Nghiên cứu tổng hợp vật liệu quang xúc tác TIO2 biến tính với sắt trên tro trấu và ứng dụng trong xử lý chất hữu cơ ô nhiễm

Nghiên cứu tổng hợp vật liệu quang xúc tác TIO2 biến tính với sắt trên tro trấu và ứng dụng trong xử lý chất hữu cơ ô nhiễm Nghiên cứu tổng hợp vật liệu quang xúc tác TIO2 biến tính với sắt trên tro trấu và ứng dụng trong xử lý chất hữu cơ ô nhiễm luận văn tốt nghiệp thạc sĩ

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN - Vũ Thị Nghĩa Duyên NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP VẬT LIỆU QUANG XÚC TÁC TIO2 BIẾN TÍNH VỚI SẮT TRÊN TRO TRẤU VÀ ỨNG DỤNG TRONG XỬ LÝ CHẤT HỮU CƠ Ô NHIỄM LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội – Năm 2014 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN - Vũ Thị Nghĩa Duyên NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP VẬT LIỆU QUANG XÚC TÁC TIO2 BIẾN TÍNH VỚI SẮT TRÊN TRO TRẤU VÀ ỨNG DỤNG TRONG XỬ LÝ CHẤT HỮU CƠ Ơ NHIỄM Chun ngành: Hóa mơi trường Mã số: 60440120 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC TS Nguyễn Minh Phương Hà Nội – Năm 2014 LỜI CẢM ƠN Với lòng biết ơn sâu sắc, em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới TS Nguyễn Minh Phƣơng người giao đề tài tận tình bảo, hướng dẫn em suốt trình hồn thành luận văn Em xin cảm ơn thầy, giáo phịng thí nghiệm Hóa Mơi Trường, thầy, giáo khoa Hóa Học – Trường Đại Học Khoa Học Tự Nhiên – ĐHQGHN anh, chị bạn phịng thí nghiệm Hố Mơi trường tạo điều kiện giúp đỡ em trình thực luận văn Hà Nội, 2014 Học viên Vũ Thị Nghĩa Duyên MỤC LỤC MỞ ĐẦU .1 Chương 1: TỔNG QUAN 1.1 Thực trạng ô nhiễm chất hữu môi trường 1.1.1 Các nguồn phát thải chất hữu gây ô nhiễm 1.1.2 Khái quát ph m màu Rho amin B (RhB) 1.2 Một số phương pháp xử lý chất hữu gây ô nhiễm môi trường 1.3 Vật liệu quang xúc tác TiO2 vật liệu quang xúc tác TiO2 biến tính 11 1.3.1 Vật liệu quang xúc tác TiO2 .11 1.3.2 Vật liệu quang xúc tác TiO2 biến tính 14 1.3.3 Giới thiệu chất mang vật liệu tổ hợp quang xúc tác .18 1.3.3.1 Giới thiệu chất mang .18 1.3.3.2 Giới thiệu chung tro trấu .19 1.3.4 Một số phương pháp điều chế vật liệu quang xúc tác TiO2 vật liệu quang xúc tác TiO2 biến tính 22 Chương 2: THỰC NGHIỆM 25 2.1 Dụng cụ hóa chất .25 2.1.1 Dụng cụ 25 2.1.2 Hóa chất 25 2.2 Tổng hợp vật liệu 26 2.2.1 Tổng hợp vật liệu quang xúc tác F -TiO2 ng phương pháp sol-g l kết hợp với th y nhiệt .26 2.2.2 Tổng hợp vật liệu tổ hợp quang xúc tác Fe-TiO2/tro trấu (Fe-TiO2/RHA) b ng phương pháp sol-gel kết hợp với th y nhiệt 26 2.3 Một số yếu tố ảnh hưởng tới trình tổng hợp vật liệu tổ hợp quang xúc tác Fe- TiO2/RHA 26 2.3.1 Quá trình tiền xử lý vỏ trấu 26 2.3.2 Nghiên cứu ảnh hưởng c a lượng tro trấu đưa vào 27 2.3.3 Nghiên cứu ảnh hưởng c a thời gian khuấy sol Fe-TiO2 với tro trấu 27 2.4 Khảo sát hoạt tính vật liệu q trình xử lý RhB 27 2.4.1 Khảo sát lượng vật liệu tổ hợp quang xúc tác Fe-TiO2/RHA 28 2.4.2 Khảo sát ảnh hưởng c a pH 28 2.4.3 So sánh khả xử lý RhB c a vật liệu điều kiện ánh sáng tự nhiên đèn compact 28 2.4.4 Khảo sát khả tái sử dụng vật liệu 28 2.5 Các phương pháp nghiên cứu đ c trưng cấu trúc vật liệu 29 2.5.1 Phương pháp nhiễu xạ tia X XRD 29 2.5.2 Phương pháp phổ hồng ngoại IR 30 2.5.3 Phương pháp hi n vi điện tử qu t SEM .30 2.5.4 Phương pháp phổ tán xạ lượng tia X (EDX) 31 2.5.5 Phương pháp phổ hấp thụ UV-Vis 32 2.6 Phương pháp xác định RhB 33 Chương 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 