THÔNG TIN TÀI LIỆU
Tạp chí Khoa học ĐHQGHN: Các Khoa học Trái đất Môi trường, Tập 32, Số 1S (2016) 140-146 Sự phân hủy phẩm màu Direct Blue 71 chất xúc tác quang FeNS-TiO2 ánh sáng khả kiến Nguyễn Thị Hạnh*, Phạm Thị Hà Nhung, Dương Thị Thu Huyền, Nguyễn Văn Nội Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQGHN, 334 Nguyễn Trãi, Hà Nội, Việt Nam Nhận ngày 26 tháng năm 2016 Chỉnh sửa ngày 27 tháng năm 2016; Chấp nhận đăng ngày tháng năm 2016 Tóm tắt: Sự phân hủy quang hóa phẩm màu Direct Blue 71 (DB71) có mặt chất xúc tác FeNSTiO2 nghiên cứu Ảnh hưởng yếu tố thí nghiệm khác nguồn ánh sáng, pH lượng chất xúc tác đến phân hủy hóa học khảo sát Kết thu rằng, giá trị tối ưu pH, nguồn ánh sáng lượng chất xúc tác cho phân hủy DB71, tương ứng pH = 4, nguồn sáng khả kiến 0,5 g/L chất xúc tác Sau thời gian phản ứng 150 phút điều kiện tối ưu, 88,05% DB71 bị phân hủy Mức độ khoáng hoá DB71 chất xúc tác tổng hợp được, xác định phân tích tổng cacbon hữu (TOC) Kết phân tích TOC cho thấy, hầu hết DB71 bị khống hóa sau ánh sáng khả kiến Sự tồn trạng thái liên kết của các nguyên tố Fe, N, S vật liệu xúc tác FeNS-TiO2 thể rõ phổ quang điện tử tia X Từ khóa: Quang xúc tác, ánh sáng khả kiến, Direct Blue 71, FeNS-TiO2 Mở đầu* tính độc hại nguy hiểm hợp chất họ azo môi trường sức khỏe người, đặc biệt chúng gây ung thư cho người sử dụng [3] Phẩm màu Direct Blue (DB71) loại phẩm màu họ azo, dùng để nhuộm loại sợi xenlulozơ, sợi viscose, viscose/PVA, sử dụng ngành thuộc da, giấy, nhựa Vì vậy, việc xử lý nước thải chứa phẩm màu vấn đề cần quan tâm nghiên cứu Tuy nhiên, phẩm màu nói chung DB71 nói riêng khó bị phân hủy sinh học, cấu trúc bền vững có mặt vịng thơm Các trình xử lý (hấp phụ, siêu lọc, thẩm thấu ngược keo tụ) giải triệt để chất ô nhiễm mà chuyển chất nhiễm từ mơi trường nước sang môi trường Mặt Phẩm màu sử dụng rộng rãi nhiều ngành công nghiệp giấy, cao su, chất dẻo đặc biệt công nghiệp dệt nhuộm Thơng thường q trình nhuộm, phẩm màu khơng bám dính hết vào sợi vải, nên sau cơng đoạn nhuộm, nước thải thường tồn dư lượng định, chí lên tới 50% tổng lượng phẩm màu sử dụng ban đầu Đây thành phần khó xử lý, đặc biệt phẩm màu họ azo, chiếm tới 60 - 70% thị phần, sử dụng phổ biến [1, 2] Gần đây, nhà nghiên cứu phát _ * Tác giả liên hệ ĐT.: 84-989216006 Email: hanhnguyenmt@gmail.com 140 N.T Hạnh nnk / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN: Các Khoa học Trái đất Môi trường, Tập 32, Số 1S (2016) 140-146 khác khả tái sinh vật liệu khó khăn giá thành tái sinh thường cao Một giải pháp hữu hiệu để phân hủy hoàn toàn chất hữu môi trường nước thành sản phẩm không độc hại q trình oxi hóa tăng cường sử dụng xúc tác quang hóa Theo kết nghiên cứu tổng