Nghiên cứu áp dụng phương pháp tổng hợp bột tio2 cỡ nano làm xúc tác quang hóa trong xử lý môi trường

Nghiên cứu áp dụng tổng hợp bột TiO2 cỡ nano làm xúc tác quang hóa xử lý mơi trường – Vũ Thị Hạnh – Công nghệ môi trường 2009 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - VŨ THỊ HẠNH NGHIÊN CỨU ÁP DỤNG PHƯƠNG TỔNG HỢP BỘT TiO2 CỠ NANO LÀM XÚC TÁC QUANG HĨA TRONG XỬ LÝ MƠI TRƯỜNG CHUN NGÀNH: CƠNG NGHỆ MÔI TRƯỜNG LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ MÔI TRƯỜNG NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC : TS VŨ ĐỨC THẢO Hà Nội – 2011 i Viện khoa học & Công nghệ Môi trường – Đại học Bách khoa Hà Nội Nghiên cứu áp dụng tổng hợp bột TiO2 cỡ nano làm xúc tác quang hóa xử lý môi trường – Vũ Thị Hạnh – Công nghệ môi trường 2009 Lời cam đoan Tôi xin cam đoan luận văn cơng trình nghiên cứu độc lập nghiêm túc thân Các số liệu luận văn trung thực có nguồn gốc rõ ràng Tác giả luận văn Vũ Thị Hạnh ii Viện khoa học & Công nghệ Môi trường – Đại học Bách khoa Hà Nội Nghiên cứu áp dụng tổng hợp bột TiO2 cỡ nano làm xúc tác quang hóa xử lý môi trường – Vũ Thị Hạnh – Công nghệ môi trường 2009 LỜI CẢM ƠN Tôi xin bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc tới Tiến Sĩ Vũ Đức Thảo - Viện Khoa học Công nghệ môi trường – Đại học Bách khoa Hà Nội hướng dẫn tận tình, chu đáo tạo điều kiện tốt cho tơi hồn thành khóa luận tốt nghiệp Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới tồn thể thầy giáo, cán phịng thí nghiệm Viện Khoa học Cơng nghệ Môi trường, trường Đại học Bách khoa Hà Nội, cán phịng phân tích chất lượng mơi trường – Đại học Hàng hải Việt Nam tạo điều kiện thuận lợi giúp đỡ tơi q trình làm thực nghiệm Cuối cùng, xin cảm ơn đến gia đình bạn bè động viên, giúp đỡ tơi q trình học tập làm Luận văn Hà Nội, ngày 25 tháng năm 2011 HỌC VIÊN Vũ Thị Hạnh iii Viện khoa học & Công nghệ Môi trường – Đại học Bách khoa Hà Nội Nghiên cứu áp dụng tổng hợp bột TiO2 cỡ nano làm xúc tác quang hóa xử lý mơi trường – Vũ Thị Hạnh – Công nghệ môi trường 2009 MỤC LỤC Trang phụ bìa Lời cam đoan Lời cảm ơn Danh mục bảng Danh mục hình vẽ, biểu đồ MỞ ĐẦU Chương - TỔNG QUAN .3 Chương - TỔNG QUAN .3 1.1 Vật liệu nano ứng dụng 1.2 Cấu trúc ứng dụng TiO2 1.2.1 Các dạng cấu trúc TiO2 .5 1.2.2 Tính chất vật lý TiO2 1.2.3 Tính chất xúc tác quang TiO2 .7 1.2.4 Ứng dụng TiO2 14 1.2 Một số quy trình sản xuất Titan từ tinh quặng ilmenite 15 1.2.1 Sản xuất TiCl4 TiO2 từ tinh quặng ilmenite phương pháp axit hóa .15 1.2.2 Tổng hợp TiO2 từ tinh quặng ilmenite phương pháp thủy phân kiềm .18 1.3 Công nghệ hóa học nano 19 1.3.1 Phương pháp sol – gel .20 1.3.2 Công nghệ hạt nano Micell .21 1.3.3 Tổng hợp hóa học .22 1.3.4 Phương pháp đốt 23 1.4 Phương pháp đẳng nhiệt hấp phụ – giải hấp phụ .23 Chương – ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 24 2.1 Đối tượng nghiên cứu .24 2.2 Hóa chất thiết bị 24 2.3 Phương pháp nghiên cứu 25 iv Viện khoa học & Công nghệ Môi trường – Đại học Bách khoa Hà Nội Nghiên cứu áp dụng tổng hợp bột TiO2 cỡ nano làm xúc tác quang hóa xử lý môi trường – Vũ Thị Hạnh – Công nghệ môi trường 2009 2.3.1 Phương pháp nghiên cứu tài liệu 25 2.3.2 Quy trình tổng hợp bột TiO2 cỡ nano 25 2.3.2 Một số phương pháp nghiên cứu cấu trúc vật liệu .29 2.3.2 Phương pháp xác định thành phần kim loại .31 2.3.4 Phương pháp xác định biến đổi hàm lượng phẩm nhuộm .31 Chương - KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU .34 3.1 Kết nghiên cứu trình tổng hợp bột TiO2 cỡ nano 34 3.1.1 Đặc trưng