34 3.1 Nghiên cứu tối ưu hóa trình tổng hợp vật liệu tổ hợp quang xúc tác Fe- TiO2/RHA 34 3.1.1 Nghiên cứu lựa chọn phương pháp tiền xử lý vỏ trấu 34 3.1.2 Nghiên cứu ảnh hưởng c a thời gian nung, nhiệt độ nung tro trấu 37 3.1.3 Nghiên cứu ảnh hưởng c a lượng tro trấu đưa vào 40 3.1.4 Nghiên cứu ảnh hưởng c a thời gian khuấy sol với tro trấu trình tổng hợp .42 3.1.5 Một số đ c trưng c a vật liệu tổng hợp điều kiện tối ưu 43 3.2 Khảo sát yếu tố ảnh hưởng đến trình phân h y RhB c a vật liệu 48 3.2.1 Khảo sát lượng vật liệu đưa vào .48 3.2.2 Khảo sát ảnh hưởng c a pH .49 3.2.3 So sánh cường độ chiếu sáng 50 3.2.4 Khảo sát khả tái sử dụng vật liệu .51 KẾT LUẬN .53 TÀI LIỆU THAM KHẢO 54 DANH MỤC HÌNH Hình 1.1 Cơng thức hóa học c a Rho amine B Hình 1.2 Cơ chế tạo gốc hoạt động vật liệu án ẫn Hình 1.3 Cơ chế trình xúc tác quang vật liệu án ẫn 10 Hình 1.4 Cấu trúc tinh th TiO2 12 Hình 1.5 Cấu trúc tinh th anatas c a vật liệu TiO2 vật liệu TiO2 pha tạp sắt 15 Hình 1.6 Năng lượng vùng cấm giảm nhờ iến tính với Nitơ 16 H nh Nguyên l c a ph p phân tích EDX 32 H nh Đồ thị ảnh hưởng c a phương pháp tiền xử l vỏ trấu đến hiệu suất xử l 35 RhB c a vật liệu F -TiO2/RHA Hình 3.2 Phổ IR c a mẫu quang xúc tác RHA-0; RHA-1; RHA-2; RHA-3 36 Hình 3.3 Đồ thị ảnh hưởng c a nhiệt độ nung tro trấu đến hiệu suất xử l RhB c a 38 vật liệu F -TiO2/RHA Hình 3.4 Giản đồ XRD c a vật liệu F -TiO2/RHA nung nhiệt độ khác 38 Hình 3.5 Đồ thị ảnh hưởng c a thời gian nung tro trấu đến hiệu suất xử l RhB 39 c a vật liệu F -TiO2/RHA Hình 3.6 Giản đồ XRD c a vật liệu F -TiO2/RHA nung thời gian khác 40 Hình 3.7 Đồ thị ảnh hưởng c a lượng tro trấu đưa vào đến hiệu suất xử l RhB 41 c a vật liệu F -TiO2/RHA Hình 3.8 Phổ UV-Vis c a vật liệu TiO2, Fe-TiO2, Fe-TiO2/RHA với hàm lượng 42 tro trấu 2%; 4%; 6%; 8%; 10% Hình 3.9 Phổ EDX c a vật liệu F -TiO2/RHA 44 Hình 3.10 Giản đồ XRD c a vật liệu F -TiO2/RHA 45 Hình 3.11 Ảnh SEM c a vật liệu F -TiO2/RHA 46 Hình 3.12 Phổ IR c a vật liệu RHA-3-6000C/6h 47 Hình 3.13 Phổ IR c a vật liệu Fe- TiO2/RHA-3-6000C/6h 47 Hình 3.14 Đồ thị ảnh hưởng c a pH ung ịch đến hiệu suất xử l RhB c a vật 50 liệu F -TiO2/RHA sau 90 phút chiếu sáng Hình 3.15 Đồ thị hiệu suất xử l RhB qua lần tái sử ụng 52 DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1 Các thơng số vật lí c a TiO2 ạng anatas rutil Bảng 12 Ảnh hưởng c a phương pháp tiền xử l vỏ trấu đến hiệu suất xử l RhB 34 c a vật liệu F -TiO2/RHA Bảng Bảng Hiệu suất phân h y RhB c a mẫu RHA-2; RHA-3 óng tối 37 Ảnh hưởng c a nhiệt độ nung tro trấu đến hiệu suất xử l RhB c a vật 37 liệu F -TiO2/RHA Bảng Kích thước hạt tính th o phương trình D y -Scherrer Bảng 38 Ảnh hưởng c a thời gian nung tro trấu đến hiệu suất xử l RhB c a vật 39 liệu F -TiO2/RHA Bảng Kích thước hạt tính th o phương trình Debye-Scherrer Bảng 40 Ảnh hưởng c a lượng tro trấu đưa vào đến hiệu suất xử l RhB c a vật 41 liệu F -TiO2/RHA Bảng Ảnh hưởng c a thời gian khuấy sol với tro trấu đến hiệu suất xử l RhB 43 c a vật liệu Fe-TiO2/RHA Bảng Thành phần nguyên tố có vật liệu Fe-TiO2/RHA 44 Bảng 48 Ảnh hưởng c a lượng vật liệu đến hiệu suất xử l RhB c a vật liệu Fe-TiO2/RHA Bảng Ảnh hưởng c a pH ung ịch đến hiệu suất xử l RhB c a vật liệu 49 Fe-TiO2/RHA Bảng 12 Hiệu suất xử l RhB điều kiện nguồn chiếu sáng khác c a vật 51 liệu F -TiO2/RHA Bảng Hiệu suất xử l RhB c a vật liệu Fe-TiO2/RHA qua lần sử ụng 51 DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT EDX Phổ tán xạ lượng tia X Energy-Dispersive X-ray spectroscopy ) Ebg Năng lượng vùng cấm Ban gap En rgy IR Phương pháp phổ hồng ngoại (Infrared spectroscopy) RH Vỏ trấu Ric husk RHA Tro trấu Ric husk ash RhB Rhodamine B SEM Phương pháp hi n vi điện tử qu t (Scanning Electron Microscopy) TIOT Tetra isopropyl ortho titanate UV-Vis Tử ngoại – Khả kiến Ultra Viol t – Visible) XRD Phương pháp nhiễu xạ tia X X Rays Di raction MỞ ĐẦU Cùng với phát tri n c a kinh tế- xã hội, vấn đề ô nhiễm môi trường ngày trở nên nghiêm trọng Nguyên nhân ch yếu gây ô nhiễm môi trường hoạt động sản xuất c a nhà máy khu công nghiệp, hoạt động sản xuất c a làng nghề sinh hoạt c a người dân đô thị lớn Việc phát tri n làng nghề có vai trị quan trọng phát tri n kinh tế - xã hội giải việc làm địa phương Tuy nhiên, hậu môi trường hoạt động sản xuất c a làng nghề đ lại ngày nghiêm trọng Hình thức đơn vị sản xuất c a làng nghề đa ạng, có th gia đình, hợp tác xã ho c doanh nghiệp Tuy nhiên, sản xuất mang tính tự phát, sử dụng cơng nghệ th công lạc hậu, chắp vá, m t b ng sản xuất chật chội, việc đầu tư xây ựng hệ thống xử l nước thải quan tâm, ý thức bảo vệ môi trường sinh thái c a người dân làng nghề chưa cao nên tình trạng nhiễm môi trường làng nghề ngày trầm trọng Do vậy, vấn đề bảo vệ môi trường không cấp thiết cấp quản lí, doanh nghiệp, mà trách nhiệm c a hệ thống trị tồn xã hội Điều địi hỏi nhà khoa học cơng nghệ khơng ngừng nghiên cứu, tìm biện pháp đ xử lý chất gây ô nhiễm môi trường Trong năm gần đây, việc sử dụng chất xúc tác bán dẫn TiO2, ZnO, C S, chất oxi hóa khử đ phân h y chất hữu ền vững xem phương pháp hiệu quả, có tri n vọng thay phương pháp truyền thống việc xử lý chất hữu mơi trường nước, khơng khí Đ c m c a chất ưới tác động c a ánh sáng sinh c p electron (e-) lỗ trống (h+) có khả phân h y chất hữu ho c chuy n hóa kim loại độc hại thành chất không gây ô nhiễm môi trường [20] Hiện nay, vật liệu quang xúc tác TiO2 thu hút nhiều quan tâm tính chất quang xúc tác mạnh, tính bền hóa học, chi phí thấp thân thiện mơi trường Ngồi việc sử dụng làm chất xúc tác đ xử lý chất hữu độc hại kim loại n ng nước thải c a ngành công nghiệp như: dệt, nhuộm, in, mạ, vật liệu nano TiO2 sử dụng việc làm khơng khí, dùng cho máy điều hịa nhiệt độ, sơn cao cấp đ chống mốc, diệt khu n sử dụng đ phân h y thuốc trừ sâu Mới đây, nano TiO2 sử dụng làm chất xúc tác đ phân h y nước tạo hydrogen nguồn lượng mới, quan tâm nghiên cứu phát tri n Tuy nhiên nhược m c a xúc tác quang hóa TiO2 xúc tác có hoạt tính điều kiện chiếu sáng vùng tử ngoại nên khó có khả ứng dụng rộng, hiệu m t sử dụng lượng làm tăng giá thành sử dụng Nguồn lượng ánh sáng m t trời lớn tia UV chiếm từ 3- 5% nên xúc tác quang TiO2 tận dụng nguồn lượng Do vậy, có nhiều nghiên cứu việc điều chế biến tính TiO2 đ nâng cao khả ứng dụng, có th dùng ánh sáng nhìn thấy ho c ánh sáng m t trời thay tia UV [6] Nhiều nghiên cứu gần cho thấy TiO2 biến tính cation kim loại chuy n tiếp cho thấy kết tốt, tăng cường tính chất quang xúc tác vùng ánh sáng khả kiến Trong nhiều báo cáo, hạt tinh th nano TiO2 biến tính cation sắt th hoạt tính quang xúc tác tốt so với TiO2 tinh khiết ưới ánh sáng nhìn thấy Một nhược m c a vật liệu TiO2 có kích thước nanomet nên đưa vào môi trường nước tạo dạng huyền phù, gây khó khăn thu hồi vật liệu Đ khắc phục nhược m trên, đưa thêm tỉ lệ phù hợp tro trấu vào vật