa……………………………………………… Hình 1.4: Hình dạng cấu trúc lớp hidrotalxit………………………… Hình 1.5: Giá trị L phụ thuộc vào bán kính anion………………………… Hình 1.6: Giá trị L phụ thuộc vào dạng hình học anion……………… Hình 1.7: Quá trình trao đổi anion…………………………………………… Hình 1.8: Sự biến đổi tác động POPs mơi trường…………… 15 Hình 1.9: Q trình hấp thụ, phân bố, lưu giữ, vận chuyển loại bỏ POPs thể người………………………………………………… 16 Hình 1.10: Quá trình chuyển hóa đào thải POPs thể sinh vật…… 18 Hình 1.11: Mơ hình xanh metylen 25 …………………………………………… Hình 1.12: Cấu tạo xanh 25 metylen……………………………………………… Hình 2.1 : Nguyên lí cấ u taọ của máy nhiễu xạ tia 30 X………………………… Hình 2.2 : Sơ đồ tia tới tia phản xạ tinh 30 thể…………………………… Hình 2.3: Minh họa hình chiếu (100) mao 31 quản…………………… Hình 2.4: Đường chuẩn xanh 41 metylen…………………………………… Hình 3.1:Giản đồ nhiễu xạ mẫu 43 TT04…………………………………… Hình 3.2: Giản đồ nhiễu xạ mẫu TT05………………………………… 43 Nguyễn Thị Tƣơi Luận văn Thạc sỹ Khoa học Hình 3.3:Giản đồ nhiễu xạ mẫu TT03………………………………… 44 Hình 3.4: Kết chụp IR mẫu 45 TT05…………………………………… Hình 3.5: Ảnh SEM TEM mẫu TT05 TT03……………………… 45 Hình 3.6: Đường hấp phụ giải Nitơ mẫu TT05………………………… 46 Hình 3.7: Sự phân bố mao quản BJH mẫu 47 TT05………………………… Hình 3.8: Sự biến đổi nồng độ xanh metylen 500 ppm theo thời gian ( 49 TT05) Hình 3.9: Sự biến đổi nồng độ xanh metylen 3000 ppm theo thời gian ( 50 TT05) Hình 3.10: Sự biến đổi nồng độ xanh metylen 500 ppm theo thời gian ( 52 TT03) Hình 3.11: Sự biến đổi nồng độ xanh metylen theo thời gian xúc tác TT03 3000 ppm xanh metylen, nhiệt độ 53 phòng……………………… Hình 3.12: So sánh biến đổi xanh metylen vật 55 liệu……………… Hình 3.13: Chuyển hóa xanh metylen nhiệt độ 56 450C……………………… Hình 3.14: So sánh biến đổi xanh metylen vật liệu theo ánh sáng UV…………………………………………………………………………… 58 Nguyễn Thị Tƣơi Luận văn Thạc sỹ Khoa học DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1 Thời gian bán phân huỷ nhóm thuốc trừ sâu thuộc POPs… 17 Bảng 1.2: Một số đặc điểm xanh metylen……………………………… 25 Bảng 2.1: Kết phụ thuộc vào mật độ quang vào nồng độ xanh metylen………………………………………………………………………… Bảng 3.1: Sự biến thiên nồng độ xanh metylen theo thời gian ( TT05)…… 40 49 Bảng 3.2 : Sự biến thiên nồng độ xanh metylen theo thời gian ( TT03)…… 52 Bảng 3.3: So sánh biến đổi nồng độ xanh metylen vật liệu…… 54 Bảng 3.4: So sánh biến đổi xanh metylen vật liệu nhiệt độ 55 450C Bảng 3.5: So sánh biến đổi xanh metylen vật liệu ánh sáng UV……………………………………………………………………………… 57 Nguyễn Thị Tƣơi Luận văn Thạc sỹ Khoa học DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT POPs (Persistant Organic Pollutants): chất hữu vô hại bền khó phân huỷ COD (Chemical Oxygen Demand): Nhu cầu oxi hóa học BOD (Biochemical oxygen Demand): nhu cầu oxy sinh hoá XRD: Phƣơng pháp nhiễu