ilmenite Huế 34 3.1.2 Các yếu tố ảnh hưởng tới q trình phân hủy, hịa tách Titan 34 3.1.3 Khảo sát hiệu tổng hợp bột TiO2 cỡ nano 41 3.1.4 Kết khảo sát cấu trúc, kích thước vật liệu 42 3.2 Kết khảo sát khả xúc tác vật liệu tổng hợp xử lý nước thải pha E-3G 47 3.2.1 Đặc tính ban đầu nước thải pha chứa E-3G 47 3.2.2 Khảo sát yếu tố ảnh hưởng tới hiệu suất xử lý E-3G 49 3.2.3 Nghiên cứu khả tái sinh xúc tác .54 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 56 TÀI LIỆU THAM KHẢO 57 v Viện khoa học & Công nghệ Môi trường – Đại học Bách khoa Hà Nội Nghiên cứu áp dụng tổng hợp bột TiO2 cỡ nano làm xúc tác quang hóa xử lý mơi trường – Vũ Thị Hạnh – Công nghệ môi trường 2009 Danh mục chữ viết tắt COD : Nhu cầu oxy hóa học ICP-MS : Inductively coupled plasma mass spectroscopy SEM : Scanning Electron Microscope XRD : Powder X - rays Diffraction vi Viện khoa học & Công nghệ Môi trường – Đại học Bách khoa Hà Nội Nghiên cứu áp dụng tổng hợp bột TiO2 cỡ nano làm xúc tác quang hóa xử lý mơi trường – Vũ Thị Hạnh – Công nghệ môi trường 2009 Danh mục bảng Bảng Một số thông số vật lý anatase rutile Bảng Năng lượng oxi hoá số tác nhân oxi hoá mạnh 11 Bảng Thành phần hóa học ilmenite Huế 34 Bảng 4: Kết khảo sát ảnh hưởng tỷ lệ H2SO4/ilmenite tới trình hịa tách Titan .35 Bảng Kết khảo sát nồng độ H2SO4 tới q trình hịa tách Titan .36 Bảng Kết khảo sát ảnh hưởng lượng nước tới q trình hịa tách Titan 37 Bảng Kết khảo sát ảnh hưởng nhiệt độ, phản ứng có khuấy trộn 39 Bảng Kết khảo sát ảnh hưởng nhiệt độ, phản ứng không khuấy trộn 39 Bảng Kết khảo sát ảnh hưởng thời gian hoà tách .40 Bảng 11 Mối tương quan giá trị Abs bước sóng nước thải pha 47 Bảng 12 Mối quan hệ khối lượng thuốc nhuộm độ hấp thụ quang 48 Bảng 13 Đặc tính ban đầu nước thải pha chứa E-3G 49 Bảng 14 Ảnh hưởng khối lượng xúc tác đến hiệu suất 50 Bảng 15 Ảnh hưởng pH đến hiệu suất xử lý 51 Bảng 16 Ảnh hưởng thời gian chiếu UV đến hiệu suất xử lý E-3G 52 Bảng 18 Khả xử lý xúc tác qua lần tái sinh 55 vii Viện khoa học & Công nghệ Môi trường – Đại học Bách khoa Hà Nội Nghiên cứu áp dụng tổng hợp bột TiO2 cỡ nano làm xúc tác quang hóa xử lý mơi trường – Vũ Thị Hạnh – Công nghệ môi trường 2009 Danh mục hình vẽ, đồ thị Hình : Cấu trúc bát diện TiO6 .6 Hình 2: Cấu trúc tinh thể dạng thù hình TiO2 Hình 3: Chất rắn bán dẫn Hình 4: Hoạt động hạt bán dẫn bị kích thích ánh sáng .8 Hình 5: Cơ chế xúc tác quang hóa chất bán dẫn 10 Hình : Phản ứng oxy hoá khử bề mặt TiO2 [1] 11 Hình 7: Một số ứng dụng TiO2 15 Hình 8: Sản xuất TiCl4 TiO2 từ tinh quặng ilmenite phương pháp axit .16 Hình 9: Tổng hợp TiO2 từ tinh quặng ilmenite phương pháp kiềm 18 Hình 10: Sơ đồ trình chế tạo hạt nano polymer dẫn lai hạt kim loại theo công nghệ nano micell 22 Hình 11: Tổng hợp TiO2 cỡ nano từ ilmenite Huế .26 Hình 12: Tổng hợp TiO2 cỡ nano từ TiO2 thương mại 28 Hình 13: Nguyên lí cấu tạo máy nhiễu xạ tia X 30 Hình 14: Sơ đồ tia tới tia phản xạ tinh thể 30 Hình 15: Đồ thị khảo sát ảnh hưởng tỷ lệ H2SO4/ilmenite tới q trình hịa tách Titan 35 Hình 16: Đồ thị khảo sát nồng độ H2SO4 tới q trình hịa tách Titan 36 Hình 17: Đồ thị khảo sát ảnh hưởng lượng nước tới q trình hịa tách Titan 38 Hinh 18: Kết khảo sát ảnh hưởng nhiệt độ tốc độ khuấy 39 Hình 19: Đồ thị khảo sát ảnh hưởng thời gian hoà tách 41 Hình 20: Vật liệu TiO2 sau nung 5000C .42 Hình 21: Ảnh XRD vât liệu tổng hợp từ ilmenite 43 Hình 22: Ảnh XRD vât liệu tổng hợp từ TiO2 thương mại 44 Hình 23: Ảnh SEM vât liệu TiO2 điều chế từ Ilmenite 46 Hình 24: Ảnh