liệu tổ hợp quang xúc tác Tro trấu biết chất mang có diện tích bề m t lớn, o có khả hấp phụ tốt chất ô nhiễm tâm hoạt động c a xúc tác bề m t giúp cho trình phân h y chất ô nhiễm c a xúc tác thuận lợi Ngoài ra, tro trấu nguồn nguyên liệu giá thành rẻ, sẵn có Việt Nam nước trồng lúa gạo Chính tơi chọn đề tài: “Nghiên cứu tổng hợp vật liệu quang xúc tác TiO2 biến tính với sắt tro trấu ứng dụng xử lý chất hữu ô nhiễm” Bảng 3.8 Ảnh hưởng c a thời gian khuấy sol với tro trấu đến hiệu suất xử lý RhB c a vật liệu Fe-TiO2/RHA Thời gian phút Hiệu suất xử lý RhB (H%) 6h 12h 24h 30 ph tối 21,3 15,5 20,8 30 54,4 41,0 42,3 60 90,3 71,4 70,8 90 99,4 97,4 97,6 120 99,7 99,0 99,3 Từ kết bảng 3.8 cho thấy thời gian khuấy sol với hỗn hợp tro trấu tốt Sau khảo sát yếu tố ảnh hưởng tới trình tổng hợp vật liệu tổ hợp quang xúc tác Fe-TiO2/RHA, điều kiện tổng hợp vật liệu tối ưu sau: - Phương pháp tiền xử lý vỏ trấu: Vỏ trấu sau rửa b ng nước cất hoạt hóa b ng axit HNO31M 24 - Nung tro trấu 6000C - Lượng tro trấu đưa vào 6% - Thời gian khuấy sol với tro trấu 3.1.5 Một số đ c trƣng vật liệu tổng hợp điều kiện tối ƣu Vật liệu tổng hợp điều kiện tối ưu phân tích số đ c trưng thành phần pha, thành phần nguyên tố đ c trưng ề m t vật liệu qua phổ Kết phân tích phổ tán xạ EDX Đ chứng minh thành công việc pha tạp sắt gắn xúc tác lên tro trấu c a vật liệu tổng hợp chụp phổ EDX Kết thu hình 3.9 bảng 3.9 43 1000 001 TiKsum FeKb 200 FeKa 300 CKa 400 FeKesc 500 TiKb Counts 600 TiKesc 700 SiKa OKa TiLl TiLa FeLl FeLa TiLsum 800 TiKa 900 100 0.00 1.00 2.00 3.00 4.00 5.00 6.00 7.00 8.00 9.00 10.00 keV Hình 3.9 Phổ EDX c a vật liệu Fe-TiO2/RHA Bảng 3.9 Thành phần nguyên tố có vật liệu Fe-TiO2/RHA Fe-TiO2/ tro trấu C O Si Ti Fe Tổng % khối lượng % khối lượng 6,49 42,59 0,86 49,58 0,49 100 Từ kết hình 3.9 bảng 3.9, ta thấy thành phần c a vật liệu có có m t c a nguyên tố Fe, C Sự có m t c a hai nguyên tố Fe C pha tạp có khả làm tăng hoạt tính c a vật liệu xúc tác [19, 29, 30] Thành phần C có th từ dung mơi etanol dùng q trình tổng hợp vật liệu thành phần c a tro Nguyên tố Fe đưa vào từ nguồn Fe(NO3)3.9H2O trình tổng hợp vật liệu Ngồi ra, ta thấy có lượng nhỏ Si mẫu vật liệu Si có thành phần c a tro trấu 44 Kết phân tích phổ XRD Faculty of Chemistry, HUS, VNU, D8 ADVANCE-Bruker - Sample Fe-TiO2-RHA(2) 100 90 d=3.540 80 70 Lin (Cps) 60 50 d=1.478 30 d=1.691 d=2.348 d=1.896 40 20 10 10 20 30 40 50 60 2-Theta - Scale File: Duyen K22 mau Fe-TiO2-RHA(2).raw - Type: 2Th/Th locked - Start: 10.000 ° - End: 70.000 ° - Step: 0.030 ° - Step time: s - Temp.: 25 °C (Room) - Time Started: 14 s - 2-Theta: 10.000 ° - Theta: 5.00 1) Left Angle: 23.050 ° - Right Angle: 28.090 ° - Left Int.: 18.1 Cps - Right Int.: 17.8 Cps - Obs Max: 25.090 ° - d (Obs Max): 3.546 - Max Int.: 60.7 Cps - Net Height: 42.7 Cps - FWHM: 1.542 ° - Chord Mid.: 01-089-4921 (C) - Anatase, syn - TiO2 - Y: 91.60 % - d x by: - WL: 1.5406 - Tetragonal - a 3.77700 - b 3.77700 - c 9.50100 - alpha 90.000 - beta 90.000 - gamma 90.000 - Body-centered - I41/amd (141) - Hình 3.10 Giản đồ XRD c a vật liệu Fe-TiO2/RHA Từ giản đồ XRD hình 3.10 cho thấy pic đ c trưng cho cấu trúc TiO2 dạng anatas vị trí 2θ = 25,30 ; 37,80; 48o; 53,90o ; 55o 62,52o Như sau biến tính cấu trúc pha anatas khơng thay đổi Kích thước hạt tính theo phương trình Debye – Scherre b ng 8,2 Kết cho thấy vật liệu thu có kích thước hạt nano cấu trúc TiO2 hầu hết