(Luận văn thạc sĩ) nghiên cứu khả năng ứng dụng titan foam trong chế tạo ống lọc nước cầm tay

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH Đinh Thanh Quyến NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG TITAN FOAM TRONG CHẾ TẠO ỐNG LỌC NƯỚC CẦM TAY LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC VẬT CHẤT Thành phố Hồ Chí Minh – 2020 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH Đinh Thanh Quyến NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG TITAN FOAM TRONG CHẾ TẠO ỐNG LỌC NƯỚC CẦM TAY Chun ngành : Hố Vơ Mã số : 8440113 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC VẬT CHẤT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS NGUYỄN THỊ TRÚC LINH Thành phố Hồ Chí Minh – 2020 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn với đề tài “Nghiên cứu khả ứng dụng Titan foam chế tạo ống lọc nước cầm tay” công trình nghiên cứu riêng tơi hướng dẫn TS Nguyễn Thị Trúc Linh Các số liệu, kết nghiên cứu trung thực chưa công bố cơng trình khác Tác giả Đinh Thanh Quyến LỜI CẢM ƠN Với biết ơn chân thành sâu sắc nhất, xin gửi lời cảm ơn đến TS Nguyễn Thị Trúc Linh, người trực tiếp hướng dẫn, giúp đỡ tạo điều kiện thuận lợi để tơi hồn thành luận văn Tơi xin chân thành cảm ơn Phịng Sau Đại học Trường Đại học Sư phạm tạo điều kiện cho tơi hồn thành tốt khóa học Tơi xin gửi lời cảm ơn tới tất quý thầy cô Khoa Hóa học Trường Đại học Sư phạm Thành phố Hồ Chí Minh, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên Trường Đại học Bách Khoa – Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh, truyền dạy cho tơi kiến thức bổ ích, q báu suốt thời gian theo học trường Đồng thời xin gửi lời cảm ơn tới gia đình, bạn bè, người bên cạnh, ủng hộ động viên lúc khó khăn Trong suốt q trình nghiên cứu khơng tránh khỏi sai sót, tơi mong nhận đóng góp ý kiến từ q thầy bạn Cuối cùng, xin chúc quý thầy cô thật nhiều sức khỏe thành công nghiệp TP.Hồ Chí Minh, ngày 07 tháng năm 2020 Tác giả Đinh Thanh Quyến MỤC LỤC Trang phụ bìa Lời cam đoan Lời cảm ơn Mục lục Danh mục chữ viết tắt kí hiệu Danh mục bảng biểu Danh mục hình vẽ MỞ ĐẦU Chương TỔNG QUAN 1.1 Vật liệu than hoạt tính 1.1.1 Khái quát nghiên cứu sử dụng than hoạt tính đời sống 1.1.2 Tổng hợp đặc trưng than hoạt tính 1.1.3 Lí thuyết q trình hấp phụ than hoạt tính 1.2 Vật liệu TiO2 1.2.1 Cấu trúc tinh thể TiO2 1.2.2 Cấu trúc điện tử TiO2 anatase 10 1.2.3 Khả quang xúc tác TiO2 anatase 11 1.3 Vật liệu nano bạc 18 1.3.1 Tổng hợp đặc trưng nano bạc 18 1.3.2 Khả kháng khuẩn nano bạc 20 1.4 Hướng nghiên cứu luận văn 21 Chương THỰC NGHIỆM 22 2.1 Chuẩn bị vật liệu 22 2.1.1 Tầng than hoạt tính 22 2.1.2 Tầng quang xúc tác TiO2/Ti 22 2.1.3 Tầng kháng khuẩn Ag/Ti 23 2.2 Xác định đặc trưng tầng 24 2.2.1 Thành phần pha 24 2.2.2 Phương pháp kính hiển vi điện tử quét (SEM) 25 2.2.3 Phổ hấp phụ hồng ngoại (IR) 25 2.2.4 Phương pháp phổ phản xạ khuếch tán (DRS) 26 2.2.5 Phổ tán sắc lượng tia X (EDX) 26 2.2.6 Phương pháp phổ tử ngoại khả kiến (UV-Vis) 27 2.2.7 Phương pháp hiển vi nguyên tử lực (AFM) 27 2.2.8 Phương pháp xác định diện tích bề mặt riêng (BET) 27 2.3 Khảo sát khả hấp phụ than hoạt tính 28 2.3.1 Điều kiện khảo sát 28 2.3.2 Qui trình thực nghiệm khảo sát hấp phụ MB 28 2.3.3 