Nghiên cứu tổng hợp hệ xúc tác nano bạc phân tán trên vật liệu mao quản trung bình SBA sử dụng cho quá trình khử para Nitrophenol trong nước thải

Nghiên cứu tổng hợp hệ xúc tác nano bạc phân tán trên vật liệu mao quản trung bình SBA sử dụng cho quá trình khử para Nitrophenol trong nước thải Nghiên cứu tổng hợp hệ xúc tác nano bạc phân tán trên vật liệu mao quản trung bình SBA sử dụng cho quá trình khử para Nitrophenol trong nước thải luận văn tốt nghiệp thạc sĩ

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN Nguyễn Thị Duyến NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP HỆ XÚC TÁC NANO BẠC PHÂN TÁN TRÊN VẬT LIỆU MAO QUẢN TRUNG BÌNH (SBA) SỬ DỤNG CHO QUÁ TRÌNH KHỬ para-NITROPHENOL TRONG NƢỚC THẢI LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội – 2014 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN Nguyễn Thị Duyến NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP HỆ XÚC TÁC NANO BẠC PHÂN TÁN TRÊN VẬT LIỆU MAO QUẢN TRUNG BÌNH (SBA) SỬ DỤNG CHO QUÁ TRÌNH KHỬ para-NITROPHENOL TRONG NƢỚC THẢI Chun ngành: Hóa Mơi Trƣờng Mã số: 60440120 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC PGS.TS Phạm Xuân Núi Hà Nội – 2014 LỜI CẢM ƠN Em xin đƣợc phép đƣợc gửi lời cảm ơn chân thành sâu sắc tới PGS.TS Phạm Xuân Núi ngƣời tận tình quan tâm hƣớng dẫn em suốt q trình làm luận văn đến hồn thành luận văn Em xin cảm ơn thầy, giáo Phịng thí nghiệm Bộ mơn LọcHóa dầu, trƣờng Đại học Mỏ - Địa chất tạo điều kiện cho em tiến hành thí nghiệm để hoàn thành luận văn Em xin cảm ơn thầy, giáo Bộ mơn Hóa mơi trƣờng, trƣờng Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội tận tình bảo truyền thụ kiến thức cho em suốt trình học Cuối em gửi lời cảm ơn tới gia đình, ngƣời thân bạn lớp Cao học Hóa mơi trƣờng khóa 23 ln động viên, giúp đỡ em hồn thành luận văn Em xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, ngày tháng 12 năm 2014 Học viên Nguyễn Thị Duyến MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN .1 MỞ ĐẦU .1 CHƢƠNG 1- TỔNG QUAN 1.1 Vật liệu mao quản trung bình (MQTB) 1.1.1 Giới thiệu vật liệu mao quản trung bình (MQTB) .3 1.1.2 Phân loại vật liệu MQTB 1.1.3 Một số vật liệu mao quản trung bình .4 1.2 Vật liệu họ SBA (Santa Barbara) 1.2.1 Khái quát 1.2.2 Sự hình thành SBA-n 1.2.3 Các yếu tố ảnh hƣởng đến đặc trƣng vật liệu 11 1.3 Tổng quan nano bạc 14 1.3.1 Giới thiệu kim loại bạc nano bạc 14 1.3.2 Các trình tạo nano bạc từ phức bạc 15 1.3.3 Các yếu tố ảnh hƣởng tới chất lƣợng hạt nano bạc 19 1.3.4 Ứng dụng hạt nano bạc lĩnh vực xúc tác 20 1.4 Tổng quan hợp chất p-nitrophenol .21 1.4.1 Nguồn gây nhiễm độc tính .21 1.4.2 Các phƣơng pháp xử lý 21 1.4.3 Cơ chế trình oxi hóa hồn tồn p-nitrophenol 24 1.4.4 Một số nghiên cứu Việt Nam Thế giới .26 CHƢƠNG - THỰC NGHIỆM VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 30 2.1 Thực nghiệm 30 2.1.1 Hóa chất 30 2.1.2 Dụng cụ thiết bị 30 2.2 Tổng hợp vật liệu 30 2.2.1 Tổng hợp vật liệu SBA-15 .30 2.2.2 Tổng hợp vật liệu SBA-16 .32 2.2.3 Tổng hợp vật liệu xúc tác Ag(10)/SBA-15 34 2.3 Đánh