Tổng hợp vật liệu compozit tio2 V2O5PANi ứng dụng làm xúc tác xử lý chất ô nhiễm hữu cơ trong nước

1. Tính cấp thiết, tình hình nghiên cứu liên quan đến luận văn Nước là một trong những nguồn tài nguyên thiên nhiên quý giá, không thể bị con người đánh tráo để sử dụng hàng ngày trong quá trình công nghiệp hóa và trở thành hàng hóa. Sự gia tăng dân số hàng loạt và giai đoạn phát triển mang tính cách mạng ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng nước trên toàn thế giới. Tiến bộ trong lĩnh vực công nghệ được coi là xương sống cho sự phát triển của bất kỳ quốc gia nào nhưng cũng chịu trách nhiệm phân hủy các chất thải nguy hiểm đến tính mạng trong nước. Chất thải từ các ngành công nghiệp dệt may, dược phẩm, sản xuất giấy, in ấn, mỹ phẩm và chế biến thực phẩm chứa rất nhiều bột màu và thuốc nhuộm đã và đang tiếp tục thải ra ngoài môi trường. Thuốc nhuộm thuộc nhóm các hợp chất hữu cơ, được sử dụng chủ yếu trong các ngành công nghiệp nhựa, thực phẩm, giấy, in, da và dệt. Các loại thuốc nhuộm này là nguyên nhân chính gây ra các tạp chất làm ô nhiễm môi trường nước do tính ổn định hóa học, khả năng phân hủy sinh học thấp, tính thơm cao, tính chất gây ung thư, độc hại và quy mô sản xuất lớn của chúng. Trong quá trình tạo màu, một lượng lớn thuốc nhuộm được đổ ra đại dương. Màu sắc của các loại thuốc nhuộm này có thể quan sát rõ trên bề mặt nước mặc dù chúng có ở nồng độ rất thấp, gây ô nhiễm nước với độc tính, gây hại cho sức khỏe con người, môi trường và động vật sống gần thủy sinh. Rhodamine B (RhB) là chất nhuộm màu đỏ và được sử dụng rộng rãi trong nhuộm vải do bền màu, giá thành rẻ. Loại thuốc nhuộm này không chỉ gây hại cho sinh vật dưới nước mà còn gây ung thư cho người và động vật. Các phương pháp xử lý nước thải thông thường như lọc, kết tủa hóa học, trao đổi ion, công nghệ màng lọc và hấp phụ có những nhược điểm và hạn chế lớn bao gồm: chi phí vận hành cao, không hiệu quả với nồng độ thấp, tính chọn lọc kém và có thể thải các chất ô nhiễm độc hại thứ cấp vào hệ sinh thái, gây khó chịu nghiêm trọng. rủi ro đối với môi trường và sức khỏe con người. Chất xúc tác quang bán dẫn hiện nay đang được sử dụng phổ biến để thay thế cho các phương pháp tiếp cận thông thường và có hiệu quả cao trong xử lý nước thải do quy trình thiết bị đơn giản, oxy hóa không chọn lọc, vận hành dễ dàng được kiểm soát, tiết kiệm chi phí và phân hủy hoàn toàn thuốc nhuộm hữu cơ thành các sản phẩm vô hại. Trong đó, TiO2 là một trong những chất xúc tác quang được sử dụng phổ biến nhất do sở hữu các đặc tính hấp dẫn là chi phí thấp, độ bền hóa học cao, lành tính với môi trường và khả năng oxy hóa đáng kể. Tuy nhiên, vùng cấm rộng (3,0 - 3,2 eV) và sự tái kết hợp nhanh chóng của các cặp e‒ / h+ được tạo quang đã hạn chế đáng kể ứng dụng rộng rãi của nó dưới ánh sáng nhìn thấy. Để sử dụng hiệu quả năng lượng mặt trời và giảm sự tái kết hợp tỷ lệ của các cặp electron-lỗ trống được tạo quang, có thể giảm kích thước vật liệu hoặc pha tạp vào nền bán dẫn các nguyên tố kim loại chuyển tiếp, phi kim hoặc oxit kim loại như Cr, Pt, N, S, C, Fe2O3, SnO2, Cr2O, V2O5,... Là một chất bán dẫn oxit kim loại chuyển tiếp quan trọng, V2O5 có năng lượng dải tần tương đối thấp (khoảng 2,3 