dạng anatas Kích thước hạt tính th o phương trình Debye – Scherre phù hợp với kết ảnh SEM ưới 45 70 ết chụp hiển vi điện tử qu t Hình 3.11 Ảnh SEM c a vật liệu Fe-TiO2/RHA Kết cho thấy vật liệu tổng hợp có kích thước cỡ hạt nhỏ 10 nm hạt tinh th phân bố tương đối đồng 46 Kết phổ IR Hình 3.12 Phổ IR c a vật liệu RHA-3-6000C/6h Từ phổ IR c a vật liệu RHA-3-6000C/6h hình 3.12, ta thấy xuất số pic đ c trưng c a liên kết Si-OH nhóm OH 3469,20 cm-1; 1640,11 cm-1 ứng với ao động c a nhóm C=O C-OH; dải hấp thụ số sóng 1101,05 cm-1 ứng với ao động c a nhóm siloxan (-Si-O-Si-OH); dải hấp thụ số sóng 463,84 cm-1; 803,22 cm-1 đ c trưng cho ao động c a nhóm Si-H [21] Hình 3.13 Phổ IR c a vật liệu Fe-TiO2/RHA 47 Phổ IR c a vật liệu tổ hợp quang xúc tác Fe-TiO2/RHA hình 3.13 ta thấy xuất dải hấp thụ số sóng 441 cm-1 ứng với liên kết Ti- O- Ti, liên kết Ti- O- Fe 698 cm-1, 739 cm-1 c a liên kết Fe- OH, liên kết Ti- O 625 cm-1 dải hấp thụ 1381 cm-1 c a nhóm COOH [25] Bên cạnh đó, ta thấy xuất số pic với cường độ yếu c a liên kết Si-OH nhóm OH 3437 cm-1, 1616 cm-1 ứng với ao động c a nhóm C=O C-OH, dải hấp thụ số sóng 1094 cm-1 ứng với dao động c a nhóm siloxan (-Si-O-Si-OH), 1037 cm-1 ứng với ao động biến dạng c a liên kết Si- O, số sóng 812 cm-1 473 cm-1 đ c trưng cho ao động c a nhóm Si-H [21] Điều có th o hàm lượng c a tro trấu mẫu vật liệu (6% khối lượng tro trấu so với khối lượng TiO2) nên pic xuất không rõ phổ IR c a tro trấu 3.2 KHẢO SÁT CÁC YẾU TỐ ẢNH HƢỞNG ĐẾN QUÁ TRÌNH XỬ LÝ RhB CỦA VẬT LIỆU Vật liệu tổ hợp quang xúc tác Fe-TiO2/RHA tổng hợp điều kiện tối ưu ùng đ khảo sát yếu tố ảnh hưởng đến trình xử lý RhB Khảo sát lƣợng vật liệu đƣa v o Khảo sát khả xử lý RhB với lượng vật liệu sử dụng khác 100 mL RhB có nồng độ 20 ppm pH c a dung dịch Nguồn sáng sử dụng thí nghiệm đèn compact 36 W Kết thu bảng 3.10 Bảng 3.10 Ảnh hưởng c a lượng vật liệu đến hiệu suất xử lý RhB c a vật liệu Fe-TiO2/RHA Hiệu suất xử lý RhB (H%) Thời gian phút 0,6 g/L 0,9 g/L 0,12 g/L 0,15 g/L 30 ph tối 12,9 17,9 18,4 20,1 30 53,1 81,4 84,8 81,1 60 96,9 98,2 99,0 98,7 90 99,4 99,4 99,5 99,0 120 99,4 99,5 99,6 99,1 48 Từ kết bảng 3.10 cho thấy lượng vật liệu sử dụng tối ưu cho trình xử lý RhB 0,12 g/L Khi lượng xúc tác đưa vào tăng lên 0,15 g/L hiệu suất xử lý RhB lại giảm Điều có th giải thích lượng xúc tác đưa vào lớn tạo cản quang dung dịch, giảm hiệu c a q trình quang hóa hoạt tính c a xúc tác dẫn đến hiệu suất xử lý RhB giảm Khảo sát ảnh hƣởng pH pH có ảnh hưởng lớn đến tính chất bề m t c a vật liệu xúc tác Đối với TiO2, pH > bề m t c a chúng tích điện âm pH < bề m t c a lại tích điện ương Tại pH= bề m t xúc tác gần khơng tích điện Tốc độ c a phản ứng xúc tác quang có th thay đổi cách đáng k hấp phụ c a ion bề m t vật liệu giá trị pH khác Vì tơi khảo giá trị pH dung dịch 2, 4, 6, Kết thu ảng 3.11 Bảng 3.11 Ảnh hưởng c a pH dung dịch đến hiệu suất xử lý RhB c a vật liệu Fe-TiO2/RHA Thời gian phút Hiệu suất xử lý RhB (H%) pH = pH = pH = pH = 30 ph tối 25,0 16,8 13,2 11,1 30 30,1 74,5 31,9 21,2 60 45,7 98,6 64,5 36,2 90 60,2 99,2 92,9 51,3 120 69,7 99,2 98,5 61,5 49 Hiệu suất xử l RhB H% 120 100 80 60 40 20 pH = pH = pH = pH = Thời gian phút Hình 3.14 Đồ thị ảnh hưởng c a pH dung dịch đến hiệu suất xử lý RhB c a vật liệu Fe-TiO2/RHA (sau 90 phút chiếu sáng) Từ kết ảnh hưởng c a pH dung dịch đến hiệu suất xử lý RhB hình 3.14 bảng 3.11 cho thấy - Nếu tăng pH từ đến hiệu