Nghiên cứu tổng hợp WO3 pt composite định hướng ứng dụng xử lý tetracycline trong nước

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN - Trần Nam Anh NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP WO3/Pt COMPOSITE ĐỊNH HƯỚNG ỨNG DỤNG XỬ LÝ TETRACYCLINE TRONG NƯỚC LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội – 2020 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN - Trần Nam Anh NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP WO3/Pt COMPOSITE ĐỊNH HƯỚNG ỨNG DỤNG XỬ LÝ TETRACYCLINE TRONG NƯỚC Chuyên ngành: Khoa học môi trường Mã số: 8440301.01 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS Đào Văn Dương TS Nguyễn Thị Hạnh Hà Nội – 2020 LỜI CẢM ƠN Trước tiên, tơi xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc đến TS Đào Văn Dương TS Nguyễn Thị Hạnh – người thầy, người cô tâm huyết, mẫu mực tận tình hướng dẫn, dạy giúp đỡ tạo điều kiện thuận lợi cho suốt q trình thực hồn thành luận văn Tôi xin trân trọng cảm ơn Ban giám hiệu Khoa Môi trường – Trường Đại học Khoa học tự nhiên, Khoa Cơng nghệ sinh học, Hóa học Kỹ thuật Môi trường – Trường Đại học Phenikaa tạo điều kiện thuận lợi cho thực hoàn tất kế hoạch nghiên cứu Cuối tơi xin cảm ơn gia đình bạn bè ln ủng hộ, động viên q trình học tập hồn thành luận văn Tơi xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, ngày tháng 12 năm 2020 Học viên thực Trần Nam Anh LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng Các số liệu kết thực nghiệm nêu luận văn trung thực thực trực tiếp Phịng thí nghiệm Khoa Mơi trường – Trường Đại học Khoa học tự nhiên Phòng thí nghiệm Khoa Cơng nghệ sinh học, Hóa học Kỹ thuật Môi trường – Trường Đại học Phenikaa, không chép từ nguồn hình thức Việc tham khảo nguồn tài liệu (nếu có) trích dẫn ghi nguồn tài liệu tham khảo theo quy định Học viên thực Trần Nam Anh MỤC LỤC DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT v DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU…………………………………………… vi DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH…………………………………………… vii MỞ ĐẦU CHƯƠNG TỔNG QUAN 11 1.1 lý Tổng quan ô nhiễm kháng sinh Tetracycline phương pháp xử 11 1.1.1 Nguồn phát sinh đặc tính Tetracycline môi trường nước 11 1.1.2 Các phương pháp xử lý kháng sinh môi trường nước 1.1.3 Một số nghiên cứu xử lý kháng sinh Tetracycline môi trường nước 14 13 1.2 Tổng quan vật liệu nanocomposite 18 1.3 Tổng quan vật liệu WO3 WO3/Pt 19 1.3.1 Vật liệu WO3 cấu trúc nano 19 1.3.2 Vật liệu WO3/Pt cấu trúc nano 21 1.3.3 Một số phương pháp tổng hợp nano WO3/Pt 22 1.3.4 Một số nghiên cứu WO3/Pt ứng dụng xử lý môi trường 24 1.4 Tổng quan vể phương pháp tổng hợp vật liệu dựa plasma 26 1.4.1 Tổng quan plasma 26 1.4.2 Một số nghiên cứu biến tính bề mặt vật liệu dựa plasma lạnh 27 CHƯƠNG PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 28 2.1 Đối tượng nghiên cứu 28 2.2 Phạm vi nghiên cứu 28 2.3 Phương pháp nghiên cứu 28 i 2.4 Thực nghiệm 28 2.4.1 Hóa chất, thiết bị dụng cụ 28 2.4.2 Quy trình tổng hợp vật liệu cấu trúc nano WO3 phương pháp kết tủa 28 2.4.3 Quy trình tổng hợp WO3/Pt phương pháp plasma 28 2.4.4 Phương pháp phân tích đặc tính vật liệu 29 2.4.4.1 Phương pháp nhiễu xạ tia X 29 2.4.4.2 Phương pháp kính hiển vi điện tử quét tích hợp phổ kế tán sắc lượng tia X (SEM/EDS) 31 2.4.4.3 Phương pháp chụp ảnh kính hiển vi điện tử truyền qua TEM 32 2.4.4.4 Phổ phản xạ khuếch tán UV-Vis (DRS) 32 2.4.4.5 Phân