eV), có thể cung cấp khả năng hấp thụ phổ mặt trời rộng. Điều này làm cho hệ V2O5 / TiO2 trở thành vật liệu xúc tác hiệu quả cho ứng dụng quang xúc tác. Việc nghiên cứu sử dụng thêm các chất polyme dẫn trong tổng hợp các hợp chất xúc tác quang đã được tiến hành. Do khả năng hấp thụ ánh sáng lớn hơn và sự vận chuyển điện tử hiệu quả hơn của polyme bán dẫn so với các hạt oxit kim loại dẫn đến khả năng tích trữ năng lượng và hoạt động quang xúc tác của các oxit kim loại lai có thể được tăng cường hơn nữa. Trong đó, Polyaniline (PANi) là một trong những polyme dẫn được nghiên cứu nhiều nhất, không chỉ vì là polyme dẫn điện ổn định nhất mà nó còn có các tính chất điện, quang học và điện hóa. Đồng thời giá cả cũng rẻ hơn so với các polymer dẫn điện khác như polypyrol (PPy). Gần đây, vật liệu nano sợi được nghiên cứu và ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như y sinh, môi trường, năng lượng, xúc tác, hấp phụ, cảm biến v.v... do chúng có những đặc tính như diện tích bề mặt riêng, độ xốp cao, kích thước sợi đồng đều và độ ổn định lớn. Có nhiều phương pháp để chế tạo vật liệu nano dạng sợi, trong đó có kỹ thuật electrospinning. Kỹ thuật này đã được chứng minh là một trong những phương pháp đơn giản và thuận tiện để tạo sợi có đường kính từ vài chục nm đến vài μm. Chính vì vậy, chúng tôi đã chọn đề tài luận văn tốt nghiệp là “Tổng hợp vật liệu compozit TiO2-V2O5/PANi ứng dụng làm xúc tác xử lý chất ô nhiễm hữu cơ trong nước”. 2. Mục tiêu luận văn - Tổng hợp vật liệu nanocompozit TiO2-V2O5/PANi bằng phương pháp electrospinning kết hợp phương pháp polyme hóa pha hơi; - Nghiên cứu hình thái cấu trúc vật liệu nanocompozit TiO2-V2O5/PANi; - Ứng dụng nanocompozit TiO2-V2O5/PANi làm xúc tác quang để xử lý RhB trong nước. 3. Phương pháp nghiên cứu Căn cứ vào mục đích, yêu cầu, nội dung đặt ra của đề tài, chúng tôi xác định phương pháp nghiên cứu bao gồm: - Phương pháp tổng quan tài liệu; - Phương pháp tổng hợp vật liệu; - Phương pháp phân tích hình thái, cấu trúc, khả năng xúc tác quang của vật liệu; - Phương pháp xử lý số liệu thực nghiệm. 4. Đối tượng, phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu: Xúc tác TiO2-V2O5/PANi và các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng xử lý RhB trong nước. Phạm vi nghiên cứu: Thực hiện tại phòng thí nghiệm Hóa phân tích - Bộ môn Kỹ thuật Môi trường, Khoa Hóa-Lý Kỹ thuật, Học viện Kỹ thuật Quân sự. 5. Ý nghĩa khoa học thực tiễn Xúc tác TiO2-V2O5/PANi có thể sử dụng làm chất xúc tác tiềm năng trong xử lý môi trường, đặc biệt là xử lý các chất ô nhiễm hữu cơ như thuốc nhuộm, kháng sinh... 6. Bố cục luận văn Luận văn gồm 3 phần chính: Phần mở đầu: Nêu tính cấp thiết, mục tiêu, nhiệm vụ của luận văn, phương pháp, đối tượng, phạm vi nghiên cứu; Phần nội dung: Gồm 3 chương • Chương 1: Tổng quan • Chương 2: Nội dung và phương pháp nghiên cứu • Chương 3: Kết quả và thảo luận Phần kết luận và hướng phát triển: Tổng kết những kết quả đạt được và hướng phát triển

HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ HỆ ĐÀO TẠO CHÍNH QUY ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG TỔNG HỢP VẬT LIỆU COMPOZIT TiO2-V2O5/PANi ỨNG DỤNG LÀM XÚC TÁC XỬ LÝ CHẤT Ô NHIỄM HỮU CƠ TRONG NƯỚC Năm 2021 HỆ ĐÀO TẠO CHÍNH QUY ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC CHUYÊN NGÀNH: CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG MÃ SỐ: 52510406 TỔNG HỢP VẬT LIỆU COMPOZIT TiO2-V2O5/PANi ỨNG DỤNG LÀM XÚC TÁC XỬ LÝ CHẤT Ô NHIỄM HỮU CƠ TRONG NƯỚC Cán hướng dẫn đồ án: 2// TS Nguyễn Trung Dũng 2// TS Vũ Đình Thảo Năm 2021 HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM KHOA HĨA – LÝ KỸ THUẬT Đợc lập – Tự – Hạnh phúc BỘ MÔN KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG Độ mật: ……… … Số: ……… …… NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ tên: Lớp: Kỹ thuật Môi trường Khóa: 15 Ngành: Cơng nghệ kỹ thuật Mơi trường Chuyên ngành: Kỹ thuật môi trường 1.Tên đề tài: “Tổng hợp vật liệu compozit TiO2-V2O5/PANi ứng dụng làm xúc tác xử lý chất ô nhiễm hữu nước” Các số liệu ban đầu: Theo hướng dẫn của giáo viên Nội dung bản thuyết minh: - Mở đầu - Chương 1: Giới thiệu tổng quan - Chương 2: Nội dung các phương pháp nghiên cứu - Chương 3: Kết thảo luận - Kết luận Cán bộ hướng dẫn: 1) Nguyễn Trung Dũng Cấp bậc: Trung tá Chức vụ: Trưởng PTN Đơn vị: Bộ môn Kỹ thuật Mơi trường, Khoa Hóa – Lý kỹ thuật, Học viện KTQS 2) Vũ Đình Thảo Cấp bậc: Trung tá Chức vụ: Chủ nhiệm Bộ môn Đơn vị: Bộ mơn Kỹ thuật Mơi trường, Khoa Hóa – Lý kỹ thuật, Học viện KTQS Ngày giao: 19/01/2021 Ngày hoàn thành: 18/08/2021 Hà Nội, ngày 18 tháng 08 năm 2021 Chủ nhiệm bộ môn Cán bộ hướng dẫn 2// TS Vũ Đình Thảo 2// TS Nguyễn Trung Dũng Học viên thực Đã hoàn thành nộp đồ án ngày 18 tháng năm 2021 LỜI CẢM ƠN Để đồ án đạt kết tốt đẹp, nhận hỗ trợ, giúp đỡ của nhiều quan, tổ chức, cá nhân Với tình cảm sâu sắc, chân thành, cho phép tơi bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc đến tất các cá nhân quan tạo điều kiện giúp đỡ quá trình học tập nghiên cứu đề tài Trước hết, xin gửi lời cảm ơn chân thành đến tới TS Nguyễn Trung Dũng TS Vũ Đình Thảo – người thầy tâm huyết trực tiếp hướng dẫn, dạy giúp đỡ suốt quá trình thực Vơ cảm ơn các thầy dành nhiều thời gian, mồ cơng sức tận tình hướng dẫn, bảo tơi mặt suốt quá trình làm khoá luận Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo Học viện Kỹ thuật Quân nói chung, các thầy Bộ mơn Kỹ thuật Mơi trường nói riêng dạy dỗ cho tơi kiến thức các môn đại cương các môn chun ngành, giúp tơi có sở lý thuyết vững vàng tạo điều kiện giúp đỡ suốt quá trình học tập Cuối cùng, tơi xin chân thành cảm ơn gia đình bạn bè, ln ủng hộ, quan tâm, giúp đỡ, động viên cố gắng suốt quá trình học tập hồn thành khoá luận tốt nghiệp Trong quá trình làm báo cáo, vẫn cịn hạn chế chun mơn thời gian thực nghiệm nên khó tránh khỏi xuất sai sót Rất mong các thầy các cơ, đàn anh đàn chị các bạn nhận xét góp ý để báo cáo của tơi hồn thiện Tôi xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, ngày 18 tháng năm 2021 Sinh viên thực MỤC LỤC MỞ ĐẦU 1 Tính cấp thiết, tình hình nghiên cứu liên quan đến luận văn Mục tiêu luận văn .3 Phương pháp nghiên cứu Đối tượng, phạm vi nghiên cứu Ý nghĩa khoa học thực tiễn .4 Bố cục luận văn CHƯƠNG 1: GIỚP THIỆU TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan Polianiline (PANi), TiO2, V2O5 1.1.1 Tổng quan Polyaniline .5 1.1.1.1 Cấu trúc 1.1.1.2 Tính chất 1.1.1.3 Tổng hợp PANi 1.1.1.4 Ứng dụng 12 1.1.2 Tổng