suất xử lý giảm pH tăng ẫn đến lượng OH- tăng Khi xúc tác chuy n thành ion tích điện âm phương trình a TiOH + OH TiOH + H+ TiO + H2O (a) TiOH2+ (b) Các nhóm cacboxylic c a RhB ị ion hóa nên mang điện tích âm Vì pH cao làm giảm khả hấp phụ RhB ề m t xúc tác nên hiệu suất xử lý giảm - Ở pH thấp pH< 4) hiệu suất xử lý thấp Điều có th o RhB ị hấp phụ với lượng lớn ề m t chất xúc tác gây cản trở thâm nhập c a ánh sáng Kết cho thấy pH dung dịch tốt cho trình phân h y dung dịch RhB 3.2.3 So sánh cƣờng độ chiếu sáng Khảo sát hoạt tính c a vật liệu ưới ánh sáng đèn compact 36 W ưới ánh sáng m t trời thời gian nhiệt độ trung bình thời m tiến hành thí nghiệm nêu Kết thu bảng 3.12 50 Bảng 3.12 Hiệu suất xử lý RhB điều kiện nguồn chiếu sáng khác c a vật liệu Fe-TiO2/RHA Thời gian (phút) Hiệu suất xử lý RhB (H%) Đèn compact 36W Ánh sáng m t trời 99,2 96,2 Sau 120 phút chiếu sáng Kết từ bảng 3.12 cho thấy, hiệu suất xử lý RhB c a vật liệu tổ hợp quang xúc tác Fe-TiO2/RHA ưới ánh sáng m t trời cho kết tốt tương đương dùng nguồn sáng đèn compact 36 W thời m tiến hành thí nghiệm vào cuối mùa thu nên nhiệt độ ngồi trời khơng cao, cường độ chiếu sáng c a ánh sáng m t trời yếu Tuy nhiên, kết cho thấy vật liệu hồn tồn có khả ứng dụng vào thực tiễn 3.2 Khảo sát khả tái sử dụng vật liệu Ưu m c a vật liệu quang xúc tác có khả tái sử dụng nhiều lần Việc thu hồi tái sử dụng vật liệu xúc tác giúp giảm chi phí hạn chế nhiễm mơi trường Vì tơi tiến hành khảo sát khả tái sử dụng c a vật liệu Kết thu bảng 3.13 Bảng 3.13 Hiệu suất xử lý RhB c a vật liệu Fe-TiO2/RHA qua lần sử dụng Sau 120 phút Hiệu suất xử lý RhB (H%) Mẫu đầu 99,8 Lần 99,0 Lần 98,9 Lần 95,9 Lần 94,1 Lần 87,9 51 102 100 99,8 99,0 98,9 98 95,9 96 94,1 H% 94 92 90 87,9 88 86 84 82 80 Mẫu đầu Lần Lần Lần Lần Lần Hình 3.15 Đồ thị hiệu suất xử lý RhB qua lần tái sử dụng c a vật liệu Fe-TiO2/RHA Kết cho thấy xúc tác th hoạt tính tốt sau lần sử ụng Khả xử lý RhB đạt hiệu suất xử lý cao (trên 85%) qua lần sử ụng Hiệu suất xử lý c a vật liệu giảm dần có th tâm hoạt động c a xúc tác ị chiếm giữ phần chất ô nhiễm vật liệu xúc tác bị lượng qua lần tái sinh 52 KẾT LUẬN Trong khuôn khổ nghiên cứu c a luận văn đạt kết sau Đã tổng hợp vật liệu tổ hợp quang xúc tác Fe-TiO2/RHA với điều kiện tổng hợp tối ưu sau: - Vỏ trấu sau rửa b ng nước cất hoạt hóa b ng axit HNO31M 24 giờ, tro trấu nung 6000C - Lượng tro trấu đưa vào 6% theo khối lượng - Thời gian khuấy sol Fe-TiO2 với tro trấu Vật liệu tổ hợp quang xúc tác Fe-TiO2/RHA tổng hợp có tính chất đ c trưng sau: - Vật liệu tổng hợp có cấu trúc anatas, hạt tương đối đồng nhất, có kích thước < 10 nm - Vật liệu TiO2 biến tính với Fe đưa lên tro trấu có phổ hấp thụ ánh sáng chuy n dịch mạnh sang vùng ánh sáng khả kiến - Vật liệu có khả xử lý 99,8% RhB sau chiếu sáng Lượng vật liệu tối ưu sử dụng 0,12 g/L Tại pH=4, hiệu suất xử lý RhB c a vật liệu tốt đạt 99,2% sau chiếu sáng - Vật liệu có th tái sử ụng lần mà hoạt tính xúc tác đạt 85% Đồng thời vật liệu có th xử lý RhB điều kiện ánh sáng m t trời với hiệu suất 96,2% Kết hứa hẹn khả ứng dụng vật liệu tổng hợp thực tế xử l môi trường nước 53 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt Vũ Đăng Độ 2003 , Các phương pháp vật lý hóa học, Đại học Quốc gia Hà Nội, Hà Nội TS Nguyễn Thế Đồng, GS.TS Trần Hiếu Nhuệ, PGS.TS Cao Thế Hà, TS Ð ng Văn Lợi, ThS Nguyễn Thị Thiên Phương, ThS Ðỗ Thanh Bái, TS Nguyễn Phạm Hà, TS