Tổng hợp nano zno pha tạp ag và ứng dụng xử lý xanh methylen trong môi trường nước

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM VÕ THI ̣HỒNG HÀ TỔNG HỢP NANO ZnO PHA TẠP Ag VÀ ỨNG DỤNG XỬ LÝ XANH METHYLEN TRONG MÔI TRƯỜNG NƯỚC BÁO CÁO KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP HÓA HỌC ĐÀ NẴNG, NĂM 2019 ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM VÕ THỊ HỒNG HÀ TỔNG HỢP NANO ZnO PHA TẠP Ag VÀ ỨNG DỤNG XỬ LÝ XANH METHYLEN TRONG MÔI TRƯỜNG NƯỚC Chuyên ngành: KHOA HỌC MÔI TRƯỜNG BÁO CÁO KH ÓA LU ẬN T ỐT NGH IỆP HÓA HỌC Người hướng dẫn khoa học TS ĐINH VĂN TẠC ĐÀ NẴNG, NĂM 2019 DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT CB Vùng dẫn chất bán dẫn e- Điện tử vùng dẫn EDX Phương pháp đo phổ tán sắc lượng tia X Eg Năng lượng vùng cấm FWHM độ rộng nửa chiều cao vạch nhiễu xạ cực đại h+ Lỗ trống vùng hóa trị PAA Poli acrylic axit PEG Poli etylen glycol PVA Poli vinyl ancol pzc Điểm điện tích zero - Point of zero charge UV Ánh sáng cực tím (λ = 200 – 400nm) VB Vùng hóa trị chất bán dẫn Vis Ánh sáng khả kiến (λ = 400 – 700nm) XRD Phương pháp đo phổ tán sắc lượng tia X Λ Bước sóng ánh sáng DANH MỤC CÁC BẢNG Số hiệu bảng Tên bảng Trang 1.1 Các số đặc trưng vật liệu ZnO nhiệt độ phòng 1.2 Phân loại q trình oxi hóa nâng cao 14 2.1 Hóa chất sử dụng 16 2.2 Dụng cụ, thiết bị cần dùng 16 2.3 Sự phụ thuộc mật độ quang A vào nồng độ xanh methylen bước sóng 665 nm 18 3.1 Giá trị kích thước tinh thể trung bình mẫu ZnO pha tạp Ag 29 3.2 Thành phần nguyên tố có vật liệu ZnO pha tạp Ag 30 3.3 Hiệu suất xử lý xanh methylen vật liệu ZnO ZnO pha tạp Ag 31 3.4 Hiệu suất xử lý xanh methylen vật liệu 2%Ag –ZnO giá trị pH khác 32 3.5 Hiệu suất xử lý xanh methylen vật liệu 2%Ag–ZnO với khối lượng khác 34 3.6 Hiệu suất xử lý xanh methylen tương ứng với cường độ chiếu sáng 35 3.7 Hiệu suất xử lý xanh methylen tương ứng với thời gian chiếu sáng 37 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Số hiệu hình vẽ Tên hình vẽ Trang 1.1 Cấu trúc ô mạng sở tinh hệ lục phương kiểu wurtzite 1.2 Cấu trúc ô mạng sở tinh hệ lập phương đơn giản kiểu halit 1.3 Cấu trúc ô mạng sở tinh hệ lập phương kiểu sphalerit 1.4 Cấu trúc đối xứng vùng lượng lý thuyết (a) thực nghiệm (b) 1.5 Cấu trúc phân tử xanh methylen 11 2.1 Sơ đồ tổng hợp nano ZnO nano ZnO pha tạp Ag phương pháp đốt cháy gel 17 2.2 Thiết bị tổng hợp ZnO ZnO pha tạp Ag 18 2.3 Đường chuẩn xác định nồng độ xanh methylen λ= 665 nm 19 2.4 Thiết bị khảo sát ảnh hưởng số yếu tố đến phản ứng phân hủy xanh methylen 21 2.5 Sơ đồ bước chuyển dịch lượng 24 3.1 Nano ZnO (a) nano ZnO pha tạp Ag (b) 26 3.2 Phổ XRD mẫu ZnO pha tạp Ag 1%; 2%; 3% ZnO không pha tạp Ag 27 3.3 Phổ XRD mẫu ZnO không pha tạp Ag 27 3.4 Phổ XRD mẫu ZnO pha tạp Ag 1% 28 3.5 Phổ XRD mẫu ZnO pha tạp Ag 2% 28 3.6 Phổ XRD mẫu ZnO pha tạp Ag 3% 29 3.7 Phổ EDX vật liệu xúc tác ZnO pha tạp Ag 30 3.8 Sự phụ thuộc hiệu suất xử lý xanh methylen vào phần trăm Ag pha tạp ZnO 31 3.9 Sự phụ thuộc