hợp vật liệu xúc tác quang FeNS-TiO2 công bố, điều kiện tối ưu hàm lượng Fe, N, S pha tạp nhiệt độ nung, số phương pháp phân tích liên quan tới đặc tính vật liệu tổng hợp được, khảo sát (XRD, UVVis,…) Tuy nhiên, chưa thể xác định tồn trạng thái liên kết nguyên tố Fe, N S vật liệu [4] Vì vậy, việc đánh giá sâu đặc trưng cấu trúc vật liệu FeNS-TiO2 tổng hợp điều kiện tối ưu thông qua kết phổ quang điện tử tia X (XPS), đồng thời ảnh hưởng số yếu tố đến trình quang phân hủy phẩm màu DB71 khả khống hóa DB71 xúc tác khảo sát nghiên cứu Thực nghiệm 2.1 Tổng hợp vật liệu FeNS-TiO2 Quy trình điều kiện tối ưu tổng hợp vật liệu FeNS-TiO2 thực hiên sở kết nghiên cứu công bố [4] Chụp phổ XPS vật liệu xúc tác tổng hợp Viện Khoa học Công nghệ Quốc gia Ulsan (UNIST), Hàn Quốc để xác định tồn trạng thái liên kết nguyên tố Fe, N S vật liệu 2.2 Nghiên cứu yếu tố ảnh hưởng đến khả xử lý phẩm màu DB71 vật liệu FeNS-TiO2 a) Ảnh hưởng pH: Dung dịch DB71 nồng độ 25 mg/L pha từ phẩm màu DB71, giá trị pH dung dịch điều chỉnh khoảng từ - 8, lượng xúc tác FeNS-TiO2 cho vào L dung dịch pha chế 0,5 g Hỗn hợp 141 chiếu sáng liên tục đèn Compact 36 W (có phổ chủ yếu vùng khả kiến) khoảng thời gian 150 phút, có khuấy Đèn bố trí cách bề mặt dung dịch khoảng 20 cm Xác định hàm lượng phẩm màu sau phản ứng, từ tìm giá trị pH thích hợp cho q trình xử lý DB71 b) Ảnh hưởng hàm lượng xúc tác FeNSTiO2: Hàm lượng chất xúc tác thay đổi từ 0,1 g/L đến g/L, pH dung dịch điều chỉnh giá trị pH tối ưu thu mục 2.2a, thí nghiệm tiến hành tương tự mục 2.2a Sau khoảng thời gian 30 phút, lấy mẫu dung dịch, đem lọc xác định nồng độ phẩm màu, từ xác định hàm lượng xúc tác tối ưu cho trình xử lý DB71 chất xúc tác FeNS-TiO2 c) Ảnh hưởng điều kiện chiếu sáng: Thí nghiệm tiến hành tương tự mục 2.2a điều kiện chiếu sáng khác nhau: không chiếu sáng, chiếu sáng ánh sáng mặt trời chiếu sáng đèn Compact 36 W pH dung dịch thu từ thí nghiệm (mục 2.2a) hàm lượng chất xúc tác thu từ thí nghiệm mục 2.2b Mẫu dung dịch lấy sau khoảng thời gian 30 phút, đem lọc xác định nồng độ phẩm màu để xác định điều kiện chiếu sáng thích hợp cho trình quang phân hủy DB71 chất xúc tác FeNS-TiO2 Nồng độ phẩm màu xác định phương pháp trắc quang, máy quang phổ UV-Vis Labomed (Mỹ) Phịng thí nghiệm Phân tích mơi trường, khoa Mơi trường, trường ĐHKHTN, ĐHQGHN 2.3 Đánh giá khả khoáng hóa DB71 Trình tự thí nghiệm tiến hành mô tả mục 2.2, điều kiện tối ưu thu từ thí nghiệm Đánh giá khả khống hóa DB71 vật liệu FeNSTiO2 thơng qua kết phân tích tổng cacbon hữu (TOC) dung dịch DB71 trước sau phản ứng, phân tích máy TOCVcph, Shimazu, Khoa Hóa học, Trường ĐHKHTN, ĐHQGHN N.T Hạnh nnk / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN: Các Khoa học Trái đất Môi trường, Tập 32, Số 1S (2016) 140-146 142 50000 300000 459.26 O 1s Ti 2p 250000 40000 200000 Ti 2p Counts/s Counts/s 30000 Fe 2p 150000 20000 464.96 100000 C 1s N 1s 50000 10000 S 2p 0 1200 1000 800 600 400 200 475 470 465 Hình Giản đồ XPS xúc tác FeNS-TiO2 60000 460 455 450 B.E.