Nghiên cứu tổng hợp tio2 nano biến tính và ứng dụng

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP GVHD: PGS.TS Lê Xuân Thành LỜI CẢM ƠN Trong thời gian làm luận văn tốt nghiệp, em nhận đƣợc nhiều giúp đỡ bảo nhiệt tình thầy cơ, gia đình bạn bè Em xin bày tỏ lòng biết ơn tới thầy, cô Bộ môn Công nghệ Các chất vơ – Viện Kỹ thuật Hóa Học – Trƣờng Đại học Bách Khoa Hà Nội hỗ trợ, tạo điều kiện cho em trình thực luận văn Cuối cùng, em xin chân thành cảm ơn quan, gia đình bạn bè, tạo điều kiện, quan tâm, giúp đỡ, động viên em suốt trình học tập trình thực luận văn tốt nghiệp Trong suốt trình làm luận văn, em cố gắng nghiên cứu, tìm hiểu, học hỏi để hồn thành luận văn cách tốt Nhƣng kiến thức nhƣ thời gian có hạn nên khơng thể tránh khỏi sai sót Em mong nhận đƣợc góp ý thầy cô bạn để luận văn em đƣợc hoàn thiện Em xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, ngày 15 tháng8 năm 2015 Học viên: Quách Thị Mến – MSHV: 131137 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP GVHD: PGS.TS Lê Xuân Thành MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN MỤC LỤC DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT DANH MỤC BẢNG: DANH MỤC HÌNH LỜI MỞ ĐẦU PHẦN I: TỔNG QUAN VỀ TIO2 VÀ HOẠT TÍNH QUANG XÚC TÁC 1.1 GIỚI THIỆU VỀ TITAN ĐIOXIT 1.1.1 Cấu trúc tính chất vật lý: 1.1.2 Tính chất hóa học titan đioxit: 1.1.3 Tính chất bề mặt titan đioxit 10 1.1.4 Các ứng dụng vật liệu TiO2 11 1.2 TÍNH NĂNG QUANG XÚC TÁC 15 1.3 CÁC PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ VẬT LIỆU NANO 19 1.3.1 Phƣơng pháp tẩm 19 1.3.2 Phƣơng pháp đồng kết tủa tổng hợp quang xúc tác TiO2 19 1.3.3 Phƣơng pháp ngƣng tụ hóa học 20 1.3.4 Phƣơng pháp sol-gel 20 1.3.5 Phƣơng pháp thủy nhiệt 21 1.4 PHƢƠNG PHÁP CẢI THIỆN KHẢ NĂNG QUANG XÚC TÁC CỦA VẬT LIỆU TIO2 24 1.4.1 Vật liệu TiO2 đƣợc biến tính kim loại 26 1.4.2 Vật liệu TiO2 đƣợc biến tính nguyên tố phi kim 28 1.5 GIỚI THIỆU VỀ NƢỚC THẢI NHUỘM 29 1.5.1 Thành phần nƣớc thải nhuộm 29 1.5.2 Một số loại thuốc nhuộm sử dụng công nghiệp 30 1.5.3 Đặc tính nƣớc thải nhuộm 32 1.6 CÁC PHƢƠNG PHÁP XỬ LÝ NƢỚC THẢI NHUỘM 33 Học viên: Quách Thị Mến – MSHV: 131137 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP GVHD: PGS.TS Lê Xuân Thành 1.6.1 Một số phƣơng pháp xử lý nƣớc thải nhuộm 33 1.6.2 Phƣơng pháp hấp phụ 35 1.6.3 Phƣơng pháp quang xúc tác 35 2.1 PHƢƠNG PHÁP CHẾ TẠO VẬT LIỆU QUANG XÚC TÁC NỀN TIO2 37 2.1.1 Hóa chất, dụng cụ - thiết bị 37 2.1.2 Phƣơng pháp tổng hợp vật liệu TiO2 37 2.2 KHẢO SÁT HOẠT TÍNH QUANG XÚC TÁC CỦA VẬT LIỆU 38 2.3 CÁC PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ĐẶC TRƢNG CẤU TRÚC VẬT LIỆU 38 2.3.1 Phƣơng pháp nhiễu xạ tia X (XRD – X Ray Diffraction) 38 2.3.2 Phƣơng pháp hiển vi điện tử quét (SEM- Scanning Electron Microscope) 40 2.3.3 Phƣơng pháp phổ hồng ngoại (IR) 40 2.3.4 Phƣơng pháp đẳng nhiệt hấp phụ-giải hấp phụ nitơ (BET-the BrunauerEmmett-Teller) 41 PHẦN III: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 43 3.1 DẠNG PHA VÀ CỠ HẠT CỦA NGUYÊN LIỆU TIO2 43 3.2 ĐIỀU CHẾ VẬT LIỆU TIO2 THEO PHƢƠNG PHÁP NGHIỀN 44 3.2.1 Điều chế TiO2 biến tính với Al(OH)3 44 3.2.2 Điều chế TiO2 biến tính với ZnO 45 3.2.3 Điều chế TiO2 biến tính với SiO2 47 3.2.3.1 Ảnh hƣởng hàm lƣợng SiO2 47 3.2.3.2 Ảnh hƣởng thời gian nghiền 48 3.2.3.3 Ảnh hƣởng lƣợng TiO2-SiO2 50 3.2.3.4 Ảnh hƣởng thời gian khuấy trộn 51 3.2.3.5 Ảnh hƣởng nồng độ xanh methylen 52 3.3 ĐẶC TRƢNG CỦA VẬT LIỆU 53 3.3.1 Kết phân tích phổ XRD ảnh SEM 53 3.3.2.Kết phân tích phổ hồng ngoại (IR) 55 3.3.3 Diện tích bề mặt BET 57 3.4 KHẢO SÁT ỨNG DỤNG TRONG XỬ LÝ NƢỚC THẢI NHUỘM 58 Học viên: Quách Thị Mến – MSHV: 131137 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP GVHD: PGS.TS Lê Xuân Thành PHẦN IV: KẾT LUẬN 60 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO: 61 DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT STT Chữ viết tắt Tên tiếng anh BOD Bioligical oxygen demand Nhu cầu oxy sinh học COD Chemical oxygen demand Nhu cầu oxy hóa học UV Ultraviolet Tử ngoại MB Methylene blue Xanh metylen XRD X- Rays Diffraction Phƣơng pháp nhiễu xạ tia X EDS Energy- dispersive X- ray Phƣơng pháp phổ tán xạ spectroscopy lƣợng BET The Brunauer- Emmett- Phƣơng pháp đẳng nhiệt hấp Teller phụ- giải hấp phụ nito SEM Phƣơng pháp hiển vi điện tử quét 10 SS Hàm lƣợng chất rắn lơ lửng 11 IR Phƣơng pháp phổ hồng ngoại 12 Cat Chất xúc tác Học viên: Quách Thị Mến – MSHV: 131137 Tên đầy đủ LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP GVHD: PGS.TS Lê Xuân Thành DANH MỤC BẢNG: STT Bảng Nội dung Trang 1.1 Tính chất quang TiO2 1.2 Số liệu tính chất cấu trúc TiO2 1.3 Sản lƣợng titan đioxit giới qua số năm 11 1.4 Thế khử chuẩn số tác nhân oxy hóa 17 1.5 Thuốc nhuộm phát sinh chất ô nhiễm nƣớc thải dệt nhuộm 31 1.6 Đặc tính số loại nƣớc thải nhuộm 33 3.1 Hiệu quang xúc tác mẫu TiO2-Al(OH)3 44 3.2 Hiệu quang xúc tác mẫu TiO2-ZnO 46 3.3 Hiệu quang xúc tác mẫu TiO2-SiO2 47 10 3.4 Khảo sát quang xúc tác TiO2-SiO2 theo thời gian nghiền 49 11 3.5 Ảnh hƣởng lƣợng TiO2-SiO2(mẫu 3.2) đến khả quang xúc tác 50 12 3.6 Ảnh hƣởng thời gian khuấy trộn đến khả quang xúc tác 51 13 3.7 Ảnh hƣởng nồng độ MB đến khả quang xúc tác 14 3.8 Kết xử lí nƣớc thải nhuộm 58 Học viên: Quách Thị Mến – MSHV: 131137 53 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP GVHD: PGS.TS Lê Xn Thành DANH MỤC HÌNH STT Hình Nội dung Trang 1.1 Hình ảnh bột TiO2 1.2 Cấu trúc pha tinh thể rutile 1.3 Cấu trúc pha tinh thể anatase 1.4 Cấu trúc pha tinh thể brookite 1.5 Hình khối bát diện TiO2 1.6 Sự biến đổi tính chất bề mặt TiO2 theo điều kiện mơi trƣờng 10 1.7 Sơ đồ ứng dụng quang xúc