Nghiên cứu tổng hợp vật liệu composite g c3n4 BiVO4 làm chất xúc tác quang phân hủy các hợp chất hữu cơ ô nhiễm trong môi trường nước

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUY NHƠN BÙI THỊ NGỌC TRÚC NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP VẬT LIỆU COMPOSITE g-C3N4/BiVO4 LÀM CHẤT XÚC TÁC QUANG PHÂN HỦY CÁC HỢP CHẤT HỮU CƠ Ô NHIỄM TRONG MÔI TRƯỜNG NƯỚC Chun ngành: Hố Vơ Cơ Mã số: 8440113 Người hướng dẫn: TS Trần Thị Thu Phương PGS.TS Nguyễn Thị Diệu Cẩm LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan cơng trình kết nghiên cứu riêng Các số liệu, kết nêu luận văn hoàn toàn trung thực chưa cơng bố cơng trình nghiên cứu Tác giả luận văn Bùi Thị Ngọc Trúc LỜI CẢM ƠN Em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc gửi lời cảm ơn chân thành đến TS Trần Thị Thu Phương PGS.TS Nguyễn Thị Diệu Cẩm – người tận tình hướng dẫn, giúp đỡ, quan tâm tạo điều kiện cho em hoàn thành tốt luận văn Em xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành đến Quý Thầy, Cô Khoa Khoa học Tự nhiên Khu thí nghiệm thực hành A6 – Trường Đại học Quy Nhơn giúp đỡ, tạo điều kiện cho em thực luận văn Em xin chân thành cảm ơn gia đình, bạn bè tập thể lớp Cao học Hố Vơ Cơ K21 ln động viên, khích lệ tinh thần suốt q trình học tập nghiên cứu khoa học Mặc dù cố gắng thời gian thực luận vănnhưng cịn hạn chế kiến thức thời gian, kinh nghiệm nghiên cứu nên không tránh khỏi thiếu sót Em mong nhận thơng cảm ý kiến đóng góp quý báu từ quý Thầy, Cơ để luận văn hồn thiện Em xin chân thành cảm ơn! Tác giả luận văn Bùi Thị Ngọc Trúc MỞ ĐẦU 1.Lý chọn đề tài Dân số ngày gia tăng, tình trạng dịch bệnh diễn biến phức tạp phạm vi toàn cầu Do nguồn nước ngày nhiễm chất thải sinh hoạt, chất thải công nghiệp, chất thải y tế,….chúng đã, làm ảnh hưởng nghiêm trọng đến sống người Những hợp chất hữu khó phân huỷ tự nhiên, tương tác với clo tạo hợp chất gây ung thư, tương tác với oxy tạo chất độc nitrit chất vào thể người gây tượng thiếu oxy máu, trẻ em nhiễm chất độc thường xanh xao nguy hiểm đến tính mạng, đặc biệt trẻ tháng tuổi Nitrit kết hợp với axit amin thể tạo thành hợp chất nitrosamin gây ung thư, hàm lượng nitrosamin cao khiến thể khơng kịp đào thải, tích luỹ lâu gan gây tượng nhiễm độc dẫn đến ung thu gan Nguồn nước có số Pecmanganat cao nhanh chóng tạo rêu, tảo bể chứa môi trường thuận lợi cho vi sinh vật độc hại phát triển Chính điều mà giới có nhiều cơng trình nghiên cứu nhằm tìm kiếm vật liệu có khả xử lý chất hữu môi trường nước, thân thiện với môi trường có khả tái tạo nhằm đáp ứng nhu cầu cho sống sức khoẻ người Để xử lý hợp chất hữu độc hại môi trường nước, thời gian gần trình xúc tác quang ln quan tâm chúng có ưu điểm như: sử dụng nguồn lượng ánh sáng mặt trời oxy khơng khí để oxi hố chất hữu ô nhiễm thành chất vô vơ hại Có nhiều vật liệu xúc tác quang nhà khoa học quan tâm chất bán dẫn TiO2, ZnO, WO3, MoS2, ZnS, g-C3N4, BiVO4, dạng biến tính chúng Gần graphit cacbonitrua (g-C3N4) dạng chất bán dẫn polyme hữu khơng kim loại, có cấu trúc lớp graphen thu hút nhiều ý việc sử dụng làm xúc tác quang tách nước tinh khiết phân huỷ chất hữu gây ô nhiễm vùng ánh sáng khả kiến [11], [40] có nhiều ưu điểm như: có lượng vùng cấm hẹp (2,7eV), diện tích bề mặt cao, hình thái độc đáo Tuy nhiên, g-C3N4 tinh khiết có tốc độ tái kết hợp cặp lỗ trống (h+) điện tử quang sinh (e -) nhanh dẫn đến hiệu xúc tác quang không cao Để khắc phục nhược điểm phương pháp pha tạp g-C 3N4 với vật liệu bán dẫn khác như: WO3[4], TiO2 [10], Ag3PO4 [13]…đã nhiều tác giả nghiên cứu Kết công bố cho thấy, vật liệu bán dẫn ghép với g-C 3N4có khả quang xúc tác vượt trội so với hợp phần g-C3N4 chất bán dẫn riêng lẻ Bên cạnh đó, vật liệu xúc tác quang hệ kể đến thời gian gần bismuth orthovanadate (BiVO 4) với tiềm ứng dụng cao lĩnh vực xúc tác quang có lượng vùng cấm tương đối hẹp (~ 2,4eV), bền hố học, khơng độc hại, giá thành thấp, trình tổng hợp đơn giản kì vọng thay TiO tương lai [7], [16], [38], [34] Tuy nhiên, BiVO4 có tốc độ tái kết hợp electron lỗ trống cao vùng dẫn khơng phù hợp dẫn đến hiệu suất xúc tác quang không cao Để khắc phục nhược điểm BiVO4 nhiều nghiên cứu tập trung vào việc biến tính BiVO4 tạo vật liệu composite tổ hợp chúng với chất bán dẫn khác như: BiVO4/α-Fe2O3 [32], BiVO4/P25 [45], BiVO4/V2O5 [24], Ag/C3N4/BiVO4 [8], ….Kết cho thấy hoạt tính xúc tác quang vật liệu composite vượt trội nhiều so với BiVO riêng lẻ Cho đến nay,vật liệu BiVO4 có hoạt tính xúc tác quang cao thường tổng hợp từ nhiều phương pháp khác sol-gel, thuỷ nhiệt, tổng hợp có hỗ trợ sóng siêu âm, phương pháp thuỷ nhiệt với ưu điểm chi phí thấp, tốc độ phản ứng cao, tiết kiệm lượng sử dụng phổ biến Sử dụng phương pháp điều khiển cấu trúc, vi cấu trúc vật liệu mong muốn cách kiểm sốt thơng số thuỷ nhiệt, hoạt tính xúc tác quang vật liệu phụ thuộc nhiều vào độ tinh thể, kích thước hạt hình thái mẫu, điều lợi đặc trưng quan trọng phương pháp thuỷ nhiệt Xuất phát từ sở lý luận trên, chọn nghiên cứu đề tài “Nghiên cứu tổng hợp vật liệu composite g-C3N4/BiVO4 làm chất xúc tác quang phân huỷ hợp chất hữu ô nhiễm môi trường nước” Mục tiêu nghiên cứu đề tài Tổng hợp vật liệu composite g-C3N4/BiVO4 nhằm ứng dụng làm chất xúc tác quang phân huỷ chất hữu ô nhiễm môi trường nước Đối tượng phạm vi nghiên cứu 3.1 Đối tượng nghiên cứu -Vật liệu g-C3N4 -Vật liệu BiVO4 -Vật liệu composite g-C3N4/BiVO4 -Kháng sinh tetracycline hydrochloride C22H24N2O8.HCl -Nước thải hồ nuôi tôm 3.2 Phạm vi nghiên cứu Nghiên cứu tổng hợp vật liệu BiVO4 phương pháp thuỷ nhiệt Nghiên cứu tổng hợp vật liệu composite g-C 3N4/BiVO4 phương pháp nhiệt pha rắn - Thử hoạt tính xúc tác quang vật liệu tổng hợp đượcthông qua phản ứng phân hủy kháng sinh với nguồn sáng kích thích đèn LED phạm vi phịng thí nghiệm trường Đại học Quy Nhơn - Khảo sát ảnh hưởng pH mơi trường đến hoạt tính xúc tác quang vật liệu - Khảo sát hoạt tính xúc tác quang vật liệu nước thải nuôi tôm Phương pháp nghiên cứu 4.1 Nghiên cứu lý thuyết - Sử dụng phương pháp tổng hợp tài liệu - Ứng dụng lý thuyết xúc tác thực nghiệm - Sử dụng cơng cụ tốn học để xử lý số liệu thực nghiệm tối ưu hóa điều kiện thực nghiệm 4.2 Nghiên cứu thực nghiệm Tổng hợp vật liệu: - Tổng hợp vật liệu BiVO4 phương pháp thuỷ nhiệt, siêu âm kết hợp nhiệt pha rắn từ Bi(NO3)3.5H2O NH4VO3 - Tổng hợp vật liệu g-C3N4 phương pháp nhiệt pha rắn từ urea - Tổng hợp vật liệu composite g-C3N4/BiVO4 phương pháp nhiệt pha rắn - Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD): nhằm xác định thành phần pha cấu trúc vật liệu Phương pháp phổ phản xạ khuếch tán tử ngoại khả kiến (UVVis mẫu rắn): nhằm xác định vùng hấp thụ xạ lượng vùng cấm vật liệu - Phương pháp phổ hồng ngoại (IR): xác định liên kết hóa học đặc trưng vật liệu tổng hợp - Phương pháp hiển vi điện tử quét (SEM): nhằm xác định hình thái bề mặt vật liệu - Phương pháp phổ huỳnh quang (PL):xác định khả tái tổ hợp electron lỗ trống quang sinh vật liệu Đánh giá hoạt tính quang xúc tác: Dùng phương pháp chuẩn để đánh giá hoạt tính quang xúc tác phân hủy kháng sinh vật liệu composite g-C3N4/BiVO4 dung dịch nước - Nội dung nghiên cứu - Tổng hợp vật liệu BiVO4 từ Bi(NO3)3.5H2O NH4VO3 - Tổng hợp vật liệu g-C3N4 - Tổng hợp vật liệu composite g-C3N4/BiVO4 - Đặc trưng vật liệu tổng hợp Khảo sát khả quang xúc tác vật liệu tổng hợp phản ứng phân hủy kháng sinh tetracycline hydrochloride dung dịch nước - Khảo sát ảnh hưởng pH mơi trường đến hoạt tính xúc tác quang vật liệu Ứng dụng vật liệu g-C3N4/BiVO4 để xử lý nước thải nuôi tôm Cấu trúc luận văn Luận văn kết cấu gồm phần: Mở đầu Chương Tổng quan lý thuyết Chương Phương pháp thực nghiệm Chương Kết thảo luận Kết luận kiến nghị ... chọn nghiên cứu đề tài ? ?Nghiên cứu tổng hợp vật liệu composite g- C3N4/ BiVO4 làm chất xúc tác quang phân huỷ hợp chất hữu ô nhiễm môi trường nước? ?? Mục tiêu nghiên cứu đề tài Tổng hợp vật liệu composite. .. composite g- C3N4/ BiVO4 nhằm ứng dụng làm chất xúc tác quang phân huỷ chất hữu ô nhiễm môi trường nước Đối tượng phạm vi nghiên cứu 3.1 Đối tượng nghiên cứu -Vật liệu g- C3N4 -Vật liệu BiVO4 -Vật liệu composite. .. quang xúc tác phân hủy kháng sinh vật liệu composite g- C3N4/ BiVO4 dung dịch nước - Nội dung nghiên cứu - Tổng hợp vật liệu BiVO4 từ Bi(NO3)3.5H2O NH4VO3 - Tổng hợp vật liệu g- C3N4 - Tổng hợp vật