hiệu suất xử lý xanh methylen vào pH dung dịch 33 3.10 Sự phụ thuộc hiệu suất xử lý xanh methylen vào khối lượng 2%Ag-ZnO 34 3.11 Sự phụ thuộc hiệu suất xử lý xanh methylen vào cường độ chiếu sáng 36 3.12 Sự phụ thuộc hiệu suất xử lý xanh methylen vào thời gian chiếu sáng 37 MỤC LỤC MỞ ĐẦU TỔNG QUAN 1.1 TỔNG QUAN VỀ ZnO 1.1.1 Tính chất vật lí ZnO 1.1.2 Cấu trúc tinh thể ZnO 1.1.3 Cấu trúc vùng lượng ZnO 1.1.4 Tính chất điện quang ZnO .7 1.1.5 Một số ứng dụng ZnO 1.2 MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ NANO OXIT KIM LOẠI 1.2.1 Phương pháp sol-gel .8 1.2.2 Phương pháp tổng hợp đốt cháy 1.3 TỔNG QUAN VỀ XANH METHYLEN .11 1.4 MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ PHẨM MÀU DỆT NHUỘM .12 1.4.1 Phương pháp keo tụ 12 1.4.2 Phương pháp sinh học .13 1.4.3 Phương pháp lọc 13 1.4.4 Phương pháp hấp phụ 13 1.4.5 Phương pháp oxi hóa nâng cao 14 NGUYÊN LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 16 2.1 HÓA CHẤT VÀ THIẾT BỊ 16 2.1.1 Hoá chất .16 2.1.2 Thiết bị thí nghiệm 16 2.2 TỔNG HỢP NANO ZnO VÀ ZnO PHA TẠP Ag BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐỐT CHÁY GEL 16 2.3 NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG QUANG XÚC TÁC CỦA VẬT LIỆU NANO ZnO PHA TẠP Ag VÀ KHẢO SÁT ẢNH HƯỞNG CỦA MỘT SỐ YẾU TỐ ĐẾN QUÁ TRÌNH PHÂN HỦY XANH METHYLEN 18 2.3.1 Đường chuẩn xác định nồng độ xanh methylen 18 2.3.2 Ảnh hưởng phần trăm Ag pha tạp .19 2.3.3 Ảnh hưởng pH 20 2.3.4 Ảnh hưởng lượng xúc tác 20 2.3.5 Ảnh hưởng điều kiện chiếu sáng 20 2.3.6 Ảnh hưởng thời gian chiếu sáng 21 2.5 CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ĐẶC TRƯNG VẬT LIỆU 22 2.5.1 Phương pháp nhiễu xạ Rơnghen (XRD) 22 2.5.2 Phương pháp đo phổ tán sắc lượng tia X (EDX) 23 2.5.3 Phương pháp đo phổ hấp thụ UV-Vis .24 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 26 3.1 ĐẶC TRƯNG VẬT LIỆU XÚC TÁC 26 3.1.1 Tổng hợp nano ZnO ZnO pha tạp Ag 26 3.1.2 Kết đo phổ XRD 26 3.1.3 Kết đo phổ EDX 30 3.2 KẾT QUẢ KHẢO SÁT ẢNH HƯỞNG CỦA MỘT SỐ YẾU TỐ ĐẾN QUÁ TRÌNH QUANG PHÂN HỦY XANH METHYLEN 31 3.2.1 Ảnh hưởng phần trăm Ag pha tạp .31 3.2.2 Ảnh hưởng pH 32 3.2.3 Ảnh hưởng lượng xúc tác 33 3.2.4 Ảnh hưởng điều kiện chiếu sáng 35 3.2.5 Ảnh hưởng thời gian chiếu sáng 37 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 39 TÀI LIỆU THAM KHẢO 40 MỞ ĐẦU LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI Ơ nhiễm mơi trường ảnh hưởng xấu ngày nghiêm trọng đến đời sống người mức độ tồn cầu Chất gây nhiễm mơi trường chủ yếu sinh từ hoạt động sản xuất công nghiệp sinh hoạt người Trong số nguồn gây ô nhiễm, nước thải từ nhà máy sản xuất công nghiệp xem nguồn ô nhiễm đáng lưu ý Chất ô nhiễm mơi trường chất vơ chất hữu So với hợp chất vơ nhìn chung hợp chất hữu độc hại có nước thải khó xử lý Trong đó, hợp chất hữu phenol, rhodamine B, alizarin red S, xanh metylen, thuộc loại phổ biến nước thải cơng nghiệp.Các hợp chất có độc tính cao người động vật, hợp chất khó phân hủy tự nhiên, dễ hấp