Dựng phương trình đường chuẩn MB 28 2.3.4 Qui trình khảo sát hấp phụ NH4Cl 29 2.4 Khảo sát khả quang xúc tác TiO2/Ti 29 2.5 Khảo sát khả kháng khuẩn vật liệu phún xạ Ag 30 2.6 Thử nghiệm thực tế 31 2.6.1 Nguyên tắc 31 2.6.2 Cách tiến hành 32 Chương KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 38 3.1 Tầng vật liệu than hoạt tính 38 3.1.1 Đặc trưng vật liệu than hoạt tính 38 3.1.2 Khả hấp phụ chất hữu vật liệu than hoạt tính 40 3.1.3 Khả hấp phụ chất vô vật liệu than hoạt tính 42 3.2 Tầng vật liệu TiO2/Ti 44 3.2.1 Đặc trưng vật liệu TiO2/Ti 44 3.2.2 Khả quang xúc tác phân hủy chất hữu vật liệu TiO2/Ti 53 3.3 Tầng vật liệu Ag/Ti 56 3.3.1 Đặc trưng khả kháng khuẩn lớp phủ Ag có độ dày 100nm bề mặt Ti foam 56 3.3.2 Đặc trưng khả kháng khuẩn lớp phủ Ag có độ dày 500nm bề mặt Ti foam 61 3.4 Thử nghiệm thực tế 64 3.4.1 Thiết kế mơ hình lọc nước tầng 64 3.4.2 Kết xử lí nước với mơ hình lõi lọc tầng 65 Chương KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 68 4.1 Kết luận 68 4.2 Kiến nghị 68 TÀI LIỆU THAM KHẢO 69 PHỤ LỤC DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÍ HIỆU XRD : Phương pháp nhiễu xạ tia X 2θ : Góc nhiễu xạ tia X d : Khoảng cách hai mặt phẳng tinh thể t : Thời gian FTIR : Phổ hấp phụ hồng ngoại MB : Methylene blue PEG : Polyethylen Glycol SC : Tâm bán dẫn trung hòa SE : Điện tử thứ cấp SEM : Hiển vi điện tử quét DRS : Phổ phản xạ khuếch tán UV-Vis : Phổ tử ngoại-khả kiến EDX : Phổ tán xạ lượng tia X AFM : Hiển vi nguyên tử lực BET : Hấp phụ đẳng nhiệt Brunauer-Emmett-Teller UVA : Vùng tử ngoại TOC : Tổng hàm lượng carbon hữu TC : Tổng hàm lượng carbon TIC : Tổng hàm lượng carbon vô DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Thế oxi hóa chất thường gặp 13 Bảng 1.2 Tốc độ oxi hóa Ozone gốc OH 13 Bảng 2.1 Dữ liệu xây dựng phương trình đường chuẩn MB 28 Bảng 2.2 Thời gian đánh giá tiếp xúc 31 Bảng 2.3 Bảng phụ lục phương pháp TOC 32 Bảng 3.1 Các thơng số bề mặt than hoạt tính 39 Bảng 3.2 Nồng độ dung dịch MB thay đổi theo thời gian hấp phụ 40 Bảng 3.3 Nồng độ dung dịch NH4+ thay đổi theo thời gian hấp phụ 42 Bảng 3.4 Cường độ peak nhiễu xạ đặc trưng pha anatase mẫu nung 600oC 51 Bảng 3.5 Kết khả phân hủy MB mẫu TiO2/Ti – 60h-600oC 53 Bảng 3.6 Kết thử nghiệm khả kháng vi sinh vật (mẫu 1) 59 Bảng 3.7 Kết thử nghiệm khả kháng vi sinh vật (mẫu 2) 63 Bảng 3.8 Mẫu nước trước xử lí (phụ lục 3) 65 Bảng 3.9 Mẫu nước trước xử lí (phụ lục 4) 66 Bảng 3.10 Mẫu nước sau xử lí (phụ lục 5) 66 Bảng 3.11 Mẫu nước sau xử lí (phụ lục 6) 66 DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1 Nhu cầu sử dụng than hoạt tính giới đến 2021 Hình 1.2 Sơ đồ cấu trúc mao quản than hoạt tính Hình 1.3 Cấu trúc mạng Anatase Rutile Hình 1.4 Giản đồ MO TiO2 anatase 10 Hình 1.5 Sơ đồ minh họa nguyên tắc trình quang xúc tác TiO2 11 Hình 1.6 Quá trình hình thành mầm tinh thể Ti4+ 15 Hình 1.7 Tác động ion bạc lên vi khuẩn 21 Hình 2.1 Ti foam trước oxi hóa (a) Ti foam sau oxi hóa nung ủ (b) 23 Hình 2.2 Sơ đồ hệ thống phún xạ (a) mẫu Ag phún xạ lên Ti foam (b) 24 Hình 2.3 Phương trình đường chuẩn MB 28 Hình 3.1 Giản đồ XRD mẫu than hoạt tính 38 Hình 3.2 Ảnh SEM (a) phổ EDX (b) than hoạt tính ban đầu 39 Hình 3.3 Đồ thị biểu diễn tương quan dung lượng