Luận văn Nghiên cứu phân hủy phẩm màu hữu cơ trong môi trường nước bằng vật liệu quang xúc tác ZnO nano/SiO₂

Nội dung tài liệu: Luận văn Nghiên cứu phân hủy phẩm màu hữu cơ trong môi trường nước bằng vật liệu quang xúc tác ZnO nano/SiO₂

1. ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN ĐINH CÔNG ĐỒNG NGHIÊN CỨU PHÂN HỦY PHẨM MÀU HỮU CƠ TRONG MÔI TRƢỜNG NƢỚC BẰNG VẬT LIỆU QUANG XÚC TÁC ZnO nano/SiO2 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội – 2017 i
2. ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN ĐINH CÔNG ĐỒNG NGHIÊN CỨU PHÂN HỦY PHẨM MÀU HỮU CƠ TRONG MÔI TRƢỜNG NƢỚC BẰNG VẬT LIỆU QUANG XÚC TÁC ZnO nano/SiO2 Chuyên ngành : Hóa môi trƣờng Mã số : 60440120 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS. Nguyễn Đình Bảng Hà nội – 2017 ii
3. LỜ I CẢ M ƠN Trƣớc hết, tôi xin đƣơc̣ bảy tỏ lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc tới PGS .TS Nguyêñ Đình Bảng – Trƣờng Đaị hoc̣ Khoa hoc̣ Tƣ ̣ nhiên – ĐHQGHN đa ̃ gi ao đề tài và tâṇ tình hƣớng dẫ n tôi trong suốt quá trình nghiên cƣ́ u và hoàn thành luâṇ văn. Tôi xin đƣơc̣ chân thành cảm ơn các thầy , cô trong bô ̣môn Hóa môi trƣờng và khoa Hóa hoc̣ – Trƣờng Đaị hoc̣ Khoa hoc̣ Tƣ ̣ nhiên đa ̃ taọ điều kiêṇ giúp đỡ tôi trong quá trình hoc̣ tâp̣ và thƣc̣ hiêṇ luâṇ văn. Cuối cùng tôi xin gƣ̉ i lời cảm ơn tới gia đình ngƣời thân và bạn bè đã luôn bên caṇ h đôṇ g viên tôi trong suốt thời gian hoàn thành khóa học cũng nhƣ luận văn nay Tôi xin chân thành cảm ơn Hà Nội, ngày 19 tháng 10 năm 2017 Học viên Đinh Công Đồng i
4. MỤC LỤC MỞ ĐẦ U ..................................................................................................................... 1 Chƣơng 1 – TỔ NG QUAN ......................................................................................... 2 1.1. Tổng quan về phẩm màu hữu cơ ...................................................................... 2 1.1.1. Ảnh hƣởng phẩm màu đến môi trƣờng ...................................................... 2 1.1.2. Tổng quan về xanh metylen ....................................................................... 3 1.1.2.1. Khái quát về xanh metylen ............................................................................. 3 1.1.2.2. Một số kết quả nghiên cứu hấp phụ xanh metylen ........................................ 5 1.2. Một số vấn đề cơ bản về xúc tác quang hóa ..................................................... 6 1.2.1. Khái niệm về xúc tác quang hóa ................................................................ 6 1.2.2. Đặc trƣng cấu trúc của ZnO ....................................................................... 7 1.2.3. Khái quát về cơ chế xúc tác quang trên chất bán dẫn ................................ 9 1.2.4. Hoạt tính quang xúc tác của ZnO ............................................................. 11 1.2.5. Ứng dụng của vật liệu nano ZnO. ............................................................ 14 1.2.6. Một số phƣơng pháp điều chế ZnO .......................................................... 16 1.2.6.1. Phƣơng pháp kết tủa ..................................................................................... 16 1.2.6.2. Phƣơng pháp sol – gel .................................................................................. 17 1.2.6.3. Phƣơng pháp thủy nhiệt ............................................................................... 18 1.3. Vật liệu compozit ZnO/SiO2 ........................................................................... 