giá hoạt tính xúc tác Ag/SBA việc xử lý p-nitrophenol 35 2.4 Các phƣơng pháp thực nghiệm .36 2.4.1 Phƣơng pháp nhiễu xạ tia X .36 2.4.2 Phƣơng pháp hiển vi điện tử truyền qua (TEM) 37 2.4.3 Phƣơng pháp đo đẳng nhiệt hấp phụ - khử hấp phụ nitơ (BET) 37 CHƢƠNG - KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 38 3.1 Kết đo nhiễu xạ tia X (XRD) 38 3.2 Kết đo kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) 41 3.2.1 Kết đo TEM mẫu SBA-15 Ag/SBA-15 41 3.2.2 Kết đo TEM SBA-16, Ag/SBA-16 .43 3.3 Phƣơng pháp đẳng nhiệt hấp phụ N2 theo BET 43 3.3.1 Đƣờng đẳng nhiệt hấp phụ N2 mẫu SBA-15, Ag/SBA-15 .43 3.3.2 Đƣờng đẳng nhiệt hấp phụ N2 mẫu SBA-16, Ag/SBA-16 .46 3.4 Khảo sát hoạt tính xúc tác nano Ag/SBA phản ứng khử p-NP .47 3.4.1 Khảo sát hoạt tính xúc tác nano Ag/SBA-15 p-NP 47 3.4.2 Khảo sát hoạt tính xúc tác Ag(10)/ SBA-16 p-NP 50 3.4.3 So sánh khả khử p-NP Ag/SBA-16 Ag/SBA-15 53 3.4.4 Cơ chế trình khử hợp chất p-nitrophenol 54 KẾT LUẬN .57 TÀI LIỆU THAM KHẢO 58 PHỤ LỤC 63 DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Phần trăm chuyển hóa 4-NP mơi trƣờng 29 Bảng 3.1 Các thông số vật lý đặc trƣng cho mẫu SBA-15 Ag/SBA-15 .45 Bảng 3.2 Các thông số vật lý đặc trƣng cho mẫu SBA-16 Ag/SBA-16 47 Bảng 3.3 Các thông số đặc trƣng p-nitrophenol p-aminophenol thu đƣợc từ kết khảo sát trình phản ứng với mẫu Ag/SBA-15 .50 Bảng 3.4 Các thông số đặc trƣng p-nitrophenol p-aminophenol thu đƣợc từ kết khảo sát trình phản ứng với mẫu Ag/SBA-16 .53 DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Phân loại kích thƣớc mao quản IUPAC Hình 1.2 Các dạng cấu trúc vật liệu MQTB Hình 1.3 Cấu trúc mao quản lục lăng MCM-41 Hình 1.4 Cấu trúc lập phƣơng tâm mặt KIT-5 Hình 1.5 Khơng gian Ia3d MCM-48 Hình 1.6 Kết nối hốc cửa sổ mao quản Hình 1.7 Mơ hình mao quản xếp theo lục lăng Hình 1.8 Sự kết nối mao quản sơ cấp qua mao quản thứ cấp SBA-15 Hình 1.9 Quá trình hình thành SBA Hình 1.10 Mixen P123 nƣớc 12 Hình 1.11 Sự đề hydrat hóa chuỗi PEO tăng thể tích phần lõi tăng nhiệt độ 12 Hình 1.12 Sự tăng độ dày thành mao quản tăng hàm lƣợng 13 Hình 1.13 Sự co chuỗi PEO tăng hàm lƣợng D-glucozơ 13 Hình 1.14 Cấu trúc lập phƣơng tâm mặt 14 Hình 1.15 Quy trình chế tạo bạc oxalat 16 Hình 1.16 Sơ đồ quy trình điều chế hạt nano bạc sử dụng kỹ thuật khử hoá học với xạ UV kích thích 17 Hình 1.17 Sơ đồ lƣợc hóa chế phân hủy nhờ xúc tác quang 22 Hình 1.18 Sơ đồ lọc màng rắn 23 Hình 1.19 Cơ chế hình thành gốc OH xúc tác Pt/TiO2 25 Hình 1.20 Q trình oxi hóa p-NP với gốc HO 26 Hình 1.21 Các dạng vật liệu chất mang 29 Hình 2.1 Sơ đồ tổng hợp SBA-15 31 Hình 2.2 Sơ đồ tổng hợp SBA-16 33 Hình 2.3 Sơ đồ tổng hợp vật liệu Ag/SBA 35 Hình 2.4 Tiến hành phản ứng khử p-NP với xúc tác Ag/SBA-16 36 Hình 3.1 Kết đo XRD mẫu SBA-15(a) SBA-16(b) 38 Hình 3.2 Kết đo XRD mẫu Ag/SBA-15 (a) Ag/SBA-16 (b) 39 Hình 3.3 Kết đo XRD Ag/SBA-15 góc rộng (20-700 ); 40 Hình 3.4 Kết đo XRD Ag/SBA-16 góc rộng ( 20 – 700) 40 Hình 3.5 Ảnh TEM SBA-15 (a)[4] Ag/SBA-15 (b) 42 Hình 3.6 Hình ảnh TEM SBA-16 (a) [4] Ag/SBA-16 (b) 43 Hình 3.7 