Nghiên cứu xử lý phenol bằng mô hình quang xúc tác ánh sáng mặt trời sử dụng vật liệu nano tio2

UBND TỈNH BÌNH DƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦ DẦU MỘT _ LÊ DUY KHÁNH NGHIÊN CỨU XỬ LÝ PHENOL BẰNG MƠ HÌNH QUANG XÚC TÁC ÁNH SÁNG MẶT TRỜI SỬ DỤNG VẬT LIỆU NANO TiO2 CHUYÊN NGÀNH: KHOA HỌC MÔI TRƯỜNG MÃ SỐ: 84440301 LUẬN VĂN THẠC SĨ BÌNH DƯƠNG - NĂM 2019 UBND TỈNH BÌNH DƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦ DẦU MỘT LÊ DUY KHÁNH NGHIÊN CỨU XỬ LÝ PHENOL BẰNG MƠ HÌNH QUANG XÚC TÁC ÁNH SÁNG MẶT TRỜI SỬ DỤNG VẬT LIỆU NANO TiO2 CHUYÊN NGÀNH: KHOA HỌC MÔI TRƯỜNG MÃ SỐ: 8440301 LUẬN VĂN THẠC SĨ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS NGUYỄN THỊ LIÊN THƯƠNG BÌNH DƯƠNG - NĂM 2019 i Lời cam đoan Tôi xin cam đoan: Đề tài cơng trình khảo sát thực tơi phần kết luận văn trình bày kết nghiên cứu thực cá nhân Các thông số số liệu, kết khảo sát trình báo cáo hồn tồn trung thực chưa cơng bố hình thức Việc tham khảo nguồn tài liệu trích dẫn ghi nguồn tài liệu theo yêu cầu Tôi xin chịu trách nhiệm nghiên cứu Học viên Lê Duy Khánh ii Lời cảm ơn Được phân công theo định số 1038/QĐ-ĐHTDM Trường Đại học Thủ Dầu Một, đồng ý giáo viên hướng dẫn TS Nguyễn Thị Liên Thương thực đề tài “Nghiên cứu xử lý Phenol mơ hình quang xúc tác ánh sáng mặt trời sử dụng vật liệu Nano TiO2.” Để hồn thành khóa luận Tơi xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu Trường Đại học Thủ Dầu Một tạo điều kiện sở vật chất, thầy cô giảng viên Khoa Khoa học Tự nhiên tận tình hướng dẫn, giảng dạy suốt trình học tập, nghiên cứu rèn luyện trường Đại học Thủ Dầu Một Xin chân thành cảm ơn giáo viên hướng dẫn TS Nguyễn Thị Liên Thương tận tình, chu đáo hướng dẫn tơi thực khóa luận Cám ơn chun viên phịng thí nghiệm hỗ trợ tơi cơng việc phục vụ đề tài Bình Dương, Ngày tháng năm Học viên (ký ghi rõ họ tên) Lê Duy Khánh iii Tóm tắt Đề tài trình bày nội dung nghiên cứu khả xử lý Phenol nước thải mơ hình quang xúc tác sử dụng vật liệu nano TiO Đề tài xây dựng thành cơng mơ hình quang xúc tác có cải tiến tăng cường độ ánh sáng hội tụ máng parabol, tăng thời gian lưu ống phản ứng dạng xoắn Nghiên cứu sử dụng đối tượng Phenol nước (gọi tắt dung dịch phenol) biết trước nồng độ làm đối tượng xử lý khảo sát điều kiện ảnh hưởng đến hiệu suất xử lý hệ : Thời gian phản ứng, hàm lượng nano TiO sử dụng, nồng độ Phenol đầu vào, pH phản ứng tứ đưa đánh giá khả xử lý Phenol mơ hình quang xúc tác ánh sáng mặt trời sử dụng vật liệu nano TiO 2, đề tài khảo sát cho thấy hai loại polymer trợ lắng anion cation có khả loại vật liệu TiO2 khỏi dung dịch sau xử lý cho thấy tìm thu hồi vật liệu phương pháp Kết nghiên cứu cho thấy mơ hình vận hành từ thông số tối ưu khảo sát nồng độ 2gTiO2/L, pH 4, thời gian xử lý 360 phút từ đến 16 giờ, mơ hình làm giảm 0.91 mg phenol với 2g TiO2 360 phút chiếu xạ ánh sáng mặt trời đạt hiệu suất 45,33% Hiệu suất loại vật liệu 76.15% POLYMER ANINON (CONH 