18 1.3.1. Tổng quan các phƣơng pháp thu SiO2 từ trấu .......................................... 18 1.3.2. Phƣơng pháp sol – gel chế tạo vật liệu tổ hợp quang xúc tác trên chất mang ................................................................................................................... 20 Chƣơng 2. THƢ̣C NGHIÊṂ ..................................................................................... 21 2.1. Dụng cụ và hóa chất ....................................................................................... 21 2.1.1 Dụng cụ ..................................................................................................... 21 2.1.2. Hóa chất .................................................................................................... 21 2.2.1. Đối tƣợng nghiên cứu ............................................................................... 21 2.2.2. Quy trình tổng hợp vật liệu ...................................................................... 22 2.2.2.1. Tổng hợp SiO2 từ trấu .................................................................................. 22 ii
5. 2.2.2.2. Tổng hơp̣ ZnO .............................................................................................. 23 2.2.2.3. Tổng hợp ZnO/SiO2 ..................................................................................... 23 2.2.3. Một số phƣơng pháp xác định đặc trƣng cấu trúc và tính chất vật liệu ... 23 2.3. Thƣc̣ nghiêṃ đánh giá hiêụ quả quang xúc tác của compozit ZnO /SiO2 phân hủy xanh metylen trong ánh sáng trông thấy ......................................................... 25 2.3.1. Lƣạ choṇ nguồn chiếu sáng ...................................................................... 25 2.3.2. Phƣơng pháp xác định nồng độ chất màu xanh metylen .......................... 25 2.3.3. Thƣc̣ nghiêṃ khảo sát hoaṭ tính quang xúc tác của vâṭ liêụ ZnO nano/SiO2 để phân hủy xanh metylen ................................................................ 26 2.3.3.1. Khảo sát khả năng xúc tác của các mẫu compozit ZnO /SiO2 ...................... 27 2.3.3.2. Khảo sát ảnh hƣởng của pH đến quá trình quang phân hủy xanh metylen .. 27 2.3.3.3. Khảo sát ảnh hƣởng của lƣơṇ g chất xúc tác đến quá trình quang phân hủy xanh metylen ............................................................................................................. 27 2.3.3.4. Khảo sát ảnh hƣởng của nồng độ xanh met ylen đến quá trình quang phân hủy xanh metylen ...................................................................................................... 28 2.3.3.5. Khảo sát khả năng tái sử dụng của vật liệu xúc tác ZnO/SiO2 .................... 28 Chƣơng 3. KẾ T QUẢ VÀ THẢ O LUÂṆ ................................................................ 29 3.1. Ảnh hƣởng của tỉ lệ ZnO và SiO 2 trong vâṭ liêụ compozit ZnO /SiO2 đến khả năng xúc tác quang xử lý xanh metylen ................................................................ 29 3.2. Đặc trƣng cấu trúc của vật liệu ZnO nano /SiO2 ............................................ 30 3.2.1. Phổ nhiễu xạ tia X (XRD) ........................................................................ 30 3.2.2. Ảnh SEM của vật liệu ZnO/SiO2 ............................................................. 31 3.2.3. Phổ EDX của vật liệu ZnO/SiO2 .............................................................. 31 3.2.4. Phổ UV – VIS ........................................................................................... 32 3.3. Khảo sát các yếu tố ảnh hƣớng đến khả năng quang xúc tác của vật liệu ZnO/SiO2 phân hủy chất màu xanh metylen dƣới ánh sáng trông thấy ................ 33 3.3.1. Khảo sát ảnh hƣởng pH của dung dịch .................................................... 33 3.3.2. Khảo sát ảnh hƣởng của lƣợng chất xúc tác đến quá trình phân hủy xanh metylen ............................................................................................................... 36 iii