tích zeta (ξ) 34 2.4.4.6 Phân tích điểm đẳng điện (pHpzc) 34 2.4.5 NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG XỬ LÝ TETRACYCLINE TRONG MÔI TRƯỜNG NƯỚC CỦA WO3 VÀ WO3/Pt 35 2.4.5.1 Phương pháp xác định nồng độ TTC nước 35 2.4.5.2 Khảo sát khả xử lý TTC môi trường nước WO3 WO3/Pt 35 2.4.5.3 Phương pháp phân tích TOC 36 2.4.5.4 Phương pháp phân tích sắc ký lỏng hiệu cao ghép khối phổ 37 2.4.5.5 Phương pháp thiết lập phương trình động học dạng tuyến tính 38 CHƯƠNG KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 41 3.1 KẾT QUẢ PHÂN TÍCH ĐẶC TÍNH VẬT LIỆU WO3 VÀ WO3/Pt NANO COMPOSITE 41 3.1.1 Kết phân tích cấu trúc tinh thể vật liệu WO3 WO3/Pt 3.1.2 Kết phân tích hình thái cấu trúc hóa học vật liệu WO3 WO3/Pt 41 43 ii 3.1.3 Kết phân tích cấu trúc kích thước vật liệu WO3 WO3/Pt 44 3.1.4 Kết xác định lượng vùng cấm vật liệu WO3 WO3/Pt 46 3.1.5 3.2 Kết phân tích zeta pHpzc vật liệu WO3/Pt 48 KẾT QUẢ THỬ NGHIỆM XỬ LÝ KHÁNG SINH TETRACYCLINE BẰNG VẬT LIỆU CẤU TRÚC NANO WO3 VÀ WO3/Pt 48 3.2.1 Khảo sát ảnh hưởng ánh sáng đến hiệu suất xử lý TTC WO3 WO3/Pt 3.2.2 48 Khảo sát thời gian đạt trạng thái cân hấp phụ TTC WO3/Pt 50 3.2.3 Khảo sát ảnh hưởng thời gian chiếu sáng tới hiệu suất xử lý TTC WO3/Pt 3.2.4 51 Khảo sát ảnh hưởng pH đến hiệu suất xử lý Tetracycline WO3/Pt 3.2.5 54 Khảo sát ảnh hưởng hàm lượng WO3/Pt đến hiệu suất xử lý Tetracycline 3.2.6 57 Khảo sát ảnh hưởng nồng độ Tetracycline ban đầu đến hiệu suất xử lý Tetracycline WO3/Pt 59 3.2.7 Khảo sát hiệu suất xử lý TTC WO3/Pt điều kiện phù hợp 61 3.2.8 Đánh giá hiệu suất khống hóa TTC nhờ q trình xử lý vật liệu quang xúc tác WO3/Pt điều kiện thích hợp 3.2.9 63 Dự đoán sản phẩm tạo thành sau phản ứng đường phân hủy quang hóa xúc tác TTC WO3/Pt 65 3.2.10 Mô tả chế xử lý TTC WO3/Pt 3.2.11 Thiết lập phương trình động học phân hủy quang hóa TTC WO3/Pt 71 71 iii KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ………………………………………… 75 TÀI LIỆU THAM KHẢO ………………………………………………… 78 PHỤ LỤC ……………………………………………………………… 96 iv DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT TT Ký hiệu, Tên tiếng anh Nghĩa tiếng việt Energy-dispersive X-ray Tán xạ lượng tia X viết tắt EDX/EDS Spectroscopy Eg Band gap energy Năng lượng vùng cấm IR Infrared Hồng ngoại Nm Nano meter Nano met SEM Scanning Electron Microscopy Kính hiển vi điện tử quét TEM Transmission Electron Microscopy Kính hiển vi điện tử truyền qua TLTK - Tài liệu tham khảo TOC Total organic carbon Cacbon hữu tổng số TTC Tetracycline Tetracycline 10 UV-VIS Ultraviolet–Visible Tử ngoại – khả kiến 11 XRD X–ray Diffraction Nhiễu xạ tia X v DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1 Một số nghiên cứu xử lý TTC nước 15 Bảng 1.2 Một số phương pháp tổng hợp trực tiếp WO3/Pt biến tính từ WO3 23 Bảng 1.3 Một số yếu tố ảnh hưởng đến phản ứng quang xúc tác 25 Bảng 1.4 Một số nghiên cứu biến tính vật liệu ứng dụng plasma lạnh 27 Bảng 2.1 Phương trình mơ hình động học dạng tuyến tính 40 Bảng 3.1 Hiệu phân hủy Tetracycline theo thời gian chiếu sáng 51 Bảng 3.2 Ảnh hưởng hàm lượng WO3/Pt đến trình xử lý TTC 58 Bảng 3.3 Các thông số động học mơ hình động học biểu kiến bậc phân hủy quang hóa TTC WO3/Pt nồng độ khác 72 Bảng 3.4 Các thơng số động học mơ hình động học biểu kiến bậc phân hủy quang hóa TTC WO3/Pt nồng độ khác 73 vi Luận văn tốt nghiệp Khoa Môi trường Cấu trúc WO3/Pt Hình thái kích thước Cấu trúc tinh thể Chất ô Điều kiện