2[CH2CH-]n 86.58% với POLYMER CATION (C3H5ON) Từ khóa: mơ hình quang xúc tác, quang xúc tác, TiO 2, Phenol iv MỤC LỤC Lời cam đoan ii Lời cảm ơn iii Tóm tắt iv DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT vii DANH MỤC HÌNH viii DANH MỤC BẢNG x MỞ ĐẦU CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.1 Hợp chất Phenol dẫn suất 1.1.1 Tính chất vật lí hóa học hợp chất Phenol 1.1.2 Nguồn gốc, độc tính, ảnh hưởng, liều lượng cho phép Phenol dẫn xuất môi trường nước [8][5] 1.2.3 Thành phần tính chất số loại nước thải chứa Phenol 1.2 Cơ sở Lý thuyết lựa chọn phương pháp xử lý 13 1.2.1 Phương pháp xử lý thường áp dụng để xử lý nước thải chứa Phenol [6] 13 1.2.2 Vật liệu nano TiO2 phương pháp quang xúc tác Nano Titandium dioxide (TiO2) 20 Cơ chế quang xúc tác TiO2 22 Ứng dụng 23 1.2.3 Cơ sở thiết kế mô hình Quang xúc tác 26 Tối ưu hóa lượng lượng mặt trời cho q trình quang hóa 26 Các hệ thống quang xúc tác [16] 27 1.3 Các nghiên cứu trước liên quan 32 1.3.1 Nghiên cứu nước 32 1.3.2 Nghiên cứu nước 33 CHƯƠNG NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 36 2.1 Chuẩn bị vật liệu nano TiO2 36 2.2 Phương pháp phân tích 37 2.3 Hóa chất dụng cụ 40 2.4 Phương pháp bố trí thí nghiệm xử lý số liệu 40 v 2.5 Bố trí thí nghiệm 41 2.5.1 Xây dựng mơ hình Quang xúc tác cải tiến 41 2.5.2 Bố trí thí nghiệm đánh giá khả xử lý Phenol 41 2.5.3 Khảo sát khả loại vật liệu khỏi dung dịch sau xử lý chất trợ lắng Polymer 44 CHƯƠNG KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 45 3.1 Xây dựng mơ hình quang xúc tác cải tiến sử dụng ánh sáng mặt trời 45 3.3 Khảo sát điều kiện tối ưu cho mơ hình quang xúc tác 46 3.3.1 Khảo xác thời gian xử lý 46 3.3.2 Khảo sát nồng độ dung dịch Phenol đầu vào 49 3.3.3 Khảo sát hàm lượng vật liệu TiO2 sử dụng 51 3.3.4 Khảo sát pH dung dịch đầu vào 54 3.3.5 Khảo sát khả xử lý dung dịch Phenol với điều kiện tối ưu 56 3.4 Khả loại vật liệu khỏi dung dịch sau xử lý quang xúc tác chất trợ lắng Polymer 57 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 59 Kết luận 59 Kiến nghị 60 TÀI LIỆU THAM KHẢO 61 PHỤ LỤC BẢNG 59 PHỤ LỤC HÌNH 63 vi DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT AOPs : Tiến trình oxy hóa nâng cao COD : Nhu cầu oxy hóa học EPA : Tổ chức bảo vệ mơi trường EC50 : nồng độ gây hại 50% quần thể điều kiện thực nghiệm quan sát rõ ràng LC50 : nồng đô gây chết 50% số thể người hay động vật thể đưa vào lượng định chất độc TOC : tổng cacbon hữu TSS : tổng chất rắn lơ lững UV : tia cực tím WAO :oxy hóa ướt GDP: tổng thu nhập bình quân đầu người BVTV: bảo vệ thực vật VB: vùng cấm CB: vùng hóa trị vii DANH MỤC HÌNH Hình 1 Quy trình sản xuất thước bảo vệ thực vật 12 Hình Các dạng thù hình khác TiO : (A) rutile, (B) anatase, (C) brookite [13] 20 Hình Khối bát diện TiO2 [13] 21 Hình Quá trình quang xúc tác TiO [3] 23 Hình Sơ đồ ứng dụng quang xúc tác TiO2 24 Hình Ảnh hưởng thông số vật lý tới tốc độ phản ứng 27 Hình Hệ thống