(eV) B.E (eV) Hình Giản đồ XPS Ti 2p mẫu xúc tác FeNS-TiO2 400.56 1900 530.52 1800 40000 1700 Counts/s Counts/s O 1s 50000 30000 53 2.06 1600 20000 1500 10000 1400 N 1s 1300 540 538 536 534 532 530 528 526 B.E.(eV ) Hình Giản đồ XPS O 1s mẫu xúc tác FeNS-TiO2 Kết thảo luận 3.1 Sự tồn trạng thái liên kết Fe, N S vật liệu xúc tác FeNS-TiO2 Thành phần hoá học mẫu xúc tác FeNSTiO2 trạng thái liên kết nguyên tố có mặt mẫu đặc trưng phổ XPS, thể Hình 1-6 Kết Hình cho thấy, nguyên tố Ti, O C mẫu chứa N, S lượng nhỏ Fe Pic đặc trưng Ti 2p mẫu xúc tác FeNS-TiO2 (Hình 2) xuất mức 410 408 406 404 402 400 398 396 394 392 B.E.(eV) Hình Giản đồ XPS N 1s mẫu xúc tác FeNS-TiO2 lượng 459,3 eV 464,96 eV cho thấy tồn Ti(IV) thành phần TiO2 [5] Điều cho thấy, pha tạp đồng thời Fe, N S khơng làm biến đổi trạng thái hóa học TiO2 Tuy nhiên, lượng liên kết ứng với hai pic bị chuyển dịch chút so với TiO2 khơng biến tính (458,7 eV 464,4 eV) Sự chuyển dịch lượng liên kết Ti 2p nguyên tố pha tạp vào cấu trúc TiO2 [6] Kết Hình cho thấy, O 1s có pic đặc trưng mức lượng 530,5 eV, tương ứng với liên kết Ti-O TiO2, đồng thời xuất pic phụ 532,1 eV có mặt nhóm O-H bề mặt TiO2 [7] Nhóm N.T Hạnh nnk / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN: Các Khoa học Trái đất Môi trường, Tập 32, Số 1S (2016) 140-146 hydroxyl có ích cho hấp phụ chất hữu bắt giữ lỗ trống quang sinh để tạo thành gốc tự OH● giúp tăng hoạt tính quang xúc tác Pic đặc trưng N 1s mẫu xúc tác FeNS-TiO2 (Hình 4) xuất mức lượng 400,6 eV, đề cập đến khả hình thành liên kết N O-Ti-N, điều rằng, N nguyên tử vào mạng tinh thể hình thành liên kết có thay O N [8, 9, 10] Phổ XPS S 2p mẫu xúc tác FeNSTiO2 (Hình 5) cho thấy, nguyên tử S trạng thái S6+ với có mặt pic 168,9 eV S6+ mạng thay cho Ti4+ [8] Pic đặc trưng sắt Hình Sự có mặt pic 711,5 tương ứng với FeIII2p3/2, điều dự đoán diện sắt trạng thái oxi hóa Fe3+ Fe3+ có vai trị bẫy electron quang sinh vùng dẫn, ngăn tái kết hợp electron lỗ trống theo phản ứng: Fe3+ + e-CB → Fe2+ 3.2 Ảnh hưởng pH Kết thí nghiệm Hình cho thấy, hiệu suất phân hủy DB71 môi trường axit cao môi trường kiềm Hiệu suất đạt cao pH = Cụ thể, sau thời gian 150 phút, pH = 4, lượng phẩm màu bị phân hủy 143 gần hồn tồn (~ 90%) Điều giải thích dựa sở tính chất axit bazơ bề mặt oxit kim loại trạng thái ion hóa phân tử hữu Trong dung dịch, bề mặt TiO2 tồn dạng ≡TiOH, ≡TiOH2+, ≡TiO− Tùy thuộc vào