Đƣờng cong hấp phụ - giải hấp đẳng nhiệt N2 SBA-15 (a), Ag/SBA15 (b) 44 Hình 3.8 Sự phân bố kích thƣớc lỗ theo BJH SBA-15 (a), Ag/SBA-15 (b) 45 Hình 3.9 Đƣờng đẳng nhiệt hấp phụ - giải hấp N2 phân bố kích thƣớc mao quản SBA-16 (a), Ag/SBA-16 (b) 46 Hình 3.10 Sự phân bố kích thƣớc lỗ theo BJH SBA-16 (a), Ag/SBA-16 (b) 47 Hình 3.12 Phổ UV-VIS hỗn hợp phản ứng sau phút mẫu Ag/SBA-15 48 Hình 3.13 Phổ UV-VIS hỗn hợp sau 12 phút phản ứng mẫu Ag/SBA15 .49 Hình 3.14 Phổ UV-VIS dung dịch p-nitrophenol 49 Hình 3.15 Phổ UV-VIS hỗn hợp phản ứng mẫu Ag/SBA-15: (a) trƣớc phản ứng; (b) sau phút; (c) sau 12 phút phản ứng 50 Hình 3.16 Phổ UV-VIS dung dịch p-nitrophenol ban đầu (a); hỗn hợp sau phản ứng (b) mẫu Ag/SBA-16, nhiệt độ thƣờng 51 Hình 3.17 Phổ UV-VIS hỗn hợp phản ứng sau phút (a), 12 phút (b) mẫu Ag/SBA-16 52 Hình 3.18 Phổ UV-VIS hỗn hợp phản ứng sau phản ứng mẫu Ag/SBA-16 52 Hình 3.19 Cơ chế Langmuir-Hinselwood chuyển hóa p-NP thành p-AP nano Ag 55 Hình 3.20 Sự thay đổi màu sắc trƣớc sau phản ứng 56 Lê Thanh Sơn, Đinh Quang Hiếu (2008), “Nghiên cứu động học phản ứng oxi hóa phenol đỏ xúc tác Fe-SBA-15”, Tạp chí Hố học, 46(2), 211-216 10 Trần Thị Vân Thi, Trần Hải Bằng, Lê Quốc Toàn (2009), “ Xử lý dung dịch phenol đỏ nƣớc phản ứng oxi hóa Fe-SBA-15”, Tạp chí khoa học Đại học Huế, (50), 120-125 11 Nguyễn Đình Triệu (2000), Các phương pháp phân tích Vật lý Hóa lý tập 1, NXB Khoa học Kỹ thuật Tài liệu tiếng Anh 12 P.Anitha, N.Kavitha, K.Palanivelu (2011), “Removal and recovery of pnitrophenol from aqueous solution using natural solid triglycerides”, Desalination, 272, pp 196-200 13 G.F.Andrade, Daniel Crístian Ferreira Soares, Raquel Gouvêa dos Santos, Edésia Martins Barros Sousa (2013), “Mesoporous silica SBA-16 nanoparticles: Synthesis, physicochemical characterization, release profile, andin vitro cytocompatibility studies”, Microporous and Mesoporous Materials, 16, pp 102–110 14 J Biswal, J Paul, D.B Naik, S.K Sarkar, S Sabharwal (2013), “Radiolytic degradation of 4-nitrophenol in aqueous solutions: Pulse and steady state radiolysis study”, Radiation Physics and Chemistry , 85, pp 161-166 15 S.Hi.Cho, S.E.Park (2007), “The effect of hydrophilic agent on pores and walls of SBA-16 type mesoporous silica’’, Studies in surface Science and catalysis, Volume 170, part 1, pp 641-647 16 U.Ciesla, S.Fchuth (2005), “Oder mesoporous materials in catalysis”, Microporous and mesoporous materials, 77(1), pp -8 17 C.F.Cheng, Y.C.Lin, H.H.Cheng, Y.C.Chen (2003), Chemical Physics Letters, Volume 382, Issue 5-6, pp 496 59 18 M.S Dieckmann, K.A Gray (1996), “A comparison of the degradation of 4nitro phenol via direct and sensitized photocatalysis in TiO2 slurries”, Water Res, 30, pp 1169-1183 19 A.C Dickinson (2006), “Metal oxide Porous Single Crystals and Other Nanomaterials: An HRTEM study’’, A thesis presented for the degree of Doctor of Philosophy by Calum Dickison I the Faculty of Science of the university of St Andrews, pp 15-16 20 L.G.Devi, R.Kavitha, (2013), “A review on non metal ion