xạ tia X IR: Phƣơng pháp phổ hồng ngoại SEM: Phƣơng pháp hiển vi điện tử quét TEM: Phƣơng pháp hiển vi điện tử truyền qua BET : Phƣơng pháp đẳng nhiệt hấp phụ- giải hấp phụ BJH: Barrett – Joyner – Halenda Abs: Độ hấp thụ quang Nguyễn Thị Tƣơi Luận văn Thạc sỹ Khoa học MỞ ĐẦU Cùng với phát triển công nghiệp đại, môi trường sống ngày ô nhiễm nặng nề Ngành công nghiệp sản xuất thải môi trường lượng lớn chất hữu vơ hại bền khó phân huỷ (Persistant Organic Pollutants – POPs) Chất thải hữu cơng nghiệp vào khơng khí, nước sinh hoạt, đất thực phẩm xâm nhập vào thể sống qua đường ăn uống, hô hấp dẫn đến nhiễm độc ngày nhiều gây bệnh nguy hiểm người (đặc biệt bệnh ung thư) Bên cạnh đó, với việc sử dụng loại thuốc bảo vệ thực vật phân bón hố học nơng nghiệp ngày tăng, chí lạm dụng gây cân sinh thái Trong trình sử dụng thuốc bảo vệ thực vật phân bón hố học, lượng đáng kể thuốc phân không trồng tiếp nhận lan truyền tích lũy đất, nước Ngồi ra, tác động tiêu cực khác dư lượng thuốc bảo vệ thực vật phân bón làm suy thối chất lượng môi trường canh tác nông nghiệp tượng phú dưỡng đất, nước, nhiễm đất, nước, giảm tính đa dạng sinh học vùng nông thôn, giảm khả chống chịu sâu bệnh thuốc bảo vệ thực vật Bảo vệ môi trường, đảm bảo phát triển bền vững ngày trở thành chiến lược mang tính tồn cầu, khơng cịn vấn đề riêng cho quốc gia khu vực, thành phố Bảo vệ mơi trường tự nhiên (nguồn nước, khơng khí, đất đai, đa dạng sinh học …) vấn đề liên quan tới chất lượng mơi trường mà cịn việc bảo vệ mơi trường cho hệ tương lai Vì vậy, việc nghiên cứu chế tạo loại vật liệu có tính ưu việt để xử lí hợp chất hữu độc hại nước cần thiết Trong năm gần đây, vật liệu hidrotalxit hứa hẹn có nhiều ứng dụng lĩnh vực khác Phương pháp điều chế đơn giản nguyên liệu sẵn có, phổ biến nên ứng dụng thực tế Do vậy, lựa chọn đề tài “Nghiên cứu ứng dụng hidrotalxit (Mg, Al, Fe) làm xúc tác xử lý nƣớc thải chứa hợp chất hữu khó phân hủy” 10 Nguyễn Thị Tƣơi Luận văn Thạc sỹ Khoa học metylen lên 3000 ppm quan sát màu theo thời gian Sự biến thiên nồng độ xanh metylen theo thời gian trình bày Bảng 3.1 Bảng 3.1 Sự biến thiên nồng độ xanh metylen theo thời gian (TT05) Mg0,6Al0,3Fe0,1(OH)2(CO3)0.15.xH2O, ánh sáng thường, nhiệt độ phòng Thời gian (phút) Nồng độ xanh metylen (ppm) xanh metylen + H O2 3000 Xanh metylen + TT05 3000 Xanh metylen + TT05+ H2 O2 3000 15 2946,38 2912,02 2389,15 30 2892,25 2835,68 2125,68 45 2839,63 2715,75 1973,26 60 2786,76 2646,24 1879,32 75 2735,85 2598,74 1712,53 90 2692,58 2536,28 1596,75 105 2645,63 2485,35 1463,16 120 2608,52 2428,36 1435,87 135 2564,75 2392,18 1428,92 150 2532,63 2386,75 1416,32 Trong hai trường hợp xử lý 500 3000 ppm xanh metylen thu kết biến đổi tương tự độ dốc đường cong biểu diễn mối liên hệ [xanh metylen] thời