SEM vật liệu TiO2 điều chế từ TiO2 thương mại 46 Hình 25: Đồ thị biểu diễn mối tương quan độ hấp thụ quang bước sóng .48 Hình 26: Đồ thị đường chuẩn xác định hàm lượng phẩm nhuộm E-3G 49 Hình 27: Mối tương quan hàm lượng xúc tác nồng độ E-3G 50 viii Viện khoa học & Công nghệ Môi trường – Đại học Bách khoa Hà Nội Nghiên cứu áp dụng tổng hợp bột TiO2 cỡ nano làm xúc tác quang hóa xử lý môi trường – Vũ Thị Hạnh – Công nghệ môi trường 2009 Hinh 28: Ảnh hưởng pH đến nồng độ E-3G 52 Hình 29 Sự phụ thuộc nồng độ E-3G vào thời gian chiếu UV 53 Hình 30 Sự giảm nồng độ E-3G thay đổi lượng tác nhân oxi hóa H2O2 .54 ix Viện khoa học & Công nghệ Môi trường – Đại học Bách khoa Hà Nội Nghiên cứu áp dụng tổng hợp bột TiO2 cỡ nano làm xúc tác quang hóa xử lý môi trường – Vũ Thị Hạnh – Công nghệ môi trường 2009 MỞ ĐẦU Trong thời đại ngày nay, ô nhiễm môi trường trở thành vấn đề mang tính tồn cầu, ảnh hưởng trực tiếp đến sống sản xuất người, làm thay đổi khí hậu dẫn đến thảm hoạ thiên nhiên tàn khốc Do đó, việc quan tâm xử lý nhiễm mơi trường có vai trị ý nghĩa đặc biệt quan trọng sống tương lai loài người Nước thải ngành dệt nhuộm có chứa nhiều loại chất hữu mang màu, khó phân hủy sinh học, gây nhiễm nghiêm trọng cho nguồn tiếp nhận Do đó, việc quan tâm xử lý hợp chất hữu bền có loại thuốc nhuộm có vai trò ý nghĩa đặc biệt quan trọng sống tương lai loài người Hiện giới có nhiều phương pháp để xử lý hợp chất hữu khó phân hủy sinh học, phương pháp quan trọng hứa hẹn đem đến thành tựu to lớn cho người phương pháp quang xúc tác Phương pháp có nhiều ưu điểm trội hiệu xử lý cao có khả khống hóa hồn tồn hợp chất hữu độc hại thành hợp chất vơ độc Một chất sử dụng rộng rãi làm xúc tác quang hóa TiO2 Trong hai thập kỷ gần đây, q trình xúc tác quang hóa bán dẫn TiO2 xem phương pháp hiệu có triển vọng thay phương pháp truyền thống để xử lý chất hữu mơi trường nước khơng khí Trong lĩnh vực nghiên cứu cho thấy TiO2 sử dụng dạng bột, kích thước nano tinh thể dạng anatase có hoạt tính xúc tác cao tác dụng xạ UV Sản xuất nano TiO2 từ nguyên liệu ban đầu sa khoáng ilmenite Việt Nam hướng nghiên cứu phát triển gần nước ta tính sẵn có loại quặng hàm lượng cao Titan ilmenite Trên sở khoa học thực tiễn tơi chọn đề tài khóa luận là: “Nghiên cứu áp dụng tổng hợp bột TiO2 cỡ nano làm xúc tác quang hóa xử lý mơi trường” Ngun liệu ban đầu sa khống ilmenite Huế, hoạt tính xúc tác sản phẩm đánh giá thông qua khả khử màu phân hủy thuốc nhuộm vàng phân tán E-3G Viện khoa học & Công nghệ Môi trường – Đại học Bách khoa Hà Nội Nghiên cứu áp dụng tổng hợp bột TiO2 cỡ nano làm xúc tác quang hóa xử lý mơi trường – Vũ Thị Hạnh – Công nghệ môi trường 2009 Khi đo phổ XRD, ta có thơng tin đỉnh phổ cường độ đỉnh phổ Đỉnh phổ đặc trưng cho mạng tinh thể có chất rắn, điều đồng nghĩa đặc trưng cho chất cụ thể thành phần chất rắn Còn cường độ đỉnh phổ đặc trưng cho mức độ tinh thể hóa chất Theo lý thuyết chung, lượng vật chất chất nhiều đỉnh phổ cao, cách so sánh phổ đỉnh phổ đo với phổ đỉnh phổ vật chất tinh khiết ta tính tốn suy khối vật chất rắn có chất hàm lượng Theo nguyên tắc, ta sử dụng XRD để định lượng hàm lượng chất mẫu bột rắn phân tích, chiều cao đỉnh phổ phụ thuộc vào mức độ tinh thể mẫu mà ta dùng để đo Tuy nhiên có mẫu mà chất cần xác định có hàm lượng cao độ tinh thể lại yếu tố khách quan trình tổng hợp đỉnh phổ khơng thể cao, ngược lại, có mẫu mà chất cần xác định có hàm lượng thấp độ tinh thể lại cao đỉnh phổ cao Vì vậy, việc dùng XRD để định lượng thường khó