6. 3.3.3. Khảo sát ảnh hƣởng của nồng độ xanh metylen đến quá trình phân hủy xanh metylen ...................................................................................................... 38 3.3.4. Khả năng tái sử dụng của vật liệu ............................................................ 39 KẾ T LUÂṆ ............................................................................................................... 42 TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................... 43 iv
7. PHỤ LỤC BẢNG Bảng 1.1. Thế oxi hóa khƣ̉ của môṭ số tác nhân oxi hóa .......................................... 10 Bảng 1.2. Hoạt tính quang xúc tác phân hủy của ZnO đối với một số chất ô nhiễm hƣ̃u cơ ........................................................................................................................ 15 Bảng 2.1. Giá trị mật độ quang đo đƣợc từ nồng độ tƣơng ứng ............................... 26 Bảng 3.1. Ảnh hƣởng tỉ lệ ZnO và SiO2 đến hiệu suất xử lý xanh metylen ............. 29 Bảng 3.2. Thành phần khối lƣợng các nguyên tố có trong mẫu ZnO/SiO2 .............. 32 Bảng 3.3. Ảnh hƣởng của pH đến hiệu suất xƣ̉ lý xanh metylen của vâṭ liêụ ZnO/SiO2 ................................................................................................................... 34 Bảng 3.4. Ảnh hƣởng của khối lƣợng chất xúc tác đến hiệu suất xử lý xanh metylen của vật liệu ZnO/SiO2 ............................................................................................... 36 Bảng 3.5. Ảnh hƣởng của nồng độ xanh metylen đến hiệu suất xử lý xanh metylen của vật liệu ZnO/SiO2 ............................................................................................... 38 Bảng 3.6. Hiêụ suất xƣ̉ lý xanh metylen qua các lần tái sƣ̉ duṇ g xúc tác ZnO /SiO2 40 v
8. PHỤ LỤC HÌNH Hình 1.1. Công thức hóa học của xanh metylen ......................................................... 3 Hình 1.2. Dạng oxy hóa và khử của xanh metylen ..................................................... 3 Hình 1.3. Năng lƣơṇ g vùng cấm của môṭ số chất bán dâñ thông thƣờng ................... 7 Hình 1.4. Cấu trúc ô maṇ g cơ sở tinh thể luc̣ phƣơng ZnO kiểu wurtzit .................... 8 Hình 1.5. Cấu trúc ô maṇ g cơ sở tinh thể lâp̣ phƣơng ZnO kiểu halit ........................ 8 Hình 1.6. cấu trúc ô maṇ g cơ sở tinh thể lâp̣ phƣơng ZnO kiểu sphaterit .................. 8 Hình 1.7. Các quá trình diễn ra trong hạt bán dẫn khi bị chiếu sáng .......................... 9 Hình 1.8. Cơ chế taọ gốc hoaṭ đôṇ g trên bề măṭ vâṭ liêụ bán dâñ ............................ 12 Hình 1.9. Cơ chế quá trình xúc tác quang trên vật liệu bán dẫn ............................... 13 Hình 1.10. Một số dạng thù hình của ZnO: (a) Hình hoa; (b) Hình que; (c,d) Hình dây ............................................................................................................................. 17 Hình 2.1. Sơ đồ quy trình thu hồi SiO2 ..................................................................... 22 Hình 2.2. Đƣờng chuẩn xác định nồng độ xanh metylen dựa vào mật độ quang ..... 