gian khác Ở nồng độ thấp (500 ppm), phần xanh metylen bị tự phân hủy môi trường nước tác dụng ảnh sáng thường đạt cân sau khoảng 120 phút Tuy nhiên, có mặt H2O2 nồng độ xanh metylen giảm nhanh Khi có mặt xúc tác tác, metylen bị hấp phụ mạnh bề mặt bị oxi hóa thành sản phẩm thứ cấp Dung dịch xanh metylen gần màu hoàn toàn sau 30 phút đưa xúc tác H2O2 vào dung dịch (Hình 3.8) 58 Nguyễn Thị Tƣơi Luận văn Thạc sỹ Khoa học 200 mg xúc tác TT05 + 20 mL dung dịch xanh metylen 3000 ppm 3000 Xanh metyl + H2O2 Xanh metyl + TT05 Xanh metyl + TT05+ H2O2 Nồng độ xanh metylen (ppm) 2800 2600 2400 2200 2000 1800 1600 1400 1200 1000 20 40 60 80 100 Thời gian (phút) 120 140 160 Hình 3.9 Sự biến đổi nồng độ xanh metylen theo thời gian (TT05) Mg0,6Al0,3Fe0,1(OH)2(CO3)0.15.xH2O, [xanh metylen] = 3000 ppm, nhiệt độ phòng, ánh sáng thường Trong trường hợp thứ 2, kết khảo sát 3000 ppm xanh metylen cho thấy hỗn hợp phản ứng có xanh metylen H2O2 phản ứng oxi hóa xanh metylen xảy chậm, nồng độ xanh metylen giảm không nhiều (tương ứng với phần trăm chuyển hóa xanh metylen nồng độ thấp) Khi hỗn hợp phản ứng có xanh metylen vật liệu TT05 nồng độ xanh metylen giảm theo thời gian khảo sát, chứng tỏ vật liệu TT05 có hấp phụ phần xanh metylen quan sát thấy hình 3.8 Khi hỗn hợp phản ứng gồm xanh metylen, H 2O2 vật liệu TT05 nồng độ xanh metylen giảm mạnh Điều giải thích vật liệu TT05 khơng đóng vai trò chất hấp phụ mà chất xúc tác thúc đẩy q trình oxi hóa xanh metylen bề mặt chất rắn Hiệu suất xử lý xanh metylen hỗn hợp xanh metylen H2O2 (màu trắng) là: H% = 100% = 15,58 % 59 Nguyễn Thị Tƣơi Luận văn Thạc sỹ Khoa học Hiệu suất xử lý xanh metylen hỗn hợp xanh metyen TT05 là: H% = 100% = 20,44 % Hiệu suất xử lý xanh metylen hỗn hợp xanh metyen, H2O2 TT05 là: H% = 100% = 52,78 % 3.2.2 Khảo sát q trình oxi hóa xanh metylen xúc tác TT03 Mg0,5Al0,3Fe0,2 (OH)2(CO3)0.15.xH2O Để tìm hiểu rõ vai trị xúc tác ion sắt hidrotanxit, thực phản ứng oxi hóa xanh metylen mẫu xúc tác giầu thành phần sắt hơn, mẫu TT03: Mg0,5Al0,3Fe0,2 (OH)2(CO3)0.15.xH2O Cho 200 mg xúc tác TT03 vào cốc thủy tinh 250 ml, lấy 200 ml xanh metylen 500 3000 ppm ml H 2O2 30% cho vào cốc thủy tinh Tiến hành khuấy từ theo thời gian ta thu kết hình 3.10 Hình 3.10: Sự biến đổi nồng độ xanh metylen theo thời gian xúc tác TT03 (Mg0,5Al0,3Fe0,2 (OH)2(CO3)0.15.xH2O) 500 ppm xanh metylen, nhiệt độ phòng, ánh sáng thường 60 Nguyễn Thị Tƣơi Luận văn Thạc sỹ Khoa học Bảng 3.2: Sự biến thiên nồng độ xanh metylen theo thời gian (TT03) nhiệt độ phòng, ánh sáng thường Nồng độ xanh metylen (ppm) Thời gian (phút) Xanh metylen +H2O2 Xanh metylen + TT03 Xanh metylen + TT03+ H2O2 3000 3000 3000 15 2946,38 2938,12 2563,38 30 2892,25 2857,75 2246,71 45 2839,63 2764,78 2178,36 60 2786,76 2708,62 2128,98 75 