Nghiên cứu hoạt tính xúc tác của bùn đỏ lâm đồng trong phản ứng oxi hóa metylen xanh bằng hydroperoxide

UBND TỈNH BÌNH DƢƠNG TRƢỜNG ĐẠI HỌC THỦ DẦU MỘT KHOA KHOA HỌC TỰ NHIÊN LỚP D13HH03 BẢO VỆ ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC SINH VIÊN Năm học: 2014 - 2015 Người hướng dẫn khoa học: TS Phạm Đình Dũ Sinh viên thực hiện: Đoàn Thị Diễm Trang Sinh viên thực Đồn Thị Diễm Trang (chính) Nguyễn Đặng Thủy Tiên Lý Ngọc Tâm NỘI DUNG • Tổng quan • Nội dung, phương pháp nghiên cứu thực nghiệm • Kết thảo luận • Kết luận kiến nghị 1.Tổng quan 1.1 Giới thiệu bùn đỏ Bùn đỏ (red mud) tạo trình sản xuất alumina (nhơm oxit) theo qui trình Bayer Sau trộn quặng bauxite với dung dịch natri hidroxit nhiệt độ áp suất cao, nhơm oxit hồ tan dung dịch lại chất cặn rắn bùn đỏ theo phương trình phản ứng sau: Al2O3.H2O + Na(OH).3H2O = NaAl2O3(OH) + 4H2O + bùn đỏkhông tan Al2O3.3H2O + Na(OH).3H2O = NaAl2O3(OH) + 6H2O + bùn đỏkhơng tan Hình 1.1 Qui trình sản xuất alumina từ quặng bauxite 1.Tổng quan 1.2 Giới thiệu metylen xanh Metylen xanh (Methylene blue, C16H18ClN3S.3H2O) loại phẩm nhuộm sử dụng công nghệ nhuộm cấu tử gây ô nhiễm nước thải dệt nhuộm Ở dạng rắn, metylen xanh tinh thể màu xanh thẫm có ánh đồng đỏ bột nhỏ màu xanh thẫm Khó tan nước lạnh rượu etylic Khi đun nóng tan dễ Các dung dịch có màu xanh Khơng tan ete, benzen clorofom 1.2 Giới thiệu metylen xanh 1.Tổng quan Metylen xanh có kích thước phân tử lớn (>15 Å), công thức cấu tạo: N H3C N CH3 + S Cl- CH3 N CH3 Hình 1.2 Cơng thức cấu tạo metylen xanh Nội dung, phƣơng pháp nghiên cứu thực nghiệm 2.1 Mục tiêu nội dung nghiên cứu 2.1.1 Mục tiêu Khảo sát hoạt tính xúc tác bùn đỏ hệ phản ứng Fenton 2.1.2 Nội dung - Xử lí xác định thành phần hóa học bùn đỏ - Khảo sát ảnh hưởng pH đến phản ứng oxi hóa xanh metylen H2O2 với chất xúc tác bùn đỏ - Xác định phương trình động học phản ứng oxi hóa xanh metylen H2O2 xúc tác bùn đỏ - Khảo sát khả hoàn nguyên chất xúc tác Nội dung, phƣơng pháp nghiên cứu thực nghiệm 2.2 Phương pháp nghiên cứu 2.2.1 Hiển vi điện tử quét phân tích lượng tán xạ tia X 2.2.2 Phổ tử ngoại khả kiến Nội dung, phƣơng pháp nghiên cứu thực nghiệm 2.3 Thực nghiệm 2.3.1 Vật liệu hoá chất Bùn đỏ cung cấp nhà máy alumina Tân Rai (Bảo Lâm, Lâm Đồng) Các hoá chất: xanh metylen, H2O2, HCl NaOH (QuangZou, Trung Quốc) sử dụng nghiên cứu Kết thảo luận 3.1 Thành phần hóa học chất xúc tác Thành phần hóa học chất xúc