khăn khơng xác, dùng kết đo XRD để xác định cấu trúc hạt thành phần chất rắn phân tích xác hiệu Kết phân tích cho thấy: - Đối với mẫu vật liệu tổng hợp từ TiO2 thương mại nung 5000C có pic đặc trưng tinh thể anatas TiO2 2θ = 25,20o số pic dạng rutil - Đối với mẫu vật liệu tổng hợp từ ilmenite đốt dung dịch 5000C không xuất pic lạ, pic đặc trưng tinh thể anatas TiO2 2θ = 25,22o số pic dạng rutil Điều chứng tỏ vật liệu TiO2 cỡ nano điều chế thành cơng phịng thí nghiệm với ngun liệu ban đầu ilmenite Huế 3.1.4.2 Kết phân tích ảnh SEM vật liệu Kết nghiên cứu thể qua hình 23 hình 24 45 Viện khoa học & Công nghệ Môi trường – Đại học Bách khoa Hà Nội Nghiên cứu áp dụng tổng hợp bột TiO2 cỡ nano làm xúc tác quang hóa xử lý môi trường – Vũ Thị Hạnh – Công nghệ mơi trường 2009 Hình 23: Ảnh SEM vât liệu TiO2 điều chế từ Ilmenite Hình 24: Ảnh SEM vật liệu TiO2 điều chế từ TiO2 thương mại Trên ảnh hiển vi điện tử quét mẫu vật liệu TiO2 với độ phóng đại 100000 lần, kích thước hạt mẫu nhận sau:éa 46 Viện khoa học & Công nghệ Môi trường – Đại học Bách khoa Hà Nội Nghiên cứu áp dụng tổng hợp bột TiO2 cỡ nano làm xúc tác quang hóa xử lý môi trường – Vũ Thị Hạnh – Công nghệ môi trường 2009 Với mẫu vật liệu điều chế từ Ilmenite nung thấy hạt vật liệu có dạng hình cầu, hình ống với kích thước khoảng 90-100nm, kích thước hạt phát triển tương đối đồng Với mẫu vật liệu điều chế từ TiO2 thương mại (kích thước ban đầu 5-10µm) có dạng hình cầu với kích thước khoảng 50-60 nm, kích thước hạt mẫu nhận tương đối đồng 3.2 Kết khảo sát khả xúc tác vật liệu tổng hợp xử lý nước thải pha E-3G 3.2.1 Đặc tính ban đầu nước thải pha chứa E-3G 3.2.1.1 Kết xác định λmax nước thải pha chứa E-3G Bảng 11 Mối tương quan giá trị Abs bước sóng nước thải pha Bước sóng Bước sóng λ (nm) Độ hấp thụ quang (Abs) λ (nm) Độ hấp thụ quang (Abs) 340 0,187 480 0,268 360 0,223 500 0,236 380 0,304 520 0,209 400 0,369 540 0,185 405 0,377 560 0,158 410 0,383 580 0,154 415 0,374 600 0,144 420 0,348 610 0,139 440 0,297 630 0,135 460 0,288 650 0,121 47 Viện khoa học & Công nghệ Môi trường – Đại học Bách khoa Hà Nội Nghiên cứu áp dụng tổng hợp bột TiO2 cỡ nano làm xúc tác quang hóa xử lý mơi trường – Vũ Thị Hạnh – Công nghệ môi trường 2009 0.450 Độ hấp thụ quang (Abs 0.400 0.350 0.300 0.250 0.200 0.150 0.100 0.050 0.000 300 350 400 450 500 550 600 650 700 Bước sóng (nm) Hình 25: Đồ thị biểu diễn mối tương quan độ hấp thụ quang bước sóng Từ đồ thị ta xác định λ max=410 nm 3.2.1.2 Kết dựng đường chuẩn xác định hàm lượng E-3G Bảng 12 Mối quan hệ khối lượng thuốc nhuộm độ hấp thụ quang Nồng độ thuốc nhuộm (g/l) Độ hấp thụ quang (ABS) 0,005 0,030 0,050 0,080 0,100 0,150 0,200 0,163 0,395 0,590 0,920 1,120 1,605 2,060 48 Viện khoa học & Công nghệ Môi trường – Đại học Bách khoa Hà Nội Nghiên cứu áp dụng tổng hợp bột TiO2 cỡ nano làm xúc tác quang hóa xử lý môi Độ hấp thụ quang (Abs) trường – Vũ Thị Hạnh – Công nghệ môi trường 2009 2.500 y = 9.841x + 0.1144 R = 0.9993 2.000 1.500 1.000 0.500 0.000 0.000 0.050 0.100 0.150 0.200 0.250 Nồng độ thuốc nhuộm (g/ml) Hình 26: Đồ thị đường chuẩn xác định hàm lượng phẩm nhuộm E-3G Kết cho thấy đường chuẩn xác định hàm lượng phẩm nhuộm tuyến tính vùng nồng độ - 0,200 g/l 3.2.1.3 Đặc tính ban đầu nước thải pha chứa E-3G Nước thải pha chứa phẩm nhuộm vàng phân tán E-3G: Cân xác 0,2g thuốc nhuộm cho vào cốc, thêm 1000ml nước, khuấy Đặc tính nước thải pha sau Bảng 13 Đặc tính ban đầu nước thải pha chứa E-3G TT Thông số Giá trị Nồng độ phẩm E-3G (mg/l) 