thụ qua da vào thể phát huy độc tính phá hoại tế bào sống.Vì vậy, việc nghiên cứu xử lý tách loại hợp chất hữu độc hại môi trường nước việc làm quan trọng cấp thiết Có nhiều phương pháp để tách loại xử lý chất hữu độc hại nước, đó, phương pháp dùng quang xúc tác bán dẫn sử dụng rộng rãi có hiệu cao Gần đây, số chất bán dẫn sử dụng làm chất xúc tác quang kẽm oxit ZnO, titan đioxit TiO2, kẽm titanat Zn2TiO3 Trong số đó, TiO2 nghiên cứu nhiều So với TiO2 , kẽm oxit ZnO có độ rộng vùng cấm cao (3,27eV) tương đương với độ rộng vùng cấm TiO2 (3,3eV) chế phản ứng quang xúc tác giống TiO2 ZnO lại có phổ hấp thụ ánh sáng mặt trời rộng TiO2 Do ZnO chất xúc tác quang đầy hứa hẹn cho q trình oxi hóa quang xúc tác hợp chất hữu tác dụng ánh sáng mặt trời Các nghiên cứu cho thấy, cách hiệu để tăng hoạt tính quang xúc tác ZnO vùng khả kiến cách làm giảm độ rộng vùng cấm làm giảm kích thước vật liệu biến tính ZnO số kim loại Ag, Ce Trên sở đó, tơi tiến hành thực đề tài: “Tổng hợp nano ZnO pha tạp Ag ứng dụng xử lý xanh methylen môi trường nước” 27 VNU-HN-SIEMENS D5005- Mau ZnO - M1, 2, 3, 3000 2900 2800 2700 2600 2500 2400 2300 2200 2100 2000 1900 Lin (Cps) 1800 1700 1600 1500 1400 1300 1200 1100 1000 900 800 700 600 500 400 300 200 100 10 20 30 40 50 60 70 2-Theta - Scale File: Thao-DaNang-M1.raw - Type: 2Th/Th locked - Start: 10.000 ° - End: 70.000 ° - Step: 0.030 ° - Step time: 2.0 s - Temp.: 25.0 °C (Room) - Anode: Cu - Creation: 07/24/18 19:26:50 Y + 15.0 mm - File: Thao-DaNang-M2.raw - Type: 2Th/Th locked - Start: 10.000 ° - End: 70.000 ° - Step: 0.030 ° - Step time: 1.0 s - Temp.: 25.0 °C (Room) - Anode: Cu - Creation: 07/24/18 16:02:34 Y + 30.0 mm - File: Thao-DaNang-M3.raw - Type: 2Th/Th locked - Start: 10.000 ° - End: 70.000 ° - Step: 0.030 ° - Step time: 1.0 s - Temp.: 25.0 °C (Room) - Anode: Cu - Creation: 07/24/18 17:46:50 Y + 45.0 mm - File: Thao-DaNang-M4.raw - Type: 2Th/Th locked - Start: 10.000 ° - End: 70.000 ° - Step: 0.030 ° - Step time: 1.0 s - Temp.: 25.0 °C (Room) - Anode: Cu - Creation: 07/24/18 16:57:00 05-0664 (D) - Zincite, syn - ZnO - Y: 74.32 % - d x by: 1.000 - WL: 1.54056 04-0783 (I) - Silver-3C, syn - Ag - Y: 10.55 % - d x by: 1.000 - WL: 1.54056 Hình 3.2 Phổ XRD mẫu ZnO pha tạp Ag 1%; 2%; 3% ZnO không pha tạp Ag VNU-HN-SIEMENS D5005- Mau ZnO - M4 d=2.4735 1600 1500 1400 1300 1200 d=2.8120 1100 d=1.9092 500 400 d=1.3772 600 d=1.4054 300 200 d=1.3571 700 d=1.6230 800 d=1.4758 900 d=2.6010 Lin (Cps) 1000 100 10 20 30 40 50 2-Theta - Scale File: Thao-DaNang-M4.raw - Type: 2Th/Th locked - Start: 10.000 ° - End: 70.000 ° - Step: 0.030 ° - Step time: 1.0 s - Temp.: 25.0 °C (Room) - Anode: Cu - Creation: 07/24/18 16:57:00 05-0664 (D) - Zincite, syn - ZnO - Y: 74.32 % - d x by: 1.000 - WL: 1.54056 Hình 3.3 Phổ XRD mẫu ZnO không pha tạp Ag 60 70 28 VNU-HN-SIEMENS D5005- Mau ZnO - M1 1600 d=2.4729 1500 1400 1300 1200 1100 d=2.8115 900 800 d=2.6005 100 d=1.4431 200 d=2.0384 d=2.3571 300 d=1.3770 