pH dung dịch cao thấp điểm đẳng điện pH pzc bề mặt vật liệu tích điện âm dương [11] Bề mặt TiO2 tích điện dương môi trường axit (≡TiOH + H+ ↔ ≡TiOH2+ với pH< pzc), tích điện âm mơi trường kiềm (≡TiOH + OH− ↔ ≡TiO− +H2O với pH> pzc) Ngoài ra, DB71 phẩm nhuộm anion nên pH cao điểm pzc TiO2, bề mặt chúng tích điện âm q trình hấp phụ hơn, làm giảm khả tiếp xúc xúc tác với phân tử DB71 nên hiệu suất phân hủy giảm Khi pH nhỏ điểm pzc TiO2, dẫn đến lượng H+ làm tăng khả hấp phụ, phân tử DB71 tiếp xúc với tâm xúc tác tốt nên hiệu suất phân hủy tăng Điều phù hợp với kết công bố [12] Tuy nhiên, pH tiếp tục giảm thấp (pH < 4), bề mặt xúc tác tăng cường điện tích dương, điều dẫn đến phẩm màu anion DB71 bị hấp phụ với lượng lớn bề mặt xúc tác gây cản trở thâm nhập ánh sáng nên hiệu suất phân hủy thấp [11] 2400 13000 2200 170.2 S 2p 169.15 12800 Fe 2p 12600 12400 1800 Raw Counts/s 2000 1600 12200 12000 11800 11600 1400 11400 1200 11200 174 172 170 168 166 164 162 160 158 B.E.(eV) Hình Giản đồ XPS S 2p mẫu xúc tác FeNS-TiO2 740 735 730 725 720 715 710 705 700 B.E.(eV) Hình Giản đồ XPS Fe 2p mẫu xúc tác FeNS-TiO2 144 N.T Hạnh nnk / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN: Các Khoa học Trái đất Môi trường, Tập 32, Số 1S (2016) 140-146 Hình Sự phụ thuộc hiệu suất phân hủy DB71 vật liệu FeNS-TiO2 vào pH dung dịch Hình Hiệu suất phân hủy DB71 theo thời gian với hàm lượng chất xúc tác FeNS-TiO2 khác Bảng Giá trị TOC dung dịch DB-71 chuyển hóa theo thời gian xúc tác FeNS-TiO2 Thời gian (phút) Ban đầu 30 60 120 180 TOC (mg/L) 20,56 16,23 12,59 7,03 4,15 Độ khống hóa (%) 21,06 38,76 65,81 79,82 3.4 Ảnh hưởng nguồn chiếu sáng Hình Hiệu suất phân hủy DB71 xúc tác FeNS-TiO2 theo thời gian với nguồn chiếu sáng khác 3.3 Ảnh hưởng lượng chất xúc tác Kết Hình cho thấy, lượng xúc tác tăng từ 0,1 tới 0,5 g/L, hiệu suất phân hủy DB71 tăng tương ứng từ 61,68 lên 88,05% tăng đến g/L, hiệu suất phân hủy giảm cịn 71,36% Kết giải thích tăng lượng chất xúc tác làm tăng độ đục dung dịch, gây cản quang làm phân tán ánh sáng, hiệu suất phân hủy giảm Lượng chất xúc tác tối ưu cho trình phân hủy DB71 0,5 g/L Kết phân hủy DB71 theo thời gian với nguồn sáng khác (Hình 9) cho thấy, sau 150 phút, không chiếu sáng, hiệu suất xử lý gần không đáng kể, chiếu sáng đèn compact 36W ánh sáng mặt trời, hiệu suất phân hủy đạt tới 90% Tuy nhiên, ánh sáng mặt trời thường không ổn định, thay đổi theo thời gian thời tiết Vì vậy, để thu kết ổn định, đèn compact 36W dùng suốt trình nghiên cứu 3.5 Khả khống hóa DB71 xúc tác quang FeNS-TiO2 Từ kết phân tích TOC dung dịch DB71 theo thời gian xử lý chất xúc tác FeNS-TiO2 trình bày Bảng cho N.T Hạnh nnk / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN: Các Khoa học Trái đất Môi trường, Tập 32, Số 1S (2016) 140-146 thấy, theo thời gian giá trị TOC giảm mạnh Cụ thể, sau 180 phút, giảm từ 20,56 xuống 4,15 mg/L Như vậy, lượng chất hữu giảm khoảng 80%, tương ứng với độ khống hóa đạt xấp xỉ 80% Điều ra, lượng phẩm màu suy giảm gần chuyển hồn tồn thành hợp chất vơ khơng độc hại CO2 H2O [4] [5] Kết luận Kết phổ quang điện tử tia X vật liệu xúc tác FeNS-TiO2, khẳng định tồn trạng thái liên kết của nguyên tố Fe, N, S vật liệu chế tạo Phẩm màu DB71 phân hủy tốt (hiệu suất đạt tới 90%) có mặt chất xúc tác FeNS-TiO2, ánh sáng khả kiến, giá trị pH lượng chất xúc tác sử dụng 0,5 g/L Ở điều kiện này, q trình khống hóa DB71 gần hồn tồn sau chiếu sáng [6] [7] [8] Cảm ơn tài trợ Nghiên cứu tài trợ nguồn kinh phí Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, đề tài mã số TN.16.25 Tài liệu tham khảo [1] Eric R Bandala, Miguel A Peláez, A Javier García-López, Maria de J Salgado, Gabriela Moeller, Photocatalytic decolourisation of synthetic and real textile wastewater containing benzidine-based azo dyes, Chemical Engineering and Processing, 47(2008), 169 [2] H Zollinger, Color Chemistry-Synthesis Properties and Application of Organic Dyes and Pigments, VCH Publishers, New York (1991) [3] M Bhaska, A Gnanamani, R.J Ganeshjeevan, R Chandrasekar, S Sadulla, G Radhakrishnan, “Analyses of carcinogenic aromatic amines [9] [10] [11] [12] 145 released from harmful azo colorants by Streptomyces sp SS07”, J Chromatogr A, 1081 (2003), 117 Nguyễn Thị Hạnh, Nguyễn Văn Vinh, Hà Thị Phượng, Nguyễn Văn Nội, “Tổng hợp hoạt tính quang xúc tác vật liệu TiO2 cấy thêm Fe-N-S trình phân hủy phẩm màu DB71”, Tạp chí Khoa học ĐHQGHN: Khoa học Tự nhiên Công nghệ, Tập 31, số 2S (2015), 119 Wang Z S., Li L H., Lu J., Yang L., et al., “Fabrication of the C-N co-doped rod-like TiO2 photocatalyst with visible-light responsive photocatalytic activity”, Materials research Bulletin, 47 (2012), 1508 X.F Lei, X.X Xue, H Yang, C Chen, X.Li, J.X Pei, M.C Niua, Y.T Yang, X.Y Gao Visible light-responded C, N and S co-doped anatase TiO2 for photocatalytic reduction of Cr(VI), Journal of Alloys and Compounds, 646 (2015), 541 Yap P.S., Lim T.T “Effect of aqueous matrix species on synergistic removal of bisphenol A under solar irradiation using nitrogen-doped TiO2/AC composite”, Applied Catalysis B: Environmental, 101 (2011), 709 X.F Lei, X.X Xue, H Yang, C Chen, X Li, M.C Niua, X.Y Gaoa, Y.T Yang, Effect of calcination temperature on the structure and visible-light photocatalytic activities of (N, S and C) co-doped TiO2 nano-materials, Applied Surface Science, 332 (2015), 172 Yu-Chen Lin, Tzu-En Chien, Po-Chih Lai, YuHsien