200 COD (mg/l) 318,5 pH 6,80 3.2.2 Khảo sát yếu tố ảnh hưởng tới hiệu suất xử lý E-3G 3.2.2.1 Khảo sát ảnh hưởng lượng xúc tác đến hiệu suất xử lý E-3G Mỗi mẫu lấy 40 ml nước thải pha nồng độ 200mg/l cho vào cốc thủy tinh 100ml Sau cho vật liệu tổng hợp với khối lượng tương ứng (0,000g, 0,005g; 0,010g; 0,015g; 0,020g; 0,025g; 0,030g 0,040g) vào, khuấy 30 phút Điều chỉnh pH giá trị xác định (pH = 4.00) sử dụng dung dịch H2O2 30% 49 Viện khoa học & Công nghệ Môi trường – Đại học Bách khoa Hà Nội Nghiên cứu áp dụng tổng hợp bột TiO2 cỡ nano làm xúc tác quang hóa xử lý mơi trường – Vũ Thị Hạnh – Công nghệ môi trường 2009 làm tác nhân oxi hóa Đem mẫu chiếu UV (ở bước sóng 210nm, khoảng cách từ nguồn sáng tới mẫu 20cm) 30 phút Sau thời gian chiếu UV, hỗn hợp cốc lọc qua giấy lọc đem xác định hàm lượng phẩm màu nước thải sau xử lý Kết khảo sát trình chi tiết: Bảng 14 Ảnh hưởng khối lượng xúc tác đến hiệu suất Khối lượng vật liệu Nồng độ E-3G sau xử lý Hiệu suất (g/40ml nước thải pha) (mg/l) (%) 0,000 196,52 1,74 0,005 176,16 11,9 0,010 145,42 27,3 0,015 121,35 39,3 0,020 85,16 57,4 0,025 62,87 68,6 0,030 49,12 75,4 0,040 47,93 76,0 Nồng độ E - 3G sau xử lý (mg/l) 250 200 150 100 50 0.000 0.010 0.020 0.030 0.040 0.050 Khối lượng vật liệu xúc tác (g/40ml nước thải pha) Hình 27: Mối tương quan hàm lượng xúc tác nồng độ E-3G 50 Viện khoa học & Công nghệ Môi trường – Đại học Bách khoa Hà Nội Nghiên cứu áp dụng tổng hợp bột TiO2 cỡ nano làm xúc tác quang hóa xử lý mơi trường – Vũ Thị Hạnh – Công nghệ môi trường 2009 Kết khảo sát cho thấy lượng xúc tác 0,03g nước thải hiệu suất xử lý đạt 75,4% tăng lượng xúc tác lên 0,04g nước thải hiệu suất xử lý tăng không đáng kể (76,0%) Do chúng tơi lựa chọn lượng xúc tác thích hợp cho trình xử lý 0,03g cho 40 ml nước thải pha 3.2.2.2 Khảo sát ảnh hưởng pH đến hiệu suất xử lý E-3G Sau xác định lượng vật liệu xúc tác tối ưu cho trình phân hủy E3G tiến hành khảo sát ảnh hưởng pH tới trình phân hủy E-3G Mỗi mẫu lấy 40 ml nước thải pha nồng độ 200mg/l cho vào cốc thủy tinh 100ml Sau cho 0,03g vật liệu tổng hợp vào, khuấy 30 phút Điều chỉnh pH giá trị (pH=2,00; pH=3,00; pH=4,00; pH=4,50; pH=5,00; pH=6,00; pH=7,00 pH =8,00), sử dụng dung dịch H2O2 30% làm tác nhân oxi hóa Đem mẫu chiếu UV (ở bước sóng 210nm, khoảng cách từ nguồn sáng tới mẫu 20cm) 30 phút Sau thời gian chiếu UV, hỗn hợp cốc lọc qua giấy lọc đem xác định hàm lượng phẩm màu nước thải sau xử lý Kết khảo sát trình chi tiết: Bảng 15 Ảnh hưởng pH đến hiệu suất xử lý pH Nồng độ E-3G sau xử lý (mg/l) Hiệu suất (%) 2,00 70,35 64,8 3,00 58,66 70,7 4,00 49,12 75,4 4,50 34,18 82,9 5,00 36,85 81,6 6,00 48,67 75,7 7,00 63,62 68,2 8,00 90,48 54,8 51 Viện khoa học & Công nghệ Môi trường – Đại học Bách khoa Hà Nội Nghiên cứu áp dụng tổng hợp bột TiO2 cỡ nano làm xúc tác quang hóa xử lý môi Nồng độE-3G sau xử lý (mg/l) trường – Vũ Thị Hạnh – Công nghệ môi trường 2009 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 10 pH Hinh 28: Ảnh hưởng pH đến nồng độ E-3G Từ kết thu đưa kết luận pH tối ưu cho q trình xử lý 4,50 hiệu suất xử lý đạt 82,9% 3.2.2.3 Khảo sát ảnh hưởng thời gian chiếu UV đến hiệu suất xử lý E-3G Tiến hành xử lý 40 ml nước thải pha nồng độ 200mg/l 0,03g vật liệu tổng hợp, khuấy 30 phút, giữ pH giá trị pH=4,5, dung dịch H2O2 30% sử dụng làm tác nhân oxi hóa Đem mẫu chiếu UV (ở bước sóng 210nm, khoảng cách từ nguồn sáng tới mẫu 20cm) khoảng thời gian khác (10 phút, 30 phút, 60 phút, 120 phút, 180 phút 240 phút) Sau thời gian chiếu