Luận văn Nghiên cứu hạn chế quá trình lan truyền hóa chất bảo vệ thực vật từ đất mặt ra môi trường nước sử dụng vật liệu hấp phụ. Xúc tác trên cơ sở ZnO

Nội dung tài liệu: Luận văn Nghiên cứu hạn chế quá trình lan truyền hóa chất bảo vệ thực vật từ đất mặt ra môi trường nước sử dụng vật liệu hấp phụ. Xúc tác trên cơ sở ZnO

1. ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN --------------------- TRẦN DUY ĐOÀN NGHIÊN CỨU HẠN CHẾ QUÁ TRÌNH LAN TRUYỀN HÓA CHẤT BẢO VỆ THỰC VẬT TỪ ĐẤT MẶT RA MÔI TRƯỜNG NƯỚC SỬ DỤNG VẬT LIỆU HẤP PHỤ - XÚC TÁC TRÊN CƠ SỞ ZnO LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội – Năm 2017
2. ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN --------------------- TRẦN DUY ĐOÀN NGHIÊN CỨU HẠN CHẾ QUÁ TRÌNH LAN TRUYỀN HÓA CHẤT BẢO VỆ THỰC VẬT TỪ ĐẤT MẶT RA MÔI TRƯỜNG NƯỚC SỬ DỤNG VẬT LIỆU HẤP PHỤ - XÚC TÁC TRÊN CƠ SỞ ZnO Chuyên ngành : Hóa Môi Trường Mã số : 60440120 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. NGUYỄN MINH PHƯƠNG Hà Nội, Năm 2017
3. LỜI CẢM ƠN Đầu tiên, em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc nhất tới TS. Nguyễn Minh Phƣơng đã giao đề tài và tận tình giúp đỡ em trong suốt quá trình nghiên cứu khoa học. Em xin chân thành cảm ơn các thầy, cô giáo trong phòng thí nghiệm Hóa Môi Trƣờng, các thầy, cô giáo trong khoa Hóa Học – Trƣờng Đại Học Khoa Học Tự Nhiên – ĐHQGHN đã dạy bảo và giúp đỡ em trong suốt thời gian học tập và làm nghiên cứu khoa học. Em cũng xin bầy tỏ lòng biết ơn đến các anh chị và các bạn trong phòng thí nghiệm Hóa Môi Trƣờng đã tạo điều kiện thuận lợi cho em trong thời gian vừa qua để em có thể hoàn thành tốt bản khóa luận tốt nghiệp này. Hà Nội, ngày 29 tháng 12 năm 2017 Học viên Trần Duy Đoàn 1
4. MỤC LỤC MỞ ĐẦU .......................................................................................................................... 7 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN ............................................................................................ 9 1.1. Tổng quan về hóa chất bảo vệ thực vật ..................................................................... 9 1.1.1. Khái niệm và phân loại ....................................................................................... 9 1.1.2. Ô nhiễm môi trƣờng do hóa chất BVTV .......................................................... 10 1.1.2.1. Tình hình sử dụng thuốc BVTV ở Việt Nam và trên thế giới ................... 10 1.1.2.2. Hiện trạng ô nhiễm môi trƣờng ................................................................. 13 1.1.3. Quá trình vận chuyển và tồn lƣu hóa chất BVTV ............................................ 15 1.1.4. Độc tính của thuốc BVTV ................................................................................ 16 1.1.5. Tổng quan về Diazinon .................................................................................... 18 1.1.6. Các giải pháp giảm thiểu quá trình lan truyền hóa chất BVTV từ môi trƣờng đất ra nƣớc .................................................................................................................. 21 1.2. Tổng quan vật liệu nano ZnO.................................................................................. 23 1.2.1. Đặc trƣng cấu trúc, tính chất của ZnO ............................................................. 23 1.2.2. Hoạt tính xúc tác của ZnO ................................................................................ 25 1.3. Vật liệu nano composit ZnO/Bentonit .................................................................... 27 1.3.1. Khoáng sét tự nhiên Bentonit ........................................................................... 27 1.3.2. Mục đích sủ dụng vật liệu nano composit ZnO/Bentonit ................................. 30 1.3.3. Tổng hợp vật liệu nano ZnO/Bentonit bằng phƣơng pháp sol - gel ................. 31 CHƢƠNG 2: THỰC NGHIỆM ..................................................................................... 33 2.1. Đối tƣợng nghiên cứu và nội dung nghiên cứu ....................................................... 