Nguyễn Thị Phương Loan, ThS Phạm Thị Kiều Oanh (2011), Tài liệu kỹ thuật: Hướng dẫn đánh giá phù hợp công nghệ xử lý nước thải giới thiệu số công nghệ xử lý nước thải ngành chế biến thủy sản, dệt may, giấy bột giấy, Tổng cục môi trường Trần Văn Nhân, Ngơ Thị Nga (2002), Giáo trình cơng nghệ xử lý nước thải, NXB Khoa học kỹ thuật, Hà Nội Nguyễn Đức Nghĩa 2007 , Hóa học nano-c ng nghệ vật liệu ngu n NXB Khoa học Tự nhiên Công nghệ, Hà Nội Trần Mạnh Trí, Trần Mạnh Trung 2005 , Các q trình oxi hóa nâng cao xử lý nước nước thải- Cơ sở khoa học ứng dụng, NXB Khoa học kỹ thuật, Hà Nội Trần Mạnh Trí 2005 ,“Sử ụng lượng m t trời thực trình quang xúc tác TiO2 đ xử l nước nước thải cơng nghiệp, Tạp chí khoa học c ng nghệ, tập 43, số Tiếng Anh A il Elhag Ahm , Farook A am 2007 , “In ium incorporated silica from ric husk an its catalytic activity”, Microporous and Mesoporous Materials, 103, pp 284-295 B.S Ndazi, S Karlsson, J.V Tesha, C.W Nyahumwa 2007 , “Ch mical an physical modifications of rice husks for use as composite pan ls”, Composite: Part A, 38, pp 925-935 Chen Y., et., al (2004), "Film device to visualize UV irradiation", Journal of photochemistry and photobiology A: Chemistry, 163, pp 271-286 54 10 Choi W., Termin A., Hoffmann M R (1994), "The role of metal ion dopants in quantum-sized TiO2: correlation between photoreactivity and charge carrier recombination dynamics", Journal of Physical Chemistry, 98, pp 1366913679 11 Cong Y., Zhang J., Chen F., Anpo M., and He D (2007), "Preparation, Photocatalytic Activity, and Mechanism of Nano-TiO2 Co-Doped with Nitrogen and Iron (III)", Journal of Physical Chemistry C 111(28), pp 10618-10623 12 Damodar R.A., et., al 2008 , “Pumice stone supported titanium dioxide for removal of pathogen in drinking wat r an r calcitrant in wast wat r”, Solar Energy, 82, pp 1099-1106 13 Ding Z., Hu X., et al 2001 , “Synth sis o anatas TiO2 supported on porous soli s y ch mical vapor position”, Catalysis Today, 68, pp 173-182 14 Fabiyi M E., Skelton R.L (2000), "Photocatalytic mineralisation of methylene blue using buoyant TiO2-coated polystyrene beads", Journal of Photochemistry and Photobiology A: Chemistry, 132, pp 121-128 15 Farook A am, Anwar lq al 2011 , “Silica support molybdenum catalysts prepared via sol-g l m tho an amorphous its catalytic activity”, Microporous and Mesoporous Material, 141, pp 119-127 16 Farook Adam, Jimmy Nelson Appaturi, Zakia Khanam, Radhika Thankappan 2013 , “Utilization o tin an titanium incorporated rice husk silica nanocomposite as photocatalyst and adsorbent for the removal of methylene blue in aqu ous”, Applied Surface Science, 264, pp 718-726 17 Gelover S., et al (2004), “Titanium dioxide sol–gel deposited over glass and its application as a photocatalyst or wat r contamination”, Journal of Photochemistry and Photobiology A: Chemistry, 165, pp 241-246 18 Kamat, P.V 2002 “Photophysical, photoch mical an photocatalytic asp cts o m tal nanoparticl s”, Journal of Physical Chemistry.B, 106(32), pp 7729-7744 55 19 Kan Z., Zeda M., Wonchun O (2010), "Degradation of Rhodamine B by FeCarbon nanotubes/ TiO2 composites under UV light in Aerated solution", Chinese Journal of catalysis, 31, pp 751-758 20 Khata A.R., M.B.Kasiri 2010 , “R vi w Photocatalytic gra ation o organic dyes in the presence of nanostructured titanium dioxide: Influence of the ch mical structur o y s”, Journal