UV, hỗn hợp cốc lọc qua giấy lọc đem xác định hàm lượng phẩm màu nước thải sau xử lý Kết khảo sát trình chi tiết: Bảng 16 Ảnh hưởng thời gian chiếu UV đến hiệu suất xử lý E-3G Thời gian chiếu Nồng độ E-3G sau xử lý (phút) (mg/l) 10 35,95 82,0 30 34,18 82,9 60 31,76 84,1 52 Hiệu suất (%) Viện khoa học & Công nghệ Môi trường – Đại học Bách khoa Hà Nội Nghiên cứu áp dụng tổng hợp bột TiO2 cỡ nano làm xúc tác quang hóa xử lý mơi trường – Vũ Thị Hạnh – Công nghệ môi trường 2009 Nồng độ E-3G sau xử lý (phút) (mg/l) 120 20,25 89,9 180 11,64 92,4 240 5,58 97,2 Nồng độ E-3G sau xử lý (mg/l) Thời gian chiếu Hiệu suất (%) 40 35 30 25 20 15 10 0 50 100 150 200 250 300 Thời gian chiếu UV (phút) Hình 29 Sự phụ thuộc nồng độ E-3G vào thời gian chiếu UV Các nghiên cứu lựa chọn thời gian chiếu UV 3.2.2.4 Tối ưu hóa lượng H2O2 cần cho q trình xử lý E-3G Tiến hành xử lý 40 ml nước thải pha nồng độ 200mg/l 0,03g vật liệu tổng hợp, khuấy 30 phút, giữ pH giá trị pH = 4,50, thay đổi lượng H2O2 30% cho vào dung dịch để làm tác nhân oxi hóa thể tích 0,05 ml; 0,10ml; 0,15ml; 0,20ml; 0,25ml 0,30ml dung dịch cần xử lý Đem mẫu chiếu UV (ở bước sóng 210nm, khoảng cách từ nguồn sáng tới mẫu 20cm) 180 phút Sau thời gian chiếu UV, hỗn hợp cốc lọc qua giấy lọc đem xác định hàm lượng phẩm màu nước thải sau xử lý Bảng 17 Ảnh hưởng lượng H2O2 đến hiệu suất xử lý E-3G Lượng H2O2 30% Nồng độ E-3G sau xử lý Hiệu suất (ml) (mg/l) (%) 0,05 26,30 86,9 53 Viện khoa học & Công nghệ Môi trường – Đại học Bách khoa Hà Nội Nghiên cứu áp dụng tổng hợp bột TiO2 cỡ nano làm xúc tác quang hóa xử lý mơi trường – Vũ Thị Hạnh – Công nghệ môi trường 2009 0,10 14,10 93,0 0,15 11,28 94,4 0,20 9,51 95,2 0,25 8,22 95,9 0,30 5,58 97,2 Nồng độ E-3G sau xử lý (mg/l) 30 25 20 15 10 0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 Lượng H2 O2 30% (ml/40ml nước thải pha) Hình 30 Sự giảm nồng độ E-3G thay đổi lượng tác nhân oxi hóa H2O2 Kết cho thấy lượng H2O2 tăng hiệu suất xử lý tăng, với hàm lượng H2O2 0,1ml/40 ml thấy hiệu suất xử lý thay đổi rõ rệt nhất, hiệu suất xử lý đạt 93% Tiến hành phân tích COD mẫu nước thải điều kiện lựa chọn khối lượng vật liệu xúc tác 0,03g/40ml nước thải; pH = 4,5; 0,1ml H2O2 30%/40ml nước thải Giá trị COD 32,3 mg/l, giá trị giảm nhiều so với giá trị COD nước thải ban đầu (318,5 mg/l) 3.2.3 Nghiên cứu khả tái sinh xúc tác Vật liệu xúc tác sau đem xử lý rửa nước cất Sau sấy 30 phút nhiệt độ 110oC Vật liệu lại tiếp tục tái sinh axit sunfuric 80% với tỉ lệ 0,8ml axit/1g vật liệu, đun hỗn hợp khơ dừng lại Sau vật liệu lại sấy khô lần tủ sấy 15 phút nhiệt độ 110oC 54 Viện khoa học & Công nghệ Môi trường – Đại học Bách khoa Hà Nội Nghiên cứu áp dụng tổng hợp bột TiO2 cỡ nano làm xúc tác quang hóa xử lý môi trường – Vũ Thị Hạnh – Công nghệ môi trường 2009 Khảo sát khả xử lý vật liệu tái sinh: Cân xác 0,03g vật liệu cho vào 30 ml nước thải pha Khuấy đều, điều chỉnh pH pH = 4,50 Cho 0,1 ml H2O2 30% tiếp tục khuấy 30 phút để phản ứng Đem chiếu UV (ở bước sóng 210nm, khoảng cách từ nguồn sáng tới mẫu 20cm) 30 phút Xác định hàm lượng phẩm nhuộm sau xử lý Bảng 18 Khả xử lý xúc tác qua lần tái sinh Lần tái sinh Lần Lần Hàm lượng E-3G Nồng độ E-3G sau ban đầu xử lý (mg/l) (mg/l) 200,00 Hiệu suất (%) 35,60 82,2 79,42 60,3 Kết khảo sát cho thấy, xúc tác có khả tái sinh lần cho kết tái sinh tương đối có hiệu xúc tác ban đầu 55 Viện khoa học & Công nghệ Môi trường – Đại học Bách khoa Hà Nội Nghiên cứu áp dụng tổng hợp bột TiO2 cỡ nano làm xúc tác quang hóa xử lý môi trường – Vũ Thị Hạnh – Công nghệ môi trường 2009 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận Qua trình nghiên cứu dựa kết thực nghiệm thu rút số kết luận sau: Bột TiO2 cỡ nano điều chế thành cơng quy mơ phịng thí nghiệm với nguyên liệu liệu ban đầu ilmenite Huế TiO2 thương mại với điều kiện tối ưu: tỷ lệ khối lượng H2SO4/vật liệu 1,5, nồng độ H2SO4 85%, lượng nước q trình hịa tách 30ml/10g vật liệu, nhiệt độ q trình hịa tách 600C tốc độ khuấy 300 vòng/phút, thời gian Hiệu suất hòa tách Titan đạt 88,8% Sử dụng phương pháp vật lí đại : nhiễu xạ tia X, kính hiển vi điện tử quét SEM để khảo sát đặc tính hóa lý vật liệu + Kết phân tích XRD SEM cho thấy, tinh thể TiO2 thu dạng Anatase với phổ nhiễu xạ đặc trưng cho pha 2θ = 25,220 + Kết phân tích SEM thấy vật liệu TiO2 điều chế từ Ilmenite thấy hạt vật liệu có dạng hình cầu với kích thước khoảng 90-100nm, vật liệu TiO2 điều chế từ TiO2 thương mại có dạng hình cầu với kích thước khoảng 50-60 nm, kích thước hạt mẫu nhận tương đối đồng Tiến hành khảo sát điều kiện tối ưu trình sử dụng xúc tác để phân hủy E-3G pH lượng H2O2 cần sử dụng Kết thu cho thấy pH tối ưu cho trình xử lý pH= 4,50 Thể tích H2O2 tăng khả xử lý tăng, thời gian chiếu UV nhiều khả xử lý cao, hiệu suất xử lý E-3G đạt 97,2% chiếu UV (ở bước sóng 210nm, khoảng cách từ nguồn sáng tới mẫu 20cm) với lượng H2O2 30% 0,30ml Xúc tác có khả tái sinh lần cho kết tái sinh tương đối có hiệu xúc tác ban đầu Kiến nghị Luận văn thực thời gian ngắn nên hạn chế chưa thực toàn diện Trong thời gian tới, tiếp tục mở rộng phạm vi nghiên cứu luận văn cách tiến hành khảo sát cụ thể yếu tố ảnh hưởng trình thủy phân, đốt dung dịch tạo kích thước nano điều kiện khác Tiến hành nghiên cứu hoạt tính quang hóa xúc tác vật liệu với nhiều loại nước thải, thành phần nước thải khác 56 Viện khoa học & Công nghệ Môi trường – Đại học Bách khoa Hà Nội Nghiên cứu áp dụng tổng hợp bột TiO2 cỡ nano làm xúc tác quang hóa xử lý môi trường – Vũ Thị Hạnh – Công nghệ môi trường 2009 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Anh A, Fujishima, X, Zhang, D, A, Tryk (2008), “TiO2 photocatalysis and related surface phenomena”, Surface Science Reports (63), pp.515-582 Bribker C.J Geprge W.S (1990), “ Sol-gel science the physics and chemistry of sol-gel processing”, Academic Press, Sang Diego, New York, Boston, London, Sydney, Tokyo.Bkc, Inc.Tokyo Japan H.E Chao, Y.U Yun, H.U Xiangfang, A Larbot (2003), “Effect of silver doping on the phase transformation and grain growth of sol-gel titania powder”, Journal of the European Ceramic Society, Vol 23, Issue (9), 1457-1464 Jiaguo Yu et al (2000), “ Preparaion, Mcrostructure and Photocatalytic activity of TiO2 thin film”, Journal of Sol-gel Science and Technology (24) 95-103 Jung K.Y., Park S (1999), “ Anatase-phase titania preparation by embedding silica and photocatalytic activity for the decomposition of trichloroethylene”, J Photochem Photobiol A: Chem (127), pp 117-122 K.C Patil at al (2002), “Combustion synthesis”, Cerrent Opinion in Solid State and Materials Science (6), pp 507-512 Legrini O., Oliveros E., Braun A M (1993), “ Photochemical processes for water treatment”, Chem Rev (93), 671-698 M Anpo, M Takeuchi (2003), “The design and development of highly reactive titanium oxide photocatalysts operating under visible light irradiation”, Journal of Catalysis 216, pp 505–516 M.A.Rauf, S.Salman Ashraf, Fundamental principles and application of heterogeneous photocatalytic degradation of dyes in solution, Chemical 10 M.R.Hoffman et al (1995), “Enviromental applications of semiconductor photocatalysis”, Chem.Rev 95, pp 69-96 11 Nishimoto S.