Điều chế và nghiên cứu ứng dụng vật liệu titan biến tính với sắt gắn trên nền diatomit để phân hủy quang xúc tác phẩm vàng axit trong môi trường nước

Trong nghiên cứu này, xúc tác quang hóa titania được biến tính với sắt gắn trên nền diatomit với tỷ lệ mol Fe3+/TiO2 là 2% được điều chế bằng phương pháp sol-gel, sau đó làm khô và nung vật liệu ở 500 oC. Vật liệu tổng hợp được kiểm tra hoạt tính xúc tác trong quá trình phân hủy phẩm vàng axit 2R dưới điều kiện chiếu tia UV và ánh sáng khả kiến. Vật liệu xúc tác sau khi tổng hợp được đặc trưng cấu trúc bằng các phương pháp XRD, SEM và phổ hấp thụ UV-VIS.

CHÀO MỪNG KỶ NIỆM NGÀY THÀNH LẬP TRƯỜNG 01/04/1956 - 01/04/2014 - Từng bước nghiên cứu triển khai Phụ lục IV Công ước quốc tế ngăn ngừa ô nhiễm tàu gây 1973, sửa đổi Nghị định thư 1978 (MARPOL 73/78) Kết luận Quá trình khai thác cảng biển khơng tránh khỏi việc tác động đến môi trường nước Sự gia tăng hàm lượng chất rắn lơ lửng, hợp chất hữu cơ, dầu mỡ nước mặt nước biển ven bờ khu vực cảng cho thấy tác động nước thải sinh hoạt, nước mưa chảy tràn chất thải có chứa dầu cảng khu vực Quảng Ninh - Hải Phòng ngày tăng lên Để giảm thiểu tác động đó, cần phải thực đồng giải pháp từ khâu quy hoạch cảng, thiết kế xây dựng cảng đến vận hành cảng TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Ngô Kim Định, Phạm Thị Dương, Cao Thị Thu Trang – 2007, Chất lượng thủy hố mơi trường biển vùng Hải Phòng - Quảng Ninh từ năm 2002 đến nay, Tuyển tập báo khoa học, Hội nghị KHCN Môi trường lần thứ – Nhà xuất Bách khoa Hà Nội – trang 328-338 [2] TS Chu Mạnh Hùng, ThS Nguyễn Đức Thuyết, Thực trạng giải pháp nâng cao chất lượng môi trường cảng biển, nguồn: http://www.giaothongvantai.com.vn/khoa-hoc-doi-song/moitruong/2013 [3] TS Khiếu Hữu Triển nnk, Điều tra, khảo sát, lập báo cáo tình hình tác động mơi trường hoạt động cảng biển, Đề án bảo vệ môi trường cấp Bộ Giao thông Vận tải mã số MT113006, Hà Nội 2013 Người phản biện: TS Nguyễn Ngọc Khang ĐIỀU CHẾ VÀ NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG VẬT LIỆU TITAN BIẾN TÍNH VỚI SẮT GẮN TRÊN NỀN DIATOMIT ĐỂ PHÂN HỦY QUANG XÚC TÁC PHẨM VÀNG AXIT TRONG MÔI TRƯỜNG NƯỚC PREPARATION AND APPLIED RESEARCH MATERIAL IRON-DOPED TITANIA ON DIATOMITE TO DEGRADE ACID YELLOW DYE IN AQUEOUS SOLUTION ThS NCS PHẠM THỊ DƯƠNG1, PGS.TS NGUYỄN VĂN NỘI2 1- Bộ môn Kỹ thuật Môi trường,Trường Đại học Hàng hải Việt Nam 2- Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội Tóm tắt Trong nghiên cứu này, xúc tác quang hóa titania biến tính với sắt gắn diatomit với tỷ lệ mol Fe3+/TiO2 2% điều chế phương pháp sol-gel, sau làm khơ nung vật liệu 500 oC Vật liệu tổng hợp kiểm tra hoạt tính xúc tác trình phân hủy phẩm vàng axit 2R điều kiện chiếu tia UV ánh sáng khả kiến Vật liệu xúc tác sau tổng hợp đặc trưng cấu trúc phương pháp XRD, SEM phổ hấp thụ UV-VIS Kết cho thấy, vật liệu đạt kích thước hạt nano, có khả hấp thụ ánh sáng với bước sóng khoảng 600 nm, tương ứng với lượng vùng dẫn đạt 2,07 eV Vật liệu thể tính chất quang xúc tác tốt để phân hủy phẩm vàng axit 2R, hiệu suất phân hủy đạt 94% vùng ánh sáng khả kiến Abstract In this