So sánh hoạt tính xúc tác phân hủy DDT tr- 123docz.net

3.2. Đánh giá hoạt tính xúc tác của các hệ xúc tác tổng hợp được

3.2.1. So sánh hoạt tính xúc tác phân hủy DDT trên các hệ xúc tác tổng hợp được

Đánh giá hoạt tính xúc tác của các hệ xúc tác tổng hợp được gồm: Fe3O4, Fe3O4/GO, Fe-TiO2/GO, Fe/GO , Fe-Cu/GO và Fe-Cu/SBA-15 trong quá trình phân hủy DDT được thực hiện ở điều kiện: nồng độ DDT ban đầu là 10 mg/L; nồng độ xúc tác là 0,2 g/L; nồng độ H2O2 là 15 mg/L; pH = 5; nhiệt độ T= 30oC và chiếu sáng trong 3-4h tùy từng loại xúc tác. Khoảng cách đèn đến bề mặt thoáng và cường độ sáng được cố định. Kết quả được thể hiện trên Hình 3.36.

Hình 3.36. Hoạt tính xúc tác phân hủy DDT trên các hệ xúc tác tổng hợp được Từ Hình 3.36 cho thấy tất cả 6 loại xúc tác đã tổng hợp được đều cho độ chuyển hóa DDT khá cao ở cùng một điều kiện thực nghiệm. Đối với các xúc tác trên nền chất mang GO có chứa sắt như Fe3O4/GO, Fe-TiO2/GO, Fe/GO và Fe- Cu/GO độ chuyển hóa sau 3h phản ứng lần lượt là 93,2%, 86,5%, 95% và 99,2%.

Tuy nhiên đối với Fe/GO và Fe-Cu/GO độ chuyển hóa nhanh hơn so với Fe3O4/GO và Fe-TiO2/GO ở thời điểm đầu của phản ứng. Thật vậy, sau 30 phút đầu phản ứng độ chuyển hóa DDT đối với Fe/GO và Fe-Cu/GO lần lượt là 54.9% và 68,7% còn với Fe3O4/GO và Fe-TiO2/GO chỉ đạt 32,2% và 29,2% tương ứng. Theo chúng tôi điều này là do ảnh hưởng của đường kính mao quản của vật liệu đến khả năng khuếch tán của DDT tới các tâm phản ứng thời điểm đầu. Mặc dù diện tích bề mặt của Fe-TiO2/GO và Fe3O4/GO lần lượt là 180 m2/g và 177 m2/g đều cao hơn so với Fe/GO và Fe-Cu/GO. So sánh về diện tích bề mặt thì Fe-Cu/GO có diện tích bề mặt thấp nhất so với Fe-TiO2/GO, Fe3O4/GO và Fe/GO. Tuy nhiên đường kính mao quản lại phân bố rộng từ 8-26 nm trong khi đó Fe-TiO2/GO, Fe3O4/GO chỉ đạt 8-11 nm. Do đó trong thời điểm đầu khả năng phân hủy DDT của Fe-Cu/GO là lớn nhất.

Quan sát trên hình 3.36, kết quả chỉ ra rằng xúc tác Fe-Cu/GO cho độ chuyển hóa

DDT cao nhất 99,2% trong thời gian 3h phản ứng . Xúc tác Fe/GO, Fe3O4/GO có hiệu suất khá gần nhau 95% và 93,2% chỉ trong thời gian 3h phản ứng. Trong khi đó xúc tác Fe3O4 có độ chuyển hóa thấp nhất chỉ đạt 75% sau 3h phản ứng. Xúc tác Fe-Cu/SBA-15 và Fe-TiO2/GO có độ chuyển hóa DDT đạt 88,1% và 86,5 % sau 3h phản ứng.