doped titania for thethe photocatalytic degradation of organic pollutants under UV/solar light: Role of photogenerated charge carrier dynamics in enhancing the activity’’, Applied Catalysis B: Environmental, pp 140– 141, 559– 587 21 P.Dibrov, J.Dzioba, K.K.Gosink, C.C.Hase (2002), “Chemiosmotic Mechanism of Antimicrobial Activity of Ag+ in Vibrio cholera”, Antimicrobial Agents and Chemotherapy, 46(8), pp 2668 – 2670 22 A.Firouzi, F.Atef, A.G.Oertli, G.D.Stucky, and B.F.Chmelka (1997), “Alkaline Lyotropic Silicate – Surfactant Liquid Crystals”, J.Am.Chem Soc, 119(15), pp 3596 – 3610 23 K.Flodstrom, V.Alfredsson (2003), “Influence of the block length of triblock copolymer on the formation of mesoporous silica’’, Microporous and mesoporous Materials, 59(2), pp 167-176 24 Z.Jin, X.D.Wang, X.G.Cui (2007),“Acidity-dependent mesostructure tranf-mation of highly ordered mesoporous silica material during a two step synthesis”, Journal of Non-Crystalline Solids, 353(26), pp 2507-2514 25 C.T.Kresge, J.C.Vartuli, W.J.Roth, M.E.Leonowicz (2004), “The discovery of ExxonMobil's M41S family of mesoporous molecular sieves”, Studies in Surface Science and Catalysis, Volume 148, pp 53-72 60 26 K.Kuroda, T Ishida, M.Haruta (2009), “Reduction of 4-nitrophenol to 4aminophenol over Au nanoparticles deposited on PMMA”, Journal of Molecular Catalysis A-chemical, 298(1), pp 7-11 27 K.I.Konstantinou, A.T Albanis (2003), “Photocatalytic transformation of pesticides in aqueous titanium dioxyde suspensions using artificial and solar light: Intermediates and degradation pathways”, Appl Catal B: Environ, 42, pp 319-335 28 D.H.Lin, Y.X Jiang, Y Wang, S.-G Sun, J Nanomater (2008),“Highly porous carbons with superior performance for CO2 capture through hydrogen-bonding interactions”, (10), pp 473 - 791 29 Anh-Tuan Le, P.T.Huy, Phuong Dinh Tam, Tran Quang Huy, Phung Dac Cam, A.A Kudrinskiy, A Krutyakov (2010),“Green synthesis of finelydispersed highly bactericidal silver nanoparticles via modified Tollens technique”, Current Applied Physics, 10, pp 910-916 30 D.T.On, D.D.Giscard, C.Danumah, S.Kaliaguine (2003),“Perspectives in catalytic applications of mesostructured materials’’.Applieed catalysis A: General, 253(2), pp 545-602 31 A Galarneau, H Cambon, F Di Renzo, F Fajula (2001), “A function of synthesis temperature’’, Lagmuir, 17(26), pp 8328-8335 32 M.Mesa, L.Sierra, J.L.Guth (2008), “Contribution to the study of the formation mechanism of mesoporous SBA-15 and SBA-16 type silica particles in aqueous acid solutions”, Microporous and Mesoporous Materials, 112(1-3), pp.338-350 33 J.K.Moon, Z.Zhang, S.Pothukuchi, C.P.Wong (2006), “Variable Frequency Mcrowave Synthesis of Silver Nanopraticles”, Journal of Nanopraticle Research, 8, pp 117-124 34 S.Navaladian, B.Viswanathan, T.K.Varadarajan, R.P.Viswanath (2007), “Thermal decomposition as route for silver nanoparticles”, Nanoscale Research Letters, 2(1), pp 44-48 61 35 B.Naik, S.Hazra, V.S.Prasad, N.Ghosh (2011), “Synthesis of Ag nanoparticles within the