Tổng hợp vật liệu dạng oxit trên nền carbon felt (CF) từ MIL 100(fe, mn) ứng dụng làm catot cho fenton điện hóa phân hủy chất ô nhiễm hữu cơ trong nước

Trong số các kim loại chuyển tiếp, các vật liệu gốc mangan đã thu hút nhiều sự chú ý trong quy trình like-Fenton vì tính sẵn có, độc tính thấp và bản chất đa hoá trị. So với Fe3+, thế khử tiêu chuẩn của Mn3+ cao hơn nhiều, có xu hướng nhận electron nhanh hơn, do đó Mn2+ có thể được tái sinh dễ dàng hơn. Bên cạnh sự tương tác điện tử mạnh mẽ, hiệu ứng hiệp đồng giữa Fe và Mn cũng có thể làm tăng độ dẫn điện tử và thúc đẩy động học phản ứng, tạo điều kiện hoạt hóa H2O2 và tăng cường sự phân huỷ các chất ô nhiễm. Mặt khác, trong ứng dụng của các chất xúc tác có nguồn gốc từ MOF trên cơ sở like Fenton, oxit kim loại Mn, Fe được hình thành trên nền carbon xốp có hiệu suất phản ứng tạo H2O2 (từ khử oxy bởi 2 electron diễn ra trong điều kiện axit) do cacbon xốp là vị trí hấp phụ với các oxit kim loại hoạt hóa H2O2 tạo thành các loại oxy hoạt động. Do đó, việc tổng hợp oxit lưỡng kim Fe,Mn trên nền cacbon xốp trên cơ sở MIL-100(Fe,Mn)/CF bằng cách nung trong nitơ làm điện cực catot trong EF có thể đem lại khả năng xúc tác tốt cho quá trình khử oxy tạo H2O2 đồng thời làm giảm quá trình hòa tan của Fe và Mn vào dung dịch, làm giảm ô nhiễm thứ cấp. Chính vì vậy, tôi chọn đề tài “Tổng hợp vật liệu dạng oxit trên nền carbon felt (CF) từ MIL-100(Fe,Mn) ứng dụng làm catot cho Fenton điện hóa phân hủy chất ô nhiễm hữu cơ trong nước”. 2. Mục tiêu đồ án Thực hiện đề tài này chúng tôi giải quyết các mục tiêu sau: - Tổng hợp oxit lưỡng kim Fe,Mn-Cxốp/CF từ MIL-100(Fe,Mn) bằng phương pháp thủy nhiệt kết hợp với nung trong nitơ và nghiên cứu hình thái cấu trúc của nó. - Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả xử lý xanh methylen (MB) trong nước. - Nghiên cứu đề xuất cơ chế phản ứng. 3. Phương pháp nghiên cứu Căn cứ vào mục đích, yêu cầu, nội dung đặt ra của đồ án, chúng tôi xác định phương pháp nghiên cứu ở đây bao gồm: - Phương pháp nghiên cứu tài liệu. - Phương pháp tổng hợp điện cực. - Phương pháp phân tích hình thái, cấu trúc, tính chất điện hóa. - Phương pháp xử lý MB bằng quá trình Fenton điện hóa sử dụng cực âm là oxit Fe,Mn-Cxốp/CF. - Phương pháp xử lý số liệu thực nghiệm. 4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu: catot oxit Fe,Mn-Cxốp/CF sử dụng trong quy trình Fenton điện hóa và nghiên cứu, khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng xử lý MB trong nước. Phạm vi nghiên cứu: Đồ án được thực hiện tại phòng thí nghiệm Kỹ thuật môi trường - Bộ môn Kỹ thuật Môi trường, Khoa Hóa - Lý Kỹ thuật, Học viện Kỹ thuật Quân sự. 5. Ý nghĩa khoa học, thực tiễn Catot oxit Fe,Mn-Cxốp/CF sử dụng trong quy trình Fenton điện hóa có ứng dụng thực tiễn trong xử lý các loại nước thải hữu cơ: thuốc nhuộm, kháng sinh,... 6. Bố cục đồ án tốt nghiệp Đồ án được chia thành 3 phần chính bao gồm: Phần mở đầu: Nêu lên tính cấp thiết, mục tiêu, nhiệm vụ của đồ án, phương pháp nghiên cứu, 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 lại những kết quả đã đạt được trong quá trình thực hiện và hướng phát triển đồ án trong tương lai.

HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ KHÓA 15 HỆ ĐÀO TẠO: ĐẠI HỌC CHÍNH QUY ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC CHUN NGÀNH: CƠNG NGHỆ HĨA HỌC TỔNG HỢP VẬT LIỆU DẠNG OXIT TRÊN NỀN CACBON FELT (CF) TỪ MIL-100(Fe,Mn) ỨNG DỤNG LÀM CATOT CHO FENTON ĐIỆN HOÁ PHÂN HUỶ CHẤT Ô NHIỄM HỮU CƠ TRONG NƯỚC NĂM 2021 HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ KHÓA 15 HỆ ĐÀO TẠO: ĐẠI HỌC CHÍNH QUY ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC NGÀNH: CƠNG NGHỆ KỸ THUẬT HĨA HỌC MÃ SỐ: 52510401 TỔNG HỢP VẬT LIỆU DẠNG OXIT TRÊN NỀN CACBON FELT (CF) TỪ MIL-100(Fe,Mn) ỨNG DỤNG LÀM CATOT CHO FENTON ĐIỆN HỐ PHÂN HUỶ CHẤT Ơ NHIỄM HỮU CƠ TRONG NƯỚC Cán hướng dẫn khoa học: TS Nguyễn Trung Dũng NĂM 2021 HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM SỰ KHOA HÓA - LÝ KỸ Độc lập – Tư – Hạnh phúc THUẬT BƠ MƠN CƠNG NGHỆ HỐ HỌC Độ mật: Số: NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ tên: Lớp: CNKTHH Ngành: Công nghệ Kỹ thuật Hóa học Khóa: 15 Chun ngành: Cơng nghệ Hoá học Tên đề tài: Tổng hợp vật liệu dạng oxit carbon felt (CF) từ MIL-100(Fe, Mn) ứng dụng làm catot cho fenton điện hóa phân hủy chất ô nhiễm hữu nước Các số liệu ban đầu: - Quyết định giao đồ án tốt nghiệp đại học – Học viện Kỹ thuật Quân - Tài liệu tham khảo Nội dung thuyết minh: MỞ ĐẦU CHƯƠNG I TỔNG QUAN CHƯƠNG II NÔI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU CHƯƠNG III: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN KẾT LUẬN Số lượng, nội dung vẽ (ghi rõ loại, kích thước cách thực vẽ) sản phẩm cụ thể (nếu có): Đã tổng hợp thành cơng vật liệu oxit Fe,Mn-C xốp/CF phương pháp thủy nhiệt kết hợp nung N2 ứng dụng làm catot cho trình Fenton điện hóa để xử lý xanh methylen nước Cán hướng dẫn (ghi rõ họ tên, cấp bậc, chức vụ, đơn vị, hướng dẫn toàn hay phần : Cán hướng dẫn : Nguyễn Trung Dũng Học hàm, học vị :Tiến sỹ Đơn vị : Bộ mơn Kỹ thuật Mơi trường – K11, Khoa Hóa – Lý kỹ thuật, Học viện Kỹ thuật Quân Hướng dẫn toàn Ngày giao: 19 / 01 / 2021 Ngày hoàn thành: 18 / 08 / 2021 Hà Nội, ngày 18 tháng 08 năm 2021 Chu nhiệm bộ môn Cán bộ hướng dẫn (Ký, ghi rõ họ tên, học hàm, học vị) (Ký, ghi rõ họ tên, học hàm, học vị) 2//TS Nguyễn Trung Dũng 3// TS Ngô Thị Lan Sinh viên thực hiện Đã hoàn thành nộp đồ án ngày 18 tháng 08 năm 2021 LỜI CẢM ƠN “Có loại tốt đẹp mang tên Thanh Xuân Có loại chia ly mang tên Tốt Nghiệp” “Thanh Xuân nằm lại nơi đây, ghế đó, chỗ ngồi đó, lớp học đó…và với người đó” Quãng thời gian năm Học viện Kỹ thuật Quân không dài không ngắn ký ức xn tơi Ai có tuổi trẻ câu chuyện tuổi trẻ riêng mình, câu chuyện có hồi ức đẹp kèm theo nuối tiếc in dấu lại nơi đáy trái tim Có kỷ niệm bị thời gian làm phai nhạt trí nhớ, có người dù chơn sâu ký ức tận đáy lịng, dù làm