đĩa phản ứng màng mỏng TiO2 28 Hình Hệ thống quang xúc tác sử dụng chảo parabol tập trung lượng mặt trời 28 Hình Hệ thống quang xúc tác máng parabol 29 Hình 10 Hệ thống quang xúc tác Double skin sheet 29 Hình 11 Mơ hình ngưng nước từ nước biển ánh sáng mặt trời 30 Hình 12 Mơ hình kết hợp xử lí sinh học hiếu khí với quang xúc tác TiO -UV 31 Hình 13 Mơ hình chưng cất nước lượng mặt trời giá rẻ 32 Hình Xử lý vật liệu sóng siêu âm 37 Hình 2 Kết tủa sua xử lý sóng siêu âm 37 Hình Sắc ký đồ dung dịch Phenol 38 Hình Sắc ký đồ 38 Hình Đường chuẩn Phenol 39 Hình Đường chuẩn COD 39 Hình Mơ hình quang xúc tác cải tiến sử dụng ánh sáng mặt trời 41 Hình Mơ hình quang xúc tác cải tiến sử dụng ánh sáng mặt trời thực tế 45 Hình Cấu tạo mơ hình 46 Hình 3 Mức lượng mặt trời thí nghiệm khảo sát thời gian phản ứng 47 Hình Nồng độ Phenol dung dịch theo thời gian 48 Hình Hiệu suất xử lý Phenol theo thời gian 48 Hình Mức lượng mặt trời thí nghiệm khảo sát nồng độ Phenol đầu vào 49 Hình Khả xử lý dung dịch Phenol theo nồng độ Phenol đầu vào 50 Hình Hiệu suất xử lý Phenol theo nồng độ đầu vào 51 Hình Mức lượng mặt trời khảo sát hàm lượng TiO 52 Hình 10 Khả xử lý Phenol theo hàm lượng vật liệu TiO2 53 Hình 11 Hiệu suất xử lý Phenol theo hàm lượng vật liệu TiO2 53 Hình 12 Mức lượng mặt trời nghiệm thức khảo sát pH 54 Hình 13 Nồng Phenol theo pH dung dịch đầu vào 55 Hình 14 Hiệu suất xử lý theo pH 56 Hình 15 Mức lượng mặt trời khảo sát với điều kiện tối ưu 57 viii Hình 16 Khả loại vật liệu khỏi dung dịch sau xử lý quang xúc tác chất trợ lắng Polymer 58 Hình Sơ đồ quy trình xử lý quang xúc tác đề xuất 60 ix Bảng phụ lục 3: Kết thí nghiệm khảo sát nồng độ Phenol xử lý theo hàm lượng TiO2 Hàm lượng 0,1 0,5 TiO2 (g/L) 3 3 Lần lặp 55110 63570 76577 84108 86973 91840 68007 62549 63647 36224 39367 35928 46228 46102 46740 Diện tích peak Nồng độ Phenol sau xử 5,62 6,49 7,82 8,59 8,89 9,38 6,94 6,39 6,50 3,69 4,01 3,66 4,72 4,70 4,77 lý (mg/L) 6,65 8,95 6,61 3,79 4,73 Trung bình 1,11 0,40 0,30 0,20 0,03 Độ lệch chuẩn 33,54 10,46 33,90 62,11 52,71 Hiệu suất (%) Bảng phụ lục 4: Kết thí nghiệm khảo sát nồng độ Phenol xử lý theo pH pH Lần lặp Diện tích peak Nồng độ (mg/L) Trung bình Độ lệch chuẩn Hiệu suất (%) 74008 7,56 76157 7,78 7,60 0,16 24,00 73073 7,46 61 82241 8,40 82180 8,40 8,48 0,14 15,22 84547 8,64 10 86132 85119 82589 8,80 8,70 8,44 8,64 0,19 13,56 Bảng phụ lục :Mức lượng mặt trời ngày khảo sát Thời gian (phút) W/m2 60 120 180 240 300 360 Ngày Chú thích 1127 1193 1210 1145 1176 1143 21-05-2019 1118 1108 1292 1043 1145 1070 24-05-2019 1012 1169 1252 1265 1075 1044 27-05-2019 1162 1011 1168 652 896 985 31-05-2019 1118 1086 1139 1132 1069 958 05-06-2019 907 939 525 642 793 755 12-06-2019 835 798 863 972 855 824 15-06-2019 Khảo sát thời gian Khảo sát Nồng độ Phenol đầu vào Khảo sát hàm lượng TiO2 Khảo sát pH Khảo sát tối ưu Bảng phụ lục 6: Khảo sát khả loại vật liệu Polymer Tên nghiệm thức Yếu tố polymer Độ đục (NTU) Lần lặp Lần lắp Lần lặp COD trung bình Lần lặp Lần lắp Lần lặp Hiệu suất (%) Đầu vào 1789 38 PO1 POLYMER ANINON (CONH2[CH2-CH-]n 432 425 433 438 42 40 41 43 76.15 62 PO2 POLYMER CATION (C3H5ON)n 240 238 242 240 44 44 41 47 86.58 PHỤ LỤC HÌNH Các thiết bị sử dụng cho đề tài: Hình phụ luc : Hệ thống phân tích sắc ký lỏng cáo áp HPLC Hình phụ luc 2: Máy phân tích độ đục 63 Hình phụ luc :Máy đo lượng mặt trời Hình phụ luc 4: Máy đo quang phổ UV VIS 64 Hình phụ luc 5: Hiện trường chạy mơ hình Hình phụ lục 6: Máy đồng hóa siêu âm 65 Hình phụ luc 7: Lị nung mẫu Sắc ký đồ đo HPLC Hình phụ luc 8: Sắc ký đồ chuẩn Phenol 0.5 mg/L 66 Hình phụ luc 9: Sắc ký đồ chuẩn Phenol 1,25 mg/L Hình phụ luc 10: Sắc ký đồ chuẩn Phenol 2,5 mg/L 67 Hình phụ luc 11: Sắc ký đồ chuẩn Phenol mg/L Hình phụ luc 12: Sắc ký đồ chuẩn Phenol 10 mg/L Hình phụ luc 13: Sắc ký đồ chuẩn Phenol 20 mg/L 68 Hình phụ luc 14: Sắc ký đồ khảo sát thời gian phản ứng sau 60 phút Hình phụ luc 15 : Sắc ký đồ khảo sát thời gian phản ứng sau 120 phút Hình phụ luc 16 : Sắc ký đồ khảo sát thời gian phản ứng sau 180 phút 69 Hình phụ luc 17 :Sắc ký đồ khảo sát thời gian phản ứng sau 240 phút Hình phụ luc 18 Sắc ký đồ khảo sát thời gian phản ứng sau 300 phút Hình phụ luc 19: Sắc ký đồ khảo sát thời gian phản ứng sau 360 phút 70 Hình phụ luc 20: Sắc ký đồ khảo sát thời gian phản ứng sau 420 phút Hình phụ luc 21 : Sắc ký đồ khảo sát hàm lượng vật liệu TiO2 0.1g/L Hình phụ luc 22 : Sắc ký đồ khảo sát hàm lượng vật liệu TiO2 0.5g/L 71 Hình phụ luc 23 : Sắc ký đồ khảo sát hàm lượng vật liệu TiO2 1g/L Hình phụ luc 24: Sắc ký đồ khảo sát hàm lượng vật liệu TiO2 2g/L Hình phụ luc 25 : Sắc ký đồ khảo sát hàm lượng vật liệu TiO2 4g/L 72 Hình phụ luc 26: Sắc ký đồ khảo sát pH Hình phụ luc 27 : Sắc ký đồ khảo sát pH Hình phụ luc 28: Sắc ký đồ khảo sát pH 10 73 Hình phụ luc 29: Sắc ký đồ khảo sát nồng độ Phenol đầu vào 0.5mg/L, 360 phút Hình phụ luc 30 :Sắc ký đồ khảo sát nồng độ Phenol đầu vào 1mg/L, 360 phút Hình phụ luc 31: Sắc ký đồ khảo sát nồng độ Phenol đầu vào 2mg/L, 360 phút 74 Hình phụ luc 32: Sắc ký đồ khảo sát nồng độ Phenol đầu vào 4mg/L, 360 phút Hình phụ luc 33: Sắc ký đồ khảo sát nồng độ Phenol đầu vào 6mg/L, 360 phút Hình phụ luc 34: Sắc ký đồ khảo sát nồng độ Phenol đầu vào mg/L, 360 phút 75 ... tư nghiên cứu Đề tài luận văn Thạc sĩ ? ?Nghiên cứu xử lý Phenol mơ hình quang xúc tác ánh sáng mặt trời sử dụng vật liệu Nano TiO2 ” thực nhằm ? ?ánh giá khả xử lý Phenol phương pháp Quang xúc tác. .. 39 Hình Đường chuẩn COD 39 Hình Mơ hình quang xúc tác cải tiến sử dụng ánh sáng mặt trời 41 Hình Mơ hình quang xúc tác cải tiến sử dụng ánh sáng mặt trời thực tế 45 Hình Cấu... TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦ DẦU MỘT LÊ DUY KHÁNH NGHIÊN CỨU XỬ LÝ PHENOL BẰNG MÔ HÌNH QUANG XÚC TÁC ÁNH SÁNG MẶT TRỜI SỬ DỤNG VẬT LIỆU NANO TiO2 CHUYÊN NGÀNH: KHOA HỌC MÔI TRƯỜNG MÃ SỐ: 8440301 LUẬN VĂN