Luận văn Nghiên cứu tổng hợp, và đặc trưng cấu trúc vật liệu nano BiNbO₄ để xử lý một số chất ô nhiễm hữu cơ trong môi trường nước

Nội dung tài liệu: Luận văn Nghiên cứu tổng hợp, và đặc trưng cấu trúc vật liệu nano BiNbO₄ để xử lý một số chất ô nhiễm hữu cơ trong môi trường nước

1. ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN --------------------- Trần Thị Phƣơng NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP, VÀ ĐẶC TRƢNG CẤU TRÚC VẬT LIỆU NANO BiNbO4 ĐỂ XỬ LÝ MỘT SỐ CHẤT Ô NHIỄM HỮU CƠ TRONG MÔI TRƢỜNG NƢỚC LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội – 2017
2. ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN --------------------- Trần Thị Phƣơng NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP, VÀ ĐẶC TRƢNG CẤU TRÚCVẬT LIỆU NANO BiNbO4 ĐỂ XỬ LÝ MỘT SỐ CHẤT Ô NHIỄM HỮU CƠ TRONG MÔI TRƢỜNG NƢỚC Chuyên ngành: Hóa môi trường Mã số: 60440120 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. Đào Ngọc Nhiệm PGS. TS. Đỗ Quang Trung Hà Nội – Năm 2017
3. LỜI CẢM ƠN Với lòng biết ơn sâu sắc nhất, em xin gửi lời cảm ơn TS.Đào Ngọc Nhiệm, Trưởng phòng Vật liệu vô cơ, Viện Khoa học Vật liệu – Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam; PGS. TS. Đỗ Quang Trung, Trưởng bộ môn Hóa môi trường, Đại học Khoa học Tự nhiên đã trực tiếp hướng dẫn và giúp đỡ em hoàn thành bản luận văn này. Em xin trân trọng gửi lời cảm ơn tới các thầy, cô giáo trong khoa Hóa học đã nhiệt tình giảng dạy và giúp đỡ em trong suốt quá trình học tập cao học tại Đại học Khoa học Tự nhiên. Em xin trân trọng cảm ơn NCS Nguyễn Thị Hà Chi, cùng các anh, chị, em Phòng Vật liệu Vô cơ, Viện Khoa học Vật liệu – Viện Hàn lâm Khoa học và công nghệ Việt Nam đã nhiệt tình hỗ trợ em trong quá trình tiến hành thực nghiệm của luận văn. Cuối cùng, em xin chân thành cảm ơn gia đình, bạn bè đã luôn tạo mọi điều kiện, động viên, giúp đỡ em trong quá trình học tập. Hà Nội, tháng 12 năm 2017 Học viên Trần Thị Phương
4. MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH ........................................................................................................ i DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT ......................................................................................... ii MỞ ĐẦU ......................................................................................................................... 1 Chương 1. TỔNG QUAN................................................................................................ 3 1.1. Giới thiệu chung về ô nhiễm hữu cơ trong môi trường nước ............................... 3 1.1.1. Một số phương pháp xử lý hợp chất hữu cơ trong nước thải ........................ 4 1.1.2. Ứng dụng xúc tác quang xử lý Methyl da cam (MO) trong môi trường nước ............................................................................................................................. 6 1.1.3. Ứng dụng xúc tác quang xử lý Xanh methylen (MB) trong môi trường nước ............................................................................................................................. 8 1.2. Vật liệu quang xúc tác .......................................................................................... 9 1.2.1. Khái niệm phản ứng xúc tác quang ............................................................... 9 1.2.2. Vùng hóa trị – vùng dẫn, năng lượng vùng cấm ......................................... 10 1.2.3. Cơ chế phản ứng quang xúc tác dị thể......................................................... 11 1.3. Vật liệu xúc tác quang BiNbO4 .......................................................................... 12 1.3.1. Vật liệu BiNbO4........................................................................................... 12 1.3.2. Các phương pháp chế tạo vật liệu BiNbO4.................................................. 13 Chương 2. THỰC NGHIỆM ......................................................................................... 17 2.1. Hóa chất, thiết bị ................................................................................................. 17 2.1.1. Hóa chất ....................................................................................................... 17 2.1.2. Dụng cụ và thiết bị ...................................................................................... 