pores of SBA-15: An efficient catalyst for reduction of 4-nitrophenol”, Catalysis Communications, 12, pp 1104 – 1108 36 R.M.Prairie, R.L.Evans, M.B.Stange, S.L.Martineze (1993), “An investigation of titanium dioxyde photocatalysis for the treatment of water contaminated with metals and organic chemicals”, Environ Sci Technol, 27, pp 1776-1782 37 W.J.Stevens and et al (2006), “ Formation mechanism of SBA-16 spheres and control of their dimensions”, Materials, 93(1-3), pp 119-124 38 C.G.Sonwane, P.J.Ludovice (2005), “A note on micro and mesoporous in the walls of SBA-15 and hysteresis of adsorption isotherms”, Journal of Molecular Catalysis A: Chemical, 238(1-2), pp 135-137 39 A.Tahuchi, S.Fchuth (2005), “Oder mesoporous materials in catalysis”, Micro- porous and mesoporous materials, 77(1), pp -8 62 PHỤ LỤC Kết XRD Faculty of Chemistry, HUS, VNU, D8 ADVANCE-Bruker - Mau 4000 d=102.928 2000 d=59.285 1000 d=51.441 Lin (Cps) 3000 0.5 2-Theta - Scale File: Thu DH Mo mau 1.raw - Type: Locked Coupled - Start: 0.500 ° - End: 10.004 ° - Step: 0.008 ° - Step time: s - Temp.: 25 °C (Room) - Time Started: 17 s - 2-Theta: 0.500 ° - Theta: 0.250 ° - Chi: 0.00 ° 63 10 Faculty of Chemistry, HUS, VNU, D8 ADVANCE-Bruker - Sample SBA-15 d=101.890 8000 7000 6000 Lin (Cps) 5000 4000 d=59.805 2000 d=51.441 3000 1000 0.5 10 2-Theta - Scale File: Thu DH Mo mau SBA-15.raw - Type: 2Th/Th locked - Start: 0.500 ° - End: 10.004 ° - Step: 0.008 ° - Step time: s - Temp.: 25 °C (Room) - Time Started: s - 2-Theta: 0.500 ° - Theta: 0.250 ° - Chi: 0.0 Faculty of Chemistry, HUS, VNU, D8 ADVANCE-Bruker - Sample SBA-16 d=127.019 6000 5000 3000 1000 d=51.052 2000 d=65.715 Lin (Cps) 4000 0.5 2-Theta - Scale File: Duyen SP mau SBA-16.raw - Type: 2Th/Th locked - Start: 0.500 ° - End: 10.004 ° - Step: 0.008 ° - Step time: s - Temp.: 25 °C (Room) - Time Started: 11 s - 2-Theta: 0.500 ° - Theta: 0.250 ° - Chi: 0.0 64 10 Faculty of Chemistry, HUS, VNU, D8 ADVANCE-Bruker - Sample Ag-SBA-16 d=131.719 5000 4000 Lin (Cps) 3000 2000 d=77.213 d=66.741 1000 0.5 2-Theta - Scale File: Duyen SP mau Ag-SBA-16.raw - Type: 2Th/Th locked - Start: 0.500 ° - End: 10.004 ° - Step: 0.008 ° - Step time: s - Temp.: 25 °C (Room) - Time Started: s - 2-Theta: 0.500 ° - Theta: 0.250 ° - Chi: Kết đo BET 65 10 66 67 68 69 Kết TEM 70 Kết đo UV-VIS 71 72 388.5 2.0 376.2 228.3 Abs 1.0 200.0 300.0 400.0 500.0 73 600.0 700.0 ... TỰ NHIÊN Nguyễn Thị Duyến NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP HỆ XÚC TÁC NANO BẠC PHÂN TÁN TRÊN VẬT LIỆU MAO QUẢN TRUNG BÌNH (SBA) SỬ DỤNG CHO QUÁ TRÌNH KHỬ para- NITROPHENOL TRONG NƢỚC THẢI Chun ngành: Hóa Mơi... xúc tác 20 1.3.4.2 Tổng hợp nano bạc vật liệu mao quản trung bình SBA Quá trình sử dụng vật liệu mao quản trung bình SBA- 15 có cấu trúc lục lăng SBA- 16 có cấu trúc lập phƣơng Sử dụng phức bạc. .. bình (SBA) sử dụng cho trình khử para- nitro phenol nƣớc thải? ?? CHƢƠNG 1- TỔNG QUAN 1.1 Vật liệu mao quản trung bình (MQTB) 1.1.1 Giới thiệu vật liệu mao quản trung bình (MQTB) Vật liệu rắn xốp