Hiệu suất của các vật liệu nano compozit đều cao hơn so với các hạt nano đơn lẻ như nano Fe3O4. Điều này là do sự cộng hợp của chất mang và các hạt nano trong vật liệu nano compozit này đem lại [139,140]. Chất mang có nhiệm vụ phân tán đều tránh co cụm các hạt nano và đồng thời cũng làm tăng diện tích bề mặt của chúng (Fe3O4 đạt 105 m2/g còn Fe3O4/GO đạt 173 m2/g). Ngoài ra chất mang còn đóng vai trò là chất dẫn truyền điện tử nên làm giảm năng lượng vùng cấm của các oxit kim loại do đó làm tăng hiệu quả trong phản ứng quang Fenton. Xúc tác Fe-Cu/GO có hiệu quả cao nhất là do tồn tại các tâm hoạt động như Feo, FeO như đã phân tích trong phần XPS còn có tâm CuO, Cu2O sẽ thúc đẩy quá trình sinh ra gốc •OH trong phản ứng Photo Fenton làm đẩy nhanh tốc độ phản ứng [113].

So sánh hai xúc tác Fe-Cu/GO và Fe-Cu/SBA-15 thấy rằng tỷ lệ xúc tác Fe- Cu/GO là 18/2/80 còn với Fe-Cu/SBA-15 là 10/2/88 , hàm lượng Fe trong xúc tác Fe-Cu/GO lớn hơn so với trong xúc tác Cu-Fe/SBA15 nhưng diện tích bề mặt của xúc tác Fe-Cu/SBA-15 là 623 m2/g lại lớn hơn nhiều so với Fe-Cu/GO (130 m2/g).

Tuy nhiên độ chuyển hóa DDT của Fe-Cu/SBA-15 lại thấp hơn, đạt 88,1% sau 3 h phản ứng. Điều này có thể ngoài hàm lượng sắt thấp hơn còn có sự góp mặt của kích thước mao quản ảnh hưởng đến hoạt tính xúc tác. SBA-15 có cấu trúc hình lục lăng kích thước mao quản nhỏ 6-7 nm trong khi đó GO có cấu trúc lớp với đường kính mao quản trải rộng từ 8-26 nm. Vì DDT là phân tử có cấu trúc cồng kềnh do đó khi đường kính mao quản nhỏ sẽ ngăn cản quá trình xâm nhập sâu của DDT tới các tâm xúc tác trong phản ứng do đó hiệu suất thấp hơn.

Để kiểm chứng, xúc tác Fe-Cu/GO và Fe-Cu/SBA-15 được chúng tôi đánh giá hiệu suất phân hủy DDT của các xúc tác này thông qua phép đo TOC hàm lượng chất hữu cơ trước và sau phản ứng. Kết quả được thể hiện trên hình 3.37.

Hình 3.37. TOC hàm lượng chất hữu cơ trước và sau phản ứng và hiệu suất phân hủy DDT trên hệ xúc tác Fe-Cu/GO và Fe-Cu/SBA-15.

Từ hình 3.37 cho thấy sau 3 giờ phản ứng hiệu suất phân hủy Fe-Cu/GO đạt 92,42% và 80,23% với xúc tác Fe-Cu/SBA-15. Kết quả này hoàn toàn phù hợp với kết quả tính toán bằng phương pháp GC/MS (hình 3.37). Hơn nữa kết quả này cũng khẳng định DDT không những bi ̣ phân hủy – declo hóa mà còn bi ̣ oxy hóa sâu thành CO2 và H2O. Một phần nhỏ 8% còn lại chủ yếu là các sản phẩm trung gian của quá trình cắt mạch, bẻ vòng DDT tạo ra các sản phẩm có mạch cacbon ngắn hơn.

Các xúc tác trên nền GO đều cho thấy hiệu quả phân hủ y cao với DDT là do sự đóng góp một phần của chất nền GO mang lại. Thật vâ ̣y GO vừa đóng vai trò là chất mang xúc tác tăng khả năng phân tán pha hoa ̣t đô ̣ng đồng thời vừa có vai trò tăng khả năng hấp thụ quang. Khi được chiếu sáng, các điện tử sẽ chuyển lên vùng dẫn và chuyển tới GO. GO có tác dụng ngăn cản sự tái tổ hợp của lỗ trống và điện tử vùng bán dẫn trên các tâm xúc tác sắt và đồng trong vật liệu [86,87].