work, the photocatalysts iron-doped titania on diatomite (Fe-TiO2/diatomite) with molar ratio of Fe3+/TiO2 of 2% were prepared by sol-gel method then dried and calcinated at 500oC The synthesized material was tested for the degradation of acid yellow 2R dye under ultraviolet and visible light XRD, SEM and UV-VIS spectroscopy were used to characterize the synthesized material They also revealed that the nano particle material absorb light with wavelength of about 600 nm corresponding to band gap energy of 2.07 eV This material also have very good photocatalysts activity to decompose acid yellow 2R dye, efficiency decomposition reached 94% under visible light Giới thiệu Hiện nay, nghiên cứu phát triển chất xúc tác ứng dụng xử lý nước thải nhận nhiều quan tâm nhà khoa học môi trường Giống chất bán dẫn khác, TiO2 dạng anatas có hoạt tính xúc tác quang có khe lượng vùng cấm 3,2 eV tương ứng với bước sóng hấp thụ 388 nm, vùng UV [2, 3] Tuy nhiên, xạ UV chiếm Tạp chí Khoa học Công nghệ Hàng hải Số 38 – 04/2014 82 CHÀO MỪNG KỶ NIỆM NGÀY THÀNH LẬP TRƯỜNG 01/04/1956 - 01/04/2014 khoảng 4% ánh sáng mặt trời, việc tạo xạ UV tốn mà cần nhiều thiết bị chuyên dụng Vì tăng khả hấp phụ ánh sáng vật liệu TiO2 vùng có bước sóng dài mang lại tương lai mới, ứng dụng xúc tác quang hóa vùng khả kiến để xử lý ô nhiễm môi trường Để tăng cường khả xúc tác quang hóa TiO2 vùng khả kiến, có số cơng trình nghiên cứu cấy thêm nguyên tố khác lên TiO2 Việc đưa thêm nguyên tố khác vào xúc tác TiO2 làm tăng khả hấp thụ ánh sáng bước sóng dài hơn, tiến tới vùng khả kiến Đó chất thêm vào làm giảm lượng vùng cấm xúc tác Như chất đưa vào làm biến đổi cấu trúc TiO2 Việc biến tính TiO2 thực với nhiều kim loại Co, Cr, Mn, Ni, Cu, Ag,… hay phi kim N, S, C, … [4] - [10] Việc cấy Fe lên TiO2 thực hiện, Fe pha tạp vào TiO2 cho phép vùng hấp phụ photon TiO2 mở rộng từ tia tím bước sóng nhìn thấy để giảm lượng lỗ hổng từ 3,2 eV đến mức lượng thấp Sự pha tạp TiO2 với kim loại chuyển tiếp Fe, V Cu làm cho hoạt động cao chuyển hóa quang hóa [4] - [10] Điều giải thích khả mẫu TiO2 sau cấy thêm nguyên tố khác làm giảm giá trị lượng khoảng cách dải phổ tỷ lệ tái tổ hợp cặp điện tử bị cảm ứng ánh sáng mặt trời xạ ánh sáng mặt trời so với trường hợp tinh khiết TiO2 từ làm tăng khả xúc tác quang hóa chúng Vật liệu Fe-TiO2 có khả xúc tác quang hóa cao so với TiO2 tinh khiết q trình oxi hóa hồn tồn, nhiên việc thu hồi vật liệu sau trình xử lý gặp nhiều khó khăn đặc biệt dùng xử lý nước TiO2 bong tạo thành dung dịch đục Để khắc phục nhược điểm tăng khả phân tán Fe-TiO2, cần phải cố định Fe-TiO2 lên giá thể Một giá thể hứa hẹn đem đến nhiều ứng dụng thực tế Diatomit Nghiên cứu trước ([1]) tiến hành điều chế vật liệu Fe-TiO2/Diatomit tỷ lệ mol Fe3+/TiO2 khác nung vật liệu 400OC Vật liệu Fe-TiO2/Diatomit nghiên cứu xúc tác quang hóa để phân hủy phẩm màu mơi trường nước hứa hẹn nhiều triển vọng để ứng dụng xử lý nước thải ngành dệt nhuộm Bài báo trình bày điều chế FeTiO2/Diatomit tỷ lệ mol Fe3+/TiO2 2% vật liệu nung 500OC, xác định đặc trưng cấu trúc vật liệu thông qua phổ nhiễu xạ tia X (XRD) kính hiển vi điện tử