2735,85 2645,36 1915,64 90 2692,58 2598,74 1793,72 105 2645,63 2529,96 1745,29 120 2608,52 2476,48 1726,53 135 2564,75 2419,38 1718,19 150 2532,63 2415,76 1721,23 200 mg xúc tác TT03 + 200 mL dung dịch xanh metylen 300 ppm 3000 Xanh metyl + H2O2 Xanh metyl + TT03 Xanh metyl + TT03+ H2O2 Nồng độ xanh metylen (ppm) 2800 2600 2400 2200 2000 1800 1600 1400 1200 1000 20 40 60 80 100 120 140 160 Thời gian (phút) Hình 3.11: Sự biến đổi nồng độ xanh metylen theo thời gian xúc tác TT03 (Mg0,5Al0,3Fe0,2 (OH)2(CO3)0.15.xH2O) 3000 ppm xanh metylen, nhiệt độ phòng, ánh sáng trắng 61 Nguyễn Thị Tƣơi Luận văn Thạc sỹ Khoa học Khi hỗn hợp phản ứng có hợp chất xanh metylen H2O2 phản ứng oxi hóa xảy chậm nên nồng độ xanh metylen q trình khảo sát giảm khơng nhiều Phản ứng đồng thể xanh metylen H2O2 giảm cách tuyến tính với hệ số góc nhỏ sau 150 phút Khi thêm xúc tác TT03 vào hỗn hợp phản ứng điều kiện vắng mặt tác nhân phản ứng nồng độ xanh metylen giảm tương tự trường hợp có mặt H2O2 Trong trường hợp này, cac phân tử xanh metylen bị hấp phụ oxi hóa đồng thời bị oxi hóa phần Trong hai trường hợp này, hiệu suất chuyển hóa xanh metylen đạt khoảng 15-20% sau 150 phút có xu hướng tiếp tục tăng theo thời gian phản ứng Khi hỗn hợp có đồng thời tác nhân oxi hóa xúc tác TT03, nồng độ xanh metylen giảm mạnh sau 60 phút gần không đổi sau 150 phút khảo sát, chứng tỏ vật liệu TT03 đóng vai trị xúc tác oxi hóa xanh metylen Thực vậy, bề mặt xúc tác hấp phụ đồng thời xanh metylen H2O2 thúc đẩy q trình oxi hóa xanh metylen Hiệu suất xử lý xanh metylen hỗn hợp xanh metylen H2O2 sau 150 phút phản ứng là: H% = 100% = 15,58% Hiệu suất xử lý xanh metylen hỗn hợp xanh metyen TT03 là: H% = 100% = 19,47% Hiệu suất xử lý xanh metylen hỗn hợp xanh metyen, H2O2 TT03 là: H% = 100% = 42,63% Theo tính tốn dễ dàng nhận thấy hiệu suất xử lý xanh metylen dung dịch tăng mạnh có mặt chất xúc tác hidrotalxit Mg-Fe-Al So với mẫu trắng (15,5%), mẫu trắng có mặt H2O2 (19,5%) hiệu suất xử lý xanh metylen có mặt t xúc tác hidrotalxit tăng lân gần gấp 2-3 lần (42,6%) Điều giải thích ion sắt hidrotalxit đóng vai trị tâm hoạt động oxi hóa mầu xanh metylen, tương tự xúc tác Fenton đồng thể 62 Nguyễn Thị Tƣơi Luận văn Thạc sỹ Khoa học 3.2.3 So sánh khả oxi hóa xanh metylen vật liệu theo thời gian Bảng 3.3 So sánh biến đổi xanh metylen vật liệu xúc tác Thời gian (phút) Nồng độ xanh metylen (ppm) Xanh metylen + TT03+ H2O2 Xanh metylen + TT05+ H2O2 3000 3000 15 2563,38 2389,15 30 2246,71 2125,68 45 2178,36 1973,26 60 2128,98 1879,32 75 1915,64 1712,53 90 1793,72 1596,75 105 1745,29 1463,16 120 1726,53 1435,87 135 1718,19 1428,92 150 1721,23 1416,32 Hình 3.12: So sánh biến đổi xanh metylen vật liệu 63 Nguyễn Thị Tƣơi Luận văn Thạc sỹ Khoa học Ở điều kiện phản ứng, biến