33 2.1.1. Đối tƣợng nghiên cứu ....................................................................................... 33 2.1.2. Nội dung nghiên cứu ........................................................................................ 33 2.2. Hóa chất, dụng cụ và thiết bị nghiên cứu ................................................................ 33 2.2.1. Hóa chất ............................................................................................................ 33 2.2.2. Dụng cụ và thiết bị ........................................................................................... 33 2.3. Phƣơng pháp tổng hợp vật liệu ............................................................................... 34 2.3.1. Tổng hợp vật liệu N-ZnO ................................................................................. 34 2.3.2. Biến tính Bentonit-Fe ....................................................................................... 34 2.3.3. Tổng hợp vật liệu N-ZnO/Bent-Fe ................................................................... 34 2.4. Một số phƣơng pháp xác định đặc trƣng cấu trúc và tính chất của vật liệu............ 35 2.4.1. Phƣơng pháp nhiễu xạ tia X (X - Rays Diffraction - XRD) ............................. 35 2
5. 2.4.2. Phƣơng pháp hiển vi điện tử quét (Scanning Electron Microscope - SEM) .... 37 2.5. Khảo sát hoạt tính xúc tác ....................................................................................... 38 2.5.1. Xác định dung lƣợng hấp phụ Diazinon của vật liệu ....................................... 38 2.5.2. Thí nghiệm khảo sát hoạt tính xúc tác vật liệu đối với Diazinon ..................... 38 2.5.3. Khảo sát khả năng hạn chế quá trình lan truyền của Diazinon từ đất ra nƣớc . 38 2.6. Phƣơng pháp xác định Diazinon ............................................................................. 41 2.7. Phƣơng pháp xây dựng đƣờng đẳng nhiệt hấp phụ ............................................. 42 CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ................................................................. 47 3.1. Đặc trƣng cấu trúc vật liệu N-ZnO/Bent-Fe ........................................................... 47 3.1.1. Phổ nhiễu xạ tia X (XRD) ................................................................................ 47 3.1.2. Đặc trƣng hình thái bề mặt vật liệu bằng kính hiển vi điện tử quét (SEM) ..... 48 3.2. Khảo sát sơ bộ khả năng hấp phụ - xúc tác phân huỷ Diazinon của vật liệu .......... 49 3.2.1. Dung lƣợng hấp phụ Diazinon của vật liệu ...................................................... 49 3.2.2. Khảo sát hoạt tính xúc tác với Diazinon .......................................................... 51 3.3. Nghiên cứu khả năng hạn chế sự lan truyền của hóa chất bảo vệ thực vật từ môi trƣờng đất ra môi trƣờng nƣớc của vật liệu.................................................................... 52 3.3.1. Khảo sát khả năng hấp phụ Diazinon của đất đã trộn với N-ZnO/Bent-Fe ..... 52 3.3.2. Khảo sát ảnh hƣởng của hàm lƣợng vật liệu tẩm trên đất tới quá trình rửa trôi của Diazinon trong đất................................................................................................ 54 3.3.3. Ảnh hƣởng của lƣợng mƣa tới quá trình rửa trôi của Diazinon trong đất ........ 55 3.4. Nghiên cứu khả năng thúc đấy tốc độ phân hủy Diazinon trong môi trƣờng đất mặt ........................................................................................................................................ 57 3.4.1. Ảnh hƣởng của hàm lƣợng vật liệu tới khả năng phân huỷ ............................. 57 3.4.2. Ảnh hƣởng của điều kiện chiếu sáng tới khả năng phân huỷ ........................... 58 KẾT LUẬN .................................................................................................................... 59 TÀI LIỆU THAM KHẢO .............................................................................................. 60 3
6. DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1: Các điểm chôn lấp thuốc BVTV huyện Anh Sơn ... ...14 Bảng 1.2. Thời gian bán hủy của hóa chất BVTV trong đất ... ...16 Bảng 1.3. Một số tính chất vật lý, hóa học của Diazinon ..19 Bảng 1.4. Một vài thông số của ZnO 24 Bảng 2.1. Sự phụ thuộc của diện tích peak vào nồng độ của dung dịch Diazinon . .41 Bảng 3.1. Kết quả khảo sát thời gian cân bằng hấp phụ của vật liệu ........49 Bảng 3.2. Kết quả khảo sát dung lƣợng hấp phụ của vật liệu ...50 Bảng 3.3. Kết quả khảo sát hoạt tính của N-ZnO/Bent-Fe ...51 Bảng 3.4. Kết quả khảo sát độ hấp phụ của đất tẩm xúc tác..........................................52 Bảng 3.5. Kết quả phân tích dịch rỉ ra từ đất với mƣa vừa............................................54 Bảng 3.6. Kết quả phân tích nƣớc rỉ ra từ đất 2% vật liệu với lƣợng mƣa khác nhau...55 Bảng 3.7. Kết quả phân tích nƣớc rỉ ra từ đất 0% vật liệu với lƣợng mƣa khác nhau...56 Bảng 3.8. Ảnh hƣởng của hàm lƣợng vật liệu tới khả năng phân huỷ Diazinon trong đất mặt..................................................................................................................................57 Bảng 3.9. Kết quả khảo sát điều kiện chiếu sáng...........................................................58 4
7. DANH MỤC HÌNH Hình1.1: Sử dụng hóa chất BVTV trên thế giới năm 2004...........................................11 Hình 1.2: Tình hình sử dụng hóa thuốc BVTV trên thế giới.........................................11 Hình 1.3. Tình hình nhập khẩu thuốc bảo vệ thực vật ở Việt Nam trong giai đoạn 2005 – 2012...........................................................................................................13 Hình 1.4. Sự lan truyền hóa chất BVTV........................................................................15 Hình 1.5. Công thức cấu tạo của Diazinon....................................................................18 Hình 1.6. Cấu trúc tinh thể của ZnO ở ba dạng (a) Rocksalt, (b) Zinc blend và (c) Wurtzite. Hình cầu màu xám và màu đen biểu thị cho nguyên tử Zn và O...................23 Hình 1.7. Cơ chế quá trình xúc tác quang trên vật liệu bán dẫn....................................26 Hình 1.8. Cấu trúc montmorillonit (a). Đơn vị cơ bản của tinh thể Montmorillonit; (b). Cấu trúc 2:1 của Montmorillonit....................................................................................29 Hình 1.9. Sơ đồ tổng hợp ZnO bằng phƣơng pháp sol – gel..........................................31 Hình 1.10. Quá trình sol-gel và xử lý để tạo ra các dạng vật liệu khác nhau................32 Hình 2.1. Nhiễu xạ tia X theo mô hình Bragg................................................................36 Hình 2.2. Phễu buchner..................................................................................................39 Hình 2.3. Lƣợng mƣa hàng tháng của Hà Nội năm 2015..............................................40 Hình 2.4. Đƣờng chuẩn xác định nồng độ Diazinon......................................................42 Hình 2.5. Đƣờng hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir............................................................45 Hình 2.6. Sự phụ thuộc của Ct/q vào Ct .........................................................................45 Hình 2.7. Đƣờng đẳng nhiệt hấp phụ Freundlich...........................................................46 Hình 2.8. Sự phụ thuộc của logq vào logCcb..................................................................46 Hình 3.1. Giản đồ XRD của Bentonit............................................................................47 Hình 3.2. Giản đồ XRD của ZnO/Bent..........................................................................48 Hình 3.3. Ảnh SEM của mẫu vật liệu ZnO/Bent-Fe......................................................49 Hình 3.4. Đồ thị đƣờng cân bằng hấp phụ.....................................................................50 5