xử lý nhiễm WO3/Pt dạng hạt với kích với kích thước hạt 50 – 350 nm, độ dày 20 – 40 nm Đơn tà tam tà - Xử lý ánh sáng đèn Xenon Xanh metylen WO3/Pt hình khối với kích thước hạt 50 – 300 nm WO3/Pt dạng lục giác, kích thước hạt 400 – 1500 nm, độ dày 25 – 75 nm Năm suất công xử lý bố TLTK 11% thước hạt 10 – 10000 nm WO3/Pt hình thái dạng Hiệu 60% - 50mg WO3/Pt / 50ml MB 10-5M - Xử lý hấp phụ tối chiếu sáng Đơn tà 2014 [42] 2015 [14] 68% 81% lục phương - Xử lý ánh sáng hệ đèn mơ WO3/Pt dạng hạt với kích thước 100 – 200 nm, diện tích bề mặt m2/g Đơn tà Microcystin -LR ánh sáng mặt trời (XC-100B, SERICLtd., Nhật Bản), 60 phút hấp phụ tối chiếu sáng - 5ml MC-LR mg/l 88% Luận văn tốt nghiệp Khoa Mơi trường Cấu trúc WO3/Pt Hình thái kích thước Cấu trúc tinh thể Chất Điều kiện xử lý nhiễm Hiệu Năm suất công xử lý bố WO3/0.5% Pt hình cầu - Xử lý ánh sáng đèn Halogen 84% WO3/1% Pt hình cầu - 100 mg WO3/Pt / 100 ml MTBE 100 76% ppb 56% - Xử lý 30 phút hấp phụ tối 84% chiếu sáng 72% WO3/1.5% Pt hình cầu WO3/2% Pt hình cầu WO3/2.5% Pt hình cầu Tam tà Metyl tert butyl ete 2018 TLTK [18] (Nguồn: Tổng hợp) Luận văn tốt nghiệp Khoa Môi trường Phụ lục * Phương pháp xây dựng đường chuẩn TTC - Dung dịch kháng sinh TTC có nồng độ 10 mg/l xác định bước sóng hấp thụ cực đại máy quang phổ UV/VIS 6850 (Jenway) λ = 357 nm (Hình – Phụ lục 3) Hình Kết quét bước sóng dung dịch TTC máy quang phổ UV/VIS 6850 (Jenway) - Chuẩn bị dung dịch chuẩn gốc TTC 100 mg/l: Cân 0.1 g TTC cốc chứa 10 ml nước, thêm - giọt HCl đậm đặc, lắc đến kháng sinh tan hoàn toàn Chuyển tồn dung dịch vào bình định mức l định mức nước khử ion tới vạch - Chuẩn bị dãy dung dịch TTC từ dung dịch chuẩn gốc TTC 100 mg/l với nồng độ nồng độ 0; 1; 2; 3; 4, 5; 7,5; 10; 15; 20 40 mg/l - Phương trình đường chuẩn TTC dựa mối tương quan nồng độ dung dịch độ hấp thụ quang (Abs) λ = 357 nm xây dựng cho kết C (mg/l) = 33,5039 x Abs + 0,0301; R2 = 0,9999 (Hình – Phụ lục 3) Hệ số tương quan R2 lớn 0,95 thể mối tương quan chặt chẽ nồng độ Abs Vậy nên, đường chuẩn xây dựng đáng tin cậy để xác định TTC thí nghiệm Luận văn tốt nghiệp Khoa Môi trường 40 Nồng độ TTC (mg/l) 30 , + 9x 21 ,50 33 9999 y = = 0, R 30 20 10 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 Abs Hình Đường chuẩn xác định TTC nước * Phương pháp kiểm sốt chất lượng thử nghiệm Một phương pháp phân tích tốt ngồi việc có sai số nhỏ cịn u cầu có độ lặp lại cao Theo lý thuyết thống kê, đại lượng đặc trưng cho độ lặp lại độ lệch chuẩn (SD) độ tái lặp (RSD%) Để đảm bảo chất lượng thử nghiệm, tác giả tiến hành sau: Mẫu thử dung dịch chứa TTC có nồng độ 1mg/l (ký hiệu mẫu: MT) xác định lặp lại 10 lần Đồng thời, mẫu thêm chuẩn 5mg/l mẫu thử xác định lặp lại lần Giới hạn phát (LOD – Limit of detection) thông số đặc trưng cho độ nhạy phương pháp phân tích Giới hạn định lượng (LOQ – Limit of quantification) nồng độ thấp chất phân tích mẫu định lượng xác Các kết Bảng – Phụ lục Luận văn tốt nghiệp Khoa Môi trường Bảng Độ lặp lại, độ thu hồi, giới hạn phát hiện, giới hạn định lượng phương pháp mẫu nước Ký hiệu mẫu Kết đo MT.ML1 1,0174 MT.ML2 0,9793 MT.ML3 0,9833 MT.ML4 0,9791 MT.ML5 1,0491 MT.ML6 0,9704 MT.ML7 1,0207 MT.ML8 0,9856 MT.ML9 0,9598 MT.ML10 1,0585 MT.MTC1 6,0129 ̅ (MTC) = 6,0152 (mg/l) X MT.MTC2 6,0175 HSTH = 100,29% Thông số ̅ = 1,0003 (mg/l) X SD = 0,0034 RSD = 3,3994% LOD = 3*SD = 0,102 (mg/l) LOQ = 10*SD = 0,34 (mg/l) ̅ / LOD = 9,805 < 10