-I., Ohtani B., Kajiwara H., Kagiya T(1985), “Correlation of the crystal structure of titanium dioxide prepared from titanium tetra-2propoxide with the photocatalytic activity for redox reactions in aqueous 57 Viện khoa học & Công nghệ Môi trường – Đại học Bách khoa Hà Nội Nghiên cứu áp dụng tổng hợp bột TiO2 cỡ nano làm xúc tác quang hóa xử lý mơi trường – Vũ Thị Hạnh – Công nghệ môi trường 2009 propan-2-ol and silver salt solution”, J Chem Soc., Faraday Trans I (81), pp 61-68 12 Tran Thi Duc, Nguyen Trong Tinh, Nguyen Luong Lam, Vu Thi Minh Hanh and Tran Xuan Hoai (2004) “Appication of the nanostructured TiO2 photocatalyst to create self-cleaning building materials”, The Ninth Asia Pacific Physics Conference 13 Sclafani A., Palmisano L., Schiavello M (1990), “ Influence of the preparation methods of titanium dioxide on the photocatalytic degradation of phenol in aqueous dispersion”, J Phys Chem 94, pp 829-832 14 Zhang Q., Gao L., Guo J (2000), “ Effects of calcination on the photocatalytic properties of nanosized TiO2 powders prepared by TiCl4 hydrolysis”, Appl Cat.B: Environ( 26), pp 207–215 15 Zhang Z., Wang C.C., Zakaria R., Ying J.Y (1998), “ Role of particle size in nanocrystalline TiO2-Based photocatalysts”, J Phys Chem B (102), pp.10871-10878 Tiếng Việt 16 Tạ Đình Cảnh, Nguyễn Thị Thục Hiền (1999), Vật lý bán dẫn, Hà Nội 17 Nguyễn Văn Dũng, Nguyễn Như Liễu, Nguyễn Hữu Chí, Trần Trí Luận (2003), “Nghiên cứu điều chế vật liệu xúc tác quang hóa TiO2 từ sa khống Ilmenite Việt Nam”, Hội nghị hóa học tồn quốc lần thứ IV, Tiểu ban Polime, 195 – 203 18 Phạm Thị Dương cộng (2011), “Nghiên cứu tổng hợp xúc tác quang hoá dị thể cho trình Fenton để xử lý số chất nhiễm hữu nước thải dệt nhộm”, Đại học Hàng Hải, Hải Phòng 19 Nguyễn Hữu Đĩnh, Trần Thị Đà (1999), Ứng dụng số phương pháp phổ nghiên cứu cấu trúc phân tử, NXB Giáo Dục, Hà Nội 20 Nguyễn Đình Huề, Trần Thị Kim Thanh, Nguyễn Thị Thu (2004), Động hoá học xúc tác, NXB Giáo dục, Hà Nội 21 Từ Văn Mặc (2002), Phương pháp vật lý hóa lý phân tích thành phần cấu trúc, NXB Khoa học kỹ thuật, Hà Nội 58 Viện khoa học & Công nghệ Môi trường – Đại học Bách khoa Hà Nội Nghiên cứu áp dụng tổng hợp bột TiO2 cỡ nano làm xúc tác quang hóa xử lý môi trường – Vũ Thị Hạnh – Công nghệ mơi trường 2009 22 Lê Thị Hồi Nam, Bùi Tiến Dũng, Trần Thị Đức, Nguyễn Thị Dung, Nguyễn Xuân Nghĩa (2004), “ Một số yếu tố ảnh hưởng đến hoạt tính xúc tác quang phân hủy phenol màng TiO2/đế kính”, Tạp chí hóa học, T.42 (1), Tr 47-51 23 Hồng Nhâm (2006), Hóa học vơ Tập 3, NXB Giáo Dục, Hà Nội 24 Nguyễn Văn Xuyến (2001), Cấu tạo chất, NXB Giáo Dục, Hà Nội 59 Viện khoa học & Công nghệ Môi trường – Đại học Bách khoa Hà Nội ... 12: Tổng hợp TiO2 cỡ nano từ TiO2 thương mại 28 Viện khoa học & Công nghệ Môi trường – Đại học Bách khoa Hà Nội Nghiên cứu áp dụng tổng hợp bột TiO2 cỡ nano làm xúc tác quang hóa xử lý môi trường. .. Nội Nghiên cứu áp dụng tổng hợp bột TiO2 cỡ nano làm xúc tác quang hóa xử lý mơi trường – Vũ Thị Hạnh – Công nghệ môi trường 2009 Chương - KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 3.1 Kết nghiên cứu trình tổng hợp bột. .. nghệ Môi trường – Đại học Bách khoa Hà Nội Nghiên cứu áp dụng tổng hợp bột TiO2 cỡ nano làm xúc tác quang hóa xử lý mơi trường – Vũ Thị Hạnh – Công nghệ môi trường 2009 Phản ứng xúc tác quang hóa