tác TiO2 12 1.8 Lƣợng TiO2 sử dụng hàng năm lĩnh vực xúc tác quang 12 1.9 Kính chống đọng sƣơng 19 10 1.10 Cơ chế trình Quang xúc tác TiO2 18 11 1.11 Máy nghiền bi khai thác vàng Peru 12 1.12 Q trình nghiền khơ có thêm phụ gia muối sản xuất hạt 23 nano 23 13 1.13 Các hạt nano ZnO sản xuất theo phƣơng pháp nghiền bi 24 14 1.14 Sơ đồ trình xúc tác quang 36 15 2.1 Sơ đồ chế tạo TiO2 với chất biến tính SiO2, ZnO hay Al(OH)3 37 16 2.2 Sự nhiễu xạ chùm tia X mạng tinh thể 39 17 2.3 Sơ đồ máy nhiễu xạ tia X phân tích tinh thể học 39 18 3.1 Giản đồ XRD mẫu TiO2 43 19 3.2 Ảnh SEM TiO2 44 20 3.3 Hiệu quang xúc tác mẫu TiO2-Al(OH)3 45 21 3.4 Hiệu quang xúc tác mẫu TiO2-ZnO 46 3.5 Hiệu quang xúc tác mẫu TiO2-SiO2 48 22 23 3.6 Hiệu quang xúc tác mẫu TiO2-SiO2 theo thời gian Học viên: Quách Thị Mến – MSHV: 131137 49 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP GVHD: PGS.TS Lê Xuân Thành nghiền 24 3.7 Ảnh hƣởng lƣợng TiO2-SiO2 (mẫu 3.2) đến khả quang xúc tác 50 25 3.8 Ảnh hƣởng thời gian khuấy trộnđến khả quang xúc tác 26 3.9 52 Ảnh hƣởng nồng độ xanh methylen đến khả quang xúc tác 53 27 3.10a Giản đồ XRD mẫu TiO2- SiO2 (mẫu 3.2) 54 28 3.10b Ảnh SEM mẫu 3.2 55 29 3.11 Phổ hồng ngoại mẫu SiO2 55 30 3.12 Phổ hồng ngoại mẫu TiO2 56 31 3.13 Phổ hồng ngoại mẫu TiO2-SiO2 (mẫu 3.2) 56 32 3.14 Đƣờng đẳng nhiệt hấp phụ BET hệ mẫu 3.2 N2 77,6K 57 33 3.15 Nƣớc thải nhuộm trƣớc sau xử lý Học viên: Quách Thị Mến – MSHV: 131137 58 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP Học viên: Quách Thị Mến – MSHV: 131137 GVHD: PGS.TS Lê Xuân Thành LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP GVHD: PGS.TS Lê Xuân Thành LỜI MỞ ĐẦU Ơ nhiễm mơi trƣờnghiện Việt Nam nói riêng giới nói chung có diễn biến vô phức tạp Sự ô nhiễm ngày trầm trọng diễn diện rộng đe dọa đến tồn phát triển bền vững ngƣời loài sinh vật Qua có nhiều nhà khoa học nƣớc nghiên cứu giải pháp nhằm hạn chế, giảm thiểu tác nhân gây ô nhiễm đồng thời tìm phƣơng pháp xử lý chất làm nhiễm mơi trƣờng Trong phƣơng pháp mới, phƣơng pháp xúc tác quang nhiều kỹ thuật hứa hẹn có khả ứng dụng cao Vật liệu TiO2 chất bán dẫn có tính quang xúc tác mạnh việc ứng dụng mơi trƣờng, có nhiều cơng trình ngồi nƣớc nghiên cứu vật liệu Chỉ việc chiếu sáng, nhà nghiên cứu nhận thấy chất hữu cơ, chất bẩn bị phân hủy Đặc biệt môi trƣờng nƣớc, dƣới tác dụng ánh sáng có mặt TiO2, hợp chất ô nhiễm dễ dàng bị phân hủy Với hoạt tính quang xúc tác cao, cấu trúc bền không độc, vật liệu TiO2 đƣợc cho vật liệu triển vọng để giải nhiều vấn đề môi trƣờng nghiêm trọng thách thức từ ô nhiễm TiO2 đồng thời đƣợc hy vọng mang đến lợi ích to lớn vấn đề khủng hoảng lƣợng qua sử dụng lƣợng mặt trời Với độ rộng vùng cấm khoảng 3,2eV-3,5eV, vật liệu TiO2 cho hiệu ứng xúc tác vùng ánh sáng tử ngoại (UV) Tuy nhiên, xạ UV chiếm khoảng