400 d=1.3574 d=1.9092 500 d=1.4756 600 d=1.4061 700 d=1.6231 Lin (Cps) 1000 10 20 30 40 50 60 70 2-Theta - Scale File: Thao-DaNang-M1.raw - Type: 2Th/Th locked - Start: 10.000 ° - End: 70.000 ° - Step: 0.030 ° - Step time: 2.0 s - Temp.: 25.0 °C (Room) - Anode: Cu - Creation: 07/24/18 19:26:50 05-0664 (D) - Zincite, syn - ZnO - Y: 60.00 % - d x by: 1.000 - WL: 1.54056 04-0783 (I) - Silver-3C, syn - Ag - Y: 4.02 % - d x by: 1.000 - WL: 1.54056 Hình 3.4 Phổ XRD mẫu ZnO pha tạp Ag 1% VNU-HN-SIEMENS D5005- Mau ZnO - M2 1600 1500 1400 1300 d=2.4731 1200 1100 900 800 100 d=1.3771 d=1.4055 200 d=2.0426 d=2.3577 300 d=1.9088 400 d=1.4760 500 d=1.4436 600 d=1.6231 d=2.6001 700 d=1.3572 d=2.8118 Lin (Cps) 1000 10 20 30 40 50 2-Theta - Scale File: Thao-DaNang-M2.raw - Type: 2Th/Th locked - Start: 10.000 ° - End: 70.000 ° - Step: 0.030 ° - Step time: 1.0 s - Temp.: 25.0 °C (Room) - Anode: Cu - Creation: 07/24/18 16:02:34 05-0664 (D) - Zincite, syn - ZnO - Y: 50.91 % - d x by: 1.000 - WL: 1.54056 04-0783 (I) - Silver-3C, syn - Ag - Y: 7.89 % - d x by: 1.000 - WL: 1.54056 Hình 3.5 Phổ XRD mẫu ZnO pha tạp Ag 2% 60 70 29 VNU-HN-SIEMENS D5005- Mau ZnO - M3 1600 1500 1400 1300 d=2.4739 1200 1100 100 d=1.3770 d=1.4424 200 d=1.9093 300 d=2.0425 d=2.3563 400 d=1.3568 500 d=1.4064 600 d=1.4762 700 d=1.6231 800 d=2.6011 900 d=2.8123 Lin (Cps) 1000 10 20 30 40 50 60 70 2-Theta - Scale File: Thao-DaNang-M3.raw - Type: 2Th/Th locked - Start: 10.000 ° - End: 70.000 ° - Step: 0.030 ° - Step time: 1.0 s - Temp.: 25.0 °C (Room) - Anode: Cu - Creation: 07/24/18 17:46:50 05-0664 (D) - Zincite, syn - ZnO - Y: 44.43 % - d x by: 1.000 - WL: 1.54056 04-0783 (I) - Silver-3C, syn - Ag - Y: 10.33 % - d x by: 1.000 - WL: 1.54056 Hình 3.6 Phổ XRD mẫu ZnO pha tạp Ag 3% Từ giá trị độ rộng nửa chiều cao vạch nhiễu xạ cực đại giản đồ XRD áp dụng cơng thức Debye-Scherrer, tính kích thước tinh thể trung bình mẫu chất Kết tính kích thước tinh thể trung bình mẫu ZnO pha tạp Ag trình bày Bảng 3.1 Bảng 3.1 Giá trị kích thước tinh thể trung bình mẫu ZnO pha tạp Ag nAg/nZn λ (nm) 2 β (độ) D (nm) 0% 0,154056 36,288 0,328 24,2 1% 0,154056 36,297 0,355 22,4 2% 0,154056 36,294 0,401 19,8 3% 0,154056 36,282 0,434 18,3 Từ kích thước tinh thể trung bình mẫu ZnO ZnO pha tạp Ag, ta thấy hạt thu có kích thước nano Khi tăng tỉ lệ nAg/nZnO từ 0% đến 3% kích thước hạt vật liệu giảm dần từ 24,2 nm xuống 18,3 nm Từ kết luận việc pha tạp Ag ZnO hạn chế gia tăng kích thước hạt 30 3.1.3 Kết đo phổ EDX Sự có mặt nguyên tố vật liệu ZnO pha tạp Ag kiểm tra phổ tán sắc lượng EDX Kết Hình 3.7 Hình 3.7 Phổ EDX vật liệu xúc tác ZnO pha tạp Ag Kết ghi phổ EDX mẫu vật liệu 2%Ag-ZnO cho phép ta khẳng định mẫu thu tinh khiết Ngoài peaks đặc trưng cho Zn O với cường độ lớn cịn có peaks Ag vị trí keV, chứng tỏ có mặt Ag vật liệu ZnO Phần trăm khối lượng nguyên tố có vật liệu ZnO pha tạp Ag Bảng 3.2 Bảng 3.2 Thành phần nguyên tố có vật liệu ZnO pha tạp Ag Nguyên tố O Zn Ag Tổng % khối lượng Phần trăm khối lượng (%) 20,75 76,20 3,05 100 Bảng 3.2 phần trăm khối lượng Zn 76,20% Ag 3,05%, tương ứng với phần trăm số mol Ag Zn 2,4% xấp xỉ với giá trị mẫu pha thực tế (2%) 31 3.2 KẾT QUẢ KHẢO SÁT ẢNH HƯỞNG CỦA MỘT SỐ YẾU TỐ ĐẾN QUÁ TRÌNH QUANG PHÂN HỦY XANH METHYLEN 3.2.1 Ảnh hưởng phần trăm Ag pha tạp Kết khảo sát ảnh hưởng phần trăm Ag pha tạp vật liệu nano ZnO đến hiệu suất phân hủy xanh methylen trình bày Bảng 3.3 Hình 3.8 Bảng 3.3 Hiệu suất xử lý xanh methylen vật liệu ZnO ZnO pha tạp Ag nAg/nZnO C0(ppm) A C (ppm) H (%) 0% 10 1,946 8,664 13,36 1% 10 0,436 1,921 80,79 2% 10 0,317 1,389 86,11 3% 10 0,452 1,992 80,08 100 80 H% 60 40 20 0 nAg/nZnO (%) Hình 3.8 Sự phụ thuộc hiệu suất xử lý xanh methylen vào phần trăm Ag pha tạp ZnO 32 Từ kết này, thấy việc pha tạp Ag vào ZnO làm tăng mạnh hiệu suất phân hủy xanh methylen giá trị pha tạp 2% Ag, chất xúc tác quang có hoạt tính quang xúc tác cao Kết giải thích sau: hàm lượng Ag pha tạp vào ZnO nhỏ (dưới 2% số mol), Ag chen vào cấu trúc lục phương ZnO, từ Ag chiếm electron từ vùng dẫn Quá trình làm giảm tái tổ hợp electron lỗ trống mang điện tích dương (h+) bề mặt ZnO Do đó, khiến cho điện tử dễ dàng chuyển lên vùng dẫn lỗ trống dễ dàng di chuyển xuống vùng hóa trị Vì pha tạp Ag (dưới 2% số mol) hoạt tính xúc tác tăng Nhưng hàm lượng Ag pha tạp tiếp tục tăng lớn 2% tỷ lệ mol, nhiều nguyên tử Ag chen vào cấu trúc lục phương ZnO làm cản trở trình hấp thụ ánh sáng ZnO dẫn đến làm hoạt tính quang xúc tác ZnO giảm Mặt khác, bán kính nguyên tử Ag 1,42Å lớn bán kính ion Zn2+ 0,60Å nên việc chen nhiều nguyên tử Ag cấu trúc ZnO làm biến dạng cấu trúc lục phương ZnO 3.2.2 Ảnh hưởng pH Kết khảo sát ảnh hưởng pH đến hiệu suất phân hủy xanh methylen Bảng 3.4 Hình 3.9 Bảng 3.4 Hiệu suất xử lý xanh methylen vật liệu 2%Ag –ZnO giá trị pH khác pH C0 (mg/l) A C (mg/l) H (%) 10 1,812 8,069 19,31 10 1,272 5,656 43,44 10 0,973 4,320 56,80 10 0,317 1,389 86,11 10 0,314 1,376 86,24 11 10 0,309 1,353 86,47 33 100 H% 80 60 40 20 pH 10 11 12 Hình 3.9 Sự phụ thuộc hiệu suất xử lý xanh methylen vào pH dung dịch Kết cho thấy, hiệu suất xúc tác quang xử lí xanh methylen vật liệu nano ZnO pha tạp 2% Ag tăng pH dung dịch tăng từ đến Tuy nhiên, thay đổi pH từ đến 12 hiệu suất tăng khơng đáng kể Do đó, pH=8 chọn làm điều kiện tối ưu cho trình quang xúc tác xử lý xanh methylen Kết giải thích sau: Chất quang xúc tác Ag-ZnO có điểm điện tích khơng (pzc) pH = 7,18 [42] Bên điểm điện tích khơng, chất xúc tác quang học có điện tích dương điểm tích điện khơng chất xúc tác quang có điện tích âm Như vậy, pH thấp pcz, xúc tác Ag-ZnO tích điện dương mà xanh methylen tích điện dương nên chúng đẩy làm giảm q trình truyền lượng, dẫn đến hoạt tính xúc tác giảm Cịn pH=8, xúc tác Ag-ZnO tích điện âm hút xanh methylen tích điện dương, làm trình truyền lượng dễ dàng dẫn đến hiệu suất xử lý cao Nhưng giá trị pH cao (pH=9 pH=11), xanh methylen bi hấp phu ̣ với lươ ̣ng lớn bề mặt chất xúc