cách nữa, tiềm thức nhớ không nguôi Tuổi trẻ thành cơng, thất bại, tự tin, chùn bước, tuyệt đối không từ bỏ Thực tế cho thấy thành công đến từ nỗ lực thân, có chịu khó học tập, rèn luyện trải qua thất bại bạn có thành công vững bền nhất, nhiên bước đường thành công thiếu hỗ trợ, giúp đỡ từ người xung quanh Lời đầu tiên, xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành sâu sắc tới TS.Nguyễn Trung Dũng – Người Thầy tâm huyết tận tình hướng dẫn theo dõi sát đầy tinh thần trách nhiệm việc lựa chọn đề tài nghiên cứu, hướng tiếp cận giúp tơi chỉnh sửa thiếu sót suốt q trình thực hồn thành khố luận tốt nghiệp Tơi xin chân thành cảm ơn tồn thể q Thầy, Cơ giáo Bộ mơn Cơng nghệ Hóa Học, Bộ mơn Kỹ thuật Mơi trường Bộ mơn Phịng Hóa, anh chị em bạn bè học tập Khoa Hóa – Lý Kỹ thuật - Học viện Kỹ thuật Qn ln tận tình giúp đỡ, bảo, tạo điều kiện thuận lợi cho q trình thực hồn thành luận văn Kính chúc q thầy ngày khỏe mạnh để phấn đấu đạt thành tích cao cơng tác giảng dạy Chúc Học viện Kỹ thuật Quân niềm tin, tảng vững cho nhiều hệ học viên với bước đường học tập Cuối xin gửi lời cảm ơn tới người thân gia đình ln ln hỗ trợ, động viên, giúp đỡ suốt quãng thời gian vừa qua Vì điều kiện thời gian, trình độ lý luận kinh nghiệm thực tiễn hạn chế nên luận văn khơng thể tránh khỏi thiếu sót, tơi mong nhận ý kiến đóng góp từ phía Thầy, Cô để học thêm nhiều kinh nghiệm hồn thành tốt Tơi xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, tháng năm 2021 Sinh viên MỤC LỤC MỞ ĐẦU CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan xanh methylen (MB) 1.1.1 Cấu tạo, tính chất ứng dụng xanh methylen 1.1.2 Các phương pháp xử lý xanh methylen 1.2 Phương pháp Fenton điện hóa (EF) 14 1.2.1 Giới thiệu phương pháp Fenton điện hóa 14 1.2.2 Phát triển xúc tác dị thể bề mặt CF làm catot Fenton điện hóa 18 1.3 Oxit lưỡng kim Fe, Mn từ MIL-100(Fe,Mn) 25 1.3.1 Giới thiệu MIL-100(Fe), MIL-100(Mn) 25 1.3.2 Phương pháp tổng hợp MIL-100(Fe), MIL-100(Mn) MIL100(Fe, Mn) 27 1.3.3 Ứng dụng vật liệu dạng oxit Fe, Mn sở MOFs Fenton điện hóa 31 CHƯƠNG NÔI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 37 2.1 Đối tượng nghiên cứu 37 2.2 Mục tiêu nghiên cứu 37 2.3 Nội dung nghiên cứu .37 2.4 Hóa chất, dụng cụ thiết bị 37 2.4.1 Hóa chất 37 2.4.2 Dụng cụ thiết bị 39 2.5 Phương pháp nghiên cứu 39 2.5.1 Tổng hợp vật liệu oxit lưỡng kim Fe,Mn-Cxốp/CF từ MIL-100(Fe,Mn) 39 2.5.2 Các phương pháp xác định đặc trưng vật liệu 41 2.5.2.1 Kính hiển vi điện tử quét (SEM) 41 2.5.2.2 Phương pháp quét tuần hoàn (CV) 41 2.5.2.3 Phương pháp đo tổng trở (EIS) 43 2.5.2.4 Phổ tán sắc lượng tia X (EDX) 44 2.5.2.5 Phổ nhiễu xạ tia X (XRD) 45 2.5.2.6 Phổ hồng ngoại FT-IR 46 2.5.2.7 Phép đo phân tích nhiệt trọng lượng (TGA) 47 2.5.3 Phân huỷ Xanh Methylen (MB) hệ Fenton điện hoá 48 2.5.4 Phương pháp xử lý số liệu 49 CHƯƠNG KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 50 3.1 Nghiên cứu đặc trưng cấu trúc oxit Fe,Mn-Cxốp/CF 50 3.1.1 Kính hiển vi điện tử quét (SEM) 50 3.1.2 Quét vòng tuần hoàn (CV) 52 3.1.3 Tổng trở (EIS) 54 3.1.4 Phổ tán sắc lượng tia X (EDX) 55 3.1.5 Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD) 56 3.1.6 Phổ hồng ngoại (FT-IR) 58 3.1.7 Phổ đo phân tích nhiệt trọng lượng (TGA) 59 3.2 Nghiên cứu khả xử lý Xanh Methylen q trình Fenton điện hóa .61 3.2.1 Ảnh hưởng nồng độ kim loại oxit Fe,Mn-Cxốp/CF 61 3.2.2 Ảnh hưởng hệ xúc tác 62 3.2.3 Ảnh hưởng mật độ dòng 64 3.2.4 Ảnh hưởng pH 66 3.2.5 Ảnh hưởng hàm lượng Methylen Blue ban đầu 68 3.2.6 Ảnh hưởng anion .69 3.2.7 Nghiên cứu khả tái sử dụng catot oxit Fe,Mn-Cxốp/CF .71 3.2.8 So sánh với nghiên cứu khác .73 3.3 Nghiên cứu chế phản ứng 76 3.3.1 Nhận diện gốc tự 76 3.3.2 Đề xuất chế phản ứng 78 3.4 Con đường phân hủy MB 80 KẾT LUẬN 85 TÀI LIỆU THAM KHẢO 86 DANH MỤC HÌNH Hình 1.1 Cấu tạo phổ hấp thụ phân tử UV-Vis Xanh Methylen Hình 1.2 Sơ đồ mơ tả q trình xử lý MB phương pháp plasma Hình 1.3 Cơ chế phân hủy MB hỗn hợp nano MnO 10 Hình 1.4 Đề xuất chế loại bỏ MB Fe3O4@PDA-MnO2 10 Hình 1.5 Sơ đồ hệ thống xử lý MB EF AGS 11 Hình 1.6 Sơ đồ hệ thống xử lý MB EF Fayazi 13 Hình 1.7 Phản ứng Fenton đồng thể Fenton dị thể 16 Hình 1.8 Cơ chế tạo gốc •OH q trình Fenton điện hóa 17 Hình 1.9 Cacbon felt thương mại hình thái bề mặt 19 Hình 1.10 Các phương pháp biến tính cacbon felts 20 Hình 1.11 Sơ đồ phân huỷ SMT hệ EF dị thể sử dụng catot FeIIFeIII LDH/CF 21 Hình 1.12 Chế tạo catot ZnO-CeO2 phương pháp lắng đọng trình phân huỷ Ciprofloxacin trình EF .22 Hình 1.13 Sơ đồ EF phân hủy Tetracycline sử dụng catot CF900 23 Hình 1.14 Sơ đồ EF phân hủy RhB sử dụng catot CF/GO/AQS 24 Hình 1.15 Cấu tạo khung hữu kim loại MOFs 25 Hình 1.16 (a) Cấu trúc xốp MIL-100(Fe); (b) lồng MIL100(Fe); (c) cửa sổ ngũ giác lục giác lồng .26 Hình 1.17 Cấu trúc tinh thể MIL-100(Mn) 27 Hình 1.18 Sơ đồ chế tạo MIL100(Fe) từ Fe0 1,3,5-BTC 28 Hình 1.19 Quy trình tổng hợp MIL-100(Fe) từ muối Fe(III) axit trimesic 28 ... nghệ Hoá học Tên đề tài: Tổng hợp vật liệu dạng oxit carbon felt (CF) từ MIL- 100(Fe, Mn) ứng dụng làm catot cho fenton điện hóa phân hủy chất ô nhiễm hữu nước Các số liệu ban đầu: - Quyết định... dịch, làm giảm ô nhiễm thứ cấp Chính vậy, tơi chọn đề tài ? ?Tổng hợp vật liệu dạng oxit carbon felt (CF) từ MIL- 100(Fe ,Mn) ứng dụng làm catot cho Fenton điện hóa phân huy chất ô nhiễm hữu nước”... CF làm catot Fenton điện hóa 18 1.3 Oxit lưỡng kim Fe, Mn từ MIL- 100(Fe ,Mn) 25 1.3.1 Giới thiệu MIL- 100(Fe), MIL- 100 (Mn) 25 1.3.2 Phương pháp tổng hợp MIL- 100(Fe), MIL- 100 (Mn) MIL1 00(Fe,