of Molecular Catalysis A: Chemical, 328, pp 8-26 21 K.Y.Foo, B.H Ham 2009 , “Utilization o ric husk ash as novel a sor nt: A ju icious r cycling o th colloi al agricultural wast ”, Advances in Colloid and Interface Science, 152, pp 39-47 22 Li Y., Kim S.J 2005 , “Synthesis and Characterization of Nano titania Particles Embedded in Mesoporous Silica with Both High Photocatalytic Activity an A sorption Capa ility”, Journal of physical chemistry B, 109, pp 12309-12315 23 Liu H., Wu Y., Zhang J (2011), "A new approach toward carbon-modified vanadium-doped titanium dioxide photocatalysts", Applied materials and interfaces 3(5), pp 1757-1764 24 Michael K Seery, Reenamole George, Patrick Floris, Suresh C Pillaib 2007 , “Silv r op titanium ioxi nanomat rials or nhanc visi l light photocatalysis”, Journal of Photochemistry and Photobiology A: Chemistry, 189, pp 258–263 25 P Kokila, V S nthilkumar, K Pr m Naz r 2011 , “Preparation and photo catalytic activity of Fe3+- doped TiO2 nanoparticl s”, Scholars Research Library Archives of Physics Research, 2(1),pp 246-253 26 Rocka llow E M., St wart L K., J nks W S 2009 , “Is sulfur-doped TiO2 an ctiv visi l light photocatalyst or r m iation?”, Applied Catalysis B: Environmental, 91, pp 554-562 27 Shamik Chowdhury, Rahul Mishra, Papita Saha, Praveen Kushwaha (2011), “A sorption th rmo ynamics, kin tics an isost ric heat of adsorption of malachite gr n onto ch mically mo i i r ric husk”, Desalination, 265, pp 159-168 56 28 Slamet, H W., Nasution, E., Purnama, S., Kosela, and Gunlazuardi J (2005), “Photocatalytic r uction o CO2 on copperdoped titania catalysts prepared by improved-impr gnation m tho ”, Catalysis Communications, 6(5), pp 313–319 29 Wang X., Tang Y., Leiw M Y., Lim T T (2011), "Solvothermal synthesis of Fe-C codoped TiO2 nanoparticles for visible-light photocatalytic removal of emerging organic contaminants in water", Applied Catalysis A: General, 409-410, pp 257-266 30 Wu Y., Zhang J., Xiao L., Chen F (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 31 Xiao Y., Dang L., An L., et al (2008), "Photocatalytic degradation of Rhodamine B and Phenol by TiO2 loaded on mesoporous graphitic Carbon", Chinese Journal of Catalysis, 29(1), pp 31-36 32 Yang X., Cao C., Erickson L., Klabunde K., et al (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 33 Yongm i Wu, Jinlong Zhang, Ling Xiao, F ng Ch n 2010 , “Prop rti s o carbon and iron modified TiO2 photocatalyst synthesized at low temperature and photo gra ation o aci orang un r visi l light”, Applied Surface Science, 256, pp 4260-4268 34 Zhang W., Li Y., Wang C., Wang P (2011), "Kinetics of heterogeneous photocatalytic degradation of rhodamine B by TiO2-coated activated carbon: Roles of TiO2 content and light intensity", Desalination, 266, pp 40-45 57 ... pháp xử lý chất hữu gây ô nhiễm môi trường 1.3 Vật liệu quang xúc tác TiO2 vật liệu quang xúc tác TiO2 biến tính 11 1.3.1 Vật liệu quang xúc tác TiO2 .11 1.3.2 Vật liệu quang xúc tác TiO2. .. đề tài: ? ?Nghiên cứu tổng hợp vật liệu quang xúc tác TiO2 biến tính với sắt tro trấu ứng dụng xử lý chất hữu ô nhiễm? ?? Chƣơng : TỔNG QUAN 1.1 THỰC TRẠNG Ô NHIỄM CHẤT HỮU CƠ TRONG MÔI TRƢỜNG 1.1 Các... mang tro trấu 1.3 VẬT LIỆU QUANG XÚC TÁC TiO2 VÀ VẬT LIỆU QUANG XÚC TÁC TiO2 BIẾN TÍNH 1.3 Vật liệu quang xúc tác TiO2 Titan đioxit vật liệu quang xúc tác bán dẫn sử dụng nhiều thực tế TiO2 tồn