hấp phụ MB thời gian 41 Hình 3.4 Ảnh SEM (a) phổ EDX (b) than hoạt tính sau hấp phụ MB 42 Hình 3.5 Đồ thị biểu diễn tương quan dung lượng hấp phụ NH4Cl thời gian 43 Hình 3.6 Phổ FTIR than hoạt tính hấp phụ NH4+ 44 Hình 3.7 Giản đồ XRD ảnh SEM bề mặt Ti foam ban đầu 45 Hình 3.8 Giản đồ XRD ảnh SEM bề mặt Ti foam sau oxi hóa 48h 45 Hình 3.9 Ảnh AFM bề mặt Ti foam ban đầu (a) bề mặt sau oxi hóa dung dịch H2O2 (30%) 48h (b) 46 Hình 3.10 Giản đồ XRD mẫu TiO2 nung 500oC 47 Hình 3.11 Giản đồ XRD mẫu TiO2 nung 600oC 48 Hình 3.12 Giản đồ XRD mẫu TiO2 nung 700oC 49 Hình 3.13 Các giản đồ XRD mẫu Ti foam ủ dung dịch H2O2 khoảng thời gian khác (48-72 h) nung 600oC 50 74 no 2–4, pp 347–355, 2004, doi: 10.1016/j.jcrysgro.2004.05.023 [44] J Jin et al., “Nanostructured Three-Dimensional Percolative Channels for Separation of Oil-in-Water Emulsions,” iScience, vol 6, pp 289–298, 2018, doi: 10.1016/j.isci.2018.08.004 [45] H Wang, X Qiao, J Chen, and S Ding, “Preparation of silver nanoparticles by chemical reduction method,” Colloids Surfaces A Physicochem Eng Asp., vol 256, no 2–3, pp 111–115, 2005, doi: 10.1016/j.colsurfa.2004.12.058 [46] F Hajiesmaeilbaigi, A Mohammadalipour, J Sabbaghzadeh, S Hoseinkhani, and H R Fallah, “Preparation of silver nanoparticles by laser ablation and fragmentation in pure water,” Laser Phys Lett., vol 3, no 5, pp 252–256, 2006, doi: 10.1002/lapl.200510082 [47] O Gapurova, Ỉ Y Estrin, and Ỉ T Scheper, “Electrochemical method for the synthesis of silver nanoparticles,” pp 1193–1200, 2009, doi: 10.1007/s11051-008-9513-x [48] P Asanithi, S Chaiyakun, and P Limsuwan, “Growth of silver nanoparticles by DC magnetron sputtering,” J Nanomater., vol 2012, 2012, doi: 10.1155/2012/963609 [49] M Rai, A Yadav, and A Gade, “Silver nanoparticles as a new generation of antimicrobials,” Biotechnol Adv., vol 27, no 1, pp 76–83, 2009, doi: 10.1016/j.biotechadv.2008.09.002 [50] B Le Ouay and F Stellacci, “Antibacterial activity of silver nanoparticles: A surface science insight,” Nano Today, vol 10, no 3, pp 339–354, 2015, doi: 10.1016/j.nantod.2015.04.002 [51] Y C Lu and K Sen Chou, “A simple and effective route for the synthesis of nano-silver colloidal dispersions,” J Chinese Inst Chem Eng., vol 39, no 6, pp 673–678, 2008, doi: 10.1016/j.jcice.2008.06.005 [52] D C S and R A D Washington, “Reference Dose for Chronic Oral Exposure of Silver CASRN 7440-22-4.,” US Environ Prot Agency, pp 1– 13, 1991, [Online] Available: https://cfpub.epa.gov/ncea/iris/iris_documents/documents/subst/0099_summa 75 ry.pdf [53] C Wang and J Yao, “Decolorization of methylene blue with TiO2 sol via UV irradiation photocatalytic degradation,” Int J Photoenergy, vol 2010, 2010, doi: 10.1155/2010/643182 [54] Trần Đại Lâm (2017) Các Phương Pháp Phân Tích Hóa Lý Vật Liệu Nxb Khoa Học Tự Nhiên Công Nghệ [55] M L Paret, G E Vallad, D R Averett, J B Jones, and S M Olson, “Photocatalysis: Effect of light-activated nanoscale formulations of TiO2 on Xanthomonas perforans and control of bacterial spot of tomato,” Phytopathology, vol 103, no 3, pp 228–236, 2013, doi: 10.1094/PHYTO08-12-0183-R [56] S Q Sun, B Sun, W Zhang, and D Wang, “Preparation and antibacterial activity of Ag-TiO2 composite