quan TiO2 12 1.1.2.1 Cấu trúc tính chất 12 1.1.2.2 Tính chất hóa lý .14 1.1.2.3 Tính chất xúc tác quang của TiO2 16 1.1.2.4 Ứng dụng 19 1.1.3 Tổng quan V2O5 .20 1.1.3.1 Cấu trúc 20 1.1.3.2 Tính chất quang 21 1.1.3.3 Ứng dụng 22 1.2 Tổng quan phương pháp electrospining 22 1.3 Tổng hợp vật liệu nanocompozit sở TiO2, V2O5 PANi 25 1.4 Ứng dụng xúc tác quang sở TiO2, V2O5 PANi .27 1.5 Giới thiệu peroxymonosunphat (PMS) 29 1.6 Tổng quan Rhodamine B 29 1.6.1 Cấu tạo tính chất .29 1.6.2 Các phương pháp xử lý 31 CHƯƠNG 2: MỤC ĐÍCH, PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 34 2.1 Đối tượng nghiên cứu .34 2.2 Mục tiêu nghiên cứu 34 2.3 Nội dung nghiên cứu 34 2.4 Hóa chất, dụng cụ thiết bị 34 2.4.1 Hóa chất 34 2.4.2 Dụng cụ 35 2.5 Tổng hợp vật liệu nanocompozit TiO2-V2O5/PANi 36 2.5.1 Tổng hợp vật liệu TiO2 36 2.5.2 Tổng hợp vật liệu TiO2-V2O5 37 2.5.3 Tổng hợp vật liệu TiO2-V2O5/PANi 38 2.6 Đánh giá hoạt tính xúc tác quang thơng qua phản ứng phân hủy RhB 38 2.7 Xác định điểm đẳng điện pHpzc 40 2.8 Phương pháp xử lý số liệu 40 CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 41 3.1 Đặc trưng cấu trúc tính chất của vật liệu nanocompozit TiO2-V2O5/PANi .41 3.1.1 Phổ nhiễu xạ tia X (XRD) 41 3.1.2 Phổ hồng ngoại (FT-IR) 41 3.1.3 Phổ tán sắc lượng tia X (EDS) 45 3.1.4 Hình thái học của vật liệu 46 3.1.5 Phổ phản xạ khuếch tán tử ngoại - khả kiến (UV-Vis DRS) 47 3.2 Nghiên cứu khả xúc tác quang của vật liệu TiO2-V2O5/PANi để xử lý RhB nước 48 3.2.1 Ảnh hưởng của hệ xúc tác 48 3.2.2 Ảnh hưởng của hàm lượng xúc tác 50 3.2.3 Ảnh hưởng của hàm lượng PMS 52 3.2.3 Ảnh hưởng của hàm lượng RhB 53 3.2.4 Ảnh hưởng của hàm lượng pH .54 3.3 Nhận dạng loại oxi hoạt động 57 3.4 Đề xuất chế xúc tác 59 3.5 So sánh với các nghiên cứu khác 61 KẾT LUẬN VÀ ĐỊNH HƯỚNG PHÁT TRIỂN 64 Kết luận 64 Định hướng phát triển 64 TÀI LIỆU THAM KHẢO 66 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU Ký hiệu Tiếng Anh Tiếng Việt EDX Energy Dispersive X-ray Spectrometry Phổ tán sắc lượng tia X EtOH Ethanol Etanol FT-TR SEM Fourrier Transformation InfraRed Scanning Electron Microscope Phổ hồng ngoại biến đổi Furie Kính hiển vi điện tử quét RhB Rhodamine B Rhodamin B UV-Vis UV-Visible UV-Vis DRS UV-Visible Diffuse Reflectance Spectroscopy Phổ hấp thụ phân tử tử ngoại - khả kiến Phổ phản xạ khuếch tán tử ngoại khả kiến PANi Polyaniline Polyanilin PMS Peroxymonosulfate Kali peroxymonosunphat PVP Polyvinylpyrrolidone Polyvidon povidon TT Titanbutoxide Titanbutoxit VO(acac)2 Vanadyl acetylacetonate Vanadyl acetylacetonat XRD X-ray diffraction Phương pháp nhiễu xạ tia X ... NGHIỆP ĐẠI HỌC CHUYÊN NGÀNH: CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG MÃ SỐ: 52510406 TỔNG HỢP VẬT LIỆU COMPOZIT TiO2- V2O5/PANi ỨNG DỤNG LÀM XÚC TÁC XỬ LÝ CHẤT Ô NHIỄM HỮU CƠ TRONG NƯỚC Cán hướng dẫn đồ án:... tài luận văn tốt nghiệp ? ?Tổng hợp vật liệu compozit TiO2- V2O5/PANi ứng dụng làm xúc tác xử lý chất ô nhiễm hữu nước? ?? Mục tiêu luận văn - Tổng hợp vật liệu nanocompozit TiO2- V2O5/PANi phương pháp... Kỹ thuật môi trường 1.Tên đề tài: ? ?Tổng hợp vật liệu compozit TiO2- V2O5/PANi ứng dụng làm xúc tác xử lý chất ô nhiễm hữu nước? ?? Các số liệu ban đầu: Theo hướng dẫn của giáo viên Nội dung bản