thiên nồng độ xanh metylen theo thời gian hai mẫu xúc tác có thành phần tỉ lệ Mg/Fe khác biến đổi tương tự Mặc dù mẫu TT03 giầu Fe mẫu TT05 độ hiệu suất xử lý xanh metylen mẫu TT03 thấp so với mẫu TT05 sau 150 phút khảo sát điều kiện phản ứng Sự khác biệt lý giải thành phần Fe thực cấu trúc hidrotalxit Như hình 3.2 3.3B, mẫu TT03 có cường độ tín hiệu nhiễu xạ thấp, kích thước hạt lớn mẫu TT05 Đây nguyên nhân ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất xử lý xanh metylen nước 3.3 Khả oxi hóa xanh metylen xúc tác hidrotalxit nhiệt độ 450C Cho 200 mg xúc tác vào cốc thủy tinh 250 ml, lấy 200 ml xanh metylen 3000 ppm ml H2O2 30% cho vào cốc thủy tinh Tiến hành khuấy từ theo thời gian gia nhiệt 450C ta thu kết sau: Bảng 3.4: So sánh biến đổi xanh metylen vật liệu nhiệt độ 450C Thời gian (phút) Nồng độ xanh metylen ( ppm) Xanh metylen + TT03 + H2O2 Xanh metylen + TT05+ H2O2 3000 3000 15 1825,19 1663,27 30 1692,38 1401,9 45 1563,56 1289,35 60 1487,36 1165,78 75 1302,95 1095,51 90 1242,82 1012,96 105 1175,54 954,08 120 1124,23 892,32 135 1085,76 852,78 150 968,63 829,56 64 Nguyễn Thị Tƣơi Luận văn Thạc sỹ Khoa học Hình 3.13 Chuyển hóa xanh metylen nhiệt độ phịng 45oC Nhận xét: Hiệu suất xử lý xanh metylen hỗn hợp xanh metyen, H2O2 TT03 450C là: H% = 100% = 67,7 % Hiệu suất xử lý xanh metylen hỗn hợp xanh metyen, H2O2 TT05 450C là: H% = 100% = 72,5 % Hiệu suất xử lý xanh metylen hỗn hợp xanh metyen, H2O2 TT04 450C là: H% = 100% = 78,1 % So sánh với bảng 3.3, dễ dàng nhận thấy hiệu suất xử lý xanh metylen tăng nhiệt độ xử lý tăng Điều dễ hiểu trình chuyển hóa xanh metylen q trình thu nhiệt 3.4 Oxi hóa xanh metylen xúc tác hidrotalxit dƣới ánh sáng tử ngoại Cho 200 mg xúc tác vào cốc thủy tinh 250 ml, lấy 200 ml xanh metylen 3000 ppm ml H2O2 30% cho vào cốc thủy tinh Tiến hành khuấy từ theo thời gian, ánh sáng UV ta thu kết sau 65 Nguyễn Thị Tƣơi Luận văn Thạc sỹ Khoa học Bảng 3.5: So sánh biến đổi xanh metylen vật liệu ánh sáng UV Thời gian (phút) Nồng độ xanh metylen (ppm) Xanh metylen + TT03 + H2O2 Xanh metylen + TT05+ H2O2 3000 3000 15 1625,19 1463,27 30 992,38 801,90 45 903,56 698,85 60 872,36 652,78 75 742,95 568,51 90 675,82 552,96 105 618,54 541,08 120 575,23 518,32 135 546,96 496,78 150 538,63 479,56 Hình 3.14: So sánh biến đổi xanh metylen vật liệu theo ánh sáng UV 66 Nguyễn Thị Tƣơi Luận văn Thạc sỹ Khoa học Hiệu suất xử lý xanh metylen hỗn hợp xanh metyen, H2O2 TT03 theo ánh sáng UV là: H% = 100% = 82,0 % Hiệu suất xử lý xanh metylen hỗn hợp xanh metyen, H2O2 TT05 theo ánh sáng UV là: H% = 100% = 84,0 % Theo hiệu suất tính tốn được, xanh metylen bị oxi hóa dễ dàng ánh sáng tử ngoại Hiệu suất xử lý đạt 80% sau 120 phút xử lý Điều giải thích tạo thành gốc hydroxyl (OH) ánh sáng tử ngoại, đặc biệt