film by liquid phase deposition (LPD) method,” Bull Mater Sci., vol 31, no 1, pp 61–66, 2008, doi: 10.1007/s12034-008-0011-7 [57] Z Q Li, C J Lu, Z P Xia, Y Zhou, and Z Luo, “X-ray diffraction patterns of graphite and turbostratic carbon,” Carbon N Y., vol 45, no 8, pp 1686– 1695, 2007, doi: 10.1016/j.carbon.2007.03.038 [58] S Mopoung, P Moonsri, W Palas, and S Khumpai, “Characterization and Properties of Activated Carbon Prepared from Tamarind Seeds by KOH Activation for Fe(III) Adsorption from Aqueous Solution,” Sci World J., vol 2015, 2015, doi: 10.1155/2015/415961 [59] G Moussavi, H Hosseini, and A Alahabadi, “The investigation of diazinon pesticide removal from contaminated water by adsorption onto NH4Clinduced activated carbon,” Chem Eng J., vol 214, no August 2016, pp 172–179, 2013, doi: 10.1016/j.cej.2012.10.034 [60] J E Callanan and N O Smith, “Sublimation pressures of solid solutions III NH4Cl + NH4Br,” J Chem Thermodyn., vol 3, no 4, pp 531–538, 1971, doi: 10.1016/S0021-9614(71)80036-8 [61] J Pironon, M Pelletier, P De Donato, and R Mosser-Ruck, “ 76 Characterization of smectite and illite by FTIR spectroscopy of interlayer NH + cations ,” Clay Miner., vol 38, no 2, pp 201–211, 2003, doi: 10.1180/0009855033820089 [62] V R Agrawal, V S Vairagade, and A P Kedar, “Activated Carbon as Adsorbent In Advance Treatement of Wastewater,” IOSR J Mech Civ Eng., vol 14, no 04, pp 36–40, 2017, doi: 10.9790/1684-1404023640 [63] C H Nguyen, H N Tran, C C Fu, Y T Lu, and R S Juang, “Roles of adsorption and photocatalysis in removing organic pollutants from water by activated carbon–supported titania composites: Kinetic aspects,” J Taiwan Inst Chem Eng., vol 109, pp 51–61, 2020, doi: 10.1016/j.jtice.2020.02.019 [64] R Janes and L J Knightley, “Synthetic routes to microfine biphasic titaniaalumina powders,” Dye Pigment., vol 56, no 2, pp 111–124, 2003, doi: 10.1016/S0143-7208(02)00122-5 PL1 PHỤ LỤC Phụ lục Kết quả thử nghiệm khả kháng vi sinh vật (mẫu 1) PL2 PL3 Phụ lục Kết quả thử nghiệm khả kháng vi sinh vật (mẫu 2) PL4 PL5 Phụ lục Mẫu nước quận 11 trước xử lý PL6 Phụ lục Mẫu nước huyện Trảng Bàng trước xử lý PL7 Phụ lục Mẫu nước quận 11 sau xử lý PL8 Phụ lục Mẫu nước huyện Trảng Bàng sau xử lý PL9 Phụ lục Giản đồ XRD của Ti foam Phụ lục Giản đồ XRD của TiO2 – 48h – 500oC PL10 Phụ lục Giản đồ XRD của TiO2 – 48h – 600oC Phụ lục 10 Giản đồ XRD của TiO2 – 48h – 700oC PL11 Phụ lục 11 Giản đồ XRD của TiO2 – 60h – 600oC Phụ lục 12 Giản đồ XRD của TiO2 – 72h – 600oC PL12 Phụ lục 13 Giản đồ XRD của Ag/Ti (mẫu 1) Phụ lục 14 Giản đồ XRD của Ag/Ti (mẫu 2) ... ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH Đinh Thanh Quyến NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG TITAN FOAM TRONG CHẾ TẠO ỐNG LỌC NƯỚC CẦM TAY Chun ngành : Hố Vơ Mã số : 8440113 LUẬN VĂN THẠC... đoan luận văn với đề tài ? ?Nghiên cứu khả ứng dụng Titan foam chế tạo ống lọc nước cầm tay? ?? công trình nghiên cứu riêng tơi hướng dẫn TS Nguyễn Thị Trúc Linh Các số liệu, kết nghiên cứu trung... vấn đề thực tiễn chọn đề tài ? ?Nghiên cứu khả ứng dụng Titan foam chế tạo ống lọc nước cầm tay? ?? Chương TỔNG QUAN 1.1 Vật liệu than hoạt tính 1.1.1 Khái quát về nghiên cứu và sử dụng than