26 Hình 3.1. Hiêụ suất phản ƣ́ ng của các mâũ ZnO/SiO2 với tỉ lê ̣ZnO với SiO2 khác nhau ........................................................................................................................... 30 Hình 3.2. Giản đồ XRD của vật liệu ZnO/SiO2 ........................................................ 30 Hình 3.3. Ảnh SEM vật liệu ZnO/SiO2 ..................................................................... 31 Hình 3.4. Phổ EDX của vật liệu ZnO/SiO2 ............................................................... 32 Hình 3.5. Phổ UV – VIS của ZnO và ZnO/SiO2 ...................................................... 33 Hình 3.6. Ảnh hƣởng của pH dung dịch đến hiệu suất xử lý xanh metylen ............. 35 Hình 3.7. Ảnh hƣởng khối lƣợng chất xúc tác đến hiêụ suất xƣ̉ lí ........................... 37 Hình 3.8. Ảnh hƣởng của nồng độ xanh metylen đến hiệu suất xử lý xanh metylen của vật liệu ZnO/SiO2 ............................................................................................... 39 Hình 3.9 Khả năng tái sử dụng của vật liệu xúc tác ZnO nano/SiO2 ........................ 40 vi
9. BẢNG KÍ HIỆU CÁC CHỮ VIẾT TẮT ABS : Mật độ quang CB : Vùng dẫn (Conductuion Band) Eg : Năng lƣơṇ g vùng cấm (Band gap Energy) LD50 : Liều lƣơṇ g gây chết trung bình (medium letalisdosis) RNA : Axit ribonucleic SEM : Phƣơng pháp hiển vi điêṇ tƣ̉ quét (Scaning Electron Microcopy) XRD : Nhiêũ xa ̣tia X (X Rays Diffraction) VB : Vùng hóa trị (Valence Band) vii
10. MỞ ĐẦ U Cùng với sự phát triển của nền kinh tế – xã hội , ô nhiêm̃ môi trƣờng nói chung và môi trƣờng nƣớc nói riêng là hê ̣quả không thể tránh khỏi. Đặc biệt là sƣ ̣ ô nhiêm̃ bởi các chất hữu cơ đang ngày càng trở nên nghiêm trọng . Trong số các chất đôc̣ haị thải ra môi trƣờng , đáng chú ý là nhƣ̃ng phẩm màu hƣ̃u cơ , chúng là các chất tƣơng đối bền vƣ̃ng , khó bị phân hủy sinh học , lan truyền và tồn lƣu môṭ thời gian dài trong môi trƣờng . Do vâỵ , viêc̣ nghiên cƣ́ u cách xƣ̉ lí triêṭ để phẩm màu hƣ̃u cơ trong môi trƣờng bi ̣ô nhiêm̃ luôn là mối quan tâm hàng đầu của mỗi quốc gia và đăc̣ biêṭ có ý nghiã quan troṇ g đối với cuôc̣ sống hiện tại và tƣơng lai của con ngƣời. Để xƣ̉ lý các phẩm màu hƣ̃u cơ đó , ngƣời ta kết hơp̣ nhiều phƣơng pháp xƣ̉ lý khác nhau nhƣ hấp phụ , sinh hoc̣ , oxy hóa ,... tùy thuộc vào dạng tồn tại cụ thể của các chất gây ô nhiễm. Trong đó, phƣơng pháp oxi hóa các hơp̣ chất hƣ̃u cơ bằng cách sử dụng xúc tác quang đang thu hút sự nghiên cứu của các nhà khoa học vì đó là phƣơng pháp có nhiều ƣu điểm nhƣ sƣ̉ duṇ g n ăng lƣơṇ g ánh sáng mặt trời, tác nhân oxi hóa là không khí Môṭ số chất bán dâñ đƣơc̣ sƣ̉ duṇ g làm chất xúc tác quang nhƣ kem̃ oxit ZnO, titan đioxit TiO2, kẽm titanat Zn2TiO2, SiO2, Trong đó ZnO và các oxit kim 0 10 loại có cấu hình electron d và oxit kim loaị điển hình có cấu hình e lectron d đƣơc̣ nghiên cƣ́ u nhiều nhất. Mặc dù vậy, do có vùng cấm rộng nên chúng chủ yếu hấp thụ ánh sáng vùng tử ngoại, vùng mà chỉ chiếm khoảng 5% tổng lƣợng photon ánh sáng mặt trời. Do có hoaṭ tính quang hóa cao , không đôc̣ haị và giá thành thấp nên ZnO đƣơc̣ sƣ̉ duṇ g nh iều cho ƣ́ ng duṇ g quang hóa . Để sử dụng đƣợc sánh sáng mặt trời vào quá trình xúc tác quang của ZnO, cần thu hẹp vùng cấm của nó. Nhiều nghiên cứu cho thấy khi pha tạp ZnO bằng một số oxit kim loại và oxit phi kim có thể mở rộng khả năng hấp thụ ánh sáng của ZnO từ vùng tử ngoại sang vùng khả kiến. Xuất phát từ thực tế đó và những cơ sở khoa học trên, chúng tôi chọn đề tại: “Nghiên cứu phân hủy phẩm màu hữu cơ trong môi trƣờng nƣớc bằng vật liệu quang xúc tác ZnO nano/SiO2” 1