dung dịch có mặt ion Fe2+ Từ kết khảo sát cho thấy mẫu xúc tác hidrotalxit Mg-Al-Fe-O thể hoạt tính oxi hóa xanh metylen tốt điều kiện thường (nhiệt độ phòng, ánh sáng thường UV) Kết nghiên cứu ban đầu hứa hẹn nhiều ứng dụng hidrotalxit chứa Fe cho trình xử lý chất thải chứa phẩm màu hữu 67 Nguyễn Thị Tƣơi Luận văn Thạc sỹ Khoa học Chƣơng IV KẾT LUẬN Qua thời gian tiến hành thực nghiệm tổng hợp xúc tác Mg-Fe-Al hidrotalxit nghiên cứu ứng dụng vật liệu làm xúc tác oxi hóa dung dịch xanh metylen, nhận kết đáng ý sau: Đã tổng hợp xúc tác hidrotalxit Mg/Al/Fe theo tỉ lệ khác nghiên cứu đặc trưng cấu trúc xúc tác phương pháp vật lý: nhiễu xạ Rơnghen (XRD), phổ hồng ngoại IR, kính hiển vi điện tử quét (SEM), kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) phương pháp đẳng nhiệt hấp phụ- giải hấp phụ (BET) Kết cho thấy phần lớn Fe2+ thay Mg2+ cấu trúc hidrotalxit Các mẫu xúc tác điều chế có độ tinh thể tương đối cao, kích thước hạt xúc tác đồng đều, diện tích bề mặt từ 70-90 m2/g Đã tiến hành nghiên cứu trình xử lý hợp chất hữu khó bị phân hủy mẫu xúc tác hidrotalxit Mg/Al/Fe tổng hợp có tỷ lệ thành phần tương ứng Mg:Al: Fe 5: 3: 2; 6: 3: điều kiện phản ứng khác Kết cho thấy q trình oxi hóa xanh metylen phụ thuộc vào chất tác nhân oxi hóa, nhiệt độ, nồng độ xanh metylen, ánh sáng Đã khảo sát q trình oxi hóa xanh metylen với có mặt xúc tác hidrotalxit nhận thấy mẫu xúc tác đóng vai trị hấp phụ, xúc tác chuyển hóa xanh metylen với hiệu suất xử lý cao Sự có mặt Fe Mg-Al hidrotalxit cải thiện đáng kể khả oxi hóa xanh metylen Hiệu suất xử lý xanh metylen đạt 40-50% sau 160 phút phản ứng 70-80% 450C có ánh sáng UV Hiệu suất chuyển hóa xanh metylen phụ thuộc vào lượng Fe tồn mạng hidrotalxit Hiệu suất xử lý xanh metylen cải thiện đáng kể xử lý ánh sáng tử ngoại Các kết nghiên cứu bước đầu mở đường ứng dụng xúc tác hidrotalxit có thành phần khác cho q trình xử lý hợp chất hữu nước 68 Nguyễn Thị Tƣơi Luận văn Thạc sỹ Khoa học TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt [1] Nguyễn Đình Bảng (2004), “Giáo trình phương pháp xử lý nước, nước thải”, Trường ĐHKHTN, ĐHQG HN [2] Nguyễn Thanh Bình, Nguyễn Văn Ri (2006), “Thực tập phân tích hóa học”, Đại học Khoa học Tự nhiên [3] Nguyễn Thị Dung, Lưu Thanh Tòng (2004), “ Nghiên cứu chế tạo ứng dụng vật liệu khoáng sét anion ZnAlO MgAlO”, Số 2, Tạp chí Hóa học, Viện Khoa học Cơng nghệ Việt Nam, tr 42 [4] Ngô Thị Thuận, Phạm Thị Thắm (2008), “Nghiên cứu yếu tố ảnh hưởng đến hoạt tính xúc tác perovskit (La,Ca)Fe1-xCuxO3 phản ứng oxi hóa ancol benzylic”, Tạp chí Hóa học, 46 (5), tr 619-624 [5] Ngô Thị Thuận, Nguyễn Tăng Sơn (2006), “Xúc tác oxi kim loại chuyển tiếp/MCM-41 phản ứn oxi hóa ancol benzylic”, Tạp chí Hóa học, 44 (4), tr 423-427 [6] Ngô Thị Thuận, Nguyễn