tác gây cản trở thâm ̣ nhập ánh sáng dẫn đến hiệu suất xử lý không tăng nhiều 3.2.3 Ảnh hưởng lượng xúc tác 34 Kết khảo sát ảnh hưởng hàm lượng xúc tác đến hiệu suất phân hủy xanh methylen Bảng 3.5 Hình 3.10 Bảng 3.5 Hiệu suất xử lý xanh methylen vật liệu 2%Ag–ZnO với khối lượng khác m 2%AgZnO C0 (ppm) A C (ppm) H (%) 0,05 10 0,552 2,439 75,61 0,1 10 0,317 1,389 86,11 0,15 10 0,315 1,380 86,20 0,2 10 0,310 1,359 86,42 0,3 10 0,362 1,590 84,10 90 H% 85 80 75 0.05 0.15 0.25 Khối lượng 2%Ag-ZnO (g) 0.35 Hình 3.10 Sự phụ thuộc hiệu suất xử lý xanh methylen vào khối lượng 2%AgZnO 35 Kết cho thấy, tăng khối lượng chất xúc tác từ 0,05g đến 0,1g hiệu suất phản ứng tăng mạnh Với lượng xúc tác 0,1g, 0,15g 0,2g, hiệu suất phản ứng thay đổi không đáng kể Khi lượng xúc tác quang 0,2g hiệu suất phản ứng giảm Do đó, lượng xúc tác 2%Ag-ZnO 0,1g chọn làm điều kiện tối ưu cho trình quang xúc tác xử lý xanh methylen Sự phụ thuộc hiệu suất phản ứng phân hủy xanh methylen vào lượng quang xúc tác giải thích sẵn có vị trí hoạt động bề mặt vật liệu hấp phụ mức độ thâm nhập ánh sáng môi trường phản ứng [8] Khi tăng số lượng chất xúc tác từ 0,05g đến 0,2g làm tăng tổng diện tích bề mặt vật liệu xúc tác làm tăng số lượng vị trí hoạt động cho phản ứng quang xúc tác Tuy nhiên, tăng 0,2g dẫn đến tăng tương tác hạt-hạt xúc tác quang, làm cho phần đáng kể chất xúc tác tiếp cận với xanh methylen xạ gọi cản quang 3.2.4 Ảnh hưởng điều kiện chiếu sáng Trong phản ứng quang xúc tác yếu tố quan trọng xem yếu tố then chốt ảnh hưởng tới hiệu xử lý nguồn chiếu sáng Xúc tác AgZnO biến tính có khả hoạt động vùng ánh sáng khả kiến điều kiện ánh sáng ảnh hưởng lớn tới hiệu xử lý Kết khảo sát ảnh hưởng cường độ chiếu sáng đến hiệu suất phân hủy xanh methylen ra Bảng 3.6 Hình 3.11 Bảng 3.6 Hiệu suất xử lý xanh methylen tương ứng với cường độ chiếu sáng Điều kiện chiếu sáng C0 (mg/l) A C (mg/l) H (%) 15W 10 0,549 2,426 75,74 20W 10 0,403 1,773 82,27 40W 10 0,317 1,389 86,11 không chiếu sáng 10 2,242 9,991 0,09 36 100 H% 80 60 40 20 0 Cơng suất đèn (W) Hình 3.11 Sự phụ thuộc hiệu suất xử lý xanh methylen vào cường độ chiếu sáng Kết cường độ ánh sáng ảnh hưởng vô lớn đến hiệu suất xử lý xanh methylen Khi chưa chiếu sáng, phản ứng phân hủy xanh methylen xảy không đáng kể Khi tăng cường độ chiếu sáng, hiệu suất phản ứng quang xúc tác phân hủy xanh methylen tăng mạnh Do đó, luận văn này, đèn Compact Fluoren (hãng Phillip) với công suất 40W chọn làm điều kiện tối ưu cho trình quang xúc tác xử lý xanh methylen Điều giải thích sau: tăng cường độ chiếu sáng, vật liệu xúc tác 2%Ag-ZnO hấp thụ lượng lớn sản sinh gốc tự hoạt động hydroxyl • OH Gốc hydroxyl có khả oxi hóa tất hợp chất hữu dù loại khó phân hủy sinh học nhất, biến chúng thành hợp chất vô như: CO2, H2O axit vô 37 3.2.5 Ảnh hưởng thời gian chiếu sáng Kết khảo sát ảnh hưởng thời gian chiếu sáng đến hiệu suất phân hủy xanh methylen ra Bảng 3.7 Hình 3.12 Bảng 3.7 Hiệu suất xử lý xanh methylen tương