quét (SEM), nghiên cứu ứng dụng Fe-TiO2/Diatomit để phân hủy quang xúc tác phẩm màu vàng axit 2R môi trường nước Thực nghiệm 2.1 Nguyên liệu thiết bị để điều chế vật liệu - Nguyên liệu sử dụng để điều chế Fe-TiO2/Diatomit: Tetraisopropylorthotitanat (TIOT): Ti(OC3H7)4 Merck với sắt (III) nitrat, axit nitric, etanol diatomite có nguồn gốc từ Hồ Lộc - Phú Yên - Nguyên liệu để tạo dung dịch phẩm màu vàng axit 2R môi trường nước thuốc nhuộm vàng axit 2R thương phẩm - Thiết bị tạo huyền phù sét: Máy khuấy từ - Trung Quốc - Tủ sấy vật liệu 105 oC: Tủ sấy Binber - Đức - Vật liệu nung lò nung (dung tích 7,2 lít, nhiệt độ 200 oC - 1200oC) - Trung Quốc 2.2 Điều chế vật liệu Fe-TiO2/diatomit Fe-TiO2/diatomite điều chế phương pháp sol-gel - Huyền phù sét 2% điều chế cách cho 1g Diatomit hòa 50 ml nước cất, khuấy liên tục vòng 24 (cốc A) - Lấy 50ml hỗn hợp HNO3 -etanol (pH = 3) cho vào cốc 100 ml khơ (cốc B), sau cho từ từ 3ml TIOT vào dung dịch khuấy cho tan Tiếp thêm lượng Fe(NO3)3 theo tỷ lệ định (Tỷ lệ Fe3+/TiO2 2% mol) vào khuấy 90 phút, sol giữ nhiệt độ phòng khoảng đến sol bắt đầu có dấu hiệu tạo keo Tiếp nhỏ từ từ dung dịch sol cốc B vào huyền phù cốc A đồng thời tiến hành khuấy liên tục, sau đổ hết dung dịch sol cốc B vào huyền phù cốc A tiếp tục khuấy dung dịch khoảng 40 Tiến hành lọc dung dịch thu lấy vật liệu đem sấy 105 oC khơ mang nung 500 oC nghiền thành bột ta thu vật liệu Fe-TiO2/Diatomit Tạp chí Khoa học Công nghệ Hàng hải Số 38 – 04/2014 83 CHÀO MỪNG KỶ NIỆM NGÀY THÀNH LẬP TRƯỜNG 01/04/1956 - 01/04/2014 2.3 Đặc trưng cấu trúc vật liệu - Phổ nhiễu xạ tia X (XRD) vật liệu ghi thiết bị HUS-VNU – D8-ADVANCEBRUKER 5005, với ống phát tia X đồng với bước sóng Kα = 1,5406 Å, góc quét 2θ tương ứng với chất, tốc độ quét 0,20/s khoa Hoá học trường Đại học Khoa học Tự nhiên Hà Nội để xác định pha tinh thể - Khảo sát hình ảnh bề mặt vật liệu phương pháp hiển vi điện tử quét SEM (JEOL JSM-6500F) - Khoảng bước sóng hấp thụ mẫu vật liệu khả phân hủy màu dung dịch phẩm màu xác định thiết bị quang phổ UV-VIS- JASCO 2.4 Phân huỷ quang xúc tác dung dịch phẩm màu vàng axit 2R Phẩm màu vàng axit 2R lựa chọn để xác định khả phân hủy quang xúc tác vật liệu Phẩm acid yellow 2R – 11 (AY2R-11) Dung dịch AY2R-11 xử lý vật liệu Fe-TiO2/Diatomit tổng hợp điều kiện tối ưu pH = nồng độ H2O2 14,56 mmol/l Phản ứng tiến hành với 50 ml dung dịch phẩm màu nồng độ 500 ppm 0,5 g xúc tác quang điều kiện khuấy trộn vùng UV vùng VIS Xác định COD đo phổ UV-VIS dung dịch thuốc nhuộm trước sau xử lý để đánh giá khả phân hủy Kết thảo luận 3.1 Đặc trưng vật liệu Faculty of Chemistry, HUS, VNU, D8 ADVANCE-Bruker - Mau diatomite bien tinh 250 240 230 d=3.520 220 210 200 190 180 170 160 110 70 d=1.506 80 d=1.964 90 d=2.240 d=2.898 100 d=1.363 120 d=1.489 130 d=1.685 d=1.669 d=1.889 140 d=2.373 Lin (Cps) 150 60 50 40 30 20 10 20 30 40 50 60 70 2-Theta - Scale File: Duong NCS mau Diatomite bien tinh.raw - Type: Locked Coupled - Start: 20.000 ° - End: 70.010 ° - Step: 0.030 ° - Step time: s - Temp.: 25 °C (Room) - Time Started: 13 s - 2-Theta: 20.000 ° - Theta: 01-084-1286 (C) - Anatase, syn - TiO2 - Y: 97.38 % - d x by: - WL: 1.5406 - Tetragonal - a 3.78220 - b 3.78220 - c 9.50230 - alpha 90.000 - beta 90.000 - gamma 90.000 - Body-centered - I41/amd (141) 01-086-2333 (C) - Silicon Oxide - SiO2 - Y: 35.27 % - d x by: - WL: 1.5406 - Tetragonal - a 4.10430 - b 4.10430 - c 2.64170 - alpha 90.000 - beta 90.000 - gamma 90.000 - Primitive - P42/mnm (136) - - Hình Giản đồ nhiễu xạ tia X với vật liệu Fe-TiO2/Diatomit Từ giản đồ nhiễu xạ tia X cho thấy xuất pic đặc trưng rõ nét d= 3,520 tương ứng với tồn TiO2 dạng anatas Đây dạng tồn TiO2 hứa hẹn hoạt tính xúc tác cao vật liệu Hình Ảnh SEM Diatomit [1] Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Hàng hải Hình Ảnh SEM Fe-TiO2/Diatomit Số 38 – 04/2014 84 CHÀO MỪNG KỶ NIỆM NGÀY THÀNH LẬP TRƯỜNG 01/04/1956 - 01/04/2014 Ảnh hiển vi điện tử quét mẫu vật liệu cho thấy chất mang Diatomit có mao quản đồng đều, cách Bên mao quản lấp đầy vật liệu cho FeTiO2 Vật liệu tổng hợp có kích thước nano 3.2 Phổ hấp thụ UV-VIS vật liệu Onset at ~600nm Onset at 388 nm Hình Phổ UV-VIS TiO2 tinh khiết [1] Hình Phổ UV-VIS Fe-TiO2/Diatomite Trên phổ hấp thụ UV-VIS (hình 4) TiO2 dạng anatas nguyên chất cho thấy vật liệu có khe lượng vùng cấm 3,2 eV tương ứng với bước sóng hấp thụ 388 nm, vùng UV (Ebg = hc/λabs) Trên phổ hấp thụ UV-VIS (hình 5) vật liệu tổng hợp cho thấy vùng hấp phụ photon TiO2 mở rộng tới vùng ánh sáng khả kiến bước sóng hấp thụ khoảng 600 nm tương ứng với khe lượng vùng cấm giảm khoảng 2,07 Ev Điều cho thấy vật liệu tổng hợp có hoạt tính quang xúc tác vùng ánh sáng khả kiến Kết xác định phổ hấp thụ UV-VIS vật liệu tổng hợp nung 500oC cho thấy khơng có khác biệt đáng kể so với vật liệu tổng hợp nung 400oC nghiên cứu trước ([1]) 3.3 Khả phân hủy phẩm màu AY2R-11 sử dụng xúc tác quang Fe-TiO2/diatomit Kết nghiên cứu khả phân hủy phẩm màu AY2R-11 sử dụng xúc tác quang FeTiO2/diatomit thể hình hình Sau xử lý với vật liệu tổng hợp, hoạt tính xúc tác quang vật liệu ánh sáng nhìn thấy tương đối cao so với tia cực tím Hiệu suất loại bỏ COD vùng UV 90% vùng VIS đạt tới 94% Điều cho thấy mở rộng phạm vi hấp thụ vật liệu, hoạt tính xúc tác vật liệu tổng hợp cải thiện tốt Kết xác định phổ hấp thụ UV-VIS dung dịch phẩm màu trước sau xử lý cho thấy phân hủy màu tốt, xúc tác quang Fe-TiO2/diatomit có khả khống hố gần hoàn toàn dung dịch phẩm màu AY2R-11 sau vùng ánh sáng khả kiến Hình Hiệu suất loại bỏ COD Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Hàng hải Hình Phổ hấp thụ UV-VIS dung dịch phẩm màu Số 38 – 04/2014 85 ... 3.3 Khả phân hủy phẩm màu AY2R-11 sử dụng xúc tác quang Fe-TiO2 /diatomit Kết nghiên cứu khả phân hủy phẩm màu AY2R-11 sử dụng xúc tác quang FeTiO2 /diatomit thể hình hình Sau xử lý với vật liệu tổng... cấu trúc vật liệu thông qua phổ nhiễu xạ tia X (XRD) kính hiển vi điện tử quét (SEM), nghiên cứu ứng dụng Fe-TiO2 /Diatomit để phân hủy quang xúc tác phẩm màu vàng axit 2R môi trường nước Thực... nhiều ứng dụng thực tế Diatomit Nghiên cứu trước ([1]) tiến hành điều chế vật liệu Fe-TiO2 /Diatomit tỷ lệ mol Fe3+/TiO2 khác nung vật liệu 400OC Vật liệu Fe-TiO2 /Diatomit nghiên cứu xúc tác quang