Nghiên cứu điều chế vật liệu xúc tác quang chitosan tio2 ứng dụng trong xử lý màu dưới điều kiện ánh sáng mặt trời

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH CƠNG TRÌNH NCKH CẤP TRƯỜNG TRỌNG ĐIỂM NGHIÊN CỨU ĐIỀU CHẾ VẬT LIỆU XÚC TÁC QUANG CHITOSAN – TiO2 ỨNG DỤNG TRONG XỬ LÝ MÀU DƯỚI ĐIỀU KIỆN ÁNH SÁNG MẶT TRỜI S K C 0 9 MÃ SỐ: T2020-09TĐ S KC 0 Tp Hồ Chí Minh, tháng 12/2020 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH BÁO CÁO TỔNG KẾT NHIỆM VỤ NCKH CẤP TRƯỜNG TRỌNG ĐIỂM NGHIÊN CỨU ĐIỀU CHẾ VẬT LIỆU XÚC TÁC QUANG CHITOSAN – TiO2 ỨNG DỤNG TRONG XỬ LÝ MÀU DƯỚI ĐIỀU KIỆN ÁNH SÁNG MẶT TRỜI Mã số: T2020- 09TĐ Chủ nhiệm đề tài: TS HOÀNG THỊ TUYẾT NHUNG TP.HCM, THÁNG 12 NĂM 2020 TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA CN HOÁ HỌC VÀ THỰC PHẨM BÁO CÁO TỔNG KẾT NHIỆM VỤ NCKH CẤP TRƯỜNG TRỌNG ĐIỂM NGHIÊN CỨU ĐIỀU CHẾ VẬT LIỆU XÚC TÁC QUANG CHITOSAN – TiO2 ỨNG DỤNG TRONG XỬ LÝ MÀU DƯỚI ĐIỀU KIỆN ÁNH SÁNG MẶT TRỜI Mã số: T2020- 09TĐ Chủ nhiệm đề tài : TS Hoàng Thị Tuyết Nhung Thành viên đề tài : TS Trần Thị Kim Anh TS Nguyễn Thị Tịnh Ấu TP.HCM, THÁNG 12 NĂM 2020 DANH SÁCH THÀNH VIÊN THAM GIA ĐỀ TÀI STT TÊN THÀNH VIÊN Trần Thị Kim Anh ĐƠN VỊ QUẢN LÝ Khoa CN Hóa học Thực phẩm, trường ĐH SPKT TPHCM Nguyễn Thị Tịnh Ấu Khoa CN Hóa học Thực phẩm, trường ĐH SPKT TPHCM i MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH iv DANH MỤC BẢNG v DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT vi TÓM TẮT ĐỀ TÀI ix ABSTRACT x MỞ ĐẦU CHƯƠNG 1: CƠ SỞ NGHIÊN CỨU 1.1 Cơ sở lý thuyết TiO2 1.1.1 Cấu trúc pha tinh thể TiO2 1.1.2 Tính chất vật lý TiO2 1.1.3 Tính chất hoá học TiO2 1.1.4 TiO2 (Degussa P25) 1.1.5 Q trình xúc tác quang hố TiO2 1.1.6 Các phương pháp điều chế vật liệu TiO2 11 1.2 Cơ sở lý thuyết Chitosan 16 1.2.1 Giới thiệu chung 16 1.2.2 Cấu trúc hóa học 17 1.2.3 Tính chất hóa học Chitosan 17 1.2.4 Tính chất sinh học chitosan 18 1.2.5 Tính chất vật lý Chitosan 18 1.2.6 Quy trình điều chế Chitosan 22 1.3 Cơ sở lý thuyết acid blue 23 1.3.1 Khái niệm thuốc nhuộm 23 1.3.2 Acid blue 24 1.4 Tổng quan glycerol 25 1.5 Tổng quan Sodium Tripolyphosphate (STPP) 26 1.5.1 Giới thiệu STPP 26 1.5.2 Ứng dụng 27 1.6 Phương pháp ma trận trực giao Taguchi 28 1.7 Các phương pháp phân tích vật liệu 29 1.7.1 Phương pháp xác định pha cấu trúc tinh thể (Nhiễu xạ tia X-XRD) 29 1.7.2 Kính hiển vi điện tử quét (SEM) 31 1.7.3 Phương pháp quang phổ hồng ngoại (FT-IR) 32 CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM 35 ii 2.1 Hóa chất thí nghiệm 35 2.2 Điều chất vật liệu TiO2 – glycerol – chitosan dạng hạt (TCGB) 35 2.3 Đánh giá đặc tính vật liệu 36 2.1.1 Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD) 36 2.1.2 Phương pháp phổ hồng ngoại (FTIR) 37 2.1.3 Phương pháp kính hiển vi điện tử quét (SEM) 37 2.1.4 Phương pháp EDX 37 2.4 Đánh giá hiệu xử lý màu vật liệu TCGB điều kiện ánh sáng mặt trời 37 2.4.1 Đường chuẩn Acid Blue 193 (AB 193) 37 2.4.2 Ký hiệu vật liệu TCGB 38 2.4.3 Mô hình thí nghiệm vật liệu TCGB ánh sáng mặt trời 38 2.4.4 Đánh giá điều kiện tối ưu vật liệu TCGB theo phương pháp Taguchi 39 2.4.5 Cơ chế động học xử lý TCGB điều kiện ánh sáng mặt trời 41 CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 43 3.1 Đặc tính vật liệu tổng hợp 43 3.2 Đánh giá điều kiện tối ưu vật liệu TCGB theo phương pháp Taguchi 46 3.3 Mơ hình hồi quy cho q trình xử lý AB 193 vật liệu TCGB điều kiện ánh sáng mặt trời 53 3.4 Cơ chế động học xử lý TCGB điều kiện ánh sáng mặt trời 56 3.4.1 Cơ chế TCGB acid blue 193 nước thải dệt nhuộm 56 3.4.2 Động học trình xử lý vật liệu TCGB 57 3.4.3 Hiệu xử lý vật liệu TCGB với acid blue nước thải dệt nhuộm 58 KẾT LUẬN – KIẾN NGHỊ 62 TÀI LIỆU THAM KHẢO a iii DANH MỤC HÌNH Hình 1.1: Cấu trúc tinh thể pha Rutile (a), Anatase (b) Brookite (c) [44] Hình 1.2: Cơ chế quang xúc tác chất bán dẫn TiO2 10 Hình 1.3 Sự phụ thuộc độ hoà tan vào độ cong 12 Hình 1.4.Hiện tượng lấn chiếm Ostwald 13 Hình 1.5: Sự hoà tan – ngưng tụ cổ tiếp xúc 13 Hình 1.6: Công thức cấu tạo phân tử chitosan 17 Hình 1.7 Quy trình điều chế chitosan [29] 23 Hình 1.8 Cấu tạo hóa học acid blue 24 Hình 1.9: Cấu tạo hóa học Glycerol 25 Hình 1.10: Cấu tạo hóa học Natri Tripolyphosphate 26 Hình 2.1:Quy trình điều chế vật liệu TCGB 36 Hình 2.2 Đường chuẩn màu Xanh 38 Hình 2.3: Mơ hình thí nghiệm vật liệu TCGB ánh sáng mặt trời 39 Hình 3.1 Hạt TCGB sau khâu mạch TPP (a) sau sấy 70oC (b) 43 Hình 3.2 SEM hạt CB (a, c) TCGB (TiO2/chitosan 2%) (b, d) 44 Hình 3.3 (a): Phổ XRD hạt chitosan (CB), hạt chitosan/glycerol (CGB), TiO2/chitosan (TCB) hạt TiO2/chitosan/glycerol (TCGB) (b) Phổ XRD TCGB (TCGB1-TCGB5) với tỉ lệ TiO2 chitosan (1-5%, w/w) 45 Hình 3.4 Phổ FTIR TCGB với tỉ lệ TiO2/chitosan khác 46 Hình 3.5 Ảnh hưởng yếu tố tỉ lệ S/N cho khả xử lý AB 193 48 Hình 3.6 Đồ thị tương quan kết thực nghiệm kết dự đoán cho xử lý hiệu xử lý màu nhuộm phương pháp Taguchi 53 Hình 3.7 Đồ thị biểu diễn hiệu xử lý AB193 với ảnh hưởng tương tác yếu tố 55 Hình 3.8 Cơ chế xử lý màu nhuộm xúc tác quang hóa TCGB 57 Hình 3.9 Phương trình tuyến tính lnCo /C theo thời gian vật liệu TCGB ánh sáng mặt trời (tỉ lệ TiO2/chitosan: 2%, tải lượng TCGB: 0.2 g/mL pH 4.5) 58 Hình 3.10: Hiệu xử lý độ màu COD gây AB193 vật liệu điều chế từ chitosan, TiO2 glycerol 60 Hình 3.11 Hiệu cộng hưởng (%) vật liệu TCGB tính tốn cho hiệu xử lý AB 193 (a) nước thải dệt nhuộm (b) 61 iv DANH MỤC BẢNG Bảng 1.2 Một số tính chất vật lý TiO2 dạng anatase rutile [18] .8 Bảng 2.1 Biến thiên mật độ quang dung dịch đường chuẩn AB 193 .37 Bảng 2.2 Ký hiệu vật liệu điều chế từ TiO2 /Glycerol/chitosan .38 Bảng 2.3 Các yếu tố mức yếu tố sử dụng cho thiết kế ma trận trực giao .40 Bảng 2.4 Bảng thiết kế thơng số thí nghiệm theo phương pháp Taguchi 40 Bảng 3.1 Ma trận trực giao L25, kết hiệu xử lý kết dự đốn 46 Bảng 3.2: Bản phân tích mức độ ảnh hưởng yếu tố theo tỉ lệ S/N đến khả xử lý AB 193 49 Bảng 3.3: Kết phân tích ANOVA yếu tố khả xử lý AB 193 49 Bảng 3.4: Phân tích ANOVA cho mơ hình hồi quy sử dụng vật liệu TCGB xử lý AB 193 điều kiện ánh sáng mặt trời 54 Bảng 3.5 Hằng số động học bậc cho trình phân hủy AB 193 với nồng độ ban đầu khác .58 v DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT Chữ viết tắt Tên tiếng Anh Tên tiếng Việt AB 193 Acid blue 193 Màu nhuộm axit blue 193 ANOVA Analysis of variance Phân tích phương sai CB Conduction band Vùng dẫn CB Chitosan bead Hạt chitosan CGB Chitosan/glycerol bead Hạt vật liệu gồm chitosan glycerol COD Chemical oxygen demand Nhu cầu oxy hóa học EDX Energy Dispersive X-Ray Analysis Phổ tán sắc lượng tia X FTIR (IR) Fourier Transform Infrared Phân tích phổ hồng ngoại nguyên tử DA Degree of acetylication Độ khử acetyl SEM Scanning electron microscopy hiển vi điện tử quét STPP (TPP) Sodium Tripolyphosphate Natri tripolyphosphate S/N Signal to noise ratio Tỉ lệ tín hiệu nhiễu xạ TCB TiO2/ chitosan bead Hạt vật liệu gồm TiO2 chitosan TCGB TiO2/ chitosan/glycerol bead Hạt vật liệu gồm TiO2, chitosan glycerol UV Ultraviolet light (10nm – 380 nm) Tia cực tím VB Valence band Vùng hóa trị XRD X-ray diffraction Nhiễu xạ tia X vi TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH Khoa CN Hóa học & Thực phẩm CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự - Hạnh phúc Tp HCM, ngày 10 tháng 12 năm 2020 THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU Thông tin chung Tên đề tài: Nghiên cứu điều chế vật liệu xúc tác quang Chitosan – TiO2 ứng dụng xử lý màu điều kiện ánh sáng mặt trời Mã số: T2020-09TĐ Chủ nhiệm: TS Hoàng Thị Tuyết Nhung Cơ quan chủ trì: Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh Thời gian thực hiện: 02/2020-1/2021 Mục tiêu Điều chế vật liệu xúc tác quang Chitosan – TiO2 đánh giá điều kiện tối ưu vật liệu xử lý màu nhuộm điều kiện ánh sáng mặt trời Tính sáng tạo Sự bổ sung glycerol làm tăng hiệu xúc tác quang hóa TiO2 mạng phân tử chitosan Kết nghiên cứu - Tạo vật liệu kết hợp TiO2/chitosan dạng hạt có bổ sung glycerol để tăng hiệu xử lý màu nhuộm - Đánh giá hiệu cộng hưởng thành phần vật liệu TiO2/chitosan/glycerol - Trình bày chế xử lý vật liệu - Tối ưu yếu tố ảnh hưởng đến hiệu xử lý màu nhuộm vật liệu TiO2/chitosan/glycerol Sản phẩm - Báo cáo khoa học - Bài báo đăng tạp chí khoa học Q1: Environmental Technology & Innovation - Chấp thuận đơn sở hữu trí tuệ Hiệu quả, phương thức chuyển giao kết nghiên cứu khả áp dụng: Sản phẩm nghiên cứu hướng tới ứng dụng cho xử lý nước thải dệt nhuộm sau sinh học Trưởng Đơn vị Chủ nhiệm đề tài PGS TS Nguyễn Tấn Dũng Hoàng Thị Tuyết Nhung vii (Hình 3.7) Khi đánh giá với độ tin cậy 95%, mơ hình đạt R2 = 93,33% R2 (adj) = 82,18% giá trị p ước tính 0,001, nhỏ 0,05, điều chứng minh mơ hình hồi quy sử dụng để tìm điều kiện tối ưu tính với khả xử lý AB 193 vật liệu TCGB Giá trị p nhỏ (