8. Hình 3.5. Phƣơng trình đẳng nhiệt Langmuir.......................... ......51 Hình 3.6. Hoạt tính quang xúc tác của vật liệu .............................................................51 Hình 3.7. Phƣơng trình Freudlich với đất 0%................................................................53 Hình 3.8. Phƣơng trình Freudlich với đất 1%................................................................53 Hình 3.9. Phƣơng trình Freudlich với đất 2%................................................................53 Hình 3.10. Hàm lƣợng Diazinon trong dịch rỉ ra từ đất mƣa vừa..................................55 Hình 3.11. Biểu đồ ảnh hƣởng của lƣợng mƣa tới sự rửa trôi Diazinon từ đất ra nƣớc................................................................................................................................56 Hình 3.12. Biểu đồ hiệu suất khả năng phân hủy Diazinon trong đất............................57 Hình 3.13. Biểu đồ khảo sát điều kiện chiếu sáng.........................................................58 6
9. MỞ ĐẦU Việt Nam là một quốc gia phát triển đi lên từ nông nghiệp. Trong suốt chiều dài phát triển của dân tộc, nông nghiệp luôn là ngành có đóng góp tích cực trong phát triển kinh tế - xã hội của đất nƣớc. Hoá chất BVTV đóng vai trò quan trọng trong phát triển nông nghiệp đối với nƣớc ta, hóa chất BVTV đƣợc sử dụng trong việc phòng trừ dịch hại bảo vệ cây trồng, phòng chống sốt rét, ... Trong những năm của thập kỷ 60 - 90 do sự hiểu biết về hóa chất BVTV còn hạn chế, chỉ coi trọng về mặt tích cực của nó là phòng và diệt dịch hại và xem nhẹ công tác môi trƣờng, công tác quản lý còn lỏng lẻo nên để lại nhiều kho, nền kho, địa điểm lƣu giữ hóa chất BVTV. Do lâu ngày không đƣợc chú ý đề phòng các bao bì đựng hoá chất BVTV bị vỡ hóa chất BVTV ngấm vào nền kho, ngấm vào đất hoặc do điều kiện mƣa, lụt đã làm phát tán ra môi trƣờng các loại hóa chất BVTV gây ô nhiễm môi trƣờng. Bên cạnh đó, khi một số loại hóa chất BVTV bị cấm sử dụng vào đầu những năm 90, một số nơi đã chôn các loại hóa chất này xuống đất gây ô nhiễm đất, ảnh hƣởng đến nguồn nƣớc và môi trƣờng xung quanh. Trong những năm gần đây, vật liệu quang xúc tác đƣợc quan tâm nghiên cứu nhờ khả năng phân huỷ triệt để các hợp chất độc hại, bền vững với môi trƣờng. Trên thế giới, rất nhiều nghiên cứu đã cho thấy hiệu quả cao của xúc tác quang hóa trong quá trình phân hủy hoá chất bảo vệ thực vật trong môi trƣờng nƣớc. Một số chất bán dẫn dạng nano đã đƣợc nghiên cứu sử dụng làm chất xúc tác quang nhƣ nhƣ TiO2, ZnO, CdS, Fe2O3, Vật liệu bán dẫn cấu trúc nano có khả năng tạo ra các gốc tự do có tính oxy hóa mạnh. Vật liệu ZnO nano hiện nay đang đƣợc nhiều nhà khoa học quan tâm do những đặc tính vật lý mới mà vật liệu khối không có đƣợc, trong đó có đặc tính quang xúc tác. ZnO là chất bán dẫn thuộc loại AIIBVI, có vùng cấm rộng ở nhiệt độ phòng cỡ 3,2 eV, theo một số kết quả nghiên cứu ban đầu cho thấy, so với các chất xúc tác quang khác, ZnO nano thể hiện ƣu điểm vƣợt trội do giá thành thấp, hiệu năng xúc tác quang cao, dễ điều chế và thân thiện với môi trƣờng. 7
10. Mặc dù vậy, số lƣợng các nghiên cứu xử lý hoá chất bảo vệ thực vật và giảm thiểu quá trình rửa trôi của các chất này từ đất ô nhiễm còn hạn chế. Việc bổ sung trực tiếp vật liệu xúc tác vào môi trƣờng đất có khả năng gây xáo trộn cấu trúc của đất. Vì vậy, việc chế tạo vật liệu dạng nano composit của xúc tác/sét tự nhiên (một thành phần của đất) là hƣớng đi tiềm năng để tạo ra các vật liệu vừa có hoạt tính xúc tác-hấp phụ cao, vừa thân thiện với môi trƣờng. Bentonit là khoáng sét sẵn có và rẻ tiền ở Việt Nam, có khả năng hấp phụ tốt các hợp chất hữu cơ có kích thƣớc lớn, cồng kềnh. Việc sử dụng Bentonit làm pha nền cho vật liệu nano ZnO có thể tận dụng đƣợc khả năng lƣu giữ tốt các tác nhân ô nhiễm cũng nhƣ tâm hoạt động xúc tác, từ đó giúp nâng cao hiệu quả xúc tác. Thêm vào đó, Bentonit là một loại khoáng sét tự nhiên, có sẵn trong đất, khi trộn vật liệu vào đất sẽ giảm đƣợc sự xáo trộn cấu trúc đất. Chính vì vậy, trong đề tài này, chúng tôi nghiên cứu tổng hợp và khảo sát khả năng hấp phụ và hoạt tính xúc tác của vật liệu nano ZnO/Bentonit để hạn chế quá trình lan truyền Diazinon từ môi trƣờng đất mặt ra môi trƣờng nƣớc. 8