Tiến Thảo, Phạm Thị Thắm (2009), “Oxi hóa chọn lọc ancol benzylic xúc tác perovskit chứa crom manh oxi mao quản trung bình”, Tạp chí Hóa học, 47 (2), tr 180-198 [7] Nguyễn Đình Triệu (2001), “Các phương pháp phân tích vật lý hoá lý”, T.1, NXB Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội [8] Phạm Hùng Việt, Trần Tứ Hiếu, Nguyễn Văn Nội (1999), “Hóa học mơi trường sở”, Trường ĐHKHTN, ĐHQG HN Tiếng Anh [9] F Cavani, F Trifirb, A.Vaccari (1991): “Hydrotanxit-type anionic clays: preparation, properties and applications”, Dipartimento di Chimica Industriale e dei Materiali, pp 173-301 [10] Dasari Kishore, Alirio E Rodrigues (2008), “Liquid phase catalytic oxidation of isophorone with tert-butylhydroperoxide over Cu/Co/Fe–MgAl ternary hydrotalcites”, Applied Catalysis A: General 345, pp 104–111 69 Nguyễn Thị Tƣơi Luận văn Thạc sỹ Khoa học [11] K Dutta, S Mukhopadhyay, S Bhattacharjee, B Chaudhuri (2001), “Chemical oxidation of methylene blue using a Fenton-like reaction”, J Hazard Mater, 84(1), pp 57-81 [12] G.R Williams and D O’Hare (2006), “Towards understanding, control and application of layered double hydroxide chemistry”, J Mater Chem 16, pp 3065– 3074 [13] M Hajjaji, A Alami, A El Bouadili (2006), “Removal of methylene blue from aqueous solution by fibrous clay minerals”, Journal of Hazardous Materials B135, pp.188–192 [14] James B Condon (2006), “Surface Area and Porosity Determinations by Physisorption Measurements and Theory”, The Netherlands, Elsevier B.V pp 12 [15] Ibrahim A Salem, Mohamed S El-Maazawi (2000), “Kinetics and mechanism of color removal of methylene blue with hydrogen peroxide catalyzed by some supported alumina surfaces”, Chemosphere 41, pp.1173-1180 [16] N H M Kamel et al (2011), Report “Removal of Lead, Cobalt and Manganese from Aqueous Solutions using a new Modified Synthetic Ion Exchanger”, Archives of Applied Science Research, (2), pp 448-464 [17] D Meloni, R Monaci, V Solinas, A Auroux, E Dumitriu (2008), Characterization of the active sites in mixed oxides derived from LDH precursors by physicochemical and catalytic techniques, Appl Catal A 350, pp 86-95 [18] Lili Zhang, Yulun Nie, Chun Hu, Xuexiang Hu (2011), Decolorization of methylene blue in layered manganese oxide suspension with H2O2, Journal of Hazardous Materials 190, pp 780–785 [19] Mohamed Bouraada, Mama Lafjah, Mohand Said Ouali, Louis Charles de Menorval (2008), Basic dye removal from aqueous solutions by dodecylsulfate- and dodecyl benzene sulfonate-intercalated hydrotalcite, Journal of Hazardous Materials, 153 (3), pp 911-918 [20] Michael R Morrill, Nguyen Tien Thao, Heng Shou, David J Barton, Daniela Ferrari, Robert J Davis, Pradeep K Agrawal, and Christopher W Jones (2012), “Mixed MgAl oxide supported