17 2.2. Tổng hợp vật liệu ................................................................................................ 17 2.2.1. Quy trình tổng hợp vật liệu bằng phương pháp đối cháy gelPVA .............. 17 2.2.2. Các phương pháp nghiên cứu cấu trúc, hình thái và kích thước vậtliệu ..... 18 2.3. Nghiên cứu hoạt tính quang xúc tác phân hủy chất hữu cơ của vật liệu BNO .. 22 2.3.1. Lập đường chuẩn xanh metylen .................................................................. 22 2.3.2. Lập đường chuẩn metyl da cam .................................................................. 24 2.3.3. Phương pháp đánh giá khả năng quang xúc tác của vật liệu ....................... 25 Chương 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ..................................................................... 30
5. 3.1. Chế tạo vật liệu và đặc tính ................................................................................ 30 3.1.1. Kết quả phân tích nhiệt của mẫu gel BNO .................................................. 30 3.1.2. Ảnh hưởng của nhiệt độ nung đến sự hình thành pha của vậtliệu BNO ..... 31 3.1.3. Cấu trúc, hình thái, kích thước tinh thể BiNbO4 ......................................... 33 3.2. Khảo sát khả năng quang xúc tác phân hủy xanh metylen và metyl da cam của vật liệu BiNbO4 ..................................................................................................... 35 3.2.1. Khảo sát khả năng hấp phụ của vật liệu ...................................................... 35 3.2.2. Ảnh hưởng của nhiệt độ nung đến khả năng quang xúc tác của vật liệu .... 36 3.2.3. Ảnh hưởng của thời gian phản ứng tới khả năng quang xúc tác của vật liệu BNO .................................................................................................................. 37 3.2.4. Ảnh hưởng của lượng vật liệu đến khả năng quang xúc tác ...................... 38 3.2.5. Ảnh hưởng của H2O2 đến khả năng quang xúc tác của vật liệu .................. 39 3.2.6. Khả năng tái sử dụng của vật liệu BNO ...................................................... 40 KẾT LUẬN ................................................................................................................... 42 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................. 43 PHỤ LỤC ...................................................................................................................... 47
6. DANH MỤC HÌNH Hình 1.1. Công thức cấu tạo của hợp chất methyl da cam ...................................... 7 Hình 1.2. Công thức cấu tạo của hợp chất xanh methylen ...................................... 8 Hình 1.3.Vùng năng lượng của chất cách điện, bán dẫn, chất dẫn điện ................. 10 Hình 1.4. Cơ chế xúc tác quang của chất bán dẫn .................................................. 11 Hình 1.5: Cấu trúc tinh thể của vật liệu BiNbO4 ..................................................... 12 Hình 2.1. Quá trình tổng hợp vật liệu BNO bằng phương pháp đốt cháy gel PVA 18 Hình 2.2. Phổ hấp phụ UV-Vis của dung dịch xanh metylen 10ppm ..................... .23 Hình 2.3. Đồ thị đường chuẩn xanh metylen ........................................................... 23 Hình 2.4. Phổ hấp thụ phân tử UV-Vis của dung dịch metyl da cam ...................... 24 Hình 2.5. Đồ thị đường chuẩn metyl da cam ........................................................... 25 Hình 2.6. Hệ thiết bị quang xúc tác ......................................................................... 26 Hình 3.1. Giản đồ phân tích nhiệt của mẫu gel BNO .............................................. 30 Hình 3.2. Giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu được nung ở các nhiệt độ khác nhau ... 32 Hình 3.3. Ảnh SEM của hệ vật liệu BNO khi nung ở nhiệt độ khác nhau ............ 33 Hình 3.4. Ảnh TEM của vật liệu BNO550 ................................................................ 35 Hình 3.5. Hiệu suất hấp phụ dung dịch MB, MO của vật liệu BNO750 .................. 36 Hình 3.6. Ảnh hưởng của nhiệt độ nung đến khả năng xử lý của vật liệu ............... 36 Hình 3.7. Ảnh hưởng của thời gian tới khả năng xử lý metyl da cam của vật liệu BNO750 .................................................................................................................... 38 Hình 3.8. Ảnh hưởng của lượng vật liệu đến khả năng quang xúc tác .................... 38 Hình 3.9. Hiệu suất phân hủy phẩm màu bằng H2O2theo thời gian ........................ 39 Hình 3.10. Khả năng tái sử dụng của vật liệu BNO750 .......................................... 40 i
7. DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT STT Viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt 1 BNO BiNbO4 Bitmut Niobat 2 BOD Biological oxygen demand Nhu cầu oxy sinh hóa 3 CB Conduction band Vùng dẫn 4 COD Chemical oxygen demand Nhu cầu oxy hóa học 5 DO Dissolved oxygen Oxy hòa tan 6 DTA Differential thermal analysis Phân tích nhiệt vi sai Nhiệt khối lượng/ đạo Thermogravimetry/Derivative 7 TG/DTG hàm đường cong nhiệt thermogravimetry khối lượng 8 Eg Band gap energy Năng lượng vùng cấm 9 MB Methylene blue Xanh metylen 10 MO Methyl orange Metyl da cam 11 PVA Poly vinyl alcohol Poli vinyl ancol Scanning Electron Kính hiển vi điện tử 12 SEM Microscopy quét Transmission Electron Kính hiển vi điện tử 13 TEM Microscopy truyền qua 14 UV-Vis Ultra violet - visible Tử ngoại – khả kiến 15 VB Valance band Vùng hóa trị 16 XRD X – Ray Diffraction Nhiễu xạ tia X ii
8. Trần Thị Phương – K26 Hóa Môi trường Luận văn Thạc sỹ Khoa học MỞ ĐẦU Trong thế giới hiện đại, ô nhiễm môi trường đang là một trong các vấn đề được quan tâm hàng đầu. Cùng với sự gia tăng các hoạt động công nghiệp là sự sản sinh ra các chất thải độc hại có tác động tiêu cực trực tiếp đến sức khỏe con người và hệ sinh thái. Các quá trình của công nghệ dệt, nhuộm, sản xuất dược phẩm, sơn, giấy đã tạo ra các nguồn ô nhiễm chứa các hợp chất hữu cơ độc hại.Trong đó, việc nghiên cứu xử lý tính độc và ô nhiễm màu trong nước của các loại thuốc nhuộm, chất màu đang được đặc biệt quan tâm.Những hợp chất này không dễ dàng bị phân hủy. Cho đến nay, một số phương pháp đã được kết hợp để xử lý hiệu quả nước thải chứa chất màu, với một trong các mục tiêu chính là khử màu. Trong đó, những phương pháp thân thiện với môi trường, không có chất thải rắn đang ngày càng được chú trọng và mang đến những kết quả triển vọng. Một trong những hướng nghiên cứu đó là sử dụng các vật liệu quang xúc tác để chuyển hóa năng lượng ánh sáng mặt trời thành năng lượng hóa học trong việc xử lý các chất ô nhiễm môi trường. Trước đây, vật liệu quang xúc tác chủ yếu được nghiên cứu là TiO2 với các ưu điểm như rẻ tiền, ít độc hại, độ bền quang hóa cao, ...[25, 33]. Tuy nhiên, vật liệu này có các nhược điểm cần khắc phục như hoạt tính quang xúc tác của TiO2 là thấp trong vùng ánh sáng nhìn thấy do độ rộng vùng cấm lớn (năng lương vùng cấm Eg xấp xỉ 3,2 eV tương đương với bước sóng hấp thụ trong khoảng λ ≤ 400 nm) và khó thu hồi để tái sử dụng [15,20]. Hầu hết các nghiên cứu về vật liệu quang xúc tác phân hủy hợp chất hữu cơ độc hại dưới các bức xạ vùng tử ngoại, trong khi năng lượng tử ngoại chỉ chiếm lượng nhỏ khoảng 8% tổng năng lượng bức xạ mặt trời. Một phần lớn năng lượng mặt trời chưa được sử dụng (chiếm khoảng 48% trong tổng năng lượng) đó là năng lượng của các bức xạ trong vùng ánh sáng khả kiến. Vì vậy, cần thiết phải nghiên cứu và phát triển các vật liệu xúc tác có hoạt tính quang xúc tác trong vùng ánh sáng khả kiến để tận dụng được nguồn năng lượng từ ánh sáng mặt trời. 1
9. Trần Thị Phương – K26 Hóa Môi trường Luận văn Thạc sỹ Khoa học Các hướng nghiên cứu liên quan đến vật liệu quang xúc tác đang được các nhà nghiên cứu quan tâm là doping TiO2 bằng các nguyên tố kim loại hoặc phi kim để giảm năng lượng vùng cấm hoặc tìm kiếm các loại vật liệu mới. Trong đó, BiNbO4 là một trong những vật liệu hệ ABO4 đang được quan tâm nghiên cứu do tính chất đặc biệt, là hoạt tính xúc tác quang cao với năng lượng vùng cấm khoảng từ 2,5 eV đến 2,8 eV [37], hứa hẹn sẽ có nhiều tính chất thú vị như khả năng bền hóa học [12] và khả năng xúc tác dị thể [11, 19, 32, 34]. Đặc biệt hơn, khi sử dụng BiNbO4 cho phép phân hủy các chất ô nhiễm hữu cơ độc hại trong nước dưới ánh sáng trong vùng khả kiến [14, 29]; hiệu suất quang xúc tác lớn hơn rất nhiều so với TiO2. Từ những vấn đề trên, với mong muốn góp một phần nhỏ cho sự phát triển ngành vật liệu mới, chúng tôi tiến hành nghiên cứu để tài: “Nghiên cứu tổng hợp, và đặc trưng cấu trúc vật liệu nano BiNbO4 để xử lý một số chất hữu cơ ô nhiễm trong môi trường nước”. 2