ứng với thời gian chiếu sáng t (phút) C0 (mg/l) A C (mg/l) H (%) 30 10 1,572 6,997 30,03 60 10 0,606 2,681 73,19 90 10 0,423 1,863 81,37 120 10 0,317 1,389 86,11 150 10 0,310 1,358 86,42 180 10 0,306 1,340 86,60 100 H% 80 60 40 20 30 60 90 120 150 180 210 t (phút) Hình 3.12 Sự phụ thuộc hiệu suất xử lý xanh methylen vào thời gian chiếu sáng 38 Kết cho thấy, hiệu suất xử lý xanh methylen tăng nhanh 90 phút đầu, sau tăng chậm dần qua thời điểm sau 90 phút tăng khơng đáng kể Từ 120 đến 180 phút, đường biểu diễn phụ thuộc hiệu suất xử lý xanh methylen vào thời gian chiếu sáng gần nằm ngang Do vậy, 120 phút chọn làm thời gian tối ưu để xử lý xanh methylen xúc tác quang nano 2%Ag-ZnO Kết giải thích sau: thời gian tăng lên số lượng xúc tác 2%Ag-ZnO tiếp xúc nhiều với phân tử xanh methylen, hiệu suất xử lý xanh methylen tăng lên Khi đạt cân bằng, lượng chất xúc tác tiếp xúc tối đa với phân tử xanh methylen nên dù thời gian có tăng lên khả xử lý khơng tăng 39 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ I KẾT LUẬN Với mục tiêu tổng hợp nano Zn pha tạp Ag ứng dụng làm xúc tác quang xử lý xanh methylen môi trường nước, đề tài thu kết sau: Tổng hợp vật liệu xúc tác nano ZnO tinh khiết, 1%Ag-ZnO, 2%Ag-ZnO 3%Ag-ZnO phương pháp đốt cháy gel sử dụng axit citric Kết XRD cho thấy vật liệu có cấu trúc tinh thể lập phương wurtzite có kích thước nano Kết ghi phổ EDX mẫu vật liệu 2%Ag-ZnO cho phép ta khẳng định mẫu thu tinh khiết v s ự c ó m ặt c Ag v ật li ệu ZnO Đã xác định được, điều kiện: pH = 8, nồng độ xanh methylen 10 ppm, hàm lượng xúc tác 2%Ag-ZnO 0,1 g sử dụng bóng đèn Compact 40W chiếu sáng 120 phút điều kiện tối ưu cho phản ứng sử dụng quang xúc tác xử lý xanh methylen Khi hiệu suất đạt 86,11% II KIẾN NGHỊ Nếu có thời gian tơi nghiên cứu thêm: Việc sử dụng vật liệu để xúc tác quang cho phản ứng xử lý số chất hữu độc hại khác nước Nghiên cứu ảnh hưởng chất oxi hóa bổ trợ H2O2 K2S2O8 đến q trình phân hủy xanh methylen 40 TÀI LIỆU THAM KHẢO TIẾNG VIỆT [1] Nguyễn Tinh Dung (2006), Hố học phân tích, phần III: Các phương pháp định lượng hoá học, NXB Giáo Dục [2] Trần Tứ Hiếu (2003), Phân tích trắc quang phổ hấp thụ UV – Vis, Nhà xuất Đại học Quốc gia Hà Nội [3] Nguyễn Đức Nghĩa (2007), Hóa học nano – Cơng nghệ vật liệu nguồn, Nhà xuất khoa học Tự nhiên Công nghệ TIẾNG ANH [4] Belver, C., R Bellod, S.J Stewart, F.G Requejo and M Fernández-García, (2006), Nitrogen- containing TiO2 photocatalysts: Part Photocatalytic behavior under sunlight excitation, Appl Catal B: Environ 65:309-314 [5] Chen, C., J.Liu, P.Liu and B.Yu (2011), Investigation of Photocatalytic Degradation of Methyl Orange by Using Nano-Sized ZnO Catalysts, Adv Chem Engi Sci 1: 9-14 [6] Choppali, U.and P G Brian (2008), Structural and optical properties of nanocrystalline ZnO thin films synthesized by the citrate precursor route, Journal of Luminescence 128:1641–1648 [7] Daneshvar, N., M.H Rasoulifard, A.R Khataee and F Hosseinzadeh (2007), Removal of C.I Acid Orange from aqueous solution by UV irradiation in the presence of ZnO nanopowder, J Hazard Mater.143: 95–101 [8] Goncalves, M.S.T., A.M.F Oliveira-Campos, E.M.M.S Pinto, P.M.S Plasencia and M.J.R.P Queiroz (1999), Photochemical Treatment of Solutions of Azo Dyes Containing TiO2 Chemosphere, 39:781-786 [9] Hayata, K., M.A Gondalb, M Mazen, M Khaleda, A Shakeel, M Ahsan, M Shemsid (2011), Nano ZnO synthesis by modified sol gel method and its application in heterogeneous photo catalytic removal of phenol from water, Applied Catalysis A: General393:122–129 41 [10] He, H.Y., Q Liang (2012), Enhancement in the optical transmittance of ZnO: Al powders by Mo co-doping, Current Applied Physics 222: 1-5 [11] Hong, R.Y., J.H Li, L.L Chen, D.Q Liu, H.Z Li, Y Zheng and J Ding (2009), Synthesis, surface modification and photocatalytic property of ZnO nanoparticles., Powd.Techno.19:426– 432 [12] Houas A, Lachheb H, Ksibi M, Elaloui E, Guillard C, Herrmann J –M (2001) Photocatalytic degradation pathway of methylene blue in water, Appl Catal., B Environ., 31, 145-157 [13] Jian-xiao, L V., C.Ying, X.Guo-hong, Z.Ling-yun, and W.Su-fen (2011), ‘‘Decoloration of methylene blue simulated wastewater using a UV-H2O2 combined system’’ Journal of Water Reuse and Desalination 45:321-356 [14] Li, B and Y Wang (2010), Facile synthesis and photocatalytic activity of ZnO-CuO nanocomposite, Super lattices Super lattices and Micro structures 47: 615-623 [15] Li, D and H Haneda (2003), Synthesis of nitrogen-containing ZnO powders by spray pyrolysis and their visible-light photocatalysis in gas-phase acetaldehyde decomposition, J Photocatalysis Chemosphere 51: 171-178 [16] Liqiang, J., W Dejun , W Baiqi, L X.ShudanBaifu, F Honggang, and S Jiazhong (2006), Effects of noble metal modification on surface oxigen composition, charge separation and Photo catalytic activity of ZnO nanoparticles, Journal of Molecular Catalysis A: Chemical 244: 193– 200 [17] Liu,G., G Li, X Qiu and L Li (2009), Synthesis of ZnO/titanate nanocomposites with highly photocataytic activity under visible light irradiation, J Alloys Compd 481: 492–497 [18] M Kitano, M Shiojiri (1997), Benard convection ZnO/resin lacquer coating a new approach to electrostatic dissipative coating, Powder Technol, 93, pp 267– 273 ... tính ZnO số kim loại Ag, Ce Trên sở đó, tơi tiến hành thực đề tài: ? ?Tổng hợp nano ZnO pha tạp Ag ứng dụng xử lý xanh methylen môi trường nước? ?? ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU - Nano ZnO pha tạp Ag - Xanh methylen. .. lượng 24 3.1 Nano ZnO (a) nano ZnO pha tạp Ag (b) 26 3.2 Phổ XRD mẫu ZnO pha tạp Ag 1%; 2%; 3% ZnO không pha tạp Ag 27 3.3 Phổ XRD mẫu ZnO không pha tạp Ag 27 3.4 Phổ XRD mẫu ZnO pha tạp Ag 1% 28... mẫu ZnO pha tạp Ag 29 3.2 Thành phần nguyên tố có vật liệu ZnO pha tạp Ag 30 3.3 Hiệu suất xử lý xanh methylen vật liệu ZnO ZnO pha tạp Ag 31 3.4 Hiệu suất xử lý xanh methylen vật liệu 2 %Ag –ZnO