potassium promoted molybdenum sulfide as a selective catalyst for higher alcohol synthesis from syngas”, Catalysis Letters 142 (7), pp 875-881 70 Nguyễn Thị Tƣơi Luận văn Thạc sỹ Khoa học [21] C Noubactep (2009), Characterizing the discoloration of methylene blue in Fe0/H2O systems, Journal of Hazardous Materials 166, pp 79–87 [22] J Orthman, H.Y Zhu, G.Q Lu (2003), Use of anion clay hydrotalcite to remove colored organics from aqueous solutions, Separation and Purification Technology, 31(1), pp 53-59 [23] Rafael Saloma et al (2011), “Hiđrotalxit synthesis via co-precipitation reactions using MgO and Al(OH)3 precursors”, Ceramics 37, pp 3063 – 3070 [24] R.L Sawhney (2008), Report: “Solar photocatalytic removal of Cu(II), Ni(II), Zn(II) anh Pb(II): speciation modeling of metal – citric acid complexes “, Journal of hazardous materials 115, pp 424-432 [25] 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 [26] Nguyen Tien Thao, Preparation of MoO3/Mg(Al)Ox catalysts for the oxidation of organic compounds in the water, Jounral of Analytical Sciences, Vol.17 (2012) 77-82 [27] Nguyen Tien Thao, Nguyen Thi Tuoi, Do Thi Trang (2012), “Characterization and reactivity of Mg-Fe-Al hydrotalcite catalysts for the treatment of methylene blue in water”, VN Journal of Chemistry (2012), in Press [28] J.S Valente, F Figueras, M Gravelle, P Kumbhar, J Lopez and J.-P Besse (2000), Basic properties of the mixed oxides obtained by thermal decomposition of hydrotalcites containing different metallic compositions, J Catal 189, pp 370-381 [29] Vasilios A Sakkas, Md Azharul Islam, Constantine Stalikas, Triantafyllos A Albanis (2010), “Photocatalytic degradation using design of experiments: A review and example of the Congo red degradation, Journal of Hazardous Materials 175, pp 33–44 [30] Yujiang Li, Baoyu Gao, Tao Wu, Weisuo Chen, Xia Li, Biao Wang (2008), Adsorption kinetics for removal of thiocyanate from aqueous solution by calcined hydrotalcite, Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects, 325(1–2), pp 38-43 71 Nguyễn Thị Tƣơi Luận văn Thạc sỹ Khoa học 72 ... Tƣơi Luận văn Thạc sỹ Khoa học TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN NGUYỄN THỊ TƢƠI NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG HIĐROTALXIT (Mg, Al, Fe) LÀM XÚC TÁC XỬ LÝ NƢỚC THẢI CHỨA CÁC HỢP CHẤT HỮU CƠ KHĨ PHÂN HỦY Chun... thực tế Do vậy, lựa chọn đề tài ? ?Nghiên cứu ứng dụng hidrotalxit (Mg, Al, Fe) làm xúc tác xử lý nƣớc thải chứa hợp chất hữu khó phân hủy? ?? 10 Nguyễn Thị Tƣơi Luận văn Thạc sỹ Khoa học Chƣơng 1: TỔNG... 1.2 Ô nhiễm nƣớc thải chứa hợp chất hữu khó phân hủy 1.2.1 Khái niệm ô nhiễm hợp chất hữu khó phân hủy Chất nhiễm hữu khó phân hủy (Persistant Organic Pollutions - POPs) hợp chất hóa học có nguồn