Chiang, Kun-Lin Li, Jong-Liang Lin, “TiS2 transformation into S-doped and N-doped TiO2 with visible-light catalytic activity”, Applied Surface Science, 359 (2015), Lei Zeng, Zhao Lu, Minghui Li, Jin Yang, Wulin Song, Dawen Zeng, Changsheng Xie, “A modular calcination method to prepare modified N-doped TiO2 nanoparticle with high photocatalytic activity”, Applied Catalysis B: Environmental 183(2016), pp 308 Yixin Yang, Jun Ma, Qingdong Qin, Xuedong Zhai, “Degradation of nitrobenzene by nano-TiO2 catalyzed ozonation”, Journal of Molecular Catalysis A: Chemical, 267 (2007), 41 Priti Bansal, Dhiraj Sud, Photodegradation of commercial dye, Procion Blue HERD from real textile wastewater using nanocatalysts, Desalination 267 (2011), 244 146 N.T Hạnh nnk / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN: Các Khoa học Trái đất Môi trường, Tập 32, Số 1S (2016) 140-146 Degradations of Direct Blue 71 via the FeNS-TiO2 Photocatalyst under Visible Light Irradiation Nguyen Thi Hanh, Pham Thi Ha Nhung, Duong Thi Thu Huyen, Nguyen Van Noi VNU University of Science, 334 Nguyen Trai, Hanoi, Vietnam Abstract: The photocatalytic degradation of Direct Blue 71 (DB71) accompanied by heterogeneous FeNS-TiO2 catalysts was studied The effects of various experimental parameters such as light source, pH and amount of catalyst on the chemical degradation were also investigated The results indicated that the optimal pH, photocatalyst dose and light source for degradation of DB71 were pH = 4, 0,5 g/L photocatalyst and visible light irradiation, respectively Under the optimal condition, 88,05% of DB71 was degraded after reaction time of 150 The mineralization degree of DB71 by the synthesized photocatalysts was analyzed by total organic carbon (TOC) The result of TOC shows that most of the DB71 was mineralized after hour under visible light The existence and the bonding state of Fe, N, S elements in FeNS-TiO2 catalytic material are evident on X-ray photoelectron spectroscopy Keywords: Photocatalysts, visible light, Direct Blue 71, FeNS-TiO2 ... liệu xúc tác FeNS- TiO2, khẳng định tồn trạng thái liên kết của nguyên tố Fe, N, S vật liệu chế tạo Phẩm màu DB71 phân hủy tốt (hiệu suất đạt tới 90%) có mặt chất xúc tác FeNS- TiO2, ánh sáng khả kiến, ... suất phân hủy giảm 71, 36% Kết giải thích tăng lượng chất xúc tác làm tăng độ đục dung dịch, gây cản quang làm phân tán ánh sáng, hiệu suất phân hủy giảm Lượng chất xúc tác tối ưu cho trình phân hủy. .. xác định nồng độ phẩm màu để xác định điều kiện chiếu sáng thích hợp cho trình quang phân hủy DB71 chất xúc tác FeNS- TiO2 Nồng độ phẩm màu xác định phương pháp trắc quang, máy quang phổ UV-Vis
Ngày đăng: 17/03/2021, 20:34
Xem thêm: