2.5.1. Ảnh hưởng của sự thay thế Cu2+ bởi Mg2+ đến dung lượng hấp phụ
Cho 0,1 g vật liệu Cu1-xMgxFe2O4 (x = 0; 0,1; 0,3; 0,5; 0,7; 0,9, 1) vào các bình tam giác chứa 50 mL dung dịch Pb2+ nồng độ 23 mg/L ở pH = 7. Đặt các bình tam giác lên máy lắc (tốc độ 100 vòng/phút) trong 180 phút ở nhiệt độ phòng (T = 25 oC). Sau đó, tách vật liệu ra khỏi dung dịch bằng nam châm và xác định nồng độ Pb2+ trong dung dịch sau hấp phụ.
2.5.2. Ảnh hưởng của pH đến dung lượng hấp phụ Pb2+ của vật liệu
Cho 0,1 g vật liệu Cu0.5Mg0.5Fe2O4 vào 5 bình tam giác chứa 50 mL dung dịch Pb2+ nồng độ 20 mg/L ở các giá trị pH lần lượt là 3, 5, 7, 9, 11 (được điều chỉnh bằng dung dịch HCl 0,1M và NaOH 0,1M). Đặt các bình tam giác lên máy lắc (tốc độ 100 vòng/phút) trong 180 phút ở nhiệt độ phòng. Sau đó, tách vật liệu ra khỏi dung dịch bằng nam châm và xác định nồng độ Pb2+ trong dung dịch sau hấp phụ.
2.5.3. Đẳng nhiệt hấp phụ Pb2+ của vật liệu
Nghiên cứu quá trình đẳng nhiệt hấp phụ Pb2+ của vật liệu Cu0.5Mg0.5Fe2O4 được tiến hành như sau: cho 0,1 g Cu0.5Mg0.5Fe2O4 vào các bình tam giác chứa 50 mL dung dịch Pb2+ có nồng độ thay đổi từ 7 mg/L đến 85 mg/L ở pH = 7. Đặt các bình tam giác lên máy lắc (tốc độ 100 vòng/phút) trong 180 phút ở nhiệt độ phòng. Sau đó, tách vật liệu ra khỏi dung dịch bằng nam châm và xác định nồng độ Pb2+ trong dung dịch sau hấp phụ.
Phương trình đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir và Freundlich được mô tả như sau [69]: Ce q e log q = log K e Trong đó:
qm - dung lượng hấp phụ cực đại (mg/g);
qe - dung lượng hấp phụ tại thời điểm cân bằng (mg/g); Ce - nồng độ Pb2+ tại thời điểm cân bằng (mg/L);
KL - hằng số hấp phụ Langmuira (L/mg); KF - hằng số hấp phụ Freundlich (mg/g); n - hằng số.
2.5.4. Động học hấp phụ của vật liệu
Nghiên cứu động học hấp phụ Pb2+ của vật liệu Cu0.5Mg0.5Fe2O4 được tiến hành như sau: cho 0,1 g Cu0.5Mg0.5Fe2O4 vào các bình tam giác chứa 50 ml dung dịch Pb2+ có nồng độ 80 mg/L ở pH = 7. Đặt các bình tam giác lên máy lắc (tốc độ 100 vòng/phút) trong 180 phút ở nhiệt độ phòng. Sau các khoảng thời gian t = 10, 30, 45, 60, 120, 240 và 360 phút lấy 1 bình ra và tách vật liệu ra khỏi dung dịch bằng nam châm, xác định nồng độ Pb2+ trong dung dịch sau hấp phụ.
2.5.5. Khả năng tái sử dụng của vật liệu Cu0.5Mg0.5Fe2O4
Đánh giá khả năng tái sử dụng của vật liệu trong hấp phụ Pb2+ được tiến hành như sau: Cho 0,1 g vật liệu Cu0,5Mg0,5Fe2O4 vào bình tam giác chứa 50 ml dung dịch Pb2+ nồng độ 20 mg/L ở pH = 7. Đặt bình tam giác lên máy lắc (tốc độ 100 vòng/phút) trong 180 phút ở nhiệt độ phòng. Sau đó, tách thu hồi vật liệu ra khỏi dung dịch bằng nam châm và được ngâm rửa trong 10 mL HCl 0,1M. Sau 60 phút, tách vật liệu ra khỏi dung dịch HCl và rửa lại bởi nước đến khi hết axit HCl, tiếp theo vật liệu được sấy khô ở 100 oC trong 2 giờ và được tái sử dụng cho chu kỳ tiếp theo như quy trình trên [204].
2.5.6. Đánh giá khả năng hấp phụ chọn lọc của vật liệu Cu0.5Mg0.5Fe2O4
Vật liệu Cu0.5Mg0.5Fe2O4 được nghiên cứu tính hấp phụ chọn lọc bằng cách cho 0,1 g vật liệu Cu0.5Mg0.5Fe2O4 vào bình tam giác chứa 50 mL dung dịch có các ion kim loại Pb2+, Mg2+, Ca2+, Na+, K+ cùng nồng độ ban đầu là 20 mg/L. Đặt bình tam giá lên máy lắc (tốc độ 100 vòng/phút) trong 180 phút ở nhiệt độ phòng, sau đó tách vật liệu và xác định nồng độ các ion kim loại trong dung dịch.
2.6. Nghiên cứu khả năng xúc tác quang hóa phân hủy dung dịch RhBcủa vật liệu tổ hợp Cu0.5Mg0.5Fe2O4/TiO2 của vật liệu tổ hợp Cu0.5Mg0.5Fe2O4/TiO2
giá thông qua sự phân hủy quang hóa dung dịch RhB dưới điều kiện đèn chiếu mô phỏng ánh sáng mặt trời (simulate sunlight) được tiến hành như sau: Đèn chiếu xenon AHD350 công suất 350W được đặt trong tủ quang hóa. Thể tích dung dịch RhB sử dụng để chiếu sáng là 20 mL có nồng độ 10 mg/L được cho vào các ống thủy tinh chịu nhiệt. Giá trị pH của dung dịch trong thực nghiệm phản ứng xúc tác quang hóa là 7. Lượng xúc tác đưa vào là 20 mg (tương ứng với hàm lượng xúc tác sử dụng là 1 g/L). Các ống được đặt trên tấm kính phẳng cách đèn chiếu khoảng 20 cm.
Hình 2.4. Tủ xúc tác quang hóa sử dụng đèn xenon AHD350.
Trước khi chiếu đèn, các ống dung dịch được đặt trong bóng tối trong 2 giờ để đạt trạng thái cân bằng hấp phụ - giải hấp. Buồng phản ứng quang hóa được làm mát bằng đối lưu cưỡng bức sử dụng quạt hút để đảm bảo nhiệt độ trong tủ ổn định khoảng 35 oC trong suốt quá trình chiếu đèn. Tại mỗi thời điểm nhất định, mỗi ống được lấy ra khỏi tủ quang hóa, sử dụng nam châm để tách vật liệu xúc tác ra khỏi dung dịch RhB. Dung dịch sau tách được xác định nồng độ RhB tại bước sóng 552 nm. Hiệu suất phân hủy quang hóa RhB được tính theo công thức:
Trong đó:
- Co: Nồng độ dung dịch RhB ban đầu, mg/L; - Ct: Nồng độ dung dịch RhB tại thời điểm t, mg/L.
2.6.1. Ảnh hưởng của hàm lượng TiO2 đến hoạt tính xúc tác quang hóa
Các mẫu vật liệu tổ hợp Cu0.5Mg0.5Fe2O4/TiO2 và TiO2 được tổng hợp và ký hiệu trong Bảng 2.2 nung ở 450 oC trong 2 giờ. Các mẫu ST0, ST1, ST2, ST3 và ST4 với hàm lượng TiO2 tăng dần cùng thực hiện phản ứng xúc tác quang hóa phân hủy RhB sau 90 phút chiếu sáng. So sánh nồng độ dung dịch RhB để đánh giá sự ảnh hưởng của hàm lượng TiO2 đến khả năng xúc tác quang hóa phân hủy RhB của vật liệu tổ hợp Cu0.5Mg0.5Fe2O4/TiO2.
2.6.2. Ảnh hưởng của nhiệt độ nung đến hoạt tính xúc tác quang hóa
Vật liệu tổ hợp Cu0.5Mg0.5Fe2O4/TiO2 được tổng hợp với hàm lượng TiO2 tối ưu lần lượt nung ở 450 oC, 550 oC, 650 oC và 750 oC trong 2 giờ. Tiến hành phản ứng xúc tác quang hóa phân hủy RhB sau 90 phút chiếu sáng. Xác định nồng độ dung dịch RhB để đánh giá sự ảnh hưởng của nhiệt độ nung đến hoạt tính xúc tác quang hóa của vật liệu.
2.6.3. Ảnh hưởng của thời gian chiếu sáng đến hoạt tính xúc tác quang hóa hóa
Vật liệu tổ hợp Cu0.5Mg0.5Fe2O4/TiO2 được cho vào 6 ống thủy tinh chịu nhiệt cùng chứa 20 mL dung dịch RhB 10 mg/L, sau khi đặt trong bóng tối 2 giờ cho vào tủ quang hóa để thực hiện phản ứng quang hóa. Cứ sau mỗi 30 phút lấy 1 ống ra, dùng nam châm tách vật liệu xúc tác và xác định nồng độ RhB trong dung dịch sau từng mốc thời gian.
2.6.4. Ảnh hưởng của pH đến hoạt tính xúc tác quang hóa
Vật liệu tổ hợp Cu0.5Mg0.5Fe2O4/TiO2 được cho vào các ống thủy tinh chịu nhiệt cùng chứa 20 mL dung dịch RhB 10 mg/L ở các giá trị pH từ 3 đến 11 được điều chỉnh bởi dung dịch HCl 0,1M và NaOH 0,1M. Các ống được đặt vào tủ xúc tác quang hóa để chiếu sáng trong 180 phút, sau đó tách vật
liệu ra khỏi dung dịch và xác định nồng độ RhB để đánh giá hiệu suất phân hủy RhB của các mẫu.
2.6.5. Khả năng tái sử dụng của vật liệu xúc tác Cu0.5Mg0.5Fe2O4/TiO2
Đánh giá khả năng tái sử dụng và độ ổn định của vật liệu xúc tác Cu0.5Mg0.5Fe2O4/TiO2 được tiến hành sau 5 chu kỳ trong 180 phút chiếu đèn. Sau mỗi chu kỳ, vật liệu xúc tác được tách ra khỏi dung dịch RhB bằng nam châm và sấy ở 100 oC trong 2 giờ để sử dụng cho chu kỳ tiếp theo. Các điều kiện tiến hành phản ứng xúc tác quang hóa ở mỗi chu kỳ là như nhau.
2.6.6. So sánh hoạt tính xúc tác quang của vật liệu Cu0.5Mg0.5Fe2O4/TiO2
dưới các nguồn chiếu sáng khác nhau
Tiến hành phản ứng xúc tác quang hóa phân hủy RhB của vật liệu xúc tác Cu0.5Mg0.5Fe2O4/TiO2 dưới 3 nguồn sáng khác nhau: ánh sáng mô phỏng mặt trời, ánh sáng mặt trời (thời gian chiếu từ 11h÷14h ngày 24/07/2020, nhiệt độ ngoài trời khoảng 34 oC) và ánh sáng tử ngoại (Đèn phát tia UVB: 280÷320 nm, công suất 26 W). Xác định nồng độ RhB sau 180 phút chiếu sáng để so sánh hoạt tính xúc tác của vật liệu dưới các điều kiện chiếu sáng khác nhau.
2.6.7. Đánh giá vai trò của các gốc tự do trong quá trình quang phân hủy RhB
Để đánh giá vai trò của các gốc tự do ( , *OH, h+, e-) trong quá trình quang phân hủy RhB bởi chất xúc tác Cu0.5Mg0.5Fe2O4/TiO2, thực nghiệm được tiến hành như sau: Chuẩn bị các dung dịch 1,4-benzoquinon 10 mM (BQ), rượu isopropyl (IPA), amonium oxalat 10 mM (AO) và bạc nitrat
10 mM (SN) lần lượt như là chất bắt gốc , *OH, h+ và e - [40]. Cho lần lượt 0,5 mL các dung dịch BQ, IPA, AO và SN vào các ống thủy tinh chứa 20 mL dung dịch RhB 10 ppm với hàm lượng xúc tác Cu0.5Mg0.5Fe2O4/TiO2 là 1g/L. Đặt các ống vào tủ xúc tác quang hóa để chiếu sáng trong 180 phút, sau đó tách vật liệu ra khỏi dung dịch và xác định nồng độ RhB sau phản ứng.
2.6.8. Nhận diện sản phẩm phân hủy RhB và khoáng hóa
Để đánh giá các sản phẩm trung gian và mức độ khoáng hóa của quá trình quang phân hủy RhB tiến hành đo sắc ký lỏng khối phổ hai lần LC/MS- MS của các mẫu dung dịch RhB sau chiếu sáng ở các mốc thời gian 0 phút, 60 phút, 120 phút, 180 phút và tổng hàm lượng cacbon hữu cơ (TOC) của các mẫu dung dịch RhB ở các mốc thời gian 0 phút, 30 phút, 60 phút, 90 phút, 120 phút, 150 phút, 180 phút.
Chương 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
3.1. Tổng hợp vật liệu spinel feritte Cu1-xMgxFe2O4 (x = 0; 0,5; 1)
3.1.1. Cấu trúc và thành phần của vật liệu
Để nghiên cứu sự chuyển đổi nhiệt độ đến sự hình thành pha của vật liệu spinel ferrite, phân tích nhiệt trọng lượng (TGA) đã được tiến hành với mẫu tiền chất của spinel ferrite Cu0.5Mg0.5Fe2O4, kết quả thể hiện ở Hình 3.1.
Hình 3.1. Giản đồ TGA-DTA mẫu tiền chất của spinel ferrite Cu0.5Mg0.5Fe2O4. Đường TGA thể hiện 3 giai đoạn chính của quá trình phân hủy nhiệt. Giai đoạn đầu tiên diễn ra trong khoảng nhiệt độ từ 40 ÷ 200 oC với độ hụt khối lượng là 12,9%, đồng thời xuất hiện một peak thu nhiệt ở 99,96 oC được cho là sự mất hơi ẩm bị hấp phụ trong quá trình chuẩn bị mẫu. Giai đoạn thứ hai diễn ra từ 200 oC ÷ 400 oC với độ hụt khối lượng thêm khoảng 10% và xuất hiện một peak thu nhiệt ở 338,16 oC, là quá trình nhiệt phân của các hiđroxit Cu(OH)2, Mg(OH)2 và Fe(OH)3 để tạo thành các oxit CuO, MgO và Fe2O3. Giai đoạn cuối cùng, từ 400 oC trở lên với độ hụt khối lượng thêm không đáng kể khoảng 3%, đây là giai đoạn nhiệt phân hoàn toàn các hiđroxit và hình thành cấu trúc spinel của vật liệu [36]. Do đó, mẫu tiền chất của
spinel ferrite Cu0.5Mg0.5Fe2O4 sẽ được nung ở nhiệt độ từ 400 oC đến 1000 oC để nghiên cứu sự hình thành pha cấu trúc spinel.
Cấu trúc và thành phần của vật liệu spinel ferrite được nghiên cứu bằng kỹ thuật phân tích giản đồ nhiễu xạ tia X (XRD), phổ hồng ngoại (FT- IR) và phổ tán xạ năng lượng tia X (EDX). Các kết quả lần lượt được trình bày sau đây.
Giản đồ nhiễu xạ tia X của vật liệu spinel ferrite Cu0.5Mg0.5Fe2O4 được nung ở các nhiệt độ từ 400 ÷ 1000 oC trong 3 giờ thể hiện ở Hình 3.2.
Hình 3.2. Giản đồ nhiễu xạ tia X của vật liệu Cu0.5Mg0.5Fe2O4 nung ở các nhiệt độ khác nhau.
Quan sát Hình 3.2 thấy rằng, cấu trúc của spinel vẫn chưa hình thành rõ ràng khi nhiệt độ nung ở 400 oC, xuất hiện nhiều peak lạ và cường độ peak thấp. Khi nhiệt độ nung tăng trên 500 oC bắt đầu xuất hiện các peak đặc trưng cho cấu trúc spinel, nhiệt độ nung càng tăng thì cường độ các peak tăng; ở 900 oC và 1000 oC không thấy xuất hiện các peak lạ, chỉ xuất hiện các peak đặc trưng của cấu trúc spinel ở các góc 2θ = 30.6o, 35.55o, 43.55o, 54.04o, 57.47o và 63.08o tương ứng với các mặt (200); (311); (400); (422); (511) và
(531). Các peak này đặc trưng cho cấu trúc tinh thể của spinel dạng lập phương (cubic), nhóm không gian Fd-3m. Như vậy, chọn nhiệt độ nung ở 900 oC là tối ưu cho sự hình thành tinh thể đơn pha của spinel ferrite. Điều này cũng tương tự với nghiên cứu của nhóm tác giả Arifin M.D chọn nhiệt độ nung của CuFe2O4 ở 900 oC [21] và nghiên cứu của Sun Zhipeng đã khảo sát nhiệt độ nung của CuFe2O4 từ 300 oC - 900 oC, khi nung ở 900 oC nhận được đơn pha cấu trúc spinel [187]. Nhóm tác giả Ahmed khảo sát nhiệt độ nung của Cu0.7Mg0.3Fe2O4 từ 200 oC - 950 oC thấy rằng, ở 950 oC trên phổ XRD chỉ xuất hiện đơn pha cấu trúc spinel [12].
Hình 3.3. Giản đồ nhiễu xạ tia X của vật liệu CuFe2O4, MgFe2O4 và Cu0.5Mg0.5Fe2O4.
Hình 3.3 so sánh giản đồ nhiễu xạ tia X của vật liệu CuFe2O4 (x = 0), Cu0.5Mg0.5Fe2O4 (x = 0,5) và MgFe2O4 (x = 1) nung ở 900 oC trong 3 giờ. Thấy rằng, trên giản đồ XRD của vật liệu CuFe2O4 và MgFe2O4 xuất hiện các peak tương ứng với các mặt (111), (220), (311), (222), (400), (422), (511), (440), (531), (442), (533) đặc trưng cho cấu trúc tinh thể của spinel dạng lập phương (cubic) thuộc nhóm không gian Fd-3m, phù hợp với phổ chuẩn của CuFe2O4 (JCPDS 01-077-0010) và MgFe2O4 (JCPDS 01-089-3084). Ngoài
ra, thấy xuất hiện pha thứ hai là Fe2O3 (JCPDS 01-085-0599) trên giản đồ XRD của CuFe2O4 (2θ = 27o; 33.8o) và MgFe2O4 (2θ = 24.3o). Trong khi đó, chỉ xuất hiện các peak đặc trưng cho cấu trúc spinel ferrite trên giản đồ XRD của vật liệu Cu0.5Mg0.5Fe2O4. Như vậy, vật liệu Cu0.5Mg0.5Fe2O4 chỉ thành hình đơn pha cấu trúc spinel, không có sự xuất hiện của pha khác. Cường độ peak trên giản đồ XRD của vật liệu Cu0.5Mg0.5Fe2O4 cao hơn so với của vật liệu CuFe2O4 và MgFe2O4 chứng tỏ vật liệu Cu0.5Mg0.5Fe2O4 có độ kết tinh tốt, cấu trúc đồng đều.
Áp dụng công thức Debye-Scherrer Dhkl = 0,89λ/Bcosθ [12], để tính kích thước tinh thể và hằng số mạng theo peak (311) có cường độ mạnh nhất, kết quả thể hiện ở Bảng 3.1.
Bảng 3.1. Kích thước tinh thể và hằng số mạng của vật liệu.
TT Vật liệu
1 CuFe2O4
2 Cu0.5Mg0.5Fe2O4
3 MgFe2O4
Kích thước tinh thể theo tính toán của CuFe2O4, Cu0.5Mg0.5Fe2O4, MgFe2O4 lần lượt là 32,9 nm; 29,5 nm và 27,9 nm. Cũng theo kết quả Bảng 3.1, hằng số mạng của MgFe2O4 (8,2785 Å ) nhỏ hơn hằng số mạng của CuFe2O4 (8,4836 Å ), điều này được giải thích theo định luật Vegard [166] trên sơ sở bán kính nguyên tử của ion Mg2+ (0,65 Å ) [90] nhỏ hơn bán kính nguyên tử của ion Cu2+ (0,73 Å ) [173]. Khi ion Cu2+ có bán kính nguyên tử lớn hơn được thay thế bởi ion Mg2+ có bán kính nguyên tử nhỏ hơn, do đó hằng số mạng của Cu0.5Mg0.5Fe2O4 nhỏ hơn của CuFe2O4 và lớn hơn của MgFe2O4. Điều này cũng đã được giải thích bởi nhóm tác giả Vishal K.C khi thay thế Co2+ vào cấu trúc của NiFe2O4 [36].
Hình 3.4 so sánh vị trí peak (311) có cường độ mạnh nhất của các vật liệu spinel ferrite trên, rõ ràng khi thay thế Mg2+ vào cấu trúc của CuFe2O4 đã có sự dịch chuyển của peak (311) một khoảng 0,1o, có nghĩa là đã làm thay đổi hằng số mạng của CuFe2O4. Mặt khác theo công thức (2.4), sinθ tỷ lệ nghịch với hằng số mạng nên sự dịch chuyển tăng lên sẽ làm tăng hằng số mạng, điều này phù hợp với kết quả tính toán hằng số mạng ở Bảng 3.1.
Hình 3.4. Sự dịch chuyển peak (311) của vật liệu CuFe2O4, MgFe2O4 và Cu0.5Mg0.5Fe2O4.
Các nhóm chức và liên kết trong vật liệu Cu1-xMgxFe2O4 (x = 0; 0,5; 1) được phân tích bởi phương pháp phổ hồng ngoại FT-IR trong khoảng 400 ÷ 4000 cm-1 và được thể hiện trên Hình 3.5 cho thấy, đối với cả 3 mẫu vật liệu đều xuất hiện đỉnh hấp thụ ở khoảng 3400 cm-1 và 1600 cm-1 đặc trưng cho liên kết của nhóm O-H, do sự hấp phụ hơi nước và độ ẩm trên bề mặt vật liệu