tác phân tích EDX kết phân tích EDX cho thấy Fe nguyên tố mẫu BĐA-700 với phần trăm khối lượng 48,45% Kết cho thấy mẫu BĐA-700 có khả xúc tác cao cho hệ phản ứng Fenton kết trình bày hình 3.1 Kết thảo luận 3.2 Phổ UV-Vis xanh metylen mơi trường có pH khác §é hÊp thô 2.0 Ở pH = 11, phổ UV-Vis xanh metylen dịch chuyển phía sóng ngắn có cực đại hấp thụ bước sóng max = 615 nm 1.5 1.0 pH = pH = pH = pH = pH = 11 0.5 0.0 400 500 600 700 800  (nm) Hình 3.2 Phổ hấp thụ UV-Vis xanh metylen pH khác Kết thảo luận 3.3 Hoạt tính xúc tác hấp phụ mẫu BĐA-700 a b c d 100 Ct /Co (%) 90 80 70 60 50 40 60 120 180 BĐA-700 có hoạt tính xúc tác cho phản ứng oxi hóa ướt MB hydroperoxit - Chất xúc tác có khả tái sử dụng cao 240 t (phót) Hình 3.3 Sự phân hủy MB điều kiện khác nhau: a MB + H2O2; b MB + BĐA-700; c MB + H2O2 + BĐA-700; d MB + H2O2 + BĐA-700(r) Kết thảo luận 1.6 1.4 §é hÊp thơ 1.2 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0 3.3 Hoạt tính xúc tác hấp phụ mẫu BĐA-700 Hình dáng đường cong không khác nhau, chứng tỏ trình oxi hóa 10 gi©y xanh metylen khơng 10 120 tạo sản phẩm 180 240 trung gian, mà bị khống hóa hồn tồn tạo thành hợp chất vơ đơn giản  (nm) 400 500 600 700 800 Hình 3.4 Phổ UV-Vis phân hủy MB H2O2 xúc tác BĐA-700 theo thời gian Kết thảo luận 3.4 Nghiên cứu phản ứng oxi hóa xanh metylen H2O2 với xúc tác BĐA-700 3.4.1 Ảnh hưởng pH Ảnh hưởng pH đến hiệu suất phân hủy MB H2O2 xúc tác BĐA-700 trình bày hình 3.5 Kết thảo luận 3.4.1 Ảnh hưởng pH 100 pH = pH = pH = pH = pH = 11 Ct /Co (%) 90 80 70 60 50 60 120 180 Ở pH 11, phân hủy MB xảy không đáng kể; Ở pH = – 9, hiệu suất phân hủy MB không khác nhiều tỉ lệ Ct/Co đạt giá trị 55 – 63% thời điểm 240 phút 240 t (phót) Hình 3.5 Sự phân hủy MB pH dung dịch ban đầu khác (nồng độ MB ban đầu 3,13.105 mol/L; nồng độ H2O2 ban đầu 0,19204 mol/L) Kết thảo luận 3.4.2 Động học phản ứng Quan sát hình 3.3 3.5 ta thấy chất xúc tác có hoạt tính phút đầu phản ứng, đó, chúng tơi sử dụng phương pháp tốc độ đầu để nghiên cứu động học phản ứng Bảng 3.1 trình bày kết tính tốc độ đầu thời điểm 10 giây phản ứng oxi hóa MB hydroperoxit với BĐA-700 làm xúc tác Bảng 3.1 Kết xác định tốc độ đầu thời điểm 10 giây (ở 30oC) [MB]i  105 (mol.L1) 0,67929 1,32699 1,81671 2,49457 0,67929 1,32699 1,81671 2,49457 0,67929 1,32699 1,81671 2,49457 [MB](10s)  105 (mol.L1) 0,60174 1,09433 1,53236 1,77075 0,59169 1,03689 1,57975 1,62570 0,60318 1,06418 1,41028 1,96463 [H2O2]i (mol.L1) 0,14474 0,14474 0,14474 0,14474 0,09697 0,09697 0,09697 0,09697 0,04873 0,04873 0,04873 0,04873 Tỉ lệ mol ri (10s)  107 (H2O2)i/(MB)i (mol.L1.s1) 21307 10907 7967 5802 14275 7307 5337 3887 7173 3671 2682 1953 0,77551 2,32654 2,84355 7,23812 0,87604 2,90099 2,36962 8,68862 0,76115 2,62813 4,06426 5,29934 -6.0 (a) -6.0 (b) -6.2 log(r)i -6.4 -6.6 -6.4 -6.6 -6.8 -6.8 -7.0 -7.0 -7.2 -7.2 -5.2 -5.1 -5.0 -4.9 -4.8 -4.7 -4.6 -4.5 -5.2 log[MB]i -5.1 -5.0 -4.9 -4.8 -4.7 -4.6 -4.5 log[MB]i -6.2 (c) -6.4 log(r)i log(r)i -6.2 Hình 3.6 Đồ thị log[MB] i theo log(r)i: a [H2O2] i = 0,14474 (mol/L); b [H2O2] i = 0,09697 (mol/L); c [H2O2] i = 0,04873 (mol/L) -6.6 -6.8 -7.0 -7.2 -5.2 -5.1 -5.0 -4.9 -4.8 log[MB]i -4.7 -4.6 -4.5 Bảng 3.2 Kết xác định bậc MB tốc độ đầu khác [H2O2]i b logk' R2 0,14474 1,6177 1,2338 0,9616 0,09697 1,5667 1,0239 0,8565 0,04873 1,5288 0,8192 0,9777 (mol.L1) 1.3 log(k') 1.2 1.1 y = 0.856x + 1.9287 R² = 0.975 1.0 0.9 0.8 -1.4 -1.3 -1.2 -1.1 -1.0 -0.9 -0.8 log[H2O2]i Hình 3.7 Đồ thị log[H2O2] i theo log(k’) để tính số tốc độ phản ứng bậc H2O2 Kết luận kiến nghị 4.1 Kết luận Bùn đỏ Lâm Đồng sau xử lí axit nhiệt (mẫu BĐA-700) có thành phần sắt, với phần trăm khối lượng 48,45% Bùn đỏ sau xử lí axit nhiệt có hoạt tính xúc tác phản ứng phân hủy xanh metylen hydroperoxit pH = – Kết luận kiến nghị 4.1 Kết luận Phương pháp tốc độ đầu sử dụng để nghiên cứu động học hình thức phản ứng oxi hóa xanh metylen H2O2 xúc tác BĐA-700 Kết xác định phương trình động học phản ứng oxi hóa MB hydroperoxit xúc tác BĐA-700 r = k.[H2O2]0,86.[MB]1,57 với k = 84,86 [(mol.L1)1,43.(giây)1] 30oC Bùn đỏ có khả hồn ngun cao để làm xúc tác cho hệ phản ứng Fenton Kết luận kiến nghị 4.2 Kiến nghị Khảo sát hoạt tính xúc tác bùn đỏ phản ứng oxi hoá số hợp chất hữu khác hay phản ứng tổng hợp hữu ... pH đến phản ứng oxi hóa xanh metylen H2O2 với chất xúc tác bùn đỏ - Xác định phương trình động học phản ứng oxi hóa xanh metylen H2O2 xúc tác bùn đỏ - Khảo sát khả hoàn nguyên chất xúc tác 2... hoạt tính xúc tác phản ứng phân hủy xanh metylen hydroperoxit pH = – 4 Kết luận kiến nghị 4.1 Kết luận Phương pháp tốc độ đầu sử dụng để nghiên cứu động học hình thức phản ứng oxi hóa xanh metylen. .. khả hồn ngun cao để làm xúc tác cho hệ phản ứng Fenton 4 Kết luận kiến nghị 4.2 Kiến nghị Khảo sát hoạt tính